МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ГПИО «ЭНЕРГОПРОЕКТ»

ВСЕСОЮЗНОЕ ОРДЕНА ЛЕНИНА ПРОЕКТНО-ИЗЫСКАТЕЛЬСКОЕ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ГИДРОПРОЕКТ» ИМЕНИ С. Я. ЖУКА

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРОВЕДЕНИЮ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В СКАЛЬНЫХ И РЫХЛЫХ ГРУНТАХ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

П-879-90

Гидропроект

МОСКВА 1990

Министерство энергетики и электрификации СССР ГПИО «ЭНЕРГОПРОЕКТ"

ВСЕСОЮЗНОЕ ОРДЕНА ЛЕНИНА ПРОЕКТНОиЮЫСКАТЕЛЬСКОЕ Z НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ГЦДРОПРОЕКТ" ИМЕНИ С.Я .ХУКА

"УТВЕРЖДАЮ"

РЕКОМЕНДАЦИИ

по проведению акустико-эмиссионных исследований в скальных и рыхлых грунтах в гидротехническом строительстве

Л-879-$0

Гадропроэкт

Рис.'1.2. Зависимости от уровня нагрузки б/<Г_Пр осевых £j , окружных^, объемных f_v деформаций (а), а также суммарных параметров: анергии лЕ и эмиссии Ы (б). £У - упругие деформации, экстраполированные в область высоких значений (пунктирные линии), горизонтальная стрелка - начало неупругого деформирования (дилатансии); fiy* £j + 2бд, АЭ -датчик акустической эмиссии.

-li.

Где: л/ - число импульсов, Ур - скорость распространения цро-долькых вели, К - коэффициент интенсивности напряжении, Еу -модуль упругости, if - коэффициент Цуассона, Т - длительность первой полуволны АЭ, А - аглшштуда сигнала, <& _т - предел текучести*

1.3. Экспериментально установлено, что акустическая эмиссия связана и с деформациями и с напряжениями. Это следует и из структурной схемы на рис.1.1. На рис.1.2. цриводя-'ся зависимости от уровня нагрузки деформаций осевых Е^, поперечных £*2 ^а объемных £_у образца базальтового порфирита, одноосно нагружавшегося до разрушения. Для сопоставления даны графики изменения с той же нагрузкой суммарной афотической эмиссии и энергии АЭ (рис.2,б). Очевидца полная аналогия кри-вше Ц = $    Е = ^ (^/бдр) и e_L    в

работе Харди с соавторами /28/ отмечается тесная связь между суммарной АЭ с осевой, поперечной и объемной деформациями крипа (рис.1.3 и 1.4). Харди установил, что и деформации крипа и суммарная АЭ опиаваются реологическими уравнениями одного типа, из чего заключил, что эти параметры определяются характером и величиной мшеротрещинообразования. Ь наших лабораторных исследованиях /II/ установлено, что вид зависимости сушарной АЭ от деформации существенно зависит от вида напряженного состояния и характера подготавливаемого разрушения образца. Это объясняется тем, что характеристики микротрещин, такие как раскрытие, длина, определяющие коэффициент Форш, существенно различны при разных видах напряженного состояния. Отмеченные особенности пре слеживаются и при деформирования

Рис,1.3 Изменение во времени осевой (а), поперечной

<б) и объемной (?) ге^ормяци* крипа з песчанике /26/.

4 Изменение во времени акустической эмиссии (а) и зависимости между суммарной АЪ - осевой деформацией ((f) и объемной деформацией-(в) крипа в песчанике /28.

-H-

разрушении целиков горных пород. Все исследователи сходятся на том, что акустическая эмиссия является мерой неупругой лесоор-маиии горной породи. тонко отражающей структурные особенности процесса ее ш^жшования и подготовки разрушения.

