论声发射技术在土木工程中的应用

【摘要】本文通过介绍声发射技术的概念、原理、以及在土木工程中的应用，说明声发射技术的发展前景和在业内的重要作用。声发射技术以及在很多方面得到了重用，但是相继也出现了一些在应用上的现状问题。

【关键词】声发射技术；土木工程；应用

中图分类号：S969.1 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

随着时代的变迁，声发射技术已经在土木工程建筑中得到了广泛的应用，声发射技术是一种最新型的检测技术，本文首先将介绍声发射的定义和声发射技术的工作原理，然后会具体分析声发射技术在土木工程中的具体作用。

二、声发射技术的概念

声发射(Acousticemission 简称AE)又称应力波发射，是材料或零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。这种弹性波以声波形式存在，频率范围很宽包括数赫兹到数兆赫兹，如果能量足够大，并且频率集中在声音频段内，则可以被人耳所听见。诸多原因可以产生声发射，如材料裂纹、断裂、应力再分配、撞击及摩擦等。

三、声发射的基本原理

声发射检测的原理，从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。固体材料中内应力的变化产生声发射信号, 在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能引起内应力的变化，如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等。人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。

一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。

四、声发射技术在在土木工程中的应用

1、 声发射技术原理

Kaiser效应是德国学者Kaiser在1963年研究金属声发射特性时发现的,材料被重新加载期间,在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号,也就是说,岩土体在受荷载作用时引起内部微裂纹的产生、发展、错位、颗粒界面的移动、破坏等都会产生声发射;岩体声发射的频次、多少、激烈程度岩土体的破坏过程密切相关,岩土体破坏愈严重,岩体声发射频次愈高,释放能量愈大,因此,通过岩土体声发射频次、能量等有关指标在一定程度上反映了岩体结构特征及其破坏过程,这是声发射技术在岩土工程应用的主要依据。

2、 声发射技术参数

岩体声发射水平一般可通过声发射的频次(单位时间内,发生声发射累计次数)、大事件率(单位时间内声发射事件大于某一阀值的声发射累积数)、能率(单位时间内产生声发射释放的能量的相对累积值)。通过AE事件频次可以看出发生岩体破裂的程度,应力分布状态,是评价结构危险程度的重要标志;大事件率是衡量岩体稳定的主要参数之一;能率反映的是岩体破裂前AE事件所释放的能量变化。

3、 声发射技术的工程应用

（一）、矿山采场安全等级划分

从声发射参数体现了岩体从稳定到破坏发展及危险阶段不同的声发射特性,根据声发射参数为主将采场岩体稳定情况动态划分为不同的安全等级,能很好地跟踪采场安全动态变化过程,为安全生产提供预报信息,减少损失,也为采场的安全管理提出了一种科学简便的新方法。文献[7]中的金川二矿区801#采场引入声发射技术进行连续两天监测3#孔,发现3#所在矿柱受力开裂引起声发射参数剧增,说明矿柱承载力显著下降,有冒落危险,即刻停止作业。2h后岩体塌滑200m3,没有造成人员伤亡和设备损失。

（二）、测量地应力

工程常用的测量地应力的方法很多,主要有应力解除法、扁千斤顶法、水压致裂法等这些方法工艺复杂,费时费钱,测量结果具有不确定性,这在一定程度上限制了现场岩体应力量测的推广使用。采用声发射技术测量地应力是从地层中取出岩芯(岩样),将岩芯在实验室进行再次加载,根据其岩石破裂过程声发射时的应力状态推算出地应力。这种量测方法将现场测量移进实验室,经济有效、还可简捷方便地获得大量实测数据,提高测量数据的可靠度和准确性。自从Goodman证实了凯塞效应的存在,在1976年日本的金川忠、北源义浩及林正夫等人率先用凯塞效应评价地下结构及原子发电站基础中的应力状态,取得较理想的结果,与现场实测应力比较,误差在10%以内,能较好地满足工程精度的要求。我国张大鹏、李造鼎、林韵梅等用该方法对五龙金矿的水平和垂直应力进行了实测,实测值比理论值稍许偏多,在10%以内(垂直应力比理论值偏高2.42%)[3]。

