專利名稱：用于大地結構的崩塌預測方法
技術領域：
本發明涉及巖石力學和巖土工程的領域；尤其涉及一種使用巖土結構中的損壞 產生的聲發射(AE Acoustic Emission)信號來識別巖土結構的破壞跡象并且還提供用于 破壞預測的管理標準的測量技術；并且，更具體地涉及一種使用AE方法代替傳統的位移 或應力測量方法，來預測巖土結構的破壞的方法。
背景技術：
本發明涉及一種使用巖土結構中的損壞產生的聲發射(AE)信號來識別巖土結構 的破壞跡象并且還提供用于破壞預測的管理標準的測量技術，這屬于巖石力學和巖土工 程的領域。詳細地，本發明涉及一種使用AE方法代替傳統的位移或應力測量方法，來預 測巖土結構中的破壞的方法。這里，AE信號是包括AE和微震(MS Microseismic)事 件的概念。AE是在與材料的損壞有關的驟加應變的能量放出時產生的彈性波。通常，AE 信號的產生在大型破壞之前急劇地增加。作為用于預測巖土結構中的破壞的一般技術和 設備，今天，存在使用桿式伸長計、傾角計探頭或GPS的位移測量方法；使用壓強計測 量地下水位變化的方法；和使用載荷計的應力測量方法。因為巖土結構中出現破壞之前 的應變是非常小的，使用傳統的位移或應力測量方法難以識別破壞跡象。然而，在巖土 結構中出現破壞之前，伴隨著微應變產生微裂紋，并且然后微裂紋生長并且彼此合并， 由此最后出現破壞。因此，如果可以檢測到微裂紋，則可以識別出破壞跡象。換言之， 在最后的破壞之前，在巖土結構中產生微裂紋，并且通過位移或應力不能檢測到微裂 紋，但是通過AE信號能夠檢測到微裂紋。然而，在帶有使用AE信號預測巖土結構中的破壞的AE傳感器的測量裝置中， 因為AE信號的衰減是必然會出現的，所以從分別位于不同位置的AE傳感器所檢測的AE 信號難于獲得用于預測巖土結構中的破壞的通用參數。此外，因為構成巖土結構的土地由巖石和土壤組成，并且因此在土地的每個區 域產生的AE信號彼此不同，所以難于獲得用于預測巖土結構中的破壞的通用參數。
發明內容
本發明的實施方式涉及提供一種預測巖土結構中的破壞的通用方法，其引入了 反映由于波的波導的衰減效應的新參數，并且因此可以與AE信號的衰減水平無關地預測 巖土結構中的破壞。本發明的另一個實施方式涉及提供一種預測巖土結構中的破壞的方法，其使用 帶有AE傳感器的測量裝置，所述AE傳感器在巖土結構被損壞時與巖土結構中的大地狀況和形成無關地檢測彼此相同的AE信號，從而可以精確地預測巖土結構中的破壞和損壞。本發明的另一個實施方式涉及提供一種預測巖土結構中的破壞的方法，其使用 帶有AE傳感器的測量裝置，所述AE傳感器可以降低AE信號的衰減從而檢測寬范圍的
AE信號。為了實現本發明的目的，本發明提供了一種預測巖土結構中的破壞的方法，該 方法包括以下步驟使用包括內部波導和外部波導的帶有AE傳感器的測量裝置，測量由 于巖土結構中的變形或移動對所述外部波導的損壞所產生的特定AE信號，其中所述帶有 AE傳感器的測量裝置中的至少一個AE傳感器附接到所述內部波導，所述帶有AE傳感器 的測量裝置固定地安裝在鉆孔中并且通過預期的破壞平面，所述內部波導由旨在防止AE 信號急劇衰減的金屬材料形成，所述外部波導穩固地包圍至少一個AE傳感器以及所述內 部波導，并且所述外部波導由均質脆性材料形成，該均質脆性材料旨在由于表示巖土結 構中存在變形或移動的事件而損壞所述外部波導時，與大地狀況或形成無關地產生特定 的AE信號；獲得巖土結構中的表示巖土結構中的損壞水平的參數值，以預測巖土結構 中的破壞，其中這些參數值是從至少一個AE測量到的AE信號提取的；關于帶有AE傳 感器的實驗室試驗測量裝置，執行實驗室拉伸、剪切和壓縮試驗中的至少一個試驗，并 且獲得由于帶有AE傳感器的所述實驗室試驗測量裝置的外部波導的損壞而產生的AE信 號，所述實驗室試驗測量裝置與現場(或巖土結構中)所安裝的測量裝置相同。