一种模拟自然吸水岩石抗拉声发射测试试验装置及试验方法

本发明属于岩石力学试验领域，具体涉及到岩石在浸水、不同水压条件下的抗拉声发射试验装置。

背景技术：

近些年来岩石声发射监测技术在岩土工程研究中得到了广泛的应用，但岩石声发射技术是理论研究落后于工程实际的少数学科。由于岩石构成和破坏过程的复杂性，有关岩石声发射技术的理论很少，大多是经验。同时在道路工程，水利水电工程等诸多工程领域中，岩石经常会与水接触，且对于库岸边坡的岩石所处水压力也大不相同，岩石通常在不同水压下表现出不同的力学特性。因此对岩石声发射基础理论、试验研究非常有必要。

技术实现要素：

针对目前存在的问题，本发明提供了一种模拟自然吸水岩石抗拉声发射测试试验装置，能够在模拟在不同水压的情况下，对岩样进行抗拉声发射试验。能够用以研究库岸边坡岩石的力学声学特性。

本发明采用的技术方案是：

一种模拟自然吸水岩石抗拉声发射测试试验装置，包括增压装置、压力容器、压力传感器、试验容器和声发射装置，所述试验容器上下端分别设置有上密封盖和下密封盖，所述上密封盖上设置有排气阀门、加压孔以及数据线导孔，所述增压装置通过耐压管道依次连接压力容器、压力传感器以及加压孔，所述声发射装置包括声波发射器、声波接收器和声发射前置放大器，所述声波发射器和声波接收器对称设置在岩样的前后两侧壁上且与声发射信息传输线连接，所述声发射信息传输线穿过上密封盖上的数据线导孔与声发射前置放大器连接，所述声发射前置放大器再依次连接声发射输出及数据采集仪和声发射控制器；所述试验容器内设置有抗拉试验装置，所述抗拉试验装置通过数据线连接至抗拉试验装置控制器。

优选的，所述抗拉试验装置包括上夹具座、下夹具座、左固定器和右固定器，所述岩样放置于上夹具座和下夹具座之间，并通过左固定器和右固定器对中间岩样进行限位。

优选的，所述上夹具座和下夹具座之间对称设置有两根第二立柱，所述第二立柱的底部固定于下夹具座的上表面，其顶部则从上夹具座贯穿至其上表面，在上夹具座的下表面设置有套筒和弹簧，所述套筒和弹簧依次套设于第二立柱上，所述弹簧的底部抵住下夹具座的上表面，所述上夹具座的下表面设置有上加压头，所述下夹具座的上表面设置有下加压头，所述上加压头和下加压头对称挤压岩样的上下面，所述上夹具座的上表面与上密封盖的下表面之间设置有液压缸，所述液压缸固定在上密封盖内表面。

优选的，所述左固定器和右固定器的结构相同且对称设置于下夹具座的两端，并分别包括支腿和安装座，所述安装座内部分别设置有上腔室和下腔室，其侧壁上设置于第一支座和第二支座，所述支腿设置于安装座的底部且与下夹具座固定连接，所述上腔室内设置有移动杆和凸轮，所述移动杆的一端从安装座侧壁伸出且连接有限位圆盘，所述第一支座和第二支座均位于移动杆的下方，所述第一支座上活动设置有蜗轮，所述第二支座上活动设置有蜗杆，所述蜗轮的上端与移动杆底壁上的齿槽啮合，其下端与蜗杆啮合，所述蜗杆的一端从安装座侧壁延伸至下腔室内且端部设置有第三伞齿轮，所述下腔室内还设置有电机、一级转轴和二级转轴，所述电机的输出轴键连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮与主从动轮啮合，所述主从动轮一端一体设置有次从动轮，其另一端一体设置有连杆，所述次从动轮和第三伞齿轮通过第一伞齿轮和第二伞齿轮转动连接，所述第一伞齿轮和第二伞齿轮通过固定杆连接且位于次从动轮和第三伞齿轮之间，所述连杆的端部设置有第四伞齿轮，所述第四伞齿轮设置在一级转轴上且与设置在二级转轴上的第五伞齿轮啮合，所述二级转轴的上端延伸至上腔室并与其上壁活动连接，所述凸轮设置在二级转轴上，所述二级转轴的下端则与下腔室底壁活动连接，所述一级转轴的上下两端分别与下腔室的顶壁和底壁活动连接。