1.4. Эмпирические зависимости, связываюиде параметры АЭ с характеристиками НДС получены в работе JZbf при испытают га ползучесть (крип) образцов разных типов пород (известняка, песчаника, гранита) при постоянной нагрузке. В процессе нагрудная образцов ту пеням по д <э и выдерживания при нагрузке б + д<э в течение 40 шн получены следующие зависимости:

/У (t ) = а + в<5(£)    а)

a

/V(£) = в£(с)    (2)

и реологическое поведение породы в терминах АЭ тогда выра-

Константа А численно равна акустической эмиссии, соответствующей мгновенной деформации в момент Константа В может быть записана, как

³ -

Из (6) следует, что интенсивность АО определяется реологическими свойствами среды (параметры V*.,    проч-

.    ) Л* ) fr

ностнымв (Оцр, Тщ)* величиной напряжений (<5, 'С ), приращением напряжений ( лб , д(э ). Здесь первый член ь квадратных скобках определяет закон интенсивности АЭ (N ) при прилежании нагрузки то есть переходный процесс в стадия первичного крипа. Второй член определяет уровень эмиссии вторичного устойчивого крипа. Ври

Л/ = ( С/^₃) х РУТщ)    (?)

Отсюда следует, что интенсивность АЭ (N) определяется величиной действующих напряжений (снимающих или сдвиговых). Полученные Харди результаты связывают параметры АЭ с характеристиками напряженно-дерормирозанного состояния. Сформулируем наиболее важные выводы:

величина суммарной эмиссии N линейно связана с неупру-гими деформациями среды и определяется ее свойствами, уровнем и приростом напряжений;

интенсивность АЭ (N) линейно связана со скоростью деформации (£) и уровнем напряговкий    и монет служить,

соответственно, мерой тех и других для конкретного типа пород и условий

Закономерности изменения параметров N по времени и с нагрузкой могут слупить ивдикатором стадии и характера деформационного процесса.

-16-

начало разрушения

^£P2S£*t£P— —-j сто дальнее распространение разрушении

крчлгическ4р энергий «<£*•

\_ /**Оен_Чй_

-/ П=“-з--

£)

Рис_#1.5 Обобщенная кривая суммарной АЭ в зависимости от напряжения по К.Моги /40/ и стадии деформирования при хрупком разрушении по З.Беняв-ски (I); типы кривых суммарной АЭ в зависимости от напряжения или времени испытаний (2)$ а - тип I, Моги; б - тип II, нестабильное разрушение (хрупкое); с - тип 111.монолитные породы; с£ - тип !У, монолитные породы, нестабильное разрушение.

-!7-

Тесыая связь параметров АЭ с характеристиками напряженного состояния горных пород позволяет ставить задачу контроля за деформированием среды, определения стадии деформационного процесса от начала приложения нагрузки до разрушения. Основой душ этого является тот факт, что деформированию и разрушению горных пород как цри быстром кагпуженик, так и при постоянной нагрузке (во времени), предшествует закономерное изменение деформаций, а, следовательно, параметров ЛЭ. К.&оги /40/ выделил типичные кривые N = ^ (<э) и связал их с различными стадиями по З.Бенявски (рис.1.5-1). На рис. 1.5-2 приведены характерные трафики изменения суммарной АЭ в зависимости от времени или напряжения.

2. ПРИКЦИШ РЕГИСТРАЦИИ АЭ И АШАРЛТУРА ДЛЯ ПРОЩдЯШ АКУС1Ш)-ЭМИШ0НШХ иссадсяшш

2.1. Принципы регистрации. Упругий механический импульс напряжений, возникающий в деформирующейся толще массива, достигая точки регистрации (рио.2.1), расположенной на поверхности илч в скважине, преобразуется приемником упругих колебаний (I) в электрический им дуль с. Этот имцудьс по длинному кабелю подеется к регистрирующему и анализирующему тракту. При измерении интенсивности АЭ производите)! регистрация числа импульсов, превышающих заданный уровень дискриминации (определяемый обычно уровнем помех или задаваемый исследователем ) в единицу времени (рис.2.2.). Интервал времени регистрации выбирается в зависимости от интенсивности изучаемых деформационных процессов: при лабораторных исследованиях, при быстром нагружении определяется число импульсов в секунду,

-[a-

TVc.2.1 Блок-схема регистрации акустической эмиссии: I - пьеэоскселерометр; 2 - предварительный усилитель; 3 - интегратор; 4 - магнитофон;

5 - saпоминающий осциллограф; 6 - шлейфовый осциллограф; 7 - анализатор импульсов;

8 - головные телефоны.

