一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置的制作方法

本发明涉及岩体动力学室内实验领域，具体涉及一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置。

背景技术：

当地震或地下爆破发生时，其产生的能量部分以应力波的形式传播到周围岩体中。自然界岩体中通常存在着大量的不连续结构面，当应力波在传播过程中遇到这些结构面时，其幅值发生衰减，相位改变，频率降低。应力波在结构面处的传播规律通常受控于结构面的动态变形特征，而这种动态变形特征通常由结构面的动态刚度来刻画。因此，结构面动态刚度的有效测量对于建立应力波在岩体中传播分析模型，并应用于岩体地震地质灾害的预防和评价具有重要的意义。

岩体试件室内动力学试验是测试粗糙结构面动态刚度的重要途径。由于室内实验直接利用传统的分离式霍普金森杆(shpb)测试粗糙结构面在动力作用下的受力与变形通常比较复杂，且同一粗糙结构面多次测量的结果重复性差，因此间接测量是首选的实验方法。

粗糙结构面的动态刚度通常与其所处的应力状态和结构面的吻合程度有关。由于目前尚没有用于间接测量粗糙结构面的装置，因此迫切发展一种能同时考虑粗糙结构面的应力状态和吻合程度的间接测量结构面动态刚度的装置及其测试方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置，利用该装置及其测试方法能够测量粗糙结构面在不同应力状态下和不同吻合系数下的动态刚度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置，包括反力加载框架、岩样约束装置和超声波测试系统，所述反力加载框架包括横梁、立柱、横梁反力轴、千斤顶加载轴、液压千斤顶、液压表、加压手柄和基座，岩样约束套筒包括金属筒和螺栓，超声波测试系统包括发射换能器、接收换能器和超声波测试仪，所述立柱分别与横梁和基座通过螺帽连接，所述液压千斤顶放置在基座的中心位置，二者通过两端的螺栓连接；液压表安装在液压千斤顶的一侧，液压千斤顶上顶面安装有千斤顶加载轴，金属筒上部分外表面加工有一周测量上半部分岩样旋转角度的凹槽刻度标尺，刻度均匀分布，主刻度间隔20°；金属筒下部分加工四个对称分布的螺纹孔，通过拧紧螺栓可有效固定下半部分岩样；发射换能器抵接横梁反力轴和上半部分岩样，接收换能器抵接千斤顶加载轴和下半部分岩样；横梁反力轴、发射换能器、上半部分岩样、下半部分岩样、接收换能器和千斤顶加载轴的轴线重合，以保证加载过程中的稳定性。通过连续按压加压手柄使千斤顶加载轴向上移动，对岩样施加法向力，从而实现粗糙结构面的不同应力状态，压力的数值由液压表记录。

优选地，所述发射换能器和接收换能器均由圆柱形高强度合金钢外壳、压电陶瓷片、底面盖板组成；两个换能器的压电陶瓷片的自振频率相同，放置在圆柱形外壳端部的圆柱形凹槽里面，然后通过底面盖板密封；圆柱形外壳内部加工有引线倒出孔，侧壁加工有引线导出端子，圆柱形外壳的另一端面也加工有圆柱形凹槽；凹槽的内径略大于横梁反力轴和千斤顶加载轴的直径；测试时，横梁反力轴和千斤顶加载轴插入到两个换能器的凹槽中，以保证换能器、岩样和套筒整体在加载过程中的稳定性；发射换能器和接收换能器的内部加工有引线倒出孔，侧壁加工有引线导出端子。

优选地，所述横梁、立柱、横梁反力轴和基座均由高强度合金钢加工而成。

优选地，所述横梁为以正方形为底面的长方体，其两端附近加工有两个对称分布的穿透圆柱孔，其中部与横梁反力轴焊接；横梁反力轴为短圆柱体，其底面直径与横梁的宽度相同；所述立柱的数量为两根，均为圆柱体，其主体直径与横梁的宽度相同，其两端处加工成螺纹结构，螺纹段的直接略小于横梁两端圆柱孔的直径；基座两侧对称加工两个穿透的圆柱孔，其直径与横梁两端圆柱孔的直径相同；基座上两圆柱孔间的距离与横梁两端圆柱孔间的距离相同；

优选地，所述立柱与横梁和基座之间通过螺帽连接，在基座的两立柱之间加工有对称分布的两小圆柱形穿透螺纹孔，其中心与立柱处的大圆柱形螺纹孔的中心保持在同一条直线上，基座和液压千斤顶通过设定在两个小圆柱形螺纹孔的螺栓连接。

优选地，所述金属筒由高强度合金钢加工而成，其厚度为1-2cm，其高度为待测岩体试件高度的2/3，其内径略大于待测岩体试件的直径；金属筒下端附近加工有四个对称分布的圆柱形穿透螺纹孔。测试时将含有粗糙结构面的岩体试件放入岩样约束套筒中，保证金属筒两端露出样品的长度基本相等，通过扭动螺栓抵紧固定岩样下半部分，而上半部分可自由旋转而得到不同的结构面吻合系数。