利用實 驗室試驗中施加的載荷，獲得實驗室參數值，該實驗室參數值與巖土結構中的參數值相 對應，從由于所述實驗室試驗測量裝置的所述外部波導的損壞而產生的AE信號中提取； 以及將一個或更多個基準參數值與所獲得的巖土結構中的參數值進行比較，并且評估巖 土結構是否對應于根據所述一個或更多個基準參數值的損壞水平，其中，所述一個或更 多個基準參數值表示巖土結構中的損壞水平，包括在與巖土結構中的所述參數值相對應 的實驗室參數值中，并且所獲得的巖土結構中的參數值是在參數值獲得步驟中在巖土結 構中獲得的。優選地，獲得巖土結構中參數值時獲得的參數包括所測量到的AE信號的計數 值、幅度值、持續時間值、上升時間值、AE能量值等，并且各參數可以定義為如下(1) ‘計數’是AE信號超過閾值的次數。通常，因為與小的顯著聲音相比， 大的顯著聲音具有更多次AE信號超過閾值，所以‘計數’可以用作為用于估計AE信號 的強度的基準。(2) ‘幅度’是AE信號的最大幅度。通常，它與產生AE聲音的材料中的聲 源的強度有關，并且它以log為單位(分貝，dB)來表示，因此可以精確地測量大信號和 小信號兩者。由于對幅度有影響的許多因素，幅度的分析應當使用具有相同放大級和相 同類型的傳感器來執行。(3) ‘持續時間’是AE信號從初始檢測極限到最后檢測極限的時間段，并且它
在濾波等中使用。(4) ‘上升時間’是AE信號通過檢測極限并且然后到達最大幅度的時間段。因 為它受聲源和傳感器之間的波傳播過程控制，所以它通常用于從電磁噪聲分離AE信號。(5) ‘能量’是與持續時間期間AE信號的波形中包絡的曲面面積相對應的測量值。因為它易受持續時間和幅度的影響，但是較少依賴于檢測極限設置值或頻率，所以 它比‘計數’使用得更多。優選地，所獲得的巖土結構中的參數值可以包括關于所測量到的AE信號的計 數值、能量值、幅度值、持續時間值、上升時間值等的累積值和頻率值。在它們中，例 如，將描述關于計數值和能量值的累積值和頻率值作為代表性的參數值。換言之，所獲得的巖土結構中的參數值是所測量到的AE信號的計數值、累積計 數值和計數頻率值三者中的至少一種，其中，計數是由在期望的時間間隔At1期間從由 于特定事件對所述外部波導的損壞而產生的所述AE信號獲得的AE信號波形中幅度超過 閾值的次數所表示的參數；累積計數是作為根據一段時間關于不同的特定事件的所述計 數值的累積總和的參數，并且計數頻率是作為根據一段時間關于不同的特定事件在期望 的時間間隔At2期間獲得的所述計數值的總和的參數，并且假設k是等于或者大于2的自 然數，則 At2 為 At2 = kAtl。優選地，所獲得的巖土結構中的參數值是所測量到的AE信號的能量值、累積能 量值和能量頻率值三者中的至少一種，其中，能量是由AE信號波形的包絡的曲面面積或 者AE信號波形中的最大幅度所表示的參數。AE信號波形是在期望的時間間隔At1期間 從由于特定事件對外部波導的損壞而產生的所述AE信號獲得的，并且累積能量是作為根 據一段時間關于不同的特定事件的所述能量值的累積總和的參數，并且能量頻率是作為 根據一段時間關于不同的特定事件在期望的時間間隔At2期間所獲得的所述能量值的總 和的參數，并且假設k是等于或者大于2的自然數，則At2為At2 = kAtl。