-ISu

при опытах на ползучесть за единицу времени принимается час. Аналогично» часовая щумвость определяется в шахтных наблюдениях по прогнозу горных ударов /I/. В исследованиях напряженного состояния время определяется опытным путем и нормируется к минутному интервалу*

2*2. Блок-схема аппаратура Как цравало» аппаратура АЗ со* держит следующие основные блоки» показанные на рис.2*1* В качестве приемника колебаний (I) применяется льезоакселерог ^лтр или геофон, различающиеся принципом преобразования механического колебания в электрический имцульс* В первом случае на пьезшфвсталл укрепляется инертная масса и сигнал на выходе датчика пропорционален ускорению колебаний поверхности, к которой он крепится. Вс втором случае в качестве преобразователя наиболее часто употребляются электродинамические преобразователи, электрический имцульс па выходе которых пропорционален скорости смещений поверхности, с преобразователем, как правило, совмещается предварительный усилитель» назначение ко* торого - усиление импульса и согласование выхода датчика с кабелем* Далее по данному кабелю имцульс подается на регистратор (3)» в качестве которого используется интегратор или счетчик импульсов (например» частотомер с нормализатором). Имцульс может записываться на промежуточный магнитный носи-* тель с помощью магнитофона (4) для дальнейшего анализа * например, перезаписи на фотобумагу через шлейфовый осциллограф (6) или запоминающий осциллограф» (5), анализа распределения имцульсов до амплитуде посредством анализатора импульсов ЛИ (7). Возможно для анализа использование микроЭШ. В этом случае аналоговый сигнал с магнитного носителя с помощью

-г-

В ностоящих^рекомендациях” обобщен опыт применения метода акустической эмиссии (МАЭ) для решения актуальных Э8дач изысканий под проектирование и строительство крупных гидротехнических сооружений, МАЭ позволяет изучать напряженно-деформированное состояние скальных массивов, контролировать развитие горного давления на обделки подземных сооружений, вести режимные наблюдения за деформационными процессами в основаниях плотин и на оползневых склонах, ААЪ относится к инженерно-геофизическим методам не-разрушзющего контроля геологических сред и инженерных сооружений, окономичгн,оперативен, базируется на простой ап, паратуре с автономны* питанием, что позволяет производить наблюдения в труднодоступных участках на поверхности зем-ли и в горных выработках,

"Рекомендации” разработаны в отделе геофизических изысканий и исследований объединения "Гидропроект” заведую-группой, канд.физ.-мет.н. М,Г,Езерским и ведущим инженером М.С,Рудяком, Аппаратурные разработки и исследования на оползневом склоне Загорской ГАЭС выполнены ведущим инженером Э'ВДдановым.

В '•Рекомендациях” учтены замечания рецензентов:докт, фиэ.-мат,н, С*Д.Виноградова (Институт физики Земли им, О^С.Шмидта АН CCCF) каш;,физ.-мат,н. В.Н,Никитина (объединение ”Гидропроект*,

"Рекомендации" предназначены для специапистов-геофи-эжков и могут быть использованы в гидротехническом и гражданском строительстве, горном деле туннелестроении.

-20-

Ptoc.2.2. Временные диаграммы электрических сигнпов в равных точках схемы интегратора: а - на входе компаратора; б - на выходе компаратора; в - на выходе блока управления, определяющего время Т счета импульсов А8; г-на входе счетчика импульсов. V_n - пороговое напряжение срабатывания прибора,Л/щ-уровень шуме.

-3-

введение

В последние годы в связи с усложнением инженерно-геологических условий строительства промышленных сооружений* которые смещаются в тектонические сейсмоактивные районы Кавказа (Ингурская, Худонская, Зьинвали ГЭС), Средней Азии (Нурекская, Курпсайская, Рогунская и др.ГЭС), Сибири и Дальнего Востока, перед гидроэнергетикой встает задача усовершенствования методов инженерных изысканий к повышения качества проектов с целью обеспечения экономичных проектных решений при повышенной надежности эксплуатируемых объектов.

