地應(yīng)力測(cè)量的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述

王從顏

[摘要]地應(yīng)力測(cè)量（In situ stress measurement），就是確定擬開(kāi)挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動(dòng)的三維應(yīng)力狀態(tài)。本文以巖石Kaiser效應(yīng)為例，通過(guò)收集大量的國(guó)內(nèi)外有關(guān)地應(yīng)力的研究資料，回顧了地應(yīng)力測(cè)量的發(fā)展歷程，總結(jié)了地應(yīng)力測(cè)量方法的適用范圍，基于今后巖石工程所呈現(xiàn)的新特點(diǎn)和新問(wèn)題，探討了地應(yīng)力測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]地應(yīng)力測(cè)量 巖石聲發(fā)射 凱塞爾效應(yīng)

[中圖分類號(hào)] P315.72+7 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-3-177-1

1引言

地應(yīng)力測(cè)量，就是確定擬開(kāi)挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動(dòng)的三維應(yīng)力狀態(tài)。巖石在外載荷的作用下產(chǎn)生微破裂時(shí)，一部分應(yīng)變能將以彈性波的形式釋放出來(lái)，稱為巖石的聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱 AE）[1]。對(duì)花崗巖、大理巖、砂巖等巖石進(jìn)行加載時(shí)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過(guò)歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，即巖石聲發(fā)射的 Kaiser 效應(yīng)，其為測(cè)量巖石應(yīng)力提供了一個(gè)途徑，即從原巖中取回定向的巖石試件，通過(guò)對(duì)加工的不同方向的巖石試件進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，測(cè)定Kaiser點(diǎn)，即可找出每個(gè)試件以前所曾受到的最大應(yīng)力，并進(jìn)而求出取樣點(diǎn)的原始三維應(yīng)力狀態(tài)[2]。

