岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别方法及装置，三轴腔室内上、下两端分别安装有上、下刚性压头，其特征在于：上、下刚性压头内分别密封固装AE声发射探头和声波探头耦合测试装置，并承受三轴腔室内的高油压，接入AE采集系统和声波仪，岩石轴向加载过程中，同时完成岩石微裂纹动态扩展直至屈服破坏等全过程中的声发射测试及声波波速测试，并通过AE采集系统和声波仪输出岩石破裂过程声发射和声波等实验信息数据，根据岩石基质内微裂纹的扩展及屈服点附近声发射特征变化规律及声波波速变化特征联合判断屈服点，计算机控制停止该级别轴向压力的加载，进行下一级别围压的轴压加载，依次完成岩石单样试件的多级屈服点判别测试。
【专利说明】岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别方法及装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于岩体力学试验领域，涉及岩石破裂过程及机制研究技术以及脆性岩石单样三轴试验技术，具体地说是涉及一种岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着我国社会经济的高速发展，水利资源的大规模开发，铁路交通的迅速拓展和核电工业的兴起，与岩体相关的大规模工程日益增多，这些工程也呈现出大规模大埋深的特点。深部岩石力学与工程研究中面临高地应力、高外水压力弓I起的结构安全、岩爆和长隧洞的快速施工等一系列挑战性的岩石力学与工程课题。因此，深部岩层岩体破坏微观力学机制和力学特性的研究成为热点。
[0003]室内岩石常规三轴试验一般米用单一围压轴对称的应力系统，即先对岩石试件施加侧压力达到某一;定值(σ 2 = σ3)，然后增加轴向压力O1，直到岩样破坏。一个岩石试件只能得出一对01和O3的数据，无法确定岩石的强度包络线，也不能得到岩石的粘聚力和内摩擦角等参数。各行业规范及国标一般规定岩石三轴试验同一种含水率下岩石试件不得少于5件。由于在一些工程中很难取到足够的岩石试件以及试件自身有一定的离散性，试验中会出现试验数据不足以及较为离散现象，给试验和数据处理带来了不便。
[0004]由此，单块样三轴试验法应运而生，单块样三轴试验也即先确定围压加载等级，如σ 3 = cl、c2、c3、c4、c5,试验步骤为先加围压至第I级围压cl,然后加轴压至破坏点(屈服点)；此时，保持轴压不变，围压在第I级围压的基础上加载至第2级围压值，此时保持围压不变，再逐渐增加轴压直至第2级破坏(屈服)，以此类推。但长期以来，由于岩石为脆性材料，该方法中每级轴压加至何值，该级破坏点如何判别，一直制约着该方法在岩石三轴试验中的应用和推广，也很难被岩土工程师认可。
[0005]因此，在单块样三轴试验中，一直很难通过试验曲线或其他手段来获取岩石在多级三轴加载过程中屈服点的判断，这是目前需要解决的问题之一。
[0006]鉴于以上难点，可以借鉴岩石试验过程中试件声波波速的变化来判断单样法中每级的屈服破坏点。目前采用声波测试评价岩体的稳定和松弛、损伤范围及程度，即利用人工方法对被测介质施加动荷载，作为激发弹性波的激发源，使之在介质中进行传播，然后通过分析量测设备接收传来的声波信息，如波速、振幅、频率、声谱、波形等。声波检测广泛地应用于各类工程建设，诸如检测地下洞库、巷道围岩的稳定，评价岩体的质量和分类，矿床、矿柱稳定监测，地基基础和边坡加固处理的效果检验，以及岩溶和水晶洞穴、软弱岩层或夹层、断层破碎带、风化层的探测等。但是，这种方法受岩石试件本身的结构和完整性等因素影响，单纯采用该方法有时容易得到误判。
[0007]另外，声波测试作为评价工程岩体的稳定性和损伤范围及程度的一项检测指标，有单独完整的检测程序和测试方法，在现有技术中，单纯采用声波测试较难全面定性、定量地对岩体破坏过程中进行实时观测与表征，有明显的局限性。同时，岩石、混凝土材料中的微裂纹在产生、扩展、开合及贯通过程中，会产生声发射。由于微裂纹很难直接观测，声发射方法便成了研究岩石、混凝土受力变形过程中微裂纹动态变化过程的有力工具。声发射检测技术是利用声发射的衰减变化情况来评价岩石内的损伤情况，声发射给出的信息较为丰富，如:累计发射数N、声发射率AER、声发射波幅A、声发射能量E和声发射时间T。
