一种岩石特性测试系统及其岩石损伤演化测试方法与流程

本发明属于岩体力学与地质学技术领域，特别涉及一种岩石特性测试系统及其岩石损伤演化测试方法。

背景技术：

工程岩石内部往往含有大量的细微裂隙与微孔洞，同时，岩石受荷时损失破裂过程往往是细观损伤扩张、演化的过程，宏观上表现应力-应变曲线的阶段性。岩石类固体材料损伤演化机制的研究发展极为缓慢，一是缺乏可靠的细观损伤量化方法，二是岩石类材料内部结构的复杂性和宏观力学行为的离散性。

岩石微观光学试验机的研制有效促进了细观损伤的量化研究，通过对岩石在受荷过程中表观损伤演化的定量描述，探讨了表观损伤量与宏观力学特性的关系，但是此类方法仅能观测岩石表面的损伤演化过程，不能反映内部破裂机制。同时，随着类岩石材料的发展，透明类高脆性岩石材料在损伤演化中的应用越来越广泛，传统的岩石光学试验机对透明岩石材料的几何形状要求较高，即试样不宜做成常规三轴圆柱形试样，因为圆柱形透明试样不利于长焦相机拍照观测。即使是ct技术的引入，由于其研究费用较高，适用性也受到了限制。

岩石波动测试主要是通过超声波测试技术并基于岩石波速和衰减系数来分析岩石的物理力学性质及结构特征，既有研究成果主要集中在对岩石在不受载环境下的力学测试，对于岩石在受荷状态(特别是附加应力，如水压力、温度应力等)下的研究非常少，由于外荷载(附加应力)进一步加剧了岩石的损伤破裂，因此建立声发射参数与应变相关性的量化模型显得尤为重要，这也是利用波动测试研究岩石损伤演化的基础。

电阻率是表征岩石导电性能的重要参数之一，岩石在损伤破裂的过程中，其内部孔隙裂隙的产生、发展、贯通等都会导致导电性质发生变化，继而我们能够通过岩石电阻率的变化反推其力学性质的改变。同样受荷状态下电阻率测试研究成果较少，且电阻率测试可以弥补声波法对岩石破裂瞬间不敏感的缺陷，特别适用于周期性饱水岩石、冻融循环岩石损伤演化的研究。

终上所述，依据表观损伤量、声发射及电阻率特性等在岩石加载破裂过程中不同的响应规律，基于岩样内、外部破裂损伤机制的区别和互补性，引入综合损伤变量概念，构建基于光学-声发射-电阻率特性耦合的岩石损伤演化测试方法非常重要。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可实现对岩石内、外部损伤破裂全过程的全程观测，克服传统试验机对试样形状的限制，降低研究费用同时提高可信度的岩石特性测试系统及其岩石损伤演化测试方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种岩石特性测试系统，包括由岩石伺服试验系统、显微镜、相机和图像处理系统构成的岩石微观光学试验机，所述岩石微观光学试验机上放置有完全饱和试样，所述岩石伺服试验系统通过加载压板与完全饱和试样连接，所述完全饱和试样表面设置有声发射测试系统和电阻率测试系统，所述声发射测试系统包括声发射传感器和声发射信息采集系统，所述电阻率测试系统包括电阻率传感器和电阻率采集系统。

进一步的，所述完全饱和试样与加载压板之间设置有绝缘材料。

进一步的，所述声发射信息采集系统与电阻率采集系统均为高速敏感性实时数据采集系统。

进一步的，所述声发射传感器与电阻率传感器均为防水传感器。

进一步的，所述声发射传感器通过医用声波粘合剂与完全饱和试样进行粘结。

一种如上所述的运用岩石特性测试系统的岩石损伤演化测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在现有的岩石微观光学试验机上与声发射测试系统和电阻率测试系统并联构建成岩石微观光学-声发射-电阻率特性耦合测试系统；

步骤二：制备完全饱和试样，采用煮沸法充分饱水后置于岩石微观光学试验机上，然后布设声发射测试系统、电阻率测试系统形成岩石特性测试系统，最后通过标定测试通道正常后开始单轴压缩试验；