2國(guó)外研究現(xiàn)狀

早在二十世紀(jì)三十年代，Obert 和 Duvall 在發(fā)現(xiàn)巖石中存在聲發(fā)射現(xiàn)象的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)不懈的努力成功的將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到礦山巖體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和巖爆的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中（Black W， 1982）。在研究中發(fā)現(xiàn)巖石作為一種脆性材料，內(nèi)部孔隙、微裂紋等缺陷在外荷載作用下擴(kuò)展貫通直至破壞，在這一過(guò)程中內(nèi)部顆粒破壞失效所產(chǎn)生的能量突然以應(yīng)力波的形式釋放，通過(guò)儀器對(duì)傳至巖石表面的彈性應(yīng)力波的監(jiān)測(cè)和分析，探討巖石在外部荷載作用下內(nèi)部裂紋的變化和發(fā)展規(guī)律，通過(guò)研究這些規(guī)律發(fā)現(xiàn)礦山巖體失穩(wěn)破壞的前兆特征，制訂出一套適用于工程實(shí)際的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)機(jī)制，為安全生產(chǎn)和作業(yè)人員的人身安全提供了強(qiáng)有力的保障?，F(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)的開(kāi)始主要應(yīng)歸功于德國(guó)科學(xué)家凱塞（Kaiser）的研究工作（Kaiser J， 1950）。他在二十世紀(jì)五十年代發(fā)表了博士論文，最重要的發(fā)現(xiàn)是材料在加載過(guò)程中，受力達(dá)到上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，這項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)在后來(lái)被命名為凱塞爾效應(yīng)。Kaiser 的工作在很大程度上促進(jìn)了各國(guó)對(duì)聲發(fā)射技術(shù)的深入研究。二十世紀(jì)六十年代 Goodman 通過(guò)試驗(yàn)證明了巖石在受力加載過(guò)程中凱塞效應(yīng)同樣成立，利用聲發(fā)射技術(shù)測(cè)定巖石應(yīng)力得到了廣泛發(fā)展（Goodman， 1963）。研究發(fā)現(xiàn)巖石凱塞效應(yīng)的基本機(jī)理是加載過(guò)程中，巖石內(nèi)部微裂紋萌生、擴(kuò)展產(chǎn)生大量聲發(fā)射現(xiàn)象，并且產(chǎn)生微破裂系統(tǒng)，再次加載時(shí)如果荷載沒(méi)有超過(guò)之前所受的最大荷載，已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，也不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，如果超過(guò)之前的荷載，那么已經(jīng)產(chǎn)生的缺陷將產(chǎn)生不可逆的破壞，并隨之出現(xiàn)大量的聲發(fā)射現(xiàn)象。Lockne 通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)研究了巖石的破壞機(jī)理，并且指出巖石在單軸壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)應(yīng)力大于巖石峰值強(qiáng)度的70%時(shí)，凱塞爾效應(yīng)可能失效。1963 年，Dunegan 等研究人員對(duì)聲發(fā)射儀器進(jìn)行改進(jìn)，使聲發(fā)射的測(cè)試頻段從原來(lái)的聲頻范圍提高到現(xiàn)在的超聲頻段范圍，解決了背景噪聲過(guò)大的問(wèn)題，這對(duì)于聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展起到重大的作用，將聲發(fā)射技術(shù)從過(guò)去只能在試驗(yàn)室中的理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H生活應(yīng)用。這一時(shí)期，由于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備的不斷改進(jìn)完善、電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，更多國(guó)家開(kāi)始對(duì)聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行研究，如南非、日本、波蘭等國(guó)，美國(guó)、日本等國(guó)還陸續(xù)成立了專門(mén)研究聲發(fā)射的機(jī)構(gòu)。六十年代末，聲發(fā)射儀器制造廠商如雨后春筍般出現(xiàn)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，聲發(fā)射儀器的各方面性能都有了質(zhì)的飛躍，更新?lián)Q代非常迅速，具有里程碑式的聲發(fā)射儀器從另一方面極大的推動(dòng)了聲發(fā)射這門(mén)檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展。日本學(xué)者茂木發(fā)表了大量關(guān)于巖石聲發(fā)射的研究成果，于 1968 年根據(jù)方形試件的四點(diǎn)彎曲進(jìn)行了拉伸破壞情況下的聲發(fā)射震源確定（騰山邦久，1996）。此后日本進(jìn)入了聲發(fā)射技術(shù)研究的嶄新時(shí)代。在理論上，漱戶政宏還對(duì)聲發(fā)射技術(shù)測(cè)定地應(yīng)力的方法，測(cè)定過(guò)程中時(shí)間的影響，測(cè)定地應(yīng)力時(shí)側(cè)向壓力的影響等一些問(wèn)題發(fā)表了許多論文進(jìn)行論述，同時(shí)他還用聲發(fā)射方法測(cè)定了垂直地應(yīng)力分量，并且對(duì)用聲發(fā)射方法確定三維地應(yīng)力進(jìn)行了探討。工程應(yīng)用中，大津政康具體描述了聲發(fā)射在邊坡監(jiān)測(cè)、混凝上施工監(jiān)測(cè)、地下注漿監(jiān)測(cè)等工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，青木謙治用聲發(fā)射評(píng)價(jià)了地下儲(chǔ)藏罐周邊圍巖的松弛變形，金川忠發(fā)進(jìn)行了地下發(fā)電站建設(shè)過(guò)程中的聲發(fā)射法在隧道巖爆檢測(cè)中的應(yīng)用研究。二十世紀(jì)八十年代，在此期間聲發(fā)射制造廠商制造出體積更小、重量更輕、便于攜帶的第二代聲發(fā)射源定位檢測(cè)儀，配套開(kāi)發(fā)出一系列具有數(shù)據(jù)分析、高級(jí)檢測(cè)等功能的軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制對(duì)被檢構(gòu)件進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理顯示，在極大的程度上提高了聲發(fā)射數(shù)據(jù)處理的速度。二十世紀(jì)九十年代，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展同時(shí)帶動(dòng)了聲發(fā)射儀器的更新?lián)Q代，出現(xiàn)了各方面都非常出色的新一代聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，可以通過(guò)聲發(fā)射儀器直接進(jìn)行聲發(fā)射波形的觀察，通過(guò)記錄下的聲發(fā)射波形進(jìn)行更加形象的頻譜分析，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)的處理能力顯著提高。總之，國(guó)外聲發(fā)射技術(shù)在短短的幾十年內(nèi)得到了飛速的發(fā)展，并在各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

