声发射对岩石破坏表征的试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩石力学实验领域，涉及一种对岩石破坏表征的试验装置及试验方法，尤其涉及一种岩石在单轴压力作用下，同时进行声发射信号收集和CT扫描，通过CT扫描实时观测岩石内部破坏情况，并建立岩石破坏与声发射之间的关系，实现声发射对岩石破坏实时观测、定位表征的试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]由于岩石微破裂很难直接动态观测，声发射方法便成了研宄岩石变形破坏微破裂动态过程的有效工具。由于岩石破坏失稳大多是由内向外发生，因此与岩石内部细观结构及其缺陷密切相关，仅仅依靠声发射很难从细观层次上推断出岩石内部微破裂(原生裂纹的闭合、扩展，新生裂纹的萌生、扩展，颗粒周边微孔隙的变化及微裂纹之间的相互作用)的发展规律，也就无法准确的建立声发射和微破裂之间的关系，无法为宏观破坏失稳提供准确的判据，因而造成国内外声发射技术在工程灾害的监测预报中未发挥应有的作用。
[0003]尽管对岩石声发射理论与应用的研宄国内外已经取得了不少成果，但这些研宄多集中在声发射率、能量、空间定位等随时间的变化特征，对岩石破坏过程中微破裂的演化规律基本依靠声发射特征进行推测。声发射结果无法直接与细观微破裂建立关系，主要是因为在进行声发射实验时岩石内部微破裂是不可见的，对岩石内部微破裂的分析CT扫描是非常有效的手段。
[0004]CT扫描研宄结果再现了岩石内部裂纹的演化规律，但CT扫描实验费用昂贵，无法应用于大尺寸试件和工程实际，无法对工程动力灾害进行监测和预测。因此，如果能将声发射和CT扫描结合在一起，通过CT扫描建立声发射和微破裂之间的关系，则能够实现声发射对损伤、破坏的定量表征。
[0005]利用声发射定位技术的灵敏性以及CT扫描技术的直观性特点，将二者综合运用于研宄岩石变形、破坏及失稳问题是一个新思路，同时对研宄声发射与微破裂之间的关系也是一个新的思路。
[0006]现今各大科研院所及高校，使用的与岩石力学实验相关的单轴压力机通常有两种形式。第一种:普通液压伺服压力机，它可以与声发射设备结合使用，缺点是不能同时结合CT扫描设备使用，即无法对岩石的实时破坏进行观测；第二种:由葛修润院士自主研发，后为各大高校广泛借鉴的一系列压力机，它们的优点是可以与CT扫描设备相结合，缺点是岩石试件在压力仓内完成载荷试验，压力仓对CT扫描有影响，会对扫描结果产生阴影及降低CT扫描的放大倍数，这种影响不但不可消除，而且无法与声发射设备相结合，即无法实现对岩石破坏的实时定位。
【发明内容】
[0007]本发明旨在克服现有技术的缺点，提供一种声发射对岩石破坏表征的试验装置及试验方法，解决目前对岩石破坏过程中微破裂演化规律的研宄，是依靠声发射特征进行推测，声发射结果无法直接与细观微破裂建立关系，即在单轴压力作用下，只能与CT扫描设备相结合对岩石进行实时破坏观测，而无法与声发射设备相结合对岩石破坏实时观测、定位进行表征的技术问题。
[0008]本发明是通过以下技术方案来实现的:
[0009]—种声发射对岩石破坏表征的试验装置，包括:单轴加载压力装置、CT扫描系统、声发射监测系统，其特征在于:所述单轴加载压力装置包括:由两个侧勾板与上支承板、下支承板通过螺栓连接的机架，所述上支承板的中心有穿过定位螺栓的通孔，所述上支承板下端面的凹槽与上推力球轴承的座圈紧配合，所述定位螺栓与上支承板之间设置压力轴承，所述定位螺栓穿过压力轴承、上支承板、上推力球轴承与上垫块螺纹连接，所述上垫块通过上端面的凸肩与上推力球轴承的轴圈紧配合，所述上垫块前后两个面中心位置各有一个安放声发射定位传感器探头的圆形凹槽，所述下支承板的中心有穿过油缸的通孔，所述油缸下端与CT扫描转动平台固定连接，所述油缸上部T形头与下推力球轴承的轴圈紧配合，所述下推力球轴承的座圈与所述下支承板上端中心位置的凹槽紧配合，所述油缸的活塞杆的上端中心位置与球形座螺纹连接，所述球形座的凸球面与凹球面滑动配合，所述球形座左右两侧各有一个安放声发射定位传感器探头的圆形凹槽，所述油缸的注油孔通过加压油管与加压泵连接；所述CT扫描系统由CT扫描计算机系统、微焦点X光机、CT扫描转动平台组成，所述CT扫描计算机系统通过传输线与微焦点X光机和CT扫描转动平台连接；所述声发射监测系统由声发射信号发射仪、声发射计算机系统、声发射定位传感器探头和传感线组成，所述声发射信号发射仪通过传输线与声发射计算机系统连接，所述声发射信号发射仪通过4条传感线分别与4个声发射定位传感器探头连接。
[0010]进一步，4个所述声发射定位传感器探头，其中2个探头固定在所述上垫块前后面的圆形凹槽处，另外2个探头固定在所述球形座左右两侧的圆形凹槽处。
