內(nèi)科大安全環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)教案第8章 巖土工程安全檢測(cè)

課程名稱：安全環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)授課章節(jié)8.1巖土工程安全的自然條件；8.2巖土工程安全監(jiān)測(cè)；8.3工程巖體聲波測(cè)試技術(shù)；8.4聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用。目的要求了解巖土工程安全的自然條件及影響因素、位移及壓力測(cè)量?jī)x器；了解并理解聲發(fā)射技術(shù)的基本原理、檢測(cè)儀器、換能器及應(yīng)用；掌握巖土工程安全監(jiān)測(cè)方法、測(cè)試儀器和基本方法。重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：巖土工程安全監(jiān)測(cè)方法和器和基本方法；難點(diǎn)：探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用第8章巖土工程安全檢測(cè)8.1安全自然條件一．地應(yīng)力：影響工程位置。二．地質(zhì)條件：節(jié)理、層面、片理、斷層等使強(qiáng)度降低。三．力學(xué)性質(zhì)：強(qiáng)度指標(biāo)和變形參數(shù)，使巖體穩(wěn)定的主要指標(biāo)。四．地下水：巖土軟化，強(qiáng)度降低，減小裂隙間的粘結(jié)力和摩擦力。五．環(huán)境因素：地震、地下水、氣象、地層錯(cuò)位等。8.2安全監(jiān)測(cè)即長(zhǎng)期觀測(cè)，儀器設(shè)備適合野外工作條件。一．監(jiān)測(cè)儀器：變形類；壓力類；滲流類；溫度類及動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀器。二．監(jiān)測(cè)方法：觀測(cè)基準(zhǔn)值；觀測(cè)頻率的確定；觀測(cè)物理量的確定；觀測(cè)成果圖表的確定。8.3巖體聲波測(cè)試技術(shù)聲測(cè)技術(shù)屬現(xiàn)代物理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水工，機(jī)械，醫(yī)療衛(wèi)生，礦山，國(guó)防，土建等。巖體聲波測(cè)試，是在一定點(diǎn)向巖體發(fā)射一定頻率的脈沖聲波，由于波可以在介質(zhì)中傳播，這樣，在發(fā)射點(diǎn)一定距離處，可以接受到聲波信號(hào)，利用這種方法，可以研究聲波在巖石中的傳播途徑，這種方法在地質(zhì)勘探及巖石力學(xué)研究中，已成為常用的和很有發(fā)展前途的一種無(wú)破損測(cè)試手段。點(diǎn)名，已講內(nèi)容回顧，引入新課（約10分鐘）（約5分鐘）（約5分鐘）8.3.1巖體聲波測(cè)試的基本原理1）聲波測(cè)試中的聲波特征(1)聲波的波速：即聲波在介質(zhì)中的傳播速度，當(dāng)介質(zhì)受到擾動(dòng)后產(chǎn)生的彈性變形，它在平衡位置振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，擾動(dòng)以一定速度不斷向前傳遞，也就是聲波以一定速度傳播。(2)聲波的頻率:巖體聲測(cè)技術(shù)涉及的聲波頻率一般是指幾千赫茲至幾兆赫茲的聲波或超聲波。(3)縱波（p波）：聲波在介質(zhì)中傳播，表現(xiàn)為壓縮或膨脹交替出現(xiàn)，所以又叫壓縮波，膨脹波或疏密波，簡(jiǎn)稱為p波。其特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致。(4)橫波（s波）是剪切變形引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)所形成的波，其特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，并且只能在固體中傳播。2）巖石的彈性參數(shù)與波速之間的關(guān)系根據(jù)我們以前學(xué)過的彈性力學(xué)中彈性介質(zhì)的波動(dòng)理論，在無(wú)限介質(zhì)中，縱波及橫波與巖石的彈性參數(shù)有以下關(guān)系：可視為無(wú)限介質(zhì)的條件為：垂直傳播方向的尺寸為：D≧10沿傳播方向的尺寸為：滿足以上條件，可以按照無(wú)限介質(zhì)處理。