3國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用研究開(kāi)始于二十世紀(jì)七十年代，李典文等開(kāi)始將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用在金屬礦山工程中，通過(guò)多年對(duì)礦山危險(xiǎn)工程進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，結(jié)合各種突發(fā)狀況的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了多種易于攜帶、適合復(fù)雜環(huán)境的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且成功預(yù)報(bào)了多起地壓災(zāi)害。秦四清、李造鼎等對(duì)巖石聲發(fā)射進(jìn)行了大量的研究（秦四清，1992-1994）。二十世紀(jì)八十年代我國(guó)聲發(fā)射技術(shù)研究主要集中在航空航天和壓力容器檢測(cè)等領(lǐng)域，取得了可喜的成果。同時(shí)，聲發(fā)射儀器的研制也隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高而飛速發(fā)展，北京礦冶總院制造出新型聲發(fā)射儀器，使聲發(fā)射技術(shù)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用發(fā)展，如建筑材料、礦山開(kāi)采、交通運(yùn)輸、土木工程等。從八十年代至今研究學(xué)者對(duì)聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了大量研究，在很多方面都取得了很大研究進(jìn)展。謝和平等人運(yùn)用分形理論對(duì)巖石材料的聲發(fā)射進(jìn)行研究，取得很大研究進(jìn)展（謝和平，1991）。陳颙通過(guò)對(duì)巖石進(jìn)行不同應(yīng)力途徑下的三軸壓縮試驗(yàn)，得出加載情況下存在的卸載過(guò)程很可能是造成聲發(fā)射不同特征的主要原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)中得應(yīng)用進(jìn)行了更加深入的研究（陳颙，1977、1981）。吳剛、趙震洋通過(guò)比較巖石在加荷和卸荷狀態(tài)下聲發(fā)射的變化，對(duì)巖石材料破壞過(guò)程中的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析（吳剛，1998）。唐春安對(duì)巖石破裂失穩(wěn)過(guò)程的聲發(fā)射、損傷量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究（唐春安，1997）。馬瑾、曾正文、馬文濤等對(duì)巖石破裂擴(kuò)展過(guò)程中聲發(fā)射b值動(dòng)態(tài)特征及巖石摩擦滑動(dòng)中的聲發(fā)射多普勒效應(yīng)進(jìn)行了研究（劉立強(qiáng)，2001；曾正文，1995）。殷正剛、唐禮忠等發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射能率比事件率更加適合反應(yīng)巖石的破壞程度（殷正剛，2005）。張茹等人研究了單軸多級(jí)加載巖石破壞聲發(fā)射特性（張茹，2006）。趙興東、唐春安等應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)，對(duì)單軸加載過(guò)程中花崗巖的聲發(fā)射事件進(jìn)行了定位，得出聲發(fā)射事件在加載初期散亂分布。聲發(fā)射事件數(shù)在巖石破壞之后由于應(yīng)力場(chǎng)尋求新的平衡并沒(méi)有馬上停止反而增加（趙興東，2006）。紀(jì)洪廣等人研究了混凝土材料破壞過(guò)程中聲發(fā)射現(xiàn)象具有突變性，并建立了聲發(fā)射參數(shù)的灰色尖點(diǎn)突變模型（紀(jì)洪廣，2004）。李元輝等研究得出巖石受壓產(chǎn)生費(fèi)利希蒂效應(yīng)的主要原因是塑性變形（李元輝，2006-2007）。席道英、萬(wàn)志軍等研究了加載速率對(duì)巖石聲發(fā)射參數(shù)規(guī)律和巖石力學(xué)性質(zhì)的影響（席道英，1994；萬(wàn)志軍，2001）。陳忠輝對(duì)兩種巖體互相作用下的聲發(fā)射模式進(jìn)行了研究（Chen Z H， 1997）。孫吉主等認(rèn)為聲發(fā)射現(xiàn)象是由于巖石內(nèi)部分微元突然破裂所產(chǎn)生的能量以彈性波的形式釋放引起的（孫吉主，1997）。隨著時(shí)代的變遷和社會(huì)的進(jìn)步我國(guó)聲發(fā)射技術(shù)依然保持高速發(fā)展，在許多領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。2011 年在北京召開(kāi)的世界聲發(fā)射會(huì)議讓中國(guó)的聲發(fā)射學(xué)者們近距離的與世界各國(guó)聲發(fā)射專家進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，了解到了世界上先進(jìn)的聲發(fā)射技術(shù)和最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)，找到與國(guó)際最前沿的差距，推動(dòng)了我國(guó)聲發(fā)射技術(shù)的國(guó)際化進(jìn)程，標(biāo)志著我國(guó)聲發(fā)射技術(shù)的新發(fā)展和國(guó)際影響力。

目前聲發(fā)射技術(shù)主要應(yīng)用在：

（1）礦山采場(chǎng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

利用聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)對(duì)礦山巖體進(jìn)行聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)礦山失穩(wěn)破壞具有極高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。美國(guó)生產(chǎn)有色金屬的重要礦區(qū)位于愛(ài)達(dá)華州北部的Coeur d'Alene 地區(qū)，由于進(jìn)行深部開(kāi)采，采場(chǎng)附近原巖應(yīng)力可達(dá) 50 MPa 之高。而且，這一地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，所以經(jīng)常發(fā)生大規(guī)模巖爆事故。美國(guó)礦務(wù)局從六十年代末開(kāi)始對(duì)這一地區(qū)的巖爆進(jìn)行大規(guī)模的研究和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)工作。他們使用二十多個(gè)頻率響應(yīng)為 10-2500HZ的探頭，布置在寬 200m、長(zhǎng) 500 m、高 250 m的范圍內(nèi)，探頭之間最小距離為 50 m，對(duì)分層充填法開(kāi)采時(shí)的聲發(fā)射活動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，成功預(yù)報(bào)災(zāi)害的發(fā)生。

