复杂应力下岩石节理超声实验装置及其控制系统的制作方法

本实用新型属于岩土工程岩石力学实验、测试技术领域，特别是涉及一种复杂应力下岩石节理超声实验装置及其控制系统。

背景技术：

岩石节理对岩体中的应力波传播具有显著的影响，而岩石节理本身复杂力学性质和在地质上的多样性导致不同类型岩石节理的应力波透射性质有所不同，因此岩石节理的应力波透射性质研究具有显著的意义。岩石节理的应力波透射研究对于研究节理对应力波传播影响特征和反演节理自身的力学性质具有重要的作用，其研究成果广泛的应用在岩土工程地震响应分析、地质物探等领域。而根据大量的岩石节理力学实验发现，岩石节理自身的力学性质和岩石节理上所受到的应力的状态是密切相关的，且力学性质随应力状态呈非线性变化趋势；又因为在实际工程地质结构中，岩体中地应力场是客观存在的，而且导致原岩体中节理面存在一定的初始应力；然而在岩石节理的取样室内实验中，初始应力往往是忽略的。因此研究岩石节理的应力波传播规律应该要考虑岩石节理的受力状态。

目前用于岩石节理实验的主要有霍普金森压杆实验和岩石节理超声实验。

霍普金森压杆为一维脉冲应力波实验装置，为发展年代最为久远的仪器，并经历过几次较大的革新，可以用来对应力脉冲在岩石节理中的反射、透射行为进行模拟和实验。其特点是应力波幅值高，能量密度较高，测试数值的获取也相对较为精细。其节理岩样围压可以是零，也可以通过添加三轴压力室，模拟岩石在具有围压情形下的应力波反射、透射行为。霍普金森压杆实验的缺陷在于不能够通过试验机的加载来自由改变岩石节理面上的应力状态，且不容易控制应力波波形。

岩石节理超声实验一般是对节理岩样施加低振幅高频振动荷载，与霍普金森压杆实验相比，超声实验一般不能体现出节理的动态非线性性质。但是由于是施加高频振动荷载，因此更方便通过波谱分析节理的应力波传播特性和节理的本身力学性质。岩石节理超声实验的缺陷与霍普金森压杆实验类似，岩石节理超声实验不能够通过试验机的加载来自由改变岩石节理面上的应力状态。

因此，如何解决上述现有技术存在的缺陷成为了该领域技术人员努力的方向。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是提供一种复杂应力下岩石节理超声实验装置及其控制系统，解决了岩石节理在复杂应力状态下的超声实验，通过伺服液压加载系统对节理岩样进行多轴复合加载，得以实现岩石节理面上的任意应力状态，从而解决上述现有技术的不足之处。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：

一种复杂应力下岩石节理超声实验装置，包括刚性框架、轴向加载块、切向加载块、切向超声振动换能器、轴向超声振动换能器、测力计、水平滑移承压板、位移计、切向加载活塞、切向液压驱动器和轴向液压驱动器；所述刚性框架内部中间竖直设置实验空间，该实验空间底部为水平面，该水平面上滑动设置水平滑移承压板，水平滑移承压板上由下至上依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块，在刚性框架顶部对应水平滑移承压板竖直安装轴向液压驱动器，轴向液压驱动器活塞垂直伸入实验空间，在轴向液压驱动器活塞端部由上至下依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块；所述刚性框架的正面、背面、左面和右面对应各自水平安装一组切向液压驱动器，每一组切向液压驱动器包括上下平行设置的2个切向液压驱动器，切向液压驱动器活塞端部连接切向加载活塞的一端，切向加载活塞的另一端依次刚性连接测力计和切向加载块，所有轴向加载块和切向加载块共同构成一个矩形加载空间。

