巖石無損檢測是指在不破壞巖石的情況下確定其強(qiáng)度等相關(guān)特性的方法，基本原理是通過物理或化學(xué)手段探測巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷引起的聲、光、電、磁、熱等響應(yīng)的變化，進(jìn)而間接獲得巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷的形狀、性質(zhì)和狀態(tài)。
目前常用的巖石無損檢測方法可以分為非接觸式和接觸式方法。非接觸式方法主要包括數(shù)字圖像相關(guān)、紅外熱成像、X射線層析成像以及核磁共振成像等方法;接觸式方法主要包括超聲波檢測與成像以及電阻率檢測與成像等方法。
一、數(shù)字圖像相關(guān)
數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation，DIC)技術(shù)是一種非接觸式現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù)。由于具有光路簡單、環(huán)境適應(yīng)性好、測量范圍廣以及自動化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土木工程、機(jī)械、材料科學(xué)、電子封裝、生物醫(yī)學(xué)、制造、焊接等科學(xué)及工程領(lǐng)域。
在實(shí)驗(yàn)室，該項(xiàng)技術(shù)常被用于測量巖石破裂過程中的位移與變形，基于變形結(jié)果還可以用于測定裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子;在野外，該項(xiàng)技術(shù)還可用來判斷巖石工程安全狀態(tài)和評估巖體工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。然而，為了獲得高精度的巖石表面變形，需要高分辨率和高幀率的圖像采集與處理設(shè)備，這極大增加了測量成本，限制了其使用范圍。
二、紅外熱成像
紅外熱成像技術(shù)是運(yùn)用光電技術(shù)檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號后將該信號轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形，并可以進(jìn)一步計(jì)算出溫度值的一項(xiàng)技術(shù)。熱紅外在軍事、工業(yè)、汽車輔助駕駛、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。此外，通過紅外熱成像技術(shù)可以實(shí)時(shí)、無損、非接觸地觀測巖石表面的損傷過程，并判斷內(nèi)部損傷出現(xiàn)的位置。但是，該方法對亮度變化不敏感，且往往缺乏背景細(xì)節(jié)信息。
三、X射線層析成像
X射線層析成像(CT)是指通過X射線對巖石進(jìn)行掃描重建其內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)信息分布圖像的技術(shù)。由于成像精度高，該項(xiàng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于診斷人體內(nèi)部病變，同時(shí)其在材料科學(xué)和巖土工程領(lǐng)域也被大范圍使用，常被用來獲得巖石內(nèi)部孔隙喉道分布、礦物結(jié)構(gòu)、夾雜物、裂縫發(fā)育情況等細(xì)觀結(jié)構(gòu)。然而，該方法對流體并不敏感，檢測含流體巖石時(shí)往往需要加入造影劑，同時(shí)當(dāng)巖石內(nèi)部包含金屬礦物時(shí)會產(chǎn)生極大偽影，因此在巖石檢測方面仍存在一定局限性;另外，由于該方法成本較高且存在輻射泄漏等風(fēng)險(xiǎn)，通常只能在實(shí)驗(yàn)室使用，限制了其使用場景。
四、核磁共振成像
核磁共振成像技術(shù)是利用核磁共振原理，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，計(jì)算其穿過巖石內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)后的衰減，獲得構(gòu)成巖石的原子核位置和種類，從而重建巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像的一項(xiàng)技術(shù)。目前該項(xiàng)技術(shù)在物理學(xué)、化學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域均得到了很好的應(yīng)用。由于具有快速、無損和靈敏等優(yōu)點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)還在巖石物理領(lǐng)域被用于精細(xì)刻畫儲層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)、評價(jià)儲層的孔隙度、滲透率、飽和度等參數(shù)，同時(shí)根據(jù)核磁圖像的亮斑和亮度還可直觀定性地認(rèn)識和描述巖石內(nèi)部孔隙演化和微裂縫的發(fā)育情況。盡管如此，金屬礦物對核磁共振成像影響較大，不宜對金屬礦物含量較大的巖石進(jìn)行檢測。
五、超聲波檢測與成像
超聲波檢測(UT)是指通過測定超聲波穿透巖石或巖體后聲波信號的聲學(xué)參數(shù)(波速、衰減系數(shù)、波形、頻率、頻譜、振幅等)的變化，間接地了解巖石或巖體的物理力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)特征的一類技術(shù)。由于超聲波方向性好、能量高、穿透能力強(qiáng)且測量原理簡單，已就被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、水電、煤炭、交通、石油、建筑等各行業(yè)的巖石工程中。
在實(shí)驗(yàn)室，超聲波檢測技術(shù)常被用于測定巖石的彈性參數(shù)，評估巖石完整性以及監(jiān)測巖石破裂過程等;在野外，也常被用于測定巖體彈性參數(shù)、劃分巖體結(jié)構(gòu)類型、估計(jì)巖體松動層厚度、判定巖體穩(wěn)定性、檢測巖體加固質(zhì)量、監(jiān)測圍巖支承壓力以及地應(yīng)力測試等。
巖石超聲波檢測獲得的參數(shù)實(shí)際上是超聲波穿過巖石后的平均值，并不能進(jìn)一步獲得超聲波傳播路徑上的局部細(xì)節(jié)。為了獲得更多的參數(shù)變化細(xì)節(jié)，可以在巖石周圍布置多個(gè)超聲換能器以獲得在不同方向上的超聲波信號，然后利用層析成像方法對巖石內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行反演，從而可以更詳細(xì)地了解巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷以及應(yīng)力分布情況。目前，超聲波成像技術(shù)已成為實(shí)驗(yàn)室研究巖石破裂過程的常規(guī)手段。
六、電阻率檢測與成像
電阻率成像是通過布置在巖石表面的電極陣列獲得巖石內(nèi)部電位分布，再換算為電阻率分布的一項(xiàng)技術(shù)。目前該項(xiàng)技術(shù)已被用于研究巖石內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，評估巖體質(zhì)量、監(jiān)測流體在地層中的運(yùn)移、巖石破裂以及地震孕育等。
同時(shí)，由于該項(xiàng)技術(shù)主要對巖石的電學(xué)屬性敏感，可以查清地下的電阻率電導(dǎo)率物理參數(shù)，常用來勘查包含水、金屬或者其他高阻類的地質(zhì)體，目前其已成為勘探領(lǐng)域的常規(guī)手段之一。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，巖石無損檢測技術(shù)得到了長足發(fā)展。尤其是隨著人工智能技術(shù)的不斷提升，巖石無損檢測也正朝著更加精細(xì)化和智能化的方向發(fā)展。近年來，深度學(xué)習(xí)算法在無損檢測領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，通過對大量圖像、聲音、電阻率等數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，大大提高了巖石力學(xué)狀態(tài)和內(nèi)部缺陷的檢測精度和效率。同時(shí)，隨著人類對能源需求的不斷增長，發(fā)展兼具實(shí)驗(yàn)室和野外探測能力的無損探測手段正逐漸成為研究熱點(diǎn)。相信在不遠(yuǎn)的將來，采用高精度無損檢測技術(shù)獲得地下介質(zhì)連續(xù)分布形態(tài)將成為未來發(fā)展趨勢。
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