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1、超聲波探測(cè)PPT課件超聲波探測(cè)PPT課件 第七章第七章 聲、超聲波探測(cè)聲、超聲波探測(cè)聲、超聲波探測(cè) 聲、超聲波探測(cè)是一項(xiàng)比較新的工程測(cè)試技術(shù),但應(yīng)用于巖體的探測(cè)還是上個(gè)世紀(jì)六十年代末才發(fā)展起來的。由于聲、超聲波探測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的原位測(cè)試方法相比,具有輕便簡(jiǎn)潔、快速經(jīng)濟(jì)、測(cè)量精度高、易于控制等優(yōu)點(diǎn),因此可以在很多探測(cè)領(lǐng)域里顯示優(yōu)勢(shì)。尤其對(duì)巖土工程勘察設(shè)計(jì)施工更具有十分重要的意義,有廣泛的市場(chǎng)前景。 在地震學(xué)的地震波傳播理論中,我們知道,彈性波是指當(dāng)外力對(duì)彈性介質(zhì)的某部分產(chǎn)生初始擾動(dòng)(應(yīng)力或者應(yīng)變)時(shí),由于介質(zhì)具有彈性,使這種擾動(dòng)從一個(gè)質(zhì)點(diǎn)傳到相鄰的質(zhì)點(diǎn),就形成了彈性波。由此可知,彈性波被認(rèn)為是一種
2、擾動(dòng)的傳播。是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的彈性關(guān)系,把波動(dòng)視為擾動(dòng)現(xiàn)象是相互傳遞的結(jié)果。通常我們把擾動(dòng)通過介質(zhì)傳播的速度稱之為彈性波的播速度,質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置,受擾動(dòng)的速度為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,波速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。超聲波探測(cè)PPT課件 我們常說的聲波,就是在空氣中傳播的彈性波。當(dāng)其頻率f在16Hz至20KHz的范圍里,人的耳朵能夠感知,屬于聲波。頻率低于16Hz的叫次聲波。而高于20KHz的叫超聲波。實(shí)用超聲波的頻率范圍f在 (幾千萬到幾億Hz)。工程勘察使用的地震波的頻率f 在1010量級(jí),天然地震的主頻范圍大約為0.110Hz 量級(jí)。若考慮聲、超聲波的速度相同,則超聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲波的波長(zhǎng)。 聲、超
3、聲波工程探測(cè),是通過探測(cè)超、聲波在巖體內(nèi)聲、超聲波工程探測(cè),是通過探測(cè)超、聲波在巖體內(nèi)的傳播特征來研究巖體性質(zhì)和完整性的一種物探方法的傳播特征來研究巖體性質(zhì)和完整性的一種物探方法。和工程地震勘探相類似,它也是以彈性波的理論為基礎(chǔ)的。兩者的主要區(qū)別在于震源使用的彈性波頻率范圍不同,聲、超聲波探測(cè)所使用的信號(hào)頻率范圍大大高于地震波的頻率,通??蛇_(dá) ,因此有較高的分辨率。但另外一方面,由于聲源激發(fā)的能量一般都較小,831010nn841010超聲波探測(cè)PPT課件,且?guī)r石對(duì)于聲波的吸收作用也較強(qiáng)烈,導(dǎo)致聲波傳播的距離較短,一般只適應(yīng)在小范圍內(nèi)對(duì)巖體等地質(zhì)對(duì)象進(jìn)行較細(xì)致的研究。因?yàn)檫@種方法具有簡(jiǎn)便快速對(duì)