进一步，所述实验空间底部水平面上安装滚珠板，水平滑移承压板设置在滚珠板上。

进一步，所述轴向液压驱动器活塞与测力计之间刚性连接隔振器，水平滑移承压板与测力计之间刚性连接隔振器。

进一步，所述刚性框架内安装与切向加压活塞滑动配合的活塞导轨。

进一步，所述刚性框架上还安装有用于测量切向加载块和轴向加载块位移的位移测量装置。

进一步，所述位移测量装置为拉绳位移计，该位移计固定在刚性框架内侧，位移计的拉绳通过固定销固定在轴向加载或切向加载块上。

进一步，所述矩形加载空间内放置节理岩样，节理岩样由中间含有节理的两块岩块组成，岩样轴线与轴向加载轴线共线，且节理岩样侧壁四周包裹有缓冲密封层。

进一步，所述节理岩样外表面均匀涂覆有粘性胶体物质。所述粘性胶体物质可以采用凡士林、水玻璃或硅胶。

一种用于上述复杂应力下岩石节理超声实验装置的控制系统，包括数据采集转换仪、控制信号转换放大装置、实验数据处理与储存系统以及安装有实验软件系统的计算机终端；所述数据采集转换仪用于接收位移测量装置、测力计、切向超声振动换能器、轴向超声振动换能器传递来的电信号，并将电信号转换成计算机能识别的数字信号；计算机终端接收数据采集转换仪传递而来的数字信号，通过实验软件系统对接收到的信号进行处理分析，将所需的实验数据经过实验数据处理与储存系统处理后进行存储，并针对实验装置的监测信号做出反馈控制信息，计算机终端将反馈控制信息发送至控制信号转换放大装置，根据反馈控制信息控制信号转换放大装置分别控制各个伺服液压油泵或超声信号激发系统做出响应，所述伺服液压油泵用于驱动切向液压驱动器和轴向液压驱动器，超声信号激发系统用于控制切向超声振动换能器和轴向超声振动换能器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：结构简单，设计合理，能够任意控制加载节理岩样中节理面上的复杂应力状态，并模拟在地下岩体中节理面的应力场状态，并进行超声动力实验。

附图说明

图1是节理岩样受力解析图；

图2是岩块受力分析图；

图3是本实用新型实验装置前后方向的纵剖面结构示意图；

图4是本实用新型实验装置左右方向的纵剖面结构示意图；

图5是本实用新型实验装置的局部放大图；

图6是本实用新型实验装置的位移监测原理示意图；

图7是节理试样加载原理示意图；

图8是本实用新型控制系统原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。

本复杂应力下岩石节理超声实验装置的实现原理如下：

如图1所示，一种复杂应力下岩石节理超声实验装置是以轴截面为正方形的岩样作为基本试样，试件中部有水平节理面存在，并将岩样一分为二。岩样的力学参数、节理面的形态、节理面的充填情况可根据具体需要所选择，其即可以是自然节理的采样或复刻，也可以是为了研究的目的而人工设计产生。

节理岩样的受力如图1所示，节理面上下岩块受力是由单独的加载机构实现，能独立控制加载。而由于试件上下端面受力应当平衡，因此上下端面中其中一个端面轴向位移受到约束，另一端轴向主动施加荷载。对于岩样节理上下两个岩块1、2，其四周受到前后左右四个作用力，若在节理面的平均面上建立坐标系o-xyz，则岩样(岩块1、2)的各个面上施加的荷载命名为f_1x,f'_1x，f_1y,f'_1y，f_2x,f'_2x，f_2y,f'_2y和f_1z,f_2z，且设作用力方向均以试样的作用面外法向方向为正。因此我们可以通过简单的受力平衡关系得出节理面上的应力大小为：