優選地，與巖土結構中的損壞水平相對應的基準參數的系數為Cp C2*C3，并 且基準系數C1是用于確定巖土結構中的損壞水平是否對應于‘危險水平’的值，在所 述‘危險水平’中，巖土結構中的損壞可以發展為巖土結構中的大型破壞，并且基準系 數C1也是當與80%的破壞強度相對應的載荷施加到所述實驗室試驗中使用的帶有AE傳 感器的所述實驗室試驗測量裝置時的值，并且基準系數C2是用于評估巖土結構中的損壞 水平是否對應于‘損壞發展水平’的值，在所述‘損壞發展水平’中巖土結構中的損壞 急劇生長并且因此能夠進行到所述‘危險水平’，并且基準系數C2也是當與60%的破壞 強度相對應的載荷施加到在所述實驗室試驗中使用的帶有AE傳感器的所述實驗室試驗測 量裝置時的值，并且基準系數C3是用于確定巖土結構中的損壞水平是否經過了 ‘安全水 平’的值，在所述‘安全水平’中巖土結構被無關緊要地損壞或者未被損壞，然后它們 的損壞水平達到巖土結構被緩慢地損壞的‘損壞進行水平’，因此能夠進行到所述‘損 壞發展水平’，并且基準系數C3也是當與40%的破壞強度相對應的載荷施加到在所述實 驗室試驗中使用的帶有AE傳感器的所述實驗室試驗測量裝置時的值。此外，本發明提供了一種預測巖土結構中的破壞的方法，該方法包括以下步 驟使用包括內部波導和外部波導的、帶有AE傳感器的測量裝置，測量由于巖土結構中 的變形或移動對所述外部波導的損壞而產生的特定AE信號，其中，所述帶有AE傳感器 的測量裝置固定地安裝在鉆孔中并且通過預期的破壞平面，所述內部波導由旨在防止AE 信號急劇衰減的金屬材料形成；兩個AE傳感器附接到所述內部波導，使得所述預期的 破壞平面介于所述兩個AE傳感器之間，并且其中一個AE傳感器在另一個AE傳感器上 方；所述外部波導穩固地包圍至少一個AE傳感器以及所述內部波導；并且所述外部波導由同質脆性材料形成，該同質脆性材料旨在由于表示巖土結構中存在變形或移動的事 件而損壞所述外部波導時與大地狀況或形成無關地產生特定AE信號；從由于特定事件對 外部波導的損壞而產生的AE信號獲得到達時間，其中，所述AE信號由上AE傳感器和 下AE傳感器測量，并且所述到達時間定義為初始AE信號波形到達所述上AE傳感器和 所述下AE傳感器中每一個時的時間；根據從所述上AE傳感器和所述下AE傳感器測量 到的AE信號所獲得的所述到達時間之間的差，確定所述上AE傳感器和所述AE信號的 源之間的距離，或者所述下AE傳感器和所述AE信號的源之間的距離；獲得所述上AE 傳感器或所述下AE傳感器測量到的所述AE信號的總計值、累積的總計值和總計幅度頻 率值中的至少一個參數值，以根據所述上AE傳感器或所述下AE傳感器測量到的所述AE 信號預測巖土結構中的破壞；關于帶有AE傳感器的實驗室試驗測量裝置，執行實驗室拉 伸、剪切和壓縮試驗中的至少一個試驗，并且獲得由于帶有AE傳感器的所述實驗室試驗 測量裝置的外部波導的損壞而產生的AE信號，所述實驗室試驗測量裝置與現場所安裝的 測量裝置相同，其中，利用實驗室試驗中施加的載荷獲得實驗室參數值，該實驗室參數 值與巖土結構中的參數值相對應，從由于所述實驗室試驗測量裝置的所述外部波導的損 壞而產生的AE信號中提取；并且將一個或更多個基準參數值與所獲得的巖土結構中的 參數值進行比較，其中所述一個或更多個基準參數值表示巖土結構中的損壞水平，并且 在與巖土結構中的參數值相對應的實驗室參數值中，并且所獲得的巖土結構中的參數值 是在參數值獲得步驟中在巖土結構中獲得的，并且其中，總計幅度是由AE信號的G(d) ΘF(E)表示的參數，并且所述AE信號是在期望的時間間隔At1期間測量到的并且是由 