[0008]在高应力三轴试验条件下，岩石通过橡胶套置于高油压的腔室中，岩石试件的声波波速测试和声发射测试变得更为困难。因此，需要通过声波波速测试和声发射测试等声学手段判别方法，获得较为全面的反映岩石整个破坏过程中的AE声发射中AE声发射数、能量和幅值等参数，从而获取岩石在多级三轴加载过程中屈服点的判断，这是目前需要解决的问题。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别方法，通过耦合声发射AE与声波波速联合测试声波波速变化过程以及岩石整个破坏过程中的AE声发射数、能量和幅值等参数以及岩石特征强度临界附件的声波波速变化特征，能够较为全面的对岩石微裂纹动态变化进行定性、定量地观察与表征，从而可以定性定量地分析岩石的起裂强度、损伤强度等特征强度值，准确判别试验过程中岩石的屈服点，从而保证轴压加载下一级别的围压。
[0010]本发明的另一个目的是提供一种岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别装置，解决高围压下声发射AE探头与声波探头耦合密封设置在上下压头内，能承受高油压且置于充满高围压的三轴腔室中，可以采集到无损的AE信号，直观的展示岩石破坏过程中次生微裂纹的产生位置及扩展路径，准确判别试验过程中岩石的屈服点，从而保证轴压加载下一级别的围压，增加了试验的成功率。
[0011]本发明解决其技术问题采用以下技术方案:一种岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别方法三轴腔室内，岩样试件放置在上、下两个刚性压头之间，通过在上、下刚性压头内分别密封固装AE声发射探头和声波探头耦合测试装置，并承受三轴腔室内的高油压，接入AE采集系统和声波仪，岩石轴向加载过程中，同时完成岩石微裂纹动态扩展直至屈服破坏等全过程中的声发射测试及声波波速测试，并通过AE采集系统和声波仪输出岩石破裂过程声发射和声波等实验信息数据，根据岩石基质内微裂纹的扩展及屈服点附近声发射特征变化规律及声波波速变化特征联合判断屈服点，计算机控制停止该级别轴向压力的加载，进行下一级别围压的轴压加载，依次完成岩石单样试件的多级屈服点判别测试。
[0012]一种岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别装置，三轴腔室内上、下两端分别安装有上刚性压头和下刚性压头，上刚性压头上设置有上压盘，插销将上压盘固定在上刚性压头上，传力柱设置在上压盘上，下刚性压头安装在数据线集成底盘上，其特征在于:上、下刚性压头内分别密封固装有AE声发射探头和声波探头，上刚性压头和下刚性压头一侧分别嵌入至少有两个楔形密封接头，数据线集成底盘上设置有内接通道插槽，数据线集成底盘内设置外接插槽，内接通道插槽和外接插槽用电缆线连通，岩样试件放置在上、下两个刚性压头之间。
[0013]所述AE声发射探头接有信号内接线，信号内接线接入楔形密封接头接出信号外接线，并接入内接通道插槽，再通过外接插槽接入AE采集系统，AE采集系统接入计算机。[0014]所述声波探头接有声波信号内接线，声波信号内接线接入楔形密封接头接出声波信号外接线，并接入内接通道插槽，再通过外接插槽接入声波仪，声波仪接入计算机。
[0015]所述数据线集成底盘设置的内接通道插槽和外接插槽分别至少设置四个，每个内接通道插槽分别与对应的外接插槽连通。
[0016]本发明与现有技术相比还具有以下的主要优点:
[0017]1、本发明三轴试验刚性压头内设置声学装置，通过上、下两个刚性压头内分别密封设置声波、声发射探头耦合装置，对岩石破裂过程实验观察岩石微裂纹动态变化进行定性、定量地表征，可以同时完成声波测试、声发射测试，较为全面的对岩石破裂过程实验信息数据，声波信息如波速、振幅、频率、声谱、波形等，及声发射信息如发射数、声发射率、声发射波幅、声发射能量、声发射时间等，通过匹配AE监测及定位、波速速率变化对比研究岩石变形破坏及强度演化机制，对工程岩体的稳定性、损伤范围及程度有较为准确的判断。
[0018]2、本发明采用单块三轴法加载控制方式的选取对于岩石脆性特性具有深刻的意义，三轴试验中还没有加载2、3级就因为岩石脆性特性而出现失控式破坏而使试验前功尽弃，很难做到屈服点的确定，采用轴向应变及环向应变控制三轴试验尽管可以增加单块样三轴试验的成功率，但该种方法具有不可控性，它不能提前预判屈服点，而采用本发明声波、声发射探头耦合装置，通过获得岩石破裂过程实验信息数据，可以在破坏点来临时刻稍前即可判断破坏点，此时可采用人机交互方式立即停止该级别轴向压力的加载，从而保证轴压加载下一级别的围压，因而大大增加了试验的成功率。