优选的，所述上密封盖和下密封盖之间对称设置有多根第一立柱。

优选的，所述下密封盖上设置有注水口，所述注水口通过注水管水源相连，所述注水管上设置有控制阀，所述控制阀通过数据线与控制及信息收集器连接。

优选的，所述控制及信号收集器、抗拉试验装置控制器和声发射控制器均采用计算机终端。

优选的，所述耐压管道与加压孔、数据线和声发射信息传输线与数据线导孔、注水口与注水管的连接位置用密封胶封堵。

优选的，包括以下步骤

步骤1：根据实际取样的边坡地质条件建立数值模型，并通过数值模拟计算所得结论，确定力学试验岩石岩样加载条件；

步骤2：清理岩样表面杂质，将岩样放置在下加压头上，然后用左固定器和右固定器固定后，调节上加压头与岩样接触；

步骤3：将声波发生器和声波接收器的探头上均为涂抹凡士林，将声波发射器和声波接收器的尾端分别固定在岩样的前后两面，并调节声波发射器和声波接收器的探头与岩样紧密接触；

步骤4：将安装好的抗拉试验装置缓慢放到试验容器内充满水并无气泡后关闭注水管上的控制阀，再封闭排气阀门；

步骤5：打开增压装置，开始加压到指定压力，压力传感器将数据传回信息控制及信息收集器的同时控制增压装置关闭；

步骤6：打开声发射仪，准备记录声波发射器和声波接收器传回的声发射信号，并将该信号传到声发射输出及数据采集仪；

步骤7：岩样加压，加载至岩样完全破坏，在此过程中监测并记录试验机的压力、上加压头的位移以及岩石试件的声发射信号，据记录数据绘制相应关系曲线图；

步骤8：设定不同的水压力，重复步骤5-7步骤，对不同岩样进行试验，得到岩样的力学、声发射特征。

本发明的有益效果：

本发明的提供的一种模拟不同水压下岩石抗拉声发射测试试验装置，由增压装置、压力容器、压力传感器、试验容器和声发射装置构成，可以在浸水下调节不同目标水压力的实验条件，实现不同水压情况下浸水岩石的声发射测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种模拟自然吸水岩石抗拉声发射测试试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明的一种模拟自然吸水岩石抗拉声发射测试试验装置中抗拉试验装置的结构示意图；

图3为左固定器的结构示意图；

图4为图3中a处的放大图。

其中，1-增压装置；2-耐压管道；3-抗拉试验装置；4-压力容器；5-控制及信息收集器；6-压力传感器；7-声发射前置放大器；8-上密封盖；9-排气阀门；10-数据线导孔；11-加压孔；12-数据线；13-实验容器；14-下密封盖；15-声发射信息传输线；16-注水口；17-注水管；18-控制阀；19-声波发射器；20-液压缸；21-岩样；22-上夹具座；23-上加压头；24-下加压头；25-左固定器；26-右固定器；27-下夹具座；28-抗拉试验装置控制器；29-声发射输出及数据采集仪；30-声发射控制器；31-第一立柱；32-第二立柱；33-套筒；34-弹簧；35-安装座；3501-上腔室；3502-下腔室；36-移动杆；3601-齿槽；37-限位圆盘；38-第一支座；39-蜗轮；40-第二支座；41-蜗杆；42-电机；43-驱动齿轮；44-主从动轮；45-次从动轮；46-第一伞齿轮；47-第二伞齿轮；48-第三伞齿轮；49-连杆；50-第四伞齿轮；51-一级转轴；52-第五伞齿轮；53-第六伞齿轮；54-二级转轴；55-凸轮；56-支腿。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明具体提供了一种模拟自然吸水岩石抗拉声发射测试试验装置，如图1所示，包括增压装置1、压力容器4、压力传感器6、试验容器13和声发射装置，所述试验容器13上下端分别设置有上密封盖8和下密封盖14，所述上密封盖9上设置有排气阀门9、加压孔11以及数据线导孔10，所述增压装置1通过耐压管道2依次连接压力容器4、压力传感器6以及加压孔11，所述声发射装置包括声波发射器19、声波接收器和声发射前置放大器7，所述声波发射器19和声波接收器对称设置在岩样21的前后两侧壁上且与声发射信息传输线15连接，所述声发射信息传输线15穿过上密封盖9上的数据线导孔10与声发射前置放大器7连接，所述声发射前置放大器7再依次连接声发射输出及数据采集仪29和声发射控制器30；所述试验容器13内设置有抗拉试验装置3，所述抗拉试验装置3通过数据线12连接至抗拉试验装置控制器28。

