内科大安全环境监测技术教案第8章 岩土工程安全检测.docx

课程名称：安全环境监测技术授课章节第20次课：第8章岩±1程安全检测8.1岩土工程安全的自然条件；8.2岩土工程安全监测；8.3工程岩体声波测试技术；8.4声发射技术及其应用。目的要求了解岩土工程安全的自然条件及影响因素、位移及压力测量仪器；了解并理解声发射技术的基本原理、检测仪器、换能器及应用；掌握岩土工程安全监测方法、测试仪器和基本方法。重点难点重点：岩土工程安全监测方法和器和基本方法；难点：探地雷达探测技术及其在工程中的应用第8章岩土工程安全检测8.1安全自然条件一.地应力：影响工程位置。二.地质条件：节理、层面、片理、断层等使强度降低。三.力学性质：强度指标和变形参数，使岩体稳定的主要指标。四.地下水：岩土软化，强度降低，减小裂隙间的粘结力和摩擦力。五.环境因素：地震、地下水、气象、地层错位等。8.2安全监测即长期观测，仪器设备适合野外工作条件。一.监测仪器：变形类；压力类；渗流类；温度类及动态检测仪器。二.监测方法：观测基准值；观测频率的确定；观测物理量的确定；观测成果图表的确定。8.3岩体声波测试技术声测技术属现代物理技术，广泛应用于水工，机械，医疗卫生，矿山，国防，土建等。岩体声波测试，是在一定点向岩体发射一定频率的脉冲声波，由于波可以在介质中传播，这样，在发射点一定距离处，可以接受到声波信号，利用这种方法，可以研究声波在岩石中的传播途径，这种方法在地质勘探及岩石力学研究中，已成为常用的和很有发展前途的一种无破损测试手段。点名，己讲内容回顾，引入新课（约10分钟）（约5分钟）（约5分钟）8.3.1岩体声波测试的基本原理D声波测试中的声波特征(1)声波的波速：即声波在介质中的传播速度，当介质受到扰动后产生的弹性变形，它在平衡位置振动或旋转，扰动以一定速度不断向前传递，也就是声波以一定速度传播。(2)声波的频率:岩体声测技术涉及的声波频率一般是指几千赫兹至几兆赫兹的声波或超声波。(3)纵波(P波)：声波在介质中传播，表现为压缩或膨胀交替出现，所以又叫压缩波，膨胀波或疏密波，简称为P波。其特点是质点振动方向与波的传播方向一致。(4)横波(S波)是剪切变形引起的质点振动所形成的波，其特点是质点的振动方向与波的传播方向垂直，并且只能在固体中传播。2)岩石的弹性参数与波速之间的关系根据我们以前学过的弹性力学中弹性介质的波动理论，在无限介质中，纵波及横波与岩石的弹性参数有以下关系：V=.W'VP(1+M)(1-2W)_IEd-“Vp2(1+Z)(约10分钟)(约10分钟)可视为无限介质的条件为：垂直传播方向的尺寸为：D10沿传播方向的尺寸为：满足以上条件，可以按照无限介质处理。若声波在有限介质中传播，常见的是杆体内的声波，我们把它成为柱波，它是波的一种，只是垂直传播方向的尺寸足够小，才存在。细长杆中的柱波与弹性参数有以下关系：勺=栏可视为细长杆弹性介质的条件为：3f>,5D3)岩体的物理力学特性对波速的影响(1)岩性对波速的影响：岩性越好，越致密，波速越高，据此可以划分岩性，岩层等。(2)岩体结构对声波传播速度的影响：结构面越多，风化越强，波速越低,与结构面垂直方向的波速低于平行方向的波速。(3)岩体应力状态对波速的影响：随着岩石应力的增加，岩石裂隙闭合，孔隙减小，使波速增加；但当应力增加到超过岩石的弹性状态进入破坏状态时，裂隙再次出现，岩石即将破坏，波速也将急速下降。(4)岩体强度对波速的影响:岩石的单轴抗压强度与波速成正比：SC=10匕;(其中§。单位为1/(：11?,分为kms)vp=124JRC-15+1385(%为m/s,RC为kgan2)(5)湿度对波速的影响：湿度增加波速略有增加，当含水量达70%以上时,波速增加较快。8.3.2岩体声波测试技术常用的声波探测仪器1)声波换能器(声波探头)(1)类型：横波探头，纵波探头。(2)结构组成：a.压电晶体b.辐射体c.配重CL外壳e.引线如图：(3)电特性：a.输入输出阻抗：低阻；b.谐振频率：即工作频率几千赫一几兆；c.辐射方向：单向辐射；d.辐射角：越小越好。有时用指向性表示。2)声波探测仪的工作原理发射系统发射探头岩石试样接受探头接受放大器记时 显 示触发信号(约10分钟)(约10分钟)如图所示：其中：发射系统由单稳，脉冲放大和发射探头三部分组成。接收，计时，显示由接收探头，放大，示波，计数，标刻，扫描延时，发射延时和振荡器八部分组成。8. 