[0019]3、本发明岩石单块样三轴试验中多级屈服点判别的声学装置，采用AE声发射探头密封设置在三轴室的腔室内刚性压头内，可以通过采集岩石受力后岩石基质内微裂纹的扩展及屈服点附近声发射特征变化规律来判断屈服点，因此对AE能量和声发射数的累计值或信号采集率可以很好地确定试验过程中岩石的破坏点即屈服点，尤其是当现场取样困难或者试件完整均一性难以达到时，配置声波、声发射探头试验耦合装置，单块试件三轴试验方法的优越性更能体现出来，因此具有较强的工程应用价值。
[0020]4、本发明采用声波探头和声发射AE探头相耦合的测试方法，可以通过捕捉试块破坏过程中的声发射信号反映岩石的破坏过程，直观的展示岩石破坏过程中次生微裂纹的产生位置及扩展路径，通过岩石破坏全过程声发射试验，可以揭示岩石裂隙扩展过程与声发射信号特征之间的联系，根据声发射信号特征判断岩石处于破坏过程的某种阶段，并得到岩石破坏的前兆信息及失稳判据；同时，通过试件压头两端的声波探头测试岩样在各级受载下的穿过试件全长的声波波速变化特征，也即每级试验中，声波波速相对突降点也即岩石破坏的前兆判断点。若单纯在刚性压头内单一设置发射AE探头或声波探头，采集的AE信号或通过声波探头测得的声波波速不能全面准确的反映破坏特征点。因此，通过内置于上下压头的AE探头和声波探头耦合监测装置，解决了单块试件三轴试验中的相关关键技术问题，尤其对解决特殊条件下的工程岩石力学参数客观取值方法难题。
[0021]5、本发明岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别装置，在高应力三轴试验条件下，岩石通过橡胶套置于高油压的腔室中，有效解决高油压的腔室中，岩石试件的声波波速测试和声发射测试，将声发射与声波探头密封固装在刚性压头内，为常压状态，并通过在刚性压头一侧至少分别嵌入两个楔形密封接头，使三轴腔室内围压作用楔形密封接头并压紧在刚性压头，围压越高，密封越紧密，加固刚性压头更为密闭，有效保护刚性压头内的测试仪器，实现实时共同测试声发射与声波信号，探头测试信号通能够有效且信息无损地输出。
[0022]6、本发明岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别装置，通过在三轴腔室底部设置有内接通道插槽，对内承受高压，数据线集成底盘内设置有外接插槽，声发射探头接出信号线，接入内接通道插槽，再通过电缆线接入外接插槽，并接入AE数据采集系统及计算机；且声波探头接出信号线，接入内接通道插槽，再通过电缆线接入外接插槽，并接入声波仪及计算机，同时完成声发射与声波耦合测试岩石破裂过程实验，并记录脆性岩石试件中微裂隙声发射数、波速在不同应力路径下全过程演化特征与规律。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1本发明岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别装置结构示意图。
[0024]三轴腔室1、插销2、上刚性压头3、上刚性压头3'、岩样试件4、AE声发探头5、声波探头6、内接通道插槽7、8_外接插槽8、声波仪9、AE采集系统10、数据线集成底盘11、楔形密封接头12、楔形密封接头13、声波信号外接线14、声波信号内接线15、AE信号外接线16、AE信号内接线17、传力柱18、压盘19、计算机20。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0026]见图1，岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别装置，三轴腔室I为密闭的容器，其内充满高油压，三轴腔室I内上、下两端分别安装有上刚性压头3和下刚性压头3'，岩样试件4放置在下刚性压头3'上，岩样试件4始终置于充满高油压的三轴腔室I中，上刚性压头3压在岩样试件4上，上刚性压头3上设置有压盘19，插销2将上压盘19固定在上刚性压头3上，保持上压盘19和上刚性压头3位置居中，传力柱18设置在压盘19上，传力柱18对压盘19加压，压力作用于上刚性压头3和其下面的岩样试件4，下刚性压头3'安装在数据线集成底盘11上，数据线集成底盘11上设置有内接通道插槽7，内接通道插槽7承受三轴腔室内高油压，数据线集成底盘11内设置外接插槽8，内接通道插槽7和外接插槽8用电缆线连通，外接插槽8处三轴室外大气压常态，内接通道插槽7和外接插槽8分别至少设置四个，每个内接通道插槽7分别与对应的外接插槽8连通。