本发明专利具有以下有益效果：

通过液压千斤顶对岩体试件进行加载，可使粗糙结构面处于不同的应力状态，通过旋转上半部分岩样可以得到粗糙结构面的不同吻合度，从而可实现同时考虑粗糙结构面在同不同应力状态、不同吻合程度条件下动态刚度的测量。

附图说明

图1为本发明实施例装置总体布局结构示意图。

图2为本发明实施例中金属筒、岩样与螺栓的连接结构的斜视图。

图3为本发明实施例中金属筒、岩样与螺栓的连接结构的俯视图。

图4为本发明实施例中金属筒、岩样与螺栓的连接结构的竖向剖面图。

图5为本发明实施例中金属筒、岩样与螺栓的连接结构的横向剖面图。

图6为本发明实施例中超声波换能器结构示意图

图7为本发明实施例中利用窗函数分离叠加波原理示意图。

图8为本发明实施例中fft计算分离后波的中心频率。

图9为本发明实施例中完全吻合情况下的粗糙结构面。

图10为本发明实施例中不完全吻合情况下的粗糙结构面。

具体实施

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图6所示，本发明实施例提供了一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置，其特征在于，包括反力加载框架、岩样约束装置和超声波测试系统，所述反力加载框架包括横梁1、立柱2、横梁反力轴3、千斤顶加载轴10、液压千斤顶11、液压表12、加压手柄13和基座14，岩样约束套筒包括金属筒6和螺栓7，超声波测试系统包括发射换能器4、接收换能器9和超声波测试仪15，所述立柱2分别与横梁1和基座14通过螺帽连接，所述液压千斤顶11放置在基座14的中心位置，二者通过两端的螺栓连接；液压表12安装在液压千斤顶11的一侧，液压千斤顶11上顶面安装有千斤顶加载轴10，金属筒6上部分外表面加工有一周测量上半部分岩样5旋转角度的凹槽刻度标尺，刻度均匀分布，主刻度间隔20°；金属筒6下部分加工四个对称分布的螺纹孔，通过拧紧螺栓7可有效固定下半部分岩样8；发射换能器4抵接横梁反力轴3和上半部分岩样5，接收换能器抵接9千斤顶加载轴10和下半部分岩样8；横梁反力轴3、发射换能器4、上半部分岩样5、下半部分岩样8、接收换能器9和千斤顶加载轴9的轴线重合，以保证加载过程中的稳定性。通过连续按压加压手柄13使千斤顶加载轴10向上移动，对岩样施加法向力，从而实现粗糙结构面的不同应力状态，压力的数值由液压表12记录。

所述发射换能器4和接收换能器9均由圆柱形高强度合金钢外壳、压电陶瓷片、底面盖板组成；两个换能器的压电陶瓷片的自振频率相同，放置在圆柱形外壳端部的圆柱形凹槽里面，然后通过底面盖板密封；圆柱形外壳内部加工有引线倒出孔，侧壁加工有引线导出端子，圆柱形外壳端部的另一端面也加工有圆柱形凹槽；凹槽的内径略大于横梁反力轴和千斤顶加载轴10的直径；测试时，横梁反力轴3和千斤顶加载轴10插入到两个换能器的凹槽中，以保证换能器、岩样和套筒整体在加载过程中的稳定性；发射换能器4和接收换能器9的内部加工有引线倒出孔，侧壁加工有引线导出端子。

所述横梁1、立柱2、横梁反力轴3和基座14均由高强度合金钢加工而成。

所述横梁1为以正方形为底面的长方体，其两端附近加工有两个对称分布的穿透圆柱孔，其中部与横梁反力轴3焊接；横梁反力轴3为短圆柱体，其底面直径与横梁1的宽度相同；所述立柱2的数量为两根，均为圆柱体，其主体直径与横梁1的宽度相同，其两端处加工成螺纹结构，螺纹段的直接略小于横梁1两端圆柱孔的直径；基座4两侧对称加工两个穿透的圆柱孔，其直径与横梁1两端圆柱孔的直径相同；基座4上两圆柱孔间的距离与横梁1两端圆柱孔间的距离相同；

所述立柱2与横梁1和基座14之间通过螺帽连接，在，基座14的两立柱2之间加工有对称分布的两小圆柱形穿透螺纹孔，其中心与立柱2处的大圆柱形螺纹孔的中心保持在同一条直线上，基座14和液压千斤顶11通过设定在两个小圆柱形螺纹孔的螺栓连接。

所述金属筒6由高强度合金钢加工而成，其厚度为1-2cm，其高度为待测岩体试件高度的2/3，其内径略大于待测岩体试件的直径；金属筒6下端附近加工有四个对称分布的圆柱形穿透螺纹孔。如说明书附图4-图5所示，测试时将含有粗糙结构面的岩体试件放入岩样约束套筒中，保证金属筒6两端露出样品的长度基本相等，通过扭动螺栓7抵紧固定岩样下半部分，而上半部分可自由旋转而得到不同的结构面吻合系数。