4、巖石沒有任何破壞作用的優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為工程與環(huán)境監(jiān)測(cè)中不可缺少的手段之一。 巖體的聲、超聲波探測(cè)可以分成兩種工作方法巖體的聲、超聲波探測(cè)可以分成兩種工作方法:第一是主動(dòng)式,其二是被動(dòng)式。什么是主動(dòng)式測(cè)試方法?即測(cè)量的聲波是由聲波儀的發(fā)射系統(tǒng)或者使用錘擊等人工聲源激發(fā)的。被動(dòng)式是指測(cè)量的聲波是由于巖體遭受到自然界或者其它作用力時(shí),在變形或破壞過程中自身產(chǎn)生的。因此兩種探測(cè)方法的應(yīng)用范圍也有所不同。 目前在工程勘察和工程與環(huán)境監(jiān)測(cè)中,聲波探測(cè)主要應(yīng)用于以下各個(gè)方面:1、根據(jù)聲速等聲學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行工程巖體的地質(zhì)分類。2、根據(jù)聲速隨應(yīng)力狀態(tài)的變化,圈定開挖造成圍巖松弛帶,為確定合理的襯砌厚度和
5、緢桿長(zhǎng)度提供依據(jù)。超聲波探測(cè)PPT課件3、測(cè)定巖體和巖石試樣的力學(xué)參數(shù),E、等4、利用聲速和聲幅在巖體內(nèi)的變化規(guī)律進(jìn)行工程巖體邊坡和地下硐室圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。5、探測(cè)斷層、溶洞的位置和規(guī)模,張開裂隙的延伸方向及長(zhǎng)度。6、研究巖體風(fēng)化殼的分布。7、工程灌漿后的質(zhì)量檢查。8、天然地震及地壓等自然災(zāi)害的研究預(yù)報(bào)。 研究和解決上述問題,為工程項(xiàng)目及時(shí)而準(zhǔn)確地提供設(shè)計(jì)工作所需的資料,對(duì)于縮短工期、降低造價(jià)、提高安全度都具有重要意義。7.1聲、超聲波探測(cè)原理 如前所述,聲、超聲波探測(cè)的原理和地震勘察基本一致,超聲波探測(cè)PPT課件都是以研究彈性波在巖土介質(zhì)中的傳播規(guī)律、特征為基礎(chǔ)的。聲、超聲波在不同類型的介
6、質(zhì)中傳播具有不同的特性。當(dāng)巖土介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)、密度等因素發(fā)生變化時(shí),聲波的傳播速度、能量衰減以及頻譜都將發(fā)生相應(yīng)的變化,當(dāng)超聲、聲波在傳播過程中遇到不同分界面時(shí),也會(huì)發(fā)生波的反射 、折射和繞射,也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波。和工程地震勘察一樣,當(dāng)巖石介質(zhì)和結(jié)構(gòu)物的構(gòu)成材料、均勻度、施工條件等內(nèi)外因素基本一致時(shí),聲、超聲波在其中的傳播參數(shù)基本一致;而巖土介質(zhì)和結(jié)構(gòu)物中存在缺陷時(shí),聲、超聲波在其中的傳播過程就會(huì)發(fā)生繞射、折射、反射、能量的衰減等現(xiàn)象,使聲時(shí)、聲時(shí)、聲速、聲幅、頻率聲速、聲幅、頻率都產(chǎn)生變化。使用超聲、聲波儀器測(cè)量出聲波在巖土介質(zhì)中的傳播速度、振幅衰減以及頻譜等特征,就可以推斷被測(cè)巖土層介質(zhì)的結(jié)
7、構(gòu)和致密完整程度,并對(duì)其做出一定程度的評(píng)價(jià)。超聲波探測(cè)PPT課件 在測(cè)試過程中,人為控制儀器產(chǎn)生系列電脈沖信號(hào),并把它加在發(fā)射換能器極板上,激發(fā)出一定頻率的聲、超聲波。這種聲、超聲波以各種波形在巖土介質(zhì)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播,并被接受換能器接收,接受換能器將接收的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)返回給儀器,儀器顯示出接收換能器所接受的穿過被測(cè)介質(zhì)的超聲信號(hào),利用各種物理領(lǐng)域介質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系,來確定被測(cè)的介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì),了解他們的內(nèi)部缺陷的大小。一)聲、超聲波的基本性質(zhì):一)聲、超聲波的基本性質(zhì): 1、 聲、超聲波在各類巖石介質(zhì)中的傳播速度不同: 聲、超聲波探測(cè)一個(gè)最大特點(diǎn)是:聲波在巖石中傳播時(shí),對(duì)巖石施