（三）、声发射技术在边坡工程中的应用

三峡水利枢纽建设的永久性船闸,为双线5级船闸,两线闸室间高50～70m,宽60m的直立中隔墩。船闸南北两侧最终形成上缓下陡岩质高边坡,边坡开挖与永久支护加固过程中出现不稳定与局部垮落现象,为不影响工程进度,保护施工人员及设备的安全,对边坡开挖与加固过程中的边坡稳定性及垮落等进行监测预报。

（四）、声发射技术在水利工程中的应用

水力发电离不开水轮机组和蜗壳,2001年1月、3月先后对三峡水利工程左岸厂房1号、3号水轮发电机组座环和蜗壳在充水升压和保压阶段进行了声发射检测。蜗壳1号水轮发电机组座环和蜗壳声发射传感器布置[9]如图2。通过声发射实时监控检测,发现了蜗壳03管节与大舌板对接焊缝的咬边在充水升压和保压阶段产生裂纹并扩展,经测量裂纹深度在1.0～2.5mm,这促使加拿大通用(GE)公司重视焊缝咬边问题,改变了按ASME标准对咬边深度允许值较大的质量要求,消除了事故隐患,这是常规无损检测方法所不能发现的。

五、声发射技术的优点和缺点

优点：

1.声发射检测是一种被动检验方法，探测到的能量来自被测试物体本身，而不是像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供；

2.声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号；

3.在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状态，因此效率高；

4.可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。

缺点：

1.不能检测静态的缺陷，如铸造件中的一些气泡等缺陷；

2.不能精确地检测到缺陷的大小，只能知道大概的缺陷范围；

3.检测过程中，在信号很微弱的情况下，很难准确得到缺陷信号，噪声和干扰信号影响较大，容易把噪声和干扰信号当成缺陷信号，对评估产生影响。

六、 声发射技术的应用发展

人们知道声发射这一现象是很早以前的事,然而人们真正开始研究这一现象却是近几十年的事。1937年美国杰克逊提出研究该现象的建议,奥伯特(Obert)和杜瓦尔(Duvall)在不深的矿山进行研究,检测到了声发射并于1940年在阿米克铜矿观测到爆发性声发射,预报了岩爆的来临,从此,声发射技术开始了它飞速发展的时期。

20世纪90年代以来,由于计算机技术和信号处理技术的迅速发展,以神经网络和小波分析为基础的声发射技术得到在岩土工程中应用和进一步发展。二十多年来,我国声发射技术在研究、应用的深度和广度上都有比较大的发展。

从声发射理论和应用情况看,虽然声发射技术的理论研究已经取得了显著的成绩,但仍落后于工程实际应用。由于声发射技术可以检测大范围任何部位的被测物体;也可于对任何形状的结构;可以不破坏被测试体进行实时监测;由于地震波与声发射信号具有相似的随机性、非平稳过程,还可以进行地震预测预报,所以声发射技术具有良好的应用前景。

但也存在着一些问题:

(1)声发射机理的研究尚不太成熟,因而限制了声发射技术的应用与发展;

(2)声发射技术的发展离不开声发射仪器发展,声发射信号的分析与处理方法能力还不能有效除噪、分频,进一步限制更有效地应用AE技术。

七、结论

本文详细分析了声发射技术的定义与原理、土木建筑工程中的应用以及声发射技术的优点及缺点。意在说明，随着科技的不断进步，新的科技产物必将应运而生，并且得到重用，这是一个时代的发展趋势。然而每一项技术的出现也会伴随着一些问题的产生，只有通过不断地总结和研究才能得到最大的发挥，以期达到最佳效果。

[参考文献]

[1].严明,苗放,王士天,黄润秋;岩体声发射监测在马步坎高边坡岩体稳定研究中的应用[J];地质灾害与环境保护;1998年01期

[2]. 尹贤刚,李庶林;声发射技术在岩土工程中的应用[J];采矿技术;2002年04期

[3].李金河,玉国进;永久船闸边坡稳定性声发射监测[J];岩土力学;2001年04期