若聲波在有限介質(zhì)中傳播，常見的是桿體內(nèi)的聲波，我們把它成為柱波，它是波的一種，只是垂直傳播方向的尺寸足夠小，才存在。細(xì)長(zhǎng)桿中的柱波與彈性參數(shù)有以下關(guān)系：可視為細(xì)長(zhǎng)桿彈性介質(zhì)的條件為：（約10分鐘）（約10分鐘）3）巖體的物理力學(xué)特性對(duì)波速的影響(1)巖性對(duì)波速的影響：巖性越好，越致密，波速越高，據(jù)此可以劃分巖性，巖層等。(2)巖體結(jié)構(gòu)對(duì)聲波傳播速度的影響：結(jié)構(gòu)面越多，風(fēng)化越強(qiáng)，波速越低，與結(jié)構(gòu)面垂直方向的波速低于平行方向的波速。(3)巖體應(yīng)力狀態(tài)對(duì)波速的影響：隨著巖石應(yīng)力的增加，巖石裂隙閉合，孔隙減小，使波速增加；但當(dāng)應(yīng)力增加到超過巖石的彈性狀態(tài)進(jìn)入破壞狀態(tài)時(shí)，裂隙再次出現(xiàn)，巖石即將破壞，波速也將急速下降。(4)巖體強(qiáng)度對(duì)波速的影響:巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與波速成正比：(5)濕度對(duì)波速的影響：濕度增加波速略有增加，當(dāng)含水量達(dá)70%以上時(shí)，波速增加較快。8.3.2巖體聲波測(cè)試技術(shù)常用的聲波探測(cè)儀器1）聲波換能器（聲波探頭）(1)類型：橫波探頭，縱波探頭。(2)結(jié)構(gòu)組成：a.壓電晶體b.輻射體c.配重d.外殼e.引線如圖：(3)電特性：a.輸入輸出阻抗：低阻；b.諧振頻率：即工作頻率幾千赫—幾兆；c.輻射方向：?jiǎn)蜗蜉椛?；d.輻射角：越小越好。有時(shí)用指向性表示。2）聲波探測(cè)儀的工作原理如圖所示：（約10分鐘）（約10分鐘）其中：發(fā)射系統(tǒng)由單穩(wěn)，脈沖放大和發(fā)射探頭三部分組成。接收，計(jì)時(shí)，顯示由接收探頭，放大，示波，計(jì)數(shù)，標(biāo)刻，掃描延時(shí)，發(fā)射延時(shí)和振蕩器八部分組成。8.3.3巖體聲波探測(cè)的基本方法1）透射波法（直達(dá)波法）2）反射波法（回波法）3）折射波法（首波法）4）波形的識(shí)別方法5）探頭的耦合：為了使探頭與被測(cè)介質(zhì)緊密接觸，盡量減小能量損失及時(shí)間誤差，探頭與介質(zhì)之間用耦合劑耦合，對(duì)于縱波探頭，可用黃干油，凡士林作為耦合劑，橫波探頭可用石臘，楊酸苯脂等熱熔固定耦合。8.3.4巖體聲測(cè)技術(shù)的應(yīng)用1）巖石彈性模量和泊松比的確定(動(dòng)態(tài))(1)縱波速度的測(cè)量方法可選用5×10cm或5×5×10cm標(biāo)準(zhǔn)試件，按無(wú)限介質(zhì)理論：D≧10∴f=即選用1兆赫的聲波探頭，然后用透射波法求出。(2)橫波速度的測(cè)量用橫波初至?xí)r間的確定方法確定起跳點(diǎn)，利用傳播時(shí)間和傳播距離確定（約10分鐘）（約10分鐘）2）井巷圍巖松動(dòng)圈的確定：3）聲波測(cè)井：4）地下礦柱穩(wěn)定性的測(cè)定：5）井巷巖體主應(yīng)力方向的測(cè)定：8.4巖體聲發(fā)射技術(shù)及應(yīng)用1）巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測(cè)出來(lái)。用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。1950年，德國(guó)人凱澤（J.Kaiser）發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫做凱澤效應(yīng)。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為凱澤點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。后來(lái)國(guó)外許多學(xué)者證實(shí)了在巖石壓縮試驗(yàn)中也存在凱澤效應(yīng)，許多巖石如花崗巖、大理巖、石英巖、砂巖、安山巖、輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、片麻巖、輝綠巖、灰?guī)r、礫巖等，也具有顯著的凱澤效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測(cè)定巖體初始應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。