8、加的作用力是非常小,作用時(shí)間也非常短,不影響和不破壞被測(cè)試巖石樣本的性質(zhì)。不同類型的巖石其彈性參數(shù)有差異,則速度方面的差異更為顯著,下面給出一些巖石的特性參數(shù)表:超聲波探測(cè)PPT課件幾種典型巖石的彈性模量和應(yīng)力波速度幾種典型巖石的彈性模量和應(yīng)力波速度 巖石名稱巖石名稱g/cm9.810MPa 9.810MPa VP km/sVs km/s玄武巖玄武巖2.7699026800.30659303140 石膏石膏2.26360012700.33847902370 石灰?guī)r石灰?guī)r2.7724027600.31361303200 砂巖砂巖2.6163704900 板巖板巖2.74578021400.352
9、58702800 煤煤1.401450560.29437002000超聲波探測(cè)PPT課件)1(2)21()1(2)21)(1(1ddddsddddpEVEV按照彈性波速度公式: 上兩式可以表明,各種巖石彈性參數(shù)不同,聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),速度也不相同。主要是由、 、 的差異決定了速度的不同。波速差異,實(shí)質(zhì)是彈性性質(zhì)的差異波速差異,實(shí)質(zhì)是彈性性質(zhì)的差異。 2、聲、超聲波在分界面上的傳播: 和地震波一樣,聲波在傳播過程中如果遇到分界面,將發(fā)生反、透、折射、繞射,遵從斯涅爾定律,并可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)換波。 超聲波探測(cè)PPT課件 3、聲、超聲波在傳播過程中能量的變化: 聲、超聲波在巖石中傳播,其能量將不斷損失,
10、聲波幅度要不斷衰減,其原因有兩個(gè):(1)聲、超聲波能量的熱損失: 聲、超聲波在巖石介質(zhì)中傳播的過程中,要與巖石發(fā)生摩擦,使聲能轉(zhuǎn)換成為熱能,隨傳播距離不斷加大,能量漸漸損失,聲幅變小,可用下式表達(dá):式中A-為距聲源L遠(yuǎn)處的聲波振幅。 -為巖石對(duì)聲波的吸收系數(shù)。不同巖石的吸收系數(shù)不同,例如LeAA0 巖 類 花崗巖玄武巖 灰 巖 砂 巖 頁(yè) 巖 0.210.3840.414.040.361.77.072.320.68超聲波探測(cè)PPT課件 (2)分界面上,聲波能量的再分配: 在聲速度不同的分界面上,將按照界面聲阻抗的不同,分配各種類型的聲波。與地震波相同,界面對(duì)于聲波也有反射、透射、折射系數(shù):波)
11、(波)透射系數(shù))S)(1)(1P()(1)(1(22112221122222112221111222211VVVVRVVVVRVVVVK超聲波探測(cè)PPT課件二)聲、超聲波的探測(cè)的基本原理: 使用聲波儀,探測(cè)聲波在巖土介質(zhì)中的傳播速度、聲幅以及頻譜特征,就可以完成聲波的勘探工作。 例如,當(dāng)對(duì)某巖體(或者硐)進(jìn)行聲波探測(cè)時(shí),只要將發(fā)射點(diǎn)和接受點(diǎn)分別安放在巖體(或者硐)的不同地段,根據(jù)發(fā)射點(diǎn)和接受點(diǎn)之間的不同距離L,以及聲波在巖體中傳播的時(shí)間t ,既可由下式計(jì)算出聲速:三)測(cè)量聲、超聲波的儀器聲波儀 聲波儀只要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩大部分組成。發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大、發(fā)射機(jī)和發(fā)射換