于特定事件對外部波導的損壞而產生的，并且累積的總計幅度是作為根據一段時間關于 不同的特定事件的所述總計值的累積和的參數，并且總計幅度頻率是作為根據一段時間 關于不同的特定事件在期望的時間間隔At2期間獲得的所述總計幅度值的總和的參數， 并且假設k是等于或者大于2的自然數，則At2為At2 = IcAt1，并且d是所述上AE傳 感器和所述下AE傳感器中之一與所述AE信號的源之間的距離，其用于在確定離特定源 的距離時獲得所述總計幅度值，并且G(d)是根據d的衰減函數，并且由G(d) = AlCi+A2 或G(d) =Bie-VB2表示，并且Ap A2, B1,和B2是由內波導的材料決定的回歸系數， 并且Θ是由G(d)決定的算子，并且F(E)是在獲得所述總計幅度值時使用的AE信號的 能量函數。
和dBpeak三者之一，其中ppA是在獲得優選地，F(E)是，
權利要求
1.一種預測巖土結構中的破壞的方法，該方法包括以下步驟使用包括內部波導和外部波導的帶有AE傳感器的測量裝置，測量巖土結構中的變形 或移動對所述外部波導的損壞所產生的特定AE信號，其中所述帶有AE傳感器的測量裝 置中的至少一個AE傳感器附接到所述內部波導，所述帶有AE傳感器的測量裝置固定地 安裝在鉆孔中并且通過預期的破壞平面，所述內部波導由旨在防止AE信號急劇衰減的金 屬材料形成，所述外部波導穩固地包圍至少一個AE傳感器以及所述內部波導，并且所述 外部波導由均質脆性材料形成，該均質脆性材料旨在所述外部波導由于表示巖土結構中 存在變形或移動的事件而被損壞時與大地狀況或形成無關地產生特定AE信號；獲得巖土結構中的表示巖土結構中的損壞水平的參數值，以預測巖土結構中的破 壞，其中這些參數值從至少一個AE測量到的AE信號提取；關于帶有AE傳感器的實驗室試驗測量裝置，執行實驗室拉伸、剪切和壓縮試驗中的 至少一種試驗，并且獲得由于帶有AE傳感器的所述實驗室試驗測量裝置的外部波導的損 壞而產生的AE信號，所述實驗室試驗測量裝置與巖土結構中所安裝的測量裝置相同，利 用實驗室試驗中施加的載荷，獲得實驗室參數值，該實驗室參數值與巖土結構中的參數 值相對應，從由于所述實驗室試驗測量裝置的所述外部波導的損壞而產生的AE信號中提 取；以及將一個或更多個基準參數值與所獲得的巖土結構中的參數值進行比較，并且評估巖 土結構是否對應于根據所述一個或更多個基準參數值的損壞水平，其中，所述一個或更 多個基準參數值表示巖土結構中的損壞水平，被包括在與巖土結構中的所述參數值相對 應的實驗室參數值中，并且所獲得的巖土結構中的參數值是在參數值獲得步驟中在巖土 結構中獲得的。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所獲得的巖土結構中的參數值是所測量到的 AE信號的計數值、累積計數值和計數頻率值三者中的至少一種，其中，所述計數是由在期望的時間間隔At1期間從由于特定事件對所述外部波導的 損壞而產生的所述AE信號獲得的AE信號波形中幅度超過閾值的次數所表示的參數；所述累積計數是作為根據一段時間關于不同的特定事件的所述計數值的累積總和的 參數，并且所述計數頻率是作為根據一段時間關于不同的特定事件在期望的時間間隔At2期間 獲得的所述計數值的總和的參數，并且假設k是等于或者大于2的自然數，則At2為At2 = kAtl。