其中：A为节理面在平均面上的投影面积(或是节理岩样的轴截面面积)，f_1x为岩块1上切向x轴正向加载力；f′_1x为岩块1上切向x轴逆向加载力；f_1y为岩块1上切向y轴正向加载力；f′_1y为岩块1上切向y轴逆向加载力；f_2x为岩块2上的切向x轴正向加载力；f′_2x为岩块2上的切向x轴逆向加载力；f_2y为岩块2上的切向y轴正向加载力；f′_2y为岩块2上切向y轴逆向加载力；f_1z为岩块1顶部轴向向下加载力；f_2z为岩块2底部轴向向上支撑力；σ_nz为节理面上的法向应力。对于节理下壁面(岩块2)上的剪应力方向：在x轴方向剪应力τ_sx与f_1x,f'_1x中绝对值最大的方向一致；在y轴方向剪应力τ_sy与f_1y,f'_1y中绝对值最大的方向一致。

岩块的受力分析：对于岩块而言，其受到的作用力除了施加的荷载为主之外，还有受到节理面上的剪力和产生的一些力矩存在，如图2所示，岩块受到的荷载与节理面上的力平衡，但是节理面会因为剪力的存在而产生一些力矩，这些力矩这是由岩块的外部受力面上分布力产生的力矩来平衡，即例如：

A·τ_sy·d＝A₁M₁+A·M₂+A₁M₃

其中：d为有效作用距离(力矩力臂)，A₁为岩块的侧面面积(由于节理岩样上下岩块大小相同，轴截面为正方形，因此岩块1、2的每一侧面的面积可以认为相同)。M₁,M₃是岩块侧面上的力矩，M₂是岩块端面上的力矩，单位Pa·m；这里M₁,M₂,M₃的方向均指向垂直纸面方向。由于岩石节理岩样的尺寸非常有限，能够产生产生有效力矩比较小，因此平衡力矩所需的分布力也比较小；再加上所施加的原始地应力一般比较大，因此这里可以忽略产生的力矩的作用。

类似节理岩样中岩块自身的应力状态可以通过加载来调节，以节理面坐标系为基本坐标系，岩块1中的应力为：

而岩块2中的应力为：

综上所述，可以看出一种复杂应力下岩石节理超声实验装置一共需要5对独立的加载装置进行加载才能够实现节理岩样的复杂受力。

因此，如图3至图8所示，本实用新型提供了一种复杂应力下岩石节理超声实验装置，包括刚性框架21、轴向加载块3、切向加载块4、切向超声振动换能器5、轴向超声振动换能器6、隔振器8、测力计7、滚珠板12、水平滑移承压板11、位移计13、切向加载活塞10、切向液压驱动器19和轴向液压驱动器20。

所述刚性框架21内部中间竖直设置实验空间，该实验空间底部水平安装滚珠板12，该滚珠板12上滑动设置水平滑移承压板11，水平滑移承压板11上由下至上依次刚性连接隔振器8、测力计7、轴向超声振动换能器6、切向超声振动换能器5和轴向加载块3。在刚性框架21顶部对应水平滑移承压板11竖直安装轴向液压驱动器20，轴向液压驱动器活塞9垂直伸入实验空间，在轴向液压驱动器活塞9端部由上至下依次刚性连接隔振器8、测力计7、轴向超声振动换能器6、切向超声振动换能器5和轴向加载块3。所述刚性框架21的正面、背面、左面和右面对应各自水平安装一组切向液压驱动器19(对应用于对岩块1、岩块2加载)，每一组切向液压驱动器19包括上下平行设置的2个切向液压驱动器19，切向液压驱动器活塞18端部连接切向加载活塞10的一端，切向加载活塞10的另一端依次刚性连接测力计7和切向加载块4，所有轴向加载块3和切向加载块4共同构成一个矩形加载空间。

所述刚性框架21内安装活塞导轨16，切向加载活塞10与活塞导轨16滑动配合，从而对切向加载活塞10导向，保证其仅在水平切向移动。

所述刚性框架21上还安装有用于测量切向加载块4和轴向加载块3位移的位移测量装置。所述位移测量装置为拉绳位移计13，该位移计13固定在刚性框架21内侧，位移计13的拉绳通过固定销15固定在轴向加载3或切向加载块4上。为了合理布置位移计13，在刚性框架21内对应设置导向滑轮14，拉绳绕过导向滑轮14进而改变拉绳的方向。