12、能器。接收系統(tǒng)。接收系統(tǒng):接收機(jī)和接受換能器和用于控制、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的微機(jī)組成。 發(fā)射機(jī)是一種聲源信號(hào)發(fā)射器,其主要部件是由振動(dòng)器組成(聲頻、超聲信號(hào)發(fā)生器),在微機(jī)的控制下,按照需要產(chǎn)生tLV超聲波探測(cè)PPT課件一定頻率的電脈沖信號(hào),經(jīng)功率放大后由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換成聲波,并向巖體輻射。 電聲換能器是一種實(shí)現(xiàn)聲能和電能轉(zhuǎn)換的一種裝置。見圖6-10。其主要元件是壓電晶體(一種天然和人工制造的晶體或者陶瓷)。壓電晶體具有獨(dú)特的壓電效應(yīng),即將一定頻率的經(jīng)過功率放大的電脈沖加到發(fā)射換能器的壓電晶體片上,晶片就會(huì)在其法線和徑向方向產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),從而產(chǎn)生聲波,并可以按照一定方向輻射。之后,在介質(zhì)中傳播
13、。晶片的的機(jī)械振動(dòng)與電脈沖是可逆的。接受換能器若接收到巖石介質(zhì)傳播過來的聲波,壓電晶體也將發(fā)生振動(dòng),則在其表面也產(chǎn)生一定頻率的電脈沖,并把它們送到接收機(jī)。 根據(jù)測(cè)試對(duì)象和工作方式的不同,聲換能器也有各種類型和不同式樣,如喇叭式、增壓式、彎曲式型,測(cè)井換能器和橫波換能器等等。超聲波探測(cè)PPT課件超聲波探測(cè)PPT課件 接收機(jī)是將接受換能器接收到的電脈沖進(jìn)行功率放大,并將聲波波形顯示在屏幕上。通過調(diào)整游標(biāo)電位器,可以在數(shù)碼顯示器上顯示聲波的初至?xí)r間使用微機(jī)進(jìn)行信號(hào)數(shù)字處理,比如進(jìn)行頻譜分析、濾波、功率譜計(jì)算。并可以通過打印機(jī)輸出原始波形和成果圖件。四)聲波測(cè)試的各種方式: 巖體聲波探測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)工作,應(yīng)
14、該根據(jù)測(cè)試的環(huán)境、巖體和目的、要求,選擇正確的測(cè)量方法合理的布置測(cè)網(wǎng)、確定各種測(cè)量工作參數(shù)。 測(cè)網(wǎng)的布置應(yīng)該選擇在有代表性的地段,力求以最少的工作量解決較多的地質(zhì)問題。測(cè)點(diǎn)或者測(cè)孔一般布置在巖石均勻、表面光潔、無局部解理、裂隙的地方,以避免介質(zhì)不均勻?qū)β暡ǖ母蓴_。由于聲波的縱波聲波的縱波比較容易識(shí)別,因此當(dāng)前的聲波測(cè)試主要利用縱波的聲波測(cè)試工作。在測(cè)試中,最常用的是直達(dá)波法(又叫直透法)直達(dá)波法(又叫直透法)、折射波法折射波法。聲速測(cè)井也是最主要的工作方法,主要利用直達(dá)波和折射初至波。見圖7-12所示:超聲波探測(cè)PPT課件超聲波探測(cè)PPT課件7.1聲、超聲波探測(cè)應(yīng)用一、巖體動(dòng)彈模量的測(cè)定:一、
