Page 80 - 无损检测2022年第四期

王方立,等:
富水岩溶区隧道循环爆破所致围岩累积损伤的超声检测

累积效应进行进一步研究。 数变化规律, 可以判断岩石受到荷载扰动的损伤程
针对岩体的爆破损伤问题, 各国学者在理论分 度, 跨孔声波检测原理如图 1 所示。
析、 现场测试、 模拟试验等方面开展了大量的研究。
在爆炸损伤模型研究方面, YANG 等 [ 2 ] 假设岩石爆破
过程中的脆性破坏是由拉伸应变控制的, 提出了一种
与裂纹密度和应变率有关的爆炸损伤本构模型, 解释
了爆炸应力波引起的岩体损伤。在爆破作用的数值
模拟方面, MA 等 [ 3 ] 通过 AUTODYN 软件研究了地
下爆炸引起的冲击波在岩体中的传播过程, 预测了地
下岩体爆破中产生的破坏面积、 损伤区和地面振动。
WANG 等 [ 4 ] 运用 LS-DYNA 软件对爆破漏斗进行了
图 1 跨孔声波检测原理示意
数值模拟, 研究了爆破对岩石的破坏与拉伸损伤。在
岩体损伤检测方面, SAYERS等 [ 5 ] 通过声波测试得出 岩体的超声检测系统主要由发射换能器、 接收换
能器、 声波测试仪、 个人终端以及其他辅助设备组成。
应力对裂纹扩展的影响, 提出通过波速值对岩体损伤
试验中用来检测隧道围岩声波信息的主要仪器为
程度进行监测; MEGLIS等 [ 6 ] 对隧道内的围岩进行了
超声波测试, 研究了岩体微裂纹发育情况和区域应力 RS-ST06D ( T ) 型非金属超声检测仪, 其主要技术参数

状态与损伤程度之间的关系; 闫长斌 [ 7 ] 在某巷道进行 为: ① 拥有四个独立可控自发自收通道; ② 最小采样

间隔为0.1 μ s ; ③ 采样长度为500~1000个采样点;
了10次爆破试验, 通过超声波测量研究了爆炸荷载
作用下工程岩体的累积损伤效应, 验证了损伤累积规 ④ 增益范围为1~8000 倍; ⑤ 采用信号触发; ⑥ 可

律的非线性特征; KURTULUŞ 等 [ 8 ] 采用大理石试块 进行独立可控自动采样; ⑦ 可控频带宽度为5kHz~
250kHz 。岩体超声检测换能实物如图2所示。

研究了节理数量和方向对超声波传播的影响, 发现声
波速度随节理密度的增加而降低, 且在节理方向不一
致的试块中衰减率更大。综上所述, 岩体爆破损伤理
论正在不断地完善和发展, 但大部分研究对象主要是
常规地质环境下的围岩, 对于富水岩溶地区裂隙岩体
的爆破损伤问题的研究较少。
为此, 针对富水岩溶区岩体爆破施工过程, 采用
超声检测对多次爆破作用下围岩的累积损伤演化规
律进行研究, 以期为穿越富水岩溶区隧道的安全开
图 2 岩体超声检测换能器实物
挖、 支护结构稳定性分析提供参考。
岩石爆破损伤属于动态损伤, 根据一维弹性波
1 试验原理 理论, 当声波在岩石中传播时, 脉冲波波速与弹性模

试验采用跨孔测试法对隧道爆破前后的围岩进 量之间存在如下关系
行测试, 设置一对平行探孔, 在其中分别安置脉冲发 E / E' = ρ c / 'c' 2 ( 1 )
2
ρ
射源和接收源, 一定能量的高频弹性脉冲波从发射 式中: E 和E' 分别为受扰动前后岩石的弹性模量; c
源出发, 经过岩石介质到达接收源。水作为发射源、 和 c' 分别为受扰动前后岩石内的声波波速; 和 ' 分
ρ
ρ
接收源和岩石介质之间的耦合剂, 可以大幅降低脉 别为扰动前后岩石密度。
冲波在空气中传播引起的试验误差。传播路径中若 当介质为硬岩时, 岩石在爆破扰动过程中产生
存在裂隙、 孔洞和软弱层等波阻抗界面, 脉冲波将会 的变形较为微弱, 可以认为硬岩爆破损伤属于小变
产生透射、 反射等行为从而损失部分能量, 延长首波 形问题, 因此可以假设硬岩介质在受爆破扰动前后
到达时间并形成复杂的声场。当岩石受到爆破等外 的密度变化不大, 则有
部荷载扰动时, 波阻抗界面会发生大幅变化从而改 E / E' = c / c' 2 ( 2 )
2
变脉冲波的传播, 因此, 根据探孔间超声波的主要参 介质弹性模量的变化与介质内声速平方的变化

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2022 年 第 44 卷 第 4 期
无损检测