步骤三：通过步骤二中的岩石特性测试系统进行单轴压缩试验观测岩石在受载条件下的波电场参数与应变的相关性；

步骤四：首先借助损伤力学理论分别建立基于表观损伤度、声发射累积振铃计数及电阻率的岩石损伤变量与应变的关系，然后定量描述岩石在受荷条件下各加载阶段表观及内部损伤；

步骤五：基于表现损伤度、声发射累积振铃计数及电阻率的岩石损伤变量在各个破坏阶段的差异性与互补性，通过引入综合损伤变量概念，在单轴压缩损伤演化的各个阶段采用不同的损伤变量描述岩石损伤演化过程。

进一步的，所述步骤二中的完全饱和试样为直径500mm高度100mm的圆柱型，试样制备过程中应采用抛光机器对试样上下表面进行修平处理，采用电子数字游标卡尺对试样尺寸维度进行精确量测。

进一步的，所述步骤二中在制备完全饱和试样之前需要对试样进行三次加荷-卸荷行为，加荷范围是0～3.5mpa。

进一步的，所述步骤三中观测岩石在受载条件下的波电场参数与应变的相关性的具体步骤为：首先记录轴向加载情况下的应力-应变关系曲线，然后统计表现裂纹发展情况，引入表现裂损度，得到表现损伤度-应变关系曲线，再通过实测各加载阶段的振铃计数，绘制声发射累积振铃计数-应变关系曲线，最后根据电阻率测试系统记录各个时刻的电阻率值最终得出电阻率-应变关系曲线；

进一步的，所述步骤五中表现损伤度、声发射累积振铃计数及电阻率的岩石损伤变量的描述形式具体为：

表观损伤度的岩石损伤变量db描述形式为其中：l为表观裂隙面的最小间距，v岩石单元的体积，n为岩样表面裂隙统计总数，aⁱ为第i条裂隙的面积，nⁱ为第i条裂隙的法线方向矢量；

声发射累积振铃计数的损伤变量ds描述形式为ds＝(1-σr/σp)(ci/cu)，其中：σr为残余强度，σp为峰值强度，ci为岩石损伤演化过程中任意时刻的累积振铃计数，cu为岩石达到损伤临界强度时的累积振铃计数；

电阻率的岩石损伤变量dd描述形式为dd＝(1-σr/σp)[(n0-ni)/(n0-nu)]，其中：σr为残余强度，σp为峰值强度，n0为岩石试样初始状态的孔隙度，ni为岩石在损伤演化过程中任意时刻的孔隙度，nu为岩石试验在破坏时的孔隙度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明简单可靠、经济效益高。克服了传统光学试验机对透明岩石材料试样几何形状的限制，研究费用低于ct技术。

2、试验了岩石内、外部损伤破裂过程的全程观测，克服了其他试验方法仅研究内部损伤或者表面损伤破裂的限制，是一种内、外部耦合试验方法。

3、本发明弥补了波动测试单方面对岩石破裂瞬间敏感性不足的缺陷，依据表观损伤量、声发射及电阻率特性等在岩石加载破裂过程中不同的响应规律，基于岩样内、外部破裂损伤机制的区别和互补性，引入综合损伤变量概念，构建三因素耦合的细观损伤测试方法，可信度高。

4、本发明可用于工程岩石内、外部损伤破裂机制与演化规律综合研究，可为地下工程、边坡工程与引水隧洞工程等领域岩石损伤破坏机制与工程长效稳定性研究提供可靠的方法支撑。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的总体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图2所示，本发明所述的岩石损伤演化测试方法依次按如下步骤进行：

(1)构建岩石微观光学-声发射-电阻率特性耦合测试系统，在既有微观光学试验机基础上，并联pci-8岩石声发射测试系统与v8岩石电阻率测试系统，所述声发射测试系统与电阻率测试系统，均为高速敏感性实时数据采集系统，可量测岩石破裂瞬间的声发射参数、电阻率等变化情况，声发射测试系统的工作频率约为22khz～220khz，电阻率测试系统的工作频率约为1.0khz～2.4mhz。

(2)室内钻取高100mm，直径50mm花岗岩岩芯样，试样两端采用抛光机器对试样上下表面进行修平处理，采用电子数字游标卡尺对试样尺寸维度进行精确量测。通过物理力学试验可知该试样密度为2732kg/m³，杨氏模量为56.63gpa，泊松比为0.21，抗拉强度为10.59mpa，抗压强度为160.27mpa；该试样长度为9.97mm，直径为54.74mm。