15、巖體動(dòng)彈模量的測(cè)定: 在工程地質(zhì)在工作中,常常采用靜力加壓的方法測(cè)定巖石的彈性力學(xué)參量,這種方法又稱靜力法。所測(cè)得的參數(shù)為靜彈模量,如靜楊氏模量Es、靜泊松比s、靜剪切模量s等等。靜力法測(cè)得的彈性力學(xué)參量與基礎(chǔ)荷載條件相近,但測(cè)試設(shè)備笨重、測(cè)試周期長(zhǎng),因此只能選擇有代表性的少數(shù)地段進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試的數(shù)據(jù)只能反映巖體的局部變形特征,因而往往不能滿足工程設(shè)計(jì)的數(shù)量要求。 動(dòng)力法測(cè)試巖體的彈性力學(xué)參數(shù),只要測(cè)得縱波速度VP、橫波速度VS、巖石密度根據(jù)公式就可以計(jì)算Em、m 、m等,就可以使用公式計(jì)算各種模量:超聲波探測(cè)PPT課件2222222222)(22)43(smspspmspspsmVGVVVV
16、VVVVVE 應(yīng)當(dāng)指出的是,因?yàn)閯?dòng)力法是在瞬間加載情況下進(jìn)行測(cè)試的,且對(duì)巖體施加的應(yīng)力較小,導(dǎo)致了動(dòng)、靜彈模量出現(xiàn)了差異。實(shí)際工作中,往往要進(jìn)行一定數(shù)量動(dòng)、靜彈模量的對(duì)比實(shí)驗(yàn),才可能找出其中的對(duì)應(yīng)規(guī)律。超聲波探測(cè)PPT課件二、巖體的工程地質(zhì)分類:二、巖體的工程地質(zhì)分類: 為了評(píng)估巖體質(zhì)量,了解硐室及巷道圍巖的穩(wěn)定性,合理選擇地下硐室和巷道的開挖方案。設(shè)計(jì)合理的支襯方案,都必須對(duì)巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分類。大量的巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,巖體巖體的縱波速度與其抗壓強(qiáng)度的縱波速度與其抗壓強(qiáng)度Re成近于正比的關(guān)系成近于正比的關(guān)系。因此,強(qiáng)度高(或者模量大的)巖體具有較高的聲速。另一方面,巖體的成因、類型、結(jié)構(gòu)面特
17、征、風(fēng)化程度等地質(zhì)因素,直接影響著巖體的力學(xué)性質(zhì),而巖體的力學(xué)性質(zhì)由于聲波在巖體中的傳播規(guī)律有著密切的關(guān)系,這就是巖體聲波測(cè)試之所以能夠作為巖體分類的主要手段的物理前提。 目前對(duì)巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分類的聲學(xué)參數(shù)主要是縱波速度VP、楊氏模量E、完整系數(shù)KW、裂隙系數(shù)LS、風(fēng)化系數(shù)、以及衰減系數(shù)等。現(xiàn)在分別加以簡(jiǎn)單介紹: 1 1)縱波速度縱波速度VP: 一般來說,巖體新鮮、完整、堅(jiān)硬、致密波速值就高,反之,巖體破碎、結(jié)構(gòu)面多、風(fēng)化嚴(yán)重,聲速就低。超聲波探測(cè)PPT課件超聲波探測(cè)PPT課件超聲波探測(cè)PPT課件用VP和Vs 以及它們的比值,劃分巖土性質(zhì)和巖體質(zhì)量進(jìn)行分類:(1)當(dāng)VP/ Vs約等于 且Vp
18、較高時(shí)(Vp2000m/s),是未風(fēng)化巖石。(2)當(dāng)VP/ Vs約等于 時(shí),Vp2000m/s) 只要是風(fēng)化基巖、壓實(shí)的砂、卵石層。(3)當(dāng)VP/ Vs約等于 且VP 300m/s時(shí)為干砂、卵石填方。(4)當(dāng)VP/ Vs較高(35)之間,且Vp300m/s,表示是經(jīng)常處于水位以上粘性土。當(dāng)VP1500m/s左右是, VP/ Vs較高,表示是水位以下軟粘土 VS一般與物質(zhì)的剛度有關(guān),對(duì)于粘性土層由于飽和土的不可壓縮性,是VP升高,而對(duì)于VS沒有太大的影響。VP值,是工程地質(zhì)巖體分類的最基本參數(shù)之一。堅(jiān)硬的巖石VP5000m/s,而松散的巖石VP在15003000m/s.333超聲波探測(cè)PPT課件