本实施例中，试验容器13用于放置抗拉试验装置3，采用耐压钢化玻璃制作的圆柱形容器，上下分别设置有上密封盖8和下密封盖14，上密封盖8和下密封盖14与试验容器13安装间隙用密封胶密封。

本实施例中，所述下密封盖14上设置有注水口16，所述注水口16通过注水管17水源相连，所述注水管17上设置有控制阀18，所述控制阀17通过数据线12与控制及信息收集器5连接。通过控制及信息收集器5控制注水口16，注水管17，控制阀18来控制注水过程。

本实施例中，所述控制及信号收集器5、抗拉试验装置控制器28和声发射控制器30均采用计算机终端，且可采用一台计算机终端实现上述几种设备的控制及数据收集。由计算机终端控制增压装置1和声发射前置放大器7的启闭，并进行来自压力传感器6及声发射前置放大器7的信号处理。

所述耐压管道2与加压孔11、数据线12和声发射信息传输线15与数据线导孔10、注水口16与注水管17的连接位置用密封胶封堵。保证试验容器13的密封性。其中，所述排气阀门9、数据线导孔10和加压孔11呈三角状分布在密封盖8上。既能保证数据线、耐压管道2、排气通道互不干扰，又能保证密封盖8的受力均匀。

上述所述的声波发射器19和声波接收器的探头涂抹凡士林。凡士林能够减少其它介质阻尼的影响，试验数据更准确。

如图2、3、4所示，所述抗拉试验装置3包括上夹具座22、下夹具座27、左固定器25和右固定器26，所述岩样21放置于上夹具座22和下夹具座23之间，并通过左固定器25和右固定器26对中间岩样21进行限位。

所述上夹具座22和下夹具座27之间对称设置有两根第二立柱32，所述第二立柱32的底部固定于下夹具座27的上表面，其顶部则从上夹具座22贯穿至其上表面，在上夹具座22的下表面设置有套筒33和弹簧34，所述套筒33和弹簧34依次套设于第二立柱32上，所述弹簧34的底部抵住下夹具座23的上表面，所述上夹具座22的下表面设置有上加压头23，所述下夹具座27的上表面设置有下加压头24，所述上加压头23和下加压头24对称挤压岩样21的上下面，所述上夹具座22的上表面与上密封盖8的下表面之间设置有液压缸20，所述液压缸20固定在上密封盖8内表面。液压缸20通过数据线12与抗拉试验装置控制器28连接。其中，所述上密封盖8和下密封盖14之间对称设置有多根第一立柱31。

在实际中对岩样固定时，左固定器和右固定器是固定不动，因此，岩样的大小是一定的，若岩样改变后，就需要更换左固定器和右固定器，不仅操作麻烦，且左固定器和右固定器无法满足紧密贴合，存在一定缝隙，容易影响试验效果，基于此，本发明对现有的左固定器和右固定器进行了合理的改进，改进后的左固定器和右固定器能够根据岩样的大小合理调整间距，能够很好的夹持岩样，同样又不会对岩样造成横向挤压，影响试验效果。具体改进如下：