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所獲得的巖土結構中的參數值是所測量到的 AE信號的能量值、累積能量值和能量頻率值三者中的至少一種，其中，所述能量是由AE信號波形的包絡的曲面面積或者AE信號波形中的最大幅度 所表示的參數，所述AE信號波形是在期望的時間間隔At1期間從由于特定事件對所述外 部波導的損壞而產生的所述AE信號獲得的，并且所述累積能量是作為根據一段時間關于不同的特定事件的所述能量值的累積總和的 參數，并且所述能量頻率是作為根據一段時間關于不同的特定事件在期望的時間間隔At2期間 所獲得的所述能量值的總和的參數，并且假設k是等于或者大于2的自然數，則At2為At2 = kAtl。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的方法，其中，與巖土結構中的損壞水平相對應 的基準參數的系數為Cp C2*C3，并且所述基準系數C1是用于評估巖土結構中的損壞水平是否對應于‘危險水平’的值， 在所述‘危險水平’中，巖土結構中的損壞可以發展為巖土結構中的大型破壞，并且基 準系數C1也是當與80%的破壞強度相對應的載荷施加到所述實驗室試驗中使用的帶有 AE傳感器的所述實驗室試驗測量裝置時的值，并且所述基準系數C2是用于評估巖土結構中的損壞水平是否對應于‘損壞發展水平’ 的值，在所述‘損壞發展水平’中巖土結構中的損壞急劇生長并且因此能夠進行到所述 ‘危險水平’，并且基準系數C2也是當與60%的破壞強度相對應的載荷施加到在所述實 驗室試驗中使用的帶有AE傳感器的所述實驗室試驗測量裝置時的值，并且所述基準系數C3是用于評估巖土結構中的損壞水平是否經過了 ‘安全水平’的值， 在所述‘安全水平’中巖土結構被無關緊要地損壞或者未被損壞，然后它們的損壞水平 達到巖土結構被緩慢地損壞的‘損壞進行水平’，并且因此能夠進行到所述‘損壞發展 水平’，并且基準系數C3也是當與40%的破壞強度相對應的載荷施加到在所述實驗室試 驗中使用的帶有AE傳感器的所述實驗室試驗測量裝置時的值。
5.一種預測巖土結構中的破壞的方法，所述方法包括以下步驟使用包括內部波導和外部波導的、帶有AE傳感器的測量裝置，測量由于巖土結構中 的變形或移動對所述外部波導的損壞而產生的特定AE信號，其中，所述帶有AE傳感器 的測量裝置固定地安裝在鉆孔中并且通過預期的破壞平面，所述內部波導由旨在防止AE 信號急劇衰減的金屬材料形成；兩個AE傳感器附接到所述內部波導，使得所述預期的 破壞平面介于所述兩個AE傳感器之間，并且其中一個AE傳感器在另一個AE傳感器上 方；所述外部波導穩固地包圍至少一個AE傳感器以及所述內部波導；并且所述外部波 導由均質脆性材料形成，該均質脆性材料旨在所述外部波導由于表示巖土結構中存在變 形或移動的事件而被損壞時與大地狀況或形成無關地產生特定AE信號；從由于特定事件對外部波導的損壞而產生的AE信號獲得到達時間，其中，所述AE 信號由上AE傳感器和下AE傳感器測量，并且所述到達時間定義為初始AE信號波形到 達所述上AE傳感器和所述下AE傳感器中每一個時的時間；根據從所述上AE傳感器和所述下AE傳感器測量到的AE信號所獲得的所述到達時 間之間的差，確定所述上AE傳感器和所述AE信號的源之間的距離，或者所述下AE傳 感器和所述AE信號的源之間的距離；獲得所述上AE傳感器或所述下AE傳感器測量到的AE信號的總計幅度值、累積的 總計幅度值和總計幅度頻率值中的至少一種參數值，以根據所述上AE傳感器或所述下 AE傳感器測量到的所述AE信號預測巖土結構中的破壞；關于帶有AE傳感器的實驗室試驗測量裝置，執行實驗室拉伸、剪切和壓縮試驗中的 