[0027]AE声发射探头5和声波探头6分别固装在上刚性压头3内，同理，AE声发射探头5和声波探头6分别密封固装在下刚性压头3'内。上、下刚性压头3、3'可以用铸造件，放AAE声发射探头5和声波探头6的上刚性压头3和下刚性压头3'内密封，上刚性压头3和下刚性压头3'内为常压状态，上刚性压头3和下刚性压头3'在高油压中，上刚性压头3和下刚性压头3' —侧分别嵌入有楔形密封接头12、13，楔形密封接头至少设置两个，楔形密封接头12、13接出端承受三轴腔室I内高油压。
[0028]AE声发射探头5接有信号内接线17，信号内接线17接入楔形密封接头12接出信号外接线16，并接入内接通道插槽7，再通过外接插槽8接入AE采集系统10，声发射信号由AE声发射探头5通过信号内接线17、楔形密封接头12、信号外接线16及内接通道插槽7、外接插槽8输出到AE采集系统10，并输入到计算机20。
[0029]声波探头6接有声波信号内接线15，声波信号内接线15接入楔形密封接头13接出声波信号外接线14，并接入内接通道插槽7，再通过外接插槽8接入声波仪9，声波信号由声波探头6通过声波信号内接线15、楔形密封接头13、声波信号外接线14及内接通道插槽7、外接插槽8输出到声波仪9，并输入到计算机20。
[0030]岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别，三轴腔室内，岩样试件放置在上、下两个刚性压头之间，通过在上、下刚性压头内分别密封固装有AE声发射探头和声波探头，AE声发射探头和声波探头信号线分别接入声波仪和AE采集系统，岩石轴向压力加载过程中，同时完成岩石微裂纹动态变化的声波测试、声发射测试，输出岩石破裂过程声波、声发射实验信息数据，监测岩石基质内微裂纹的扩展及屈服点附近声发射特征变化规律来判断屈服点，采用人机交互方式立即停止该级别轴向压力的加载，进行下一级别围压的轴压加载，依次完成岩石单样试件的多级屈服点判别测试。
【权利要求】
1.一种岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别方法，其特征在于:三轴腔室内，岩样试件放置在上、下两个刚性压头之间，通过在上、下刚性压头内分别密封固装AE声发射探头和声波探头耦合测试装置，并承受三轴腔室内的高油压，接入AE采集系统和声波仪，岩石轴向加载过程中，同时完成岩石微裂纹动态扩展直至屈服破坏等全过程中的声发射测试及声波波速测试，并通过AE采集系统和声波仪输出岩石破裂过程声发射和声波等实验信息数据，根据岩石基质内微裂纹的扩展及屈服点附近声发射特征变化规律及声波波速变化特征联合判断屈服点，计算机控制停止该级别轴向压力的加载，进行下一级别围压的轴压加载，依次完成岩石单样试件的多级屈服点判别测试。
2.根据权利要求1所述的一种岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别装置，三轴腔室(I)内上、下两端分别安装有上刚性压头(3)和下刚性压头(3')，上刚性压头(3)上设置有上压盘(19)，插销(2)将上压盘(19)固定在上刚性压头(3)上，传力柱(18)设置在上压盘(19)上，下刚性压头(3')安装在数据线集成底盘(11)上，其特征在于:上、下刚性压头(3)、(3')内分别密封固装有AE声发射探头(5)和声波探头(6)，上刚性压头(3)和下刚性压头(3') 一侧分别嵌入至少有两个楔形密封接头(12)、(13)，数据线集成底盘(11)上设置有内接通道插槽(7)，数据线集成底盘(11)内设置外接插槽(8)，内接通道插槽(7)和外接插槽(8)用电缆线连通，岩样试件(4)放置在上、下两个刚性压头(3)之间； 所述AE声发射探头(5)接有信号内接线(17)，信号内接线(17)接入楔形密封接头(12)接出信号外接线(16)，并接入内接通道插槽(7)，再通过外接插槽⑶接入AE采集系统(10)，AE采集系统(10)接入计算机(20)； 所述声波探头(6)接有声波信号内接线(15)，声波信号内接线(15)接入楔形密封接头(13)接出声波信号外接线(14)，并接入内接通道插槽(7)，再通过外接插槽(8)接入声波仪(9)，声波仪(9)接入计算机(20)。
3.根据权利要求2所述的一种岩石三轴单样法多级屈服点的声学判别装置，其特征在于:所述数据线集成底盘(11)设置的内接通道插槽(7)和外接插槽(8)分别至少设置四个，每个内接通道插槽(7)分别与对应的外接插槽(8)连通。
【文档编号】G01N29/07GK103868993SQ201410115973
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】汪斌, 朱杰兵, 邬爱清, 周火明, 李聪, 刘小红, 王黎 申请人:长江水利委员会长江科学院