本实施例中，所述左固定器25和右固定器26的结构相同且对称设置于下夹具座27的两端，并分别包括支腿56和安装座35，所述安装座35内部分别设置有上腔室3501和下腔室3502，其侧壁上设置于第一支座38和第二支座40，所述支腿56设置于安装座35的底部且与下夹具座27固定连接，所述上腔室3501内设置有移动杆36和凸轮55，所述移动杆36的一端从安装座35侧壁伸出且连接有限位圆盘37，所述第一支座38和第二支座40均位于移动杆的下方，所述第一支座38上活动设置有蜗轮39，所述第二支座40上活动设置有蜗杆41，所述蜗轮39的上端与移动杆36底壁上的齿槽3601啮合，其下端与蜗杆41啮合，所述蜗杆41的一端从安装座35侧壁延伸至下腔室3502内且端部设置有第三伞齿轮48，所述下腔室3502内还设置有电机42、一级转轴51和二级转轴54，所述电机42的输出轴键连接有驱动齿轮43，所述驱动齿轮43与主从动轮44啮合，所述主从动轮44一端一体设置有次从动轮45，其另一端一体设置有连杆49，所述次从动轮45和第三伞齿轮48通过第一伞齿轮46和第二伞齿轮47转动连接，所述第一伞齿轮46和第二伞齿轮47通过固定杆连接且位于次从动轮45和第三伞齿轮48之间，所述连杆49的端部设置有第四伞齿轮50，所述第四伞齿轮50设置在一级转轴51上且与设置在二级转轴54上的第五伞齿轮52啮合，所述二级转轴54的上端延伸至上腔室3501并与其上壁活动连接，所述凸轮55设置在二级转轴54上，所述二级转轴54的下端则与下腔室3502底壁活动连接，所述一级转轴51的上下两端分别与下腔室3502的顶壁和底壁活动连接。

其中，所述蜗杆41与安装座35侧壁之间设置有密封圈，保证蜗杆41正常旋转的同时，对其孔隙进行封堵；其次，所述二级转轴54与上腔室3501的底壁和下腔室3502的顶壁之间也设置有密封圈，保证二级转轴54正常旋转的同时对其孔隙进行封堵。

使用时，启动电机42，由驱动齿轮43带动主从动轮44及次从动轮45一块旋转，通过连杆49带动第四伞齿轮50转动，从而由第五伞齿轮52转动带动二级转轴54旋转，实现凸轮55转动向前推动移动杆36；同时，次从动轮45啮合第一伞齿轮46和第二伞齿轮47带动第三伞齿轮48转动，实现蜗杆41旋转带动蜗轮39转动，则将移动杆36继续向前推动对岩样21进行固定。

本装置具体试验方法如下：

步骤1：根据实际取样的边坡地质条件建立数值模型，并通过数值模拟计算所得结论，确定力学试验岩石岩样21加载条件；

步骤2：清理岩样21表面杂质，将岩样21放置在下加压头24上，然后用左固定器25和右固定器26固定后，调节上加压头23与岩样21接触；

步骤3：将声波发生器19和声波接收器的探头上均为涂抹凡士林，将声波发射器19和声波接收器的尾端分别固定在岩样21的前后两面，并调节声波发射器19和声波接收器的探头与岩样21紧密接触；

步骤4：将安装好的抗拉试验装置3缓慢放到试验容器13内充满水并无气泡后关闭注水管17上的控制阀18，再封闭排气阀门9；

步骤5：打开增压装置1，开始加压到指定压力，压力传感器6将数据传回信息控制及信息收集器5的同时控制增压装置1关闭；

步骤6：打开声发射仪，准备记录声波发射器19和声波接收器传回的声发射信号，并将该信号传声发射输出及数据采集仪29；

步骤7：岩样21加压，加载至岩样完全破坏，在此过程中监测并记录试验机的压力、上加压头23的位移以及岩石试件的声发射信号，据记录数据绘制相应关系曲线图；

步骤8：设定不同的水压力，重复步骤5-7步骤，对不同岩样进行试验，得到岩样的力学、声发射特征。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。