(3)为保证该人工钻取试样与原位工程岩体有相似的力学行为，对该试样进行三次加荷-卸荷行为，加荷范围是0～3.5mpa。上述的加荷-卸荷行为可保证试样内部产生一定的孔隙与裂隙，岩样表面生成一定量的微裂纹，其工程力学行为将类似于原位工程岩体。

(4)如图1所示，将制备好的试样用煮沸法充分饱水，获得完全饱和岩样2，将完全饱和岩样2置于岩石微观光学试验机上，将6～8个声发射传感器3贴在试样表面，采用试样表面微钻孔技术布设呈正交分布4排电阻率传感器4，标定所有测试通道的数据正常后，开始单轴压缩试验。所述声发射传感器3是使用医用的声波粘合剂粘结在试样表面，用以排除探头和被测试样之间的空气，使声波能有效的穿入被测试样到达有效监测的目的；所述声发射传感器3与电阻率传感器4均为防水传感器；所述岩石试样2与加载压板1间预设绝缘材料，如绝缘塑料，防止电流通过加载压板1影响测试效果。

(5)单轴压缩试验采用轴向位移加载控制，加载速率控制在0.006mm/min，岩石电液伺服试验系统可自动记录轴向加载情况下的应力-应变关系曲线；岩石微观光学测试系统通过长距离显微镜5及ccd长焦相机6对不同加载阶段的岩石表面自动拍照，通过数字图像处理技术统计各应变条件下的试样表面有效裂纹长度lcr(ε)与极限荷载条件下的表面有效裂纹长度引入表观损伤度得到表观损伤度-应变关系曲线；声发射测试系统可实时记录各加载阶段试样的振铃计数、内部事件、幅值等特征参数，用于绘制声发射累积振铃计数-应变关系曲线；电阻率测试系统可根据试样两侧电位差与通过试样的电流量等，记录各个时刻的电阻率值，进而得到电阻率-应变关系曲线。

(6)与应力-应变曲线类比，单轴压缩各阶段表观损伤度、振铃计数及电阻率对应变的响应程度不同，借助损伤力学理论分别建立基于表观损伤度、振铃计数及电阻率的岩石损伤变量与应变的关系，可实现岩石在受荷条件下各加载阶段表观及内部损伤的定量描述。

(7)基于表观损伤度的岩石损伤变量db描述形式为其中：l为表观裂隙面的最小间距，v岩石单元的体积，n为岩样表面裂隙统计总数，ai为第i条裂隙的面积，nⁱ为第i条裂隙的法线方向矢量；基于声发射累积振铃计数的损伤变量ds描述形式为ds＝(1-σr/σp)(ci/cu)，其中：σr为残余强度，σp为峰值强度，ci为岩石损伤演化过程中任意时刻的累积振铃计数，cu为岩石达到损伤临界强度时的累积振铃计数；基于电阻率的岩石损伤变量dd描述形式为dd＝(1-σr/σp)[(n0-ni)/(n0-nu)]，其中：σr为残余强度，σp为峰值强度，n0为岩石试样初始状态的孔隙度，ni为岩石在损伤演化过程中任意时刻的孔隙度，nu为岩石试验在破坏时的孔隙度。

(8)基于表观损伤度、振铃计数及电阻率的岩石损伤变量在各个破坏阶段的变化不尽相同，表现出明显的差异性，但是三者间亦表现出明显的互补性，通过引入综合损伤变量概念，在单轴压缩损伤演化的各个阶段采用不同的损伤变量进行描述，可更加准确的表征岩石损伤演化过程。

所述岩石损伤演化测试方法适用于周期性饱水岩石、冻融循环岩石损伤演化的研究；所述岩石材料可为花岗岩、砂岩等原位岩样，也可以为用透明树脂材料、水泥砂浆等人工配制的类岩石材料；所述岩石尺寸与几何形状可按照试验方案需求加工为圆柱形试样、立方体试样及棱柱体试样等；当岩石试样为人工配制试样时，可对试样预制裂隙，基于本发明所述的研究方法开展预制裂隙类岩石材料损伤演化方面的研究。

以上所述仅为本发明的实施例子而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。