（2）地應(yīng)力測(cè)試

地應(yīng)力狀態(tài)是影響巖土工程穩(wěn)定性的一項(xiàng)非常重要的因素，確定巖體未受工程擾動(dòng)的初始地應(yīng)力和工程進(jìn)展中周圍巖體受到擾動(dòng)，應(yīng)力重新分布所產(chǎn)生的次生應(yīng)力對(duì)巖土工程設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。采用聲發(fā)射技術(shù)測(cè)量地應(yīng)力是在試驗(yàn)室通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的巖樣進(jìn)行再次加載，根據(jù)其破壞過(guò)程中的凱塞爾效應(yīng)測(cè)定出巖石應(yīng)力。聲發(fā)射法將地應(yīng)力測(cè)量從現(xiàn)場(chǎng)移進(jìn)試驗(yàn)室，降低了現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的影響，比其它方法經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、有效而且容易獲得大量準(zhǔn)確性更高的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。Goodman 證實(shí)了巖石中同樣也存在凱塞效應(yīng)，這一重大發(fā)現(xiàn)為利用聲發(fā)射技術(shù)測(cè)定地應(yīng)力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）邊坡工程中的應(yīng)用

由于我國(guó)地處特殊自然地理環(huán)境，邊坡地質(zhì)災(zāi)害分布廣泛，公路、鐵路、采礦、水利水電等工程中經(jīng)常要面對(duì)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，因此它的安全穩(wěn)定在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要意義。秦四清曾介紹了日本某公路建設(shè)時(shí)Chichibu等人對(duì)這一區(qū)域開(kāi)展聲發(fā)射監(jiān)測(cè)工作情況（秦四清，1993）。由于公路建設(shè)處于斷裂帶，經(jīng)常發(fā)生不同程度大小的自然災(zāi)害，于是他們開(kāi)始對(duì)建設(shè)區(qū)域進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，當(dāng)工程開(kāi)挖到某預(yù)定水平時(shí)，部分邊坡突然崩塌，但位移樁卻沒(méi)有明顯移動(dòng)。為了防止邊坡進(jìn)一步的破壞，立即在暴露面修筑了一道護(hù)堤，同時(shí)利用聲發(fā)射和位移樁監(jiān)測(cè)護(hù)堤的穩(wěn)定性。從監(jiān)測(cè)開(kāi)始（11月4日）一周內(nèi)，聲發(fā)射活動(dòng)異?；钴S，聲發(fā)射事件不斷增加并且位移速率也達(dá)到了2.7 mm/d，邊坡已經(jīng)有破壞失穩(wěn)的趨勢(shì)，隨時(shí)有可能崩塌。于是在14日至15日修筑了一道附加路堤，此后聲發(fā)射率逐漸變小，于11月19日幾乎消失。此后七天內(nèi)沒(méi)有聲發(fā)射活動(dòng)出現(xiàn)，這表明聲發(fā)射信號(hào)會(huì)隨著護(hù)堤的穩(wěn)定逐漸減小。11月26日午夜開(kāi)始由于連續(xù)的降雨，邊坡又開(kāi)始出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，聲發(fā)射儀器顯示聲發(fā)射活動(dòng)突然活躍。但是兩周后，邊坡隨著降雨的結(jié)束也逐漸趨于穩(wěn)定，測(cè)得的聲發(fā)射事件逐漸較少，同時(shí)位移樁的位移也減少。所以可以利用聲發(fā)射活動(dòng)和位移的變化相結(jié)合的方式方法來(lái)監(jiān)測(cè)護(hù)堤的穩(wěn)定程度。在不影響工程進(jìn)度，保護(hù)施工人員及設(shè)備的安全的情況下，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，取得了良好效果，避免不必要損失。記錄資料表明，在聲發(fā)射率與裂縫張開(kāi)位移之間具有極其明顯的相關(guān)性，因而可以通過(guò)聲發(fā)射來(lái)監(jiān)測(cè)露天開(kāi)采時(shí)邊坡的穩(wěn)定性。

（4）隨著巖石聲發(fā)射技術(shù)的日趨成熟，聲發(fā)射越來(lái)越多的應(yīng)用在石油工程、水利工程和各類土木工程中。對(duì)確定地下天然氣儲(chǔ)存的穩(wěn)定性；檢測(cè)大型混凝土橋、鋼橋內(nèi)部缺陷，確定其安全性；對(duì)大壩、堤岸、大型建筑物基礎(chǔ)的土體穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面都有成功的案例。聲發(fā)射技術(shù)在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，聲發(fā)射技術(shù)憑借其獨(dú)有的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)經(jīng)受著歷史的考驗(yàn)，在更多的領(lǐng)域起到越來(lái)越關(guān)鍵的作用。

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