2）巖石的微震現(xiàn)象大量研究資料表明，巖體在破壞之前，必然持續(xù)一段時(shí)間以聲波的形式釋放積蓄的能量。礦床開采活動(dòng)在巖體中引起彈性變形和非彈性變形，在巖體中積蓄的彈性勢(shì)能在非彈性變形過程中以震動(dòng)波的形式被逐步或突然釋放出去，這種能量釋放的強(qiáng)度，隨著結(jié)構(gòu)臨近失穩(wěn)而變化，導(dǎo)致巖體內(nèi)部發(fā)生微震事件。這種通過分析微震事件產(chǎn)生的信號(hào)（位置、震級(jí)等參數(shù)）特征，推斷開挖過程中的巖體狀態(tài)和礦巖的力學(xué)行為，估測(cè)礦巖是否發(fā)生破壞，以實(shí)現(xiàn)防止、控制和預(yù)測(cè)潛在的不穩(wěn)定巖體，從而避免危險(xiǎn)事故發(fā)生技術(shù)，稱為微震監(jiān)測(cè)技術(shù)。巖石的聲發(fā)射和微震現(xiàn)象在一些文獻(xiàn)里并沒有嚴(yán)格的區(qū)別，一般情況下，在實(shí)驗(yàn)室里試樣加載所得到的是聲發(fā)射信號(hào)，在現(xiàn)場(chǎng)得到的是微震信號(hào)。（約5分鐘）8.5探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用探地雷達(dá)(GroundPenetratingRadar，簡(jiǎn)稱GPR)技術(shù)是雷達(dá)技術(shù)與地質(zhì)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的地球物理探測(cè)技術(shù)。具有探測(cè)效率高，操作簡(jiǎn)單；采樣迅速，無(wú)損傷探測(cè)；精度較高，探測(cè)分辨率可達(dá)厘米級(jí)；頻帶寬，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)工程、環(huán)境工程、巖土工程、交通工程、市政工程、水利工程、結(jié)構(gòu)工程和考占調(diào)查等相關(guān)領(lǐng)域。探地雷達(dá)的工作原理是：高頻電磁波以寬頻脈沖的形式，通過發(fā)射天線定向送入地下，經(jīng)過存在電性差異的地下地層或日標(biāo)體的反射后返回地面，由接收天線接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度以及波形等將隨所通過介質(zhì)的電特性和幾何形態(tài)的變化而變化。因此，通過對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可以確定地下界面、地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。探地雷達(dá)技術(shù)作為一種高效的無(wú)損探測(cè)手段，在礦井中掘進(jìn)和生產(chǎn)做得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)工程實(shí)際情況，探地雷達(dá)技術(shù)可以用于井下地質(zhì)條件調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)、支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)、隧道病害探查等，伴隨著礦井從選址、開挖到采礦，再到冒落的全過程。旱在20世紀(jì)70年代，關(guān)國(guó)聯(lián)邦高速公路管理部門就將探地雷達(dá)應(yīng)用于公路隧道建設(shè)的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)研究;在我國(guó)，探地雷達(dá)應(yīng)用礦井勘探和生產(chǎn)，起步較晚，但在公路、鐵路隧道工程的質(zhì)量檢測(cè)和積水病害探測(cè)等方而也做了大量的工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。【思考題】1、巷道位移監(jiān)測(cè)用什么監(jiān)測(cè)設(shè)備適合采礦生產(chǎn)？2、露天礦邊坡位移監(jiān)測(cè)有幾種方法？3、