19、二)完整系數(shù)KW、裂隙系數(shù)LS:完整系數(shù)KW是描述巖體完整情況的系數(shù),可以表示為:裂隙系數(shù)LS是表征巖體裂隙發(fā)育程度的系數(shù),可以表示為:式中的VP石為無裂隙完整巖石的縱波速度,VP體為有裂隙的巖體的縱波速度。使用上面兩個(gè)公式計(jì)算時(shí),巖石試樣和測(cè)點(diǎn)應(yīng)在同一地段選取。使用上面兩個(gè)公式計(jì)算時(shí),巖石試樣和測(cè)點(diǎn)應(yīng)在同一地段選取根據(jù)完整系數(shù)KW、裂隙系數(shù)LS,可將巖體分為五個(gè)等級(jí):見下表:2P2P2P石體石VVVLs2PV石體pwVK超聲波探測(cè)PPT課件超聲波探測(cè)PPT課件三)風(fēng)化系數(shù): 風(fēng)化系數(shù)是表示巖體風(fēng)化程度的系數(shù),根據(jù)巖體波速隨風(fēng)化程度加重而減小的特點(diǎn),可將其表示如下:新風(fēng)新PPVVpV超聲波探測(cè)
20、PPT課件超聲波探測(cè)PPT課件四)衰減系數(shù): 聲波在巖體中傳播時(shí),除了波速要發(fā)生變化外,振幅也要衰減。實(shí)驗(yàn)證明,聲波在不連續(xù)的界面上通過,其能量衰減比較明顯。因此衰減系數(shù)可以反映巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度??梢员硎緸椋菏街蠥i為固定增益時(shí),參與比較各測(cè)試段的實(shí)測(cè)振幅值,Am為其中最大的振幅,單位為mm;為發(fā)生換能器到接收換能器的距離,單位cm。衰減系數(shù)的單位是cm-1。從式中可見,當(dāng)Ai = Am時(shí),相對(duì)的衰減系數(shù)為零。表示該巖體質(zhì)量較好。 Ai越小, 愈大就表明該測(cè)試巖體質(zhì)量就愈差,衰減系數(shù),不僅可以作為巖體進(jìn)行分類的指標(biāo),而且還可以用于圈定工程爆破引起圍巖破裂的影響范圍。imAAln1超聲波探
21、測(cè)PPT課件三、圍巖應(yīng)力松弛帶的測(cè)定: 在硐室開挖前,巖體中應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。開挖后,巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞,引起了應(yīng)力的重新分布,導(dǎo)致硐室圍巖的應(yīng)力集中和釋放。這種變化會(huì)隨巖體的性狀、硐室形態(tài)、硐室直徑大小、硐室在巖體中的位置而各異。如果在各向同性的巖體中開挖一個(gè)圓形隧硐,則在側(cè)壓系數(shù)等于1的條件下,由彈性理論計(jì)算可以表明,硐壁處的徑向應(yīng)力r 等于零,而切向應(yīng)力t 可以增大至巖體原始應(yīng)力的2倍。 r 和t的分布見圖4.4.2(a)??梢娛苡绊懙姆秶霃绞琼鲜业陌霃降?倍。 由于巖體并非理想的彈性體,而且強(qiáng)度有限,因此當(dāng)切向應(yīng)力t在硐室處的增大程度超過巖體的極限強(qiáng)度,巖體就會(huì)進(jìn)入塑性形變狀態(tài)或發(fā)生破裂。于是引起了應(yīng)力的下降,使隧硐附近的一定范圍內(nèi)出現(xiàn)比原始應(yīng)力還要低的應(yīng)力降低區(qū);向巖體內(nèi)部則形成大于原始應(yīng)力的應(yīng)力增高區(qū)。在超聲波探測(cè)PPT課件超聲波探測(cè)PPT課件向內(nèi)過渡到某一深度才逐漸恢復(fù)到原來的應(yīng)力狀態(tài)。故在硐室周圍巖石的應(yīng)力分布曲線上出現(xiàn)一個(gè)峰值如(b)圖。此外,由于施工等因素的影響,也會(huì)使巖體的完整性下降(爆破引起的爆破影響帶),出現(xiàn)附加的應(yīng)力松弛。上述兩種原因引起巖體完整性的破壞和強(qiáng)度下降的總
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