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

課程名稱：安全環(huán)境監(jiān)測技術(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；8.3工程巖體聲波測試技術(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、位移及壓力測量儀器；了解并理解聲發(fā)射技術(shù)的基本原理、檢測儀器、換能器及應(yīng)用；掌握巖土工程安全監(jiān)測方法、測試儀器和基本方法。重點難點重點：巖土工程安全監(jiān)測方法和器和基本方法；難點：探地雷達(dá)探測技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用第8章巖土工程安全檢測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、斷層等使強度降低。三．力學(xué)性質(zhì)：強度指標(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、地層錯位等。8.2安全監(jiān)測即長期觀測，儀器設(shè)備適合野外工作條件。一．監(jiān)測儀器：變形類；壓力類；滲流類；溫度類及動態(tài)檢測儀器。二．監(jiān)測方法：觀測基準(zhǔn)值；觀測頻率的確定；觀測物理量的確定；觀測成果圖表的確定。8.3巖體聲波測試技術(shù)聲測技術(shù)屬現(xiàn)代物理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水工，機械，醫(yī)療衛(wèi)生，礦山，國防，土建等。巖體聲波測試，是在一定點向巖體發(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)射點一定距離處，可以接受到聲波信號，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)展前途的一種無破損測試手段。點名，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巖體聲波測試的基本原理1）聲波測試中的聲波特征(1)聲波的波速：即聲波在介質(zhì)中的傳播速度，當(dāng)介質(zhì)受到擾動后產(chǎn)生的彈性變形，它在平衡位置振動或旋轉(zhuǎn)，擾動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，簡稱為p波。其特點是質(zhì)點振動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)點振動所形成的波，其特點是質(zhì)點的振動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)的波動理論，在無限介質(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)長桿中的柱波與彈性參數(shù)有以下關(guān)系：可視為細(xì)長桿彈性介質(zhì)的條件為：（約10分鐘）（約10分鐘）3）巖體的物理力學(xué)特性對波速的影響(1)巖性對波速的影響：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)對聲波傳播速度的影響：結(jié)構(gòu)面越多，風(fēng)化越強，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，裂隙再次出現(xiàn)，巖石即將破壞，波速也將急速下降。(4)巖體強度對波速的影響:巖石的單軸抗壓強度與波速成正比：(5)濕度對波速的影響：濕度增加波速略有增加，當(dāng)含水量達(dá)70%以上時，波速增加較快。8.3.2巖體聲波測試技術(shù)常用的聲波探測儀器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：單向輻射；d.輻射角：越小越好。有時用指向性表示。2）聲波探測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，計時，顯示由接收探頭，放大，示波，計數(shù)，標(biāo)刻，掃描延時，發(fā)射延時和振蕩器八部分組成。8.3.3巖體聲波探測的基本方法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）波形的識別方法5）探頭的耦合：為了使探頭與被測介質(zhì)緊密接觸，盡量減小能量損失及時間誤差，探頭與介質(zhì)之間用耦合劑耦合，對于縱波探頭，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巖體聲測技術(shù)的應(yīng)用1）巖石彈性模量和泊松比的確定(動態(tài))(1)縱波速度的測量方法可選用5×10cm或5×5×10cm標(biāo)準(zhǔn)試件，按無限介質(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)橫波速度的測量用橫波初至?xí)r間的確定方法確定起跳點，利用傳播時間和傳播距離確定（約10分鐘）（約10分鐘）2）井巷圍巖松動圈的確定：3）聲波測井：4）地下礦柱穩(wěn)定性的測定：5）井巷巖體主應(yīng)力方向的測定：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)材料變形和斷裂時有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。1950年，德國人凱澤（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，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)折點稱為凱澤點，該點對應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。后來國外許多學(xué)者證實了在巖石壓縮試驗中也存在凱澤效應(yīng)，許多巖石如花崗巖、大理巖、石英巖、砂巖、安山巖、輝長巖、閃長巖、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)一段時間以聲波的形式釋放積蓄的能量。礦床開采活動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能在非彈性變形過程中以震動波的形式被逐步或突然釋放出去，這種能量釋放的強度，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（位置、震級等參數(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，估測礦巖是否發(fā)生破壞，以實現(xiàn)防止、控制和預(yù)測潛在的不穩(wěn)定巖體，從而避免危險事故發(fā)生技術(shù)，稱為微震監(jiān)測技術(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，在實驗室里試樣加載所得到的是聲發(fā)射信號，在現(xiàn)場得到的是微震信號。（約5分鐘）8.5探地雷達(dá)探測技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用探地雷達(dá)(GroundPenetratingRadar，簡稱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)生的地球物理探測技術(shù)。具有探測效率高，操作簡單；采樣迅速，無損傷探測；精度較高，探測分辨率可達(dá)厘米級；頻帶寬，抗干擾能力較強等優(yōu)點，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，其路徑、電磁場強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，通過對時域波形的采集、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)作為一種高效的無損探測手段，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、支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測、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)行了試驗研究;在我國，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)量檢測和積水病害探測等方而也做了大量的工作，積累了豐富的經(jīng)驗?！舅伎碱}】1、巷道位移監(jiān)測用什么監(jiān)測設(shè)備適合采礦生產(chǎn)？2、露天礦邊坡位移監(jiān)測有幾種方法？3、