[0011]进一步，所述加压油管中部连接压力表。
[0012]进一步，两个所述侧勾板两端对称设有四个固定机架的约束耳。
[0013]进一步，所述球形座上端面设有放置不同直径岩石试件的定位圈。
[0014]一种声发射对岩石破坏表征的试验方法，其试验步骤为:
[0015]①用4条绳索分别穿过4个约束耳，将单轴加载压力装置固定在CT扫描室内，并将油缸与CT扫描转动平台固定；
[0016]②用加压油管将注油孔和加压泵连接，并在加压油管上安装压力表；
[0017]③用4条传感线一端与声发射信号发射仪连接，另一端与4个声发射定位传感器探头连接，其中2个发射定位传感器探头固定在上垫块前后面的圆形凹槽处，另外2个发射定位传感器探头固定在球形座左右两侧的圆形凹槽处；
[0018]④在单轴加载压力装置上放置岩石试件，使上垫块与试件完全接触；
[0019]⑤开启声发射监测系统，并设置门槛值、波速等参数，以及所需采集的数据和图形；
[0020]⑥开启CT扫描计算机系统，调整好扫描时的焦距、放大倍数、电流、电压及扫描精度；
[0021]⑦运行声发射监测系统，进行信号采集，同步对岩石试件进行加压:加载至第一次设计载荷，停止加压，然后进行CT扫描:每0.9°扫描一次，扫描400张分层照片完毕后，CT扫描转动平台反转至原始位置；再加载至第二次设计载荷，停止加载，进行CT扫描，如此往复，直至试件破碎或完成设计试验过程，在实验过程中声发射监测系统始终进行声发射信号米集。
[0022]本发明与现有技术相比，由于岩石试件在单轴压力作用下，同时进行声发射信号收集和CT扫描，直观的建立了声发射与岩石试件破坏之间的关系，因此实现了声发射对岩石试件破坏实时观测及定位的表征；由于单轴压力机依靠CT扫描转动平台提供转动力，带动油缸及岩石试件整体转动，通过压力轴承转动，使岩石试件与压力机同步转动，而机架不转动，从而消除了压力仓对CT扫描的影响；由于单轴压力机将一个推力球轴承置于油缸圆形工作平台上方，且推力球轴承座圈与下支承板紧配合，推力球轴承轴圈与油缸紧配合，实现该推力球轴承轴圈与油缸旋转，推力球轴承座圈与下支承板一起固定不动；另外一个推力球轴承位于上支承板和上垫块之间，推力球轴承座圈与上支承板紧配合，推力球轴承轴圈与上垫块之间紧配合，实现该推力球轴承座圈与上支承板一起固定不动，推力球轴承轴圈与上垫块一起转动。这样通过设置推力球轴承实现了上下轴承的同心，并使得各部件同步转动，而外部构件不动；由于CT扫描转动平台转动一圈后，利用CT设备的复位功能，反向旋转一圈，可以防止声发射传输线由于试验系统的转动而缠绕；由于球形座上端面刻有放置不同直径岩石试件的定位圈，能够实施不同尺寸试件的试验，并实现相应的不同的放大倍数。因此，本发明具有装置结构合理，试验方法简便，在单轴压力作用下，对不同尺寸岩石试件同时进行声发射信号收集和CT扫描，可实现声发射对岩石试件破坏实时观测、定位表征的优点。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的试验系统结构示意图；
[0024]图2为本发明所采用的单轴加载压力装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]体现本发明特征与优点的典型实施例，将结合附图在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的保护范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
[0026]如图1、2所示，一种声发射对岩石破坏表征的试验装置，包括:单轴加载压力装置1、CT扫描系统2、声发射监测系统3，所述单轴加载压力装置I包括:由两个侧勾板101与上支承板102、下支承板103通过螺栓104连接的机架，所述上支承板102的中心有穿过定位螺栓105的通孔，所述上支承板102下端面的凹槽与上推力球轴承107的座圈紧配合，所述定位螺栓105与上支承板102之间设置压力轴承106，所述定位螺栓105穿过压力轴承106、上支承板102、上推力球轴承107与上垫块108螺纹连接，所述上垫块108通过上端面的凸肩与上推力球轴承107的轴圈紧配合，所述上垫块108前后两个面中心位置各有一个安放声发射定位传感器探头303的圆形凹槽115，所述下支承板103的中心有穿过油缸113的通孔，所述油缸113下端与CT扫描转动平台203固定连接，所述油缸113上部T形头与下推力球轴承111的轴圈紧配合，所述下推力球轴承111的座圈与所述下支承板103上端中心位置的凹槽紧配合，所述油缸113的活塞杆110的上端中心位置与球形座109螺纹连接，所述球形座109的凸球面与凹球面滑动配合，所述球形座109左右两