3.3岩体声波探测的基本方法1）透射波法（直达波法）2）反射波法（回波法）3）折射波法（首波法）4）波形的识别方法5）探头的耦合：为了使探头与被测介质紧密接触，尽量减小能量损失及时间误差，探头与介质之间用耦合剂耦合，对于纵波探头，可用黄干油，凡士林作为耦合剂，横波探头可用石腊，杨酸苯脂等热熔固定耦合。8. 3.4岩体声测技术的应用D岩石弹性模量和泊松比的确定（动态）P2（1+川）（1一2"）夕4（3-4；）2Ed=*1,=2=2A1+W）匕Ifd2勺一匕V2-Iv2d=、2（-吵（1）纵波速度的测量方法可选用放5XlOCnl或5X5X10Cnl标准试件，按无限介质理论：DHlo2jTu2=V=5OOOM/s,=-=5mmfIO.f=上=5OOO<s=0（即选用1兆赫的声波探头，然后用透射5x10-3机波法求出勺。（2）横波速度的测量用横波初至时间的确定方法确定起跳点，利用传播时间和传播距离确定（约10分钟）（约10分钟）2）井巷围岩松动圈的确定：3）声波测井：4）地下矿柱稳定性的测定：5）井巷岩体主应力方向的测定：8.4岩体声发射技术及应用1）岩石的声发射现象大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。1950年，德国人凯泽（IKaiser）发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做凯泽效应。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。后来国外许多学者证实了在岩石压缩试验中也存在凯泽效应，许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、安山岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩等，也具有显著的凯泽效应，从而为应用这一技术测定岩体初始应力奠定了基础。2）岩石的微震现象大量研究资料表明，岩体在破坏之前，必然持续一段时间以声波的形式释放积蓄的能量。矿床开采活动在岩体中引起弹性变形和非弹性变形，在岩体中积蓄的弹性势能在非弹性变形过程中以震动波的形式被逐步或突然释放出去，这种能量释放的强度，随着结构临近失稳而变化，导致岩体内部发生微震事件。这种通过分析微震事件产生的信号（位置、震级等参数）特征，推断开挖过程中的岩体状态和矿岩的力学行为，估测矿岩是否发生破坏，以实现防止、控制和预测潜在的不稳定岩体，从而避免危险事故发生技术，称为微震监测技术。岩石的声发射和微震现象在一些文献里并没有严格的区别，一般情况下，在实验室里试样加载所得到的是声发射信号，在现场得到的是微震信号。（约5分钟）（约2分钟）8.5探地雷达探测技术及其在工程中的应用探地雷达（GroUndPenetratingRadar,简称GPR）技术是雷达技术与地质科学技术相结合产生的地球物理探测技术。具有探测效率高，操作简单；采样迅速，无损伤探测；精度较高，探测分辨率可达厘米级；频带宽，抗干扰能力较强等优点，现己广泛应用于地质工程、环境工程、岩土工程、交通工程、市政工程、水利工程、结构工程和考占调查等相关领域。探地雷达的工作原理是：高频电磁波以宽频脉冲的形式，通过发射天线定向送入地下，经过存在电性差异的地下地层或日标体的反射后返回地面，由接收天线接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度以及波形等将随所通过介质的电特性和几何形态的变化而变化。因此，通过对时域波形的采集、处理和分析，可以确定地下界面、地质体的空间位置及结构。探地雷达技术作为一种高效的无损探测手段，在矿井中掘进和生产做得到广泛应用。根据工程实际情况，探地雷达技术可以用于井下地质条件调查、地质灾害超前预报、支护结构质量检测、隧道病害探查等，伴随着矿井从选址、开挖到采矿，再到冒落的全过程。旱在20世纪70年代，关国联邦高速公路管理部门就将探地雷达应用于公路隧道建设的可行性进行了试验研究；在我国，探地雷达应用矿井勘探和生产，起步较晚，但在公路、铁路隧道工程的质量检测和积水病害探测等方而也做了大量的工作，积累了丰富的经验。【思考题】1、巷道位移监测用什么监测设备适合采矿生产？2、露天矿边坡位移监测有几种方法？3、如何防止人为破坏的环境下监测地面沉降？【课堂教学小结】（3分钟）1、岩土工程安全监测可根据岩土工程设施的位移（应变）、应力、水文等变化进行稳定性分析，为安全生产提供保障。2、岩土工程监测仪器多位长期观测的智能仪器，以减少劳动强度和保证人身安全。3、岩石多点微震监测系统、边坡合成孔径雷达系统、探地雷达系统等一批现代监测设备在岩土工程领域得到越来越广泛的应用。