至少一個試驗，并且獲得由于帶有AE傳感器的所述實驗室試驗測量裝置的外部波導的損 壞而產生的AE信號，所述實驗室試驗測量裝置與巖土結構中所安裝的測量裝置相同，其 中，利用實驗室試驗中施加的載荷獲得實驗室參數值，該實驗室參數值與巖土結構中的 參數值相對應，從由于所述實驗室試驗測量裝置的所述外部波導的損壞而產生的AE信號中提取；并且將一個或更多個基準參數值與所獲得的巖土結構中的參數值進行比較，其中所述一 個或更多個基準參數值表示巖土結構中的損壞水平，并且在與巖土結構中的參數值相對 應的實驗室參數值中，并且所獲得的巖土結構中的參數值是在參數值獲得步驟中在巖土 結構中獲得的，并且其中，所述總計幅度是由AE信號的G(d) F(E)表示的參數，并且所述AE信號是 在期望的時間間隔At1期間測量到的并且是由于特定事件對外部波導的損壞而產生的，并且，所述累積的總計幅度是作為根據一段時間關于不同的特定事件的所述總計幅 度值的累積和的參數，并且所述總計幅度頻率是作為根據一段時間關于不同的特定事件在期望的時間間隔At2 期間獲得的所述總計幅度值的總和的參數，并且假設k是等于或者大于2的自然數，則At2為At2 = IcAt1，并且 d是所述上AE傳感器和所述下AE傳感器中之一與所述AE信號的源之間的距離，其 用于在確定離特定源的距離時獲得所述總計幅度值，并且G(d)是根據d的衰減函數，并且由G(d)=冬(1+入2或0((1) =Bie_d+B2表示，并且 A1, A2, B1,和B2是由所述內部波導的材料決定的回歸系數，并且 Θ是由G(d)決定的算子，并且F(E)是在獲得所述總計幅度值時使用的AE信號的能量函數。
6.根據權利要求1所述的方法，其中F(E)是
7.根據權利要求5或6所述的方法，其中，與巖土結構中的損壞水平相對應的基準參 數的系數是Cp C2*C3，并且所述基準系數C1是用于評估巖土結構中的損壞水平是否對應于‘危險水平’的值， 在所述‘危險水平’中，可能發生巖土結構中的大型破壞，并且基準系數C1也是當與 80 %的破壞強度相對應的力施加到所述實驗室試驗中使用的帶有AE傳感器的所述實驗室 試驗測量裝置時的值，所述基準系數C2是用于評估巖土結構中的損壞水平是否對應于‘損壞發展水平’的 值，在所述‘損壞發展水平’中巖土結構被急劇損壞并且因此能夠進行到所述‘危險水 平’，并且基準系數C2也是當與60%的破壞強度相對應的力施加到在所述實驗室試驗中 使用的帶有AE傳感器的所述實驗室試驗測量裝置時的值，并且所述基準系數C3是用于評估巖土結構中的損壞水平是否經過了 ‘安全水平’的值， 在所述‘安全水平’中，巖土結構被無關緊要地損壞或者未被損壞，然后達到巖土結構被緩慢地損壞的‘損壞進行水平’，并且因此能夠進行到所述‘損壞發展水平’，并且 基準系數C3也是當與40%的破壞強度相對應的力施加到在所述實驗室試驗中使用的帶有 AE傳感器的所述實驗室試驗測量裝置時的值。
全文摘要
提供了涉及巖石力學和巖土工程，并且涉及使用大地結構的損壞所引起的低分貝聲音識別崩塌征兆并且管理用于預測崩塌的標準的測量技術。該用于大地結構的崩塌預測方法檢測低分貝聲音來代替傳統的移位和應力測量。
文檔編號G01V1/28GK102016641SQ200980116626
公開日2011年4月13日 申請日期2009年5月8日 優先權日2008年5月9日
發明者千大成, 樸義燮, 樸燦, 辛重鎬, 鄭龍福 申請人:韓國地質資源研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