测试方法

利用本发明间接测试粗糙结构面动态刚度的原理为根据超声波通过结构面后的透射系数来反算出粗糙结构面的动态刚度。应力波通过线弹性结构面的透射系数可以表达为

式中z＝ρc为岩石的阻抗，ρ为岩石密度，c岩石的波速，ω＝2πf为入射超声波的角频率，f为入射波的频率。

由(1)式可以得到动态刚度的表达式为

从(2)式可以看出只要测得了入射波的中心频率、岩石的波阻抗和超声波通过粗糙结构面的透射系数，就可以反计算出其动态刚度。其中透射系数定义为超声波垂直通过含单条粗糙结构面岩体试件后的幅值与超声波通过相同长度完整岩样后的幅值之比。

使用本发明间接测试粗糙结构面的步骤如下：

s1按如说明书附图1所示的将反力加载框架的各个部件安装完毕。

s2将完整岩样放入金属筒6中，保持两端露出样品的长度基本相等。在岩样的端部涂抹一层真空脂，以保证和换能器之间具有良好的耦合性，然后通过螺栓7将完整岩样固定。

s3将横梁反力轴3和千斤顶加载轴10分别插入发射换能器4和接收换能器9端部的圆柱形凹槽中。将固定了岩样的金属筒6放置在两个换能器中间，通过千斤顶对试件施加预定的法向压力。结构面的法向压力可由下式计算

式中d1和d2分别为千斤顶和岩样的直径，p为千斤顶压力表的读数。

s4超声波测试仪给发射换能器4一个激励电压信号，引起其压电陶瓷片产生机械振动信号。振动信号通过试件后波幅值、频率等发生改变，到达接收换能器9，引起其压电陶瓷片产生电压信号。

s5超声波测试仪记录并保存下接收到的电压信号，导出信号记录用于计算入射波的中心频率和幅值。由于测试过程中试件的长度较短，由接收换能器接收到的透射波形为的初至波和在界面处多次反射形成的不同到时的后至波的叠加。为了获得真实入射波的幅值，应该对通过完整岩样试件后的透射波进行叠加波的分离以消除后至波的影响。采用1/4周期余弦窗函数法来进行叠加波的分离，如说明书附图7具体的实施步骤为：a从起振点开始选取一段固定时间间隔的波形通常为一周期波形作为待处理信号；b在这一时间内构造幅值为1的1/4周期的余弦函数作为窗函数；c将窗函数和待处理信号进行相乘即可得到初始的入射波信号。由分离后的波形可以得到初始入射波的幅值a0，通过如说明书附件图8所示快速傅里叶分析fft可得到初始入射波的频率f，从而可计算得到角频率ω。

s6将完整岩样换成含单条粗糙结构面的岩体试件，保持实验条件不变，重复s2-s5，得到超声波通过单条粗糙结构面后的透射波幅值a1。值得注意的是此时选取的信号长度与完整试样时相同。由此可以计算得到透射系数

根据得到的透射系数t、波阻抗z和角频率ω，通过式(2)可以计算出粗糙结构面的动态刚度。

s7、通过三点弯或者直拉实验得到粗糙结构面，如说明书附图9将粗糙结构面按破裂面完全拼合得到吻合系数为1的粗糙结构面试件，并在侧面画一条与轴线平行的基准线。然后采用说明书附图10所示的方法，将含完全吻合的粗糙结构面的试件放入金属筒5中，通过四个螺栓固定下半部分岩样8。通过使上半部分岩样5旋转角度10°、20°、30°…360°，可得到不同吻合系数的粗糙结构面。

实施例

为了更加详细的介绍本发明间接测试结构面动态刚度的测试方法，下面介绍一个具体的实施例。试件由锦屏i级水电站的坝基大理岩加工而成，测得岩石的纵波速度为vp＝5100m/s，密度为ρ＝2600kg/m³,可计算得到岩石材料的p-波阻抗z＝1.326×10⁷kg/(m²s)。采用的超声波探头的激发频率为70khz。首先进行超声波通过完整岩样的测试，按图7和图8的方法将记录的波形进行处理得到入射波的幅值a0＝0.886v，中心频率f＝68khz,可计算出角频率ω＝1.36×10⁵rad/s。然后对如附图7所示的含单条结构面的试件施加1mpa、2mpa和3mpa的法向压力，并按图7和图8的方法将记录的波形进行处理。测得三种工况下的透射波的幅值分别为0.655v、0.718v和0.766v，由此可计算得到对应的透射系数分别为0.74、0.81和0.86。根据(2)式，可以算出1mpa、2mpa和3mpa下结构面的动态法向刚度kn分别等于3420gpa/m、4580gpa/m和5720gpa/m。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。