Осуществление этих задач возможно, если изыскательские службы обладают разнообразным набором методов, применение которых в той или иной ситуации по-отдельности или в комплексе с другими методами, позволяет оперативно решить прблемы изучения строения, свойств и состояния среды, развития в ней деформационных процессов и явлений, таких как обвалы, оползни, разрушения, горные удары и вывалы в подземных сооружениях и приповерхностных массивах.

Для решения сложных задач изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений уже нашли широкое применение геофизические методы: сейсмо- и электроразведка, каротажные и т.п. Все более широкое применение начинает находить и метод акустической эмиссии (АЭ), который от решения чисто научных задач переходит в стадию практического использования. Помимо шахтного и рудного строительства, где МАЭ применяется для прогноза горных ударов и

-4-

и управления горнш давлением (напряженно-деформированным состоянием массивов)» он нашел также применение в режимных наблюдениях за деоюрмационными процессами в скальных и рыхлых оползнях /18, 26, 27, 41/, грунтовых плотинах /34-37/, при изучении карста, в проблеме устойчивости подземных сооружений (3, 4, 10, 30) и т.л.

В практике изысканий для проектирования гидротехнических объектов, а также при "активном цроектировании" в ходе строительства круш. ос подземных гидротехнических сооружений (машинных залов, туннелей и т.п.) выполняемых отделом геофизячес-ких изысканий и исследований Гидропроекта, МЛЭ нашел применение для изучения характера напряженно-деформированного состояния пород вокруг горных выработок /17/, контроля за развитием горного давления на обделку и крепь туннелей и т.п./9,10/

Особенностью методик, исползуемых в црактике Гйдропро-екта, является комплексированир МАЭ с другими геофизическими методами, в частности, с ультразвуковым каротажом (УЗК) шцу-роз и скважин, другими видами каротажа, что дает взаимодополняющую информацию о напряженном состоянии и деформационных процессах в скальном массиве или рыхлых отложениях.

Целью настоящей работы является составление практических рекомендаций по проведению акустико-эмиссионных исследований при изысканиях и строительстве гидротехнических объектов. В ней даются основные понятия, взаимосвязи параметров акустической эмиссии с традиционными параметрами деформационных процессов и трещин, приводится обзор отечественной и зарубежной аппаратуры для исследований, описывается методика, основанная на опыте работ отдела геофизических взысканий и исследований.

-5-

Гидроцроек\а, в наконец, описывается опыт применения метода на объектах гидротехнического строительства за последнее десятилетие.

I. основные шошт

1.1.    Настоящие рекомендации составлены на основании "Плана разработки ведомственных нормативных документов, пособий п рекомендаций по проектированию, изысканиям и исследованиям объединения "Гидропроект" им.С.Я.Дука в развитие научно-исследовательской работы по проблеме 0.55.06 теме 06.HI.

II.2. "Разработка акустико-эмиссионного метода оценка нацря-генио-деформированного состояния массива горных пород и внедрение его цри изучении взаимодействия гидротехнических сооружений с их основаниями”.

1.2.    Рекомендации предназначены для организации и проведения оперативных акустико-эмиссионных исследований в скальных массивах в окрестности горных выработок и на оползнях при изысканиях под гидротехническое строительство. Предложенная методика может также использоваться в смежных отраслях народного хозяйства (горном деле, строительстве туннелей метро и т.п.).

1.3.    Термином "акустическая эмиссия" (АЭ) обозначают Процессы излучения упругих волн, вызванных внутренними источниками, расположенными в толще среды. Необходимым условием возникновения АЭ являются локальность и импульсный характер источника. АЭ определяется, как процесс излучения материалом механических волн, вызванных динамической перестройкой внутренней структуры среды /ОЛ Основными источниками АЭ в горных

породах являются: образование отрывных (хрупких) трещин, их рост, взаимодействие, ветвление, скольжение по поверхностям разрушения, в процессе которых происходит разрыв старых и образование ноьых участков контакта поверхности. Основные параметры АЭ: амплитуда имцульса (А), его длительность ( ^ ), время риходг сигнала (), суммарная АЭ (М ) (число превышения сигналом выбранного уровня дискриминации за период наблюдешь , нтенсивность АЭ (А^/ ) (то же за единицу времени). Используются также энергетические характеристики регистрируемых сигналов АЭ в условных или абсолютных единицах: энергия им. ульса (Е), пропорциональная квадрату амплитуды (А²) и длительности импульса, а суммарная энергия (я Е) - равна энергии импульсов за период наблюдений. В практических приложениях метода Han6oj.ee часто используются параметры N и /V , связанные прямой зависимостью с характеристиками напряженно-деформированного состояния, а, кроме того, практически наиболее просто регистрируемые.

1.2. В изучении лЗ выделяются два подхода: феноменологический и микроструктурнай. Первый позволяет выявить взаимосвязи между параметрами АЭ и феноменологическими характеристиками напряженно-деформированного (НДС) состояния некоторого объема цреды - напряжениями и де^юрмацияш, описывающими интегральное поведение этого объема при силовых воздействиях. При мифоструктурном подходе рассматривается взаимосвязь параметров АЭ с характеристиками их источников - микротрещин, баланс энергии при образовании разрывов в среде и доля освобожденной при этом энергии, переходящая в энергию упругих

-7-

колебаний. В данной работе для решения поставленных задач рассматривается феноменологический подход, однако, некоторые элементы микроструктурного рассмотрения будут полезны для интерпретации результатов исследований*

1.2.1.    Феноменологический подход. Деформационный про

цесс в горных породах описывается феноменологическими кривыми деформирования "б" - "f " (напряжение-деформация), обобщенный вид которых показан на рис.1.1,э. Структурная схема (рис.1.1,б) объясняет и связывает макро- и микроповедение пород при их деформировании от начала приложения нагрузки до разрушения объема породы: такие параметры,*.™ гидростатическое давление (^), вид напряженного состоишь ( 6^/ б\), а также величина максимальных касательных напряжений ^_Макс*    обусловливают    тип и геометрию ми

кротрещин, накапливаемых в объемесреды в ходе ее деформнре вания, а последние, в свою очередь, макроскопически проявляются в виде неупругих деформаций того или иного типа (сдвиговых, линейных, объемных). Характер взаимодействия микротрещин определяет тип макроразрушепая.Именно наличие в объеме микротрещин отрыва определяет характер и интенсивность изменения геофизических параметров: скоростей продольных и поперечных волн,эатухания их энергии, и выделения АЙ.

1.2.2. Микроструктурное рассмотрение.При микгострукту-ркои подходе находят взаимосвязь меьду параметрами структурных нарушений и АЭ. В таблице !, заимствованной йз

/15/ даются взаимосвязи параметров трещин с пирометрами-

55.

Рис.!.! Обобценные кривые деформирования (а) и структурная схема протекания деформационного процесса в горных породах и его проявлений в геофизических характеристиках среды (б).

I-IV -стадии деформационного процесса.

-9-

АЭ по данным различных исследователей.

Энергетические соотношения для сдвиговых трещин рассмотрены в работах Б.В.Косзрова, а для хрупких.-А. А.Поллока /45/. Установлено, что чем более динамично происходит процесс разрушения, тем меньшая часть энергии переходит в тепло и, соот-вественно, большая переходит в энергию АЭ. Кроме того, иэ работ Поллока следует: во-первых, энергия импульса АЭ - прямо пропорциональна относительному удлинению трещины, то есть, чем длиннее исходная трещина, тем, при одинаковом удлинении в абсолютных единицах энергия излучаемого импульса меньше; во-вторых, трещина распространяющаяся малым числом больших скачков, наделяет намного больше энергии, чем кь гой асс дистанции, но малыми скачками. В целом, как отмечается в работе /15/, теоретические зависимости мезду параметрами трещин и АЭ пока разработаны слабо.

Таблица I