在进行实验时，所述矩形加载空间内用于放置节理岩样1，节理岩样1由中间含有节理的两块岩块组成，岩样轴线与轴向加载轴线共线，两块岩块重叠放置在轴向加载块3上。所述节理岩样1侧壁四周外表面均匀涂覆有粘性胶体物质，然后包裹缓冲密封层2。所述粘性胶体物质可以为凡士林、水玻璃或硅胶。所述缓冲密封层2采用具有一定韧性的软质材料制成，其作用是使节理岩样1上下两块成为一个整体，方便安装，并能够对节理起到密封的作用(特别是当节理充填有流体时)。由于缓冲密封层2质软模量低，且厚度较薄，不会影响外力的加载和节理的变形。

下面分为(1)刚性框架结构、(2)加载结构和(3)测量监测结构三个部分来具体讲解本实验装置。

(1)框架结构

刚性框架21是整套实验装置中支撑、固定各种设备和提供反力的主体结构。刚性框架21是由钢材制造成型，其在任意方向上的变形刚度远大于节理岩样1的变形刚度。8个切向液压驱动器19和1个轴向液压驱动器20刚性固定在刚性框架21中。活塞导轨16也刚性固定在刚性框架21内侧，用来约束和引导切向加载活塞10只能进行水平运动。

(2)加载结构

加载结构主要分为静载加载结构和超声动载加载结构。静载加载分为轴向静荷载加载和切向静荷载。

轴向静荷载由刚性固定在刚性框架21上的轴向液压驱动器20提供，轴向液压驱动器20的轴向液压驱动器活塞9向下做压缩运动。轴向液压驱动器活塞9上依次连接了隔振器8、测力计7、轴向超声振动换能器6、切向超声振动换能器5和轴向加载块3，这些部件相互刚性连接，并且连接后整体的轴向变形刚度仍大于岩石本身的变形刚度。轴向压力通过上述结构，将压力施加到节理岩样的上端部。而节理岩样1下端部的反力是通过下部的支撑反力结构实现，支撑反力结构包括由上至下依次连接的轴向加载块3、切向超声振动换能器5、轴向超声振动换能器6、测力计7，隔振器8和水平滑移承压板11，这些部件也是相互刚性连接形成一个整体，并将轴向压力通过水平滑移承压板11传递至滚珠板12上，滚珠板12再将轴向压力作用于刚性框架21上。节理岩样1下端部的支撑反力结构可以在滚珠板12上水平自由滑动，从保证节理切向应力的施加和切向变形的产生。

切向静荷载的产生由位于实验装置四侧的8个切向液压驱动器19产生，当切向液压驱动器19推动切向液压驱动器活塞18向内运动时，切向加载活塞通过连接节17推动切向加载活塞10向内施加水平推力，在通过连接在切向加载活塞10上的测力计7和切向加载块4将推力传递到节理岩样1上。

超声动载的加载主要由节理岩样上部加载结构和下部的支撑反力结构中的两组换能器实现。一组换能器包括一个轴向超声振动换能器6和一个切向超声振动换能器5构成。轴向超声振动换能器6通过超声信号激发系统产生的电压刺激压电晶体产生轴向的变形从而产生超声振动荷载，切向超声振动换能器5通过超声信号激发系统产生的电压刺激压电晶体产生水平剪切变形从而产生超声震动荷载。而隔振器8的作用是吸收换能器产生的超声应力波，阻止其向刚性框架21传播，减少对振动信号的干扰。节理岩样1上下部的两组换能器并不同时产生超声振动荷载，而是当其中一组换能器作为振源时，另外一组换能器作为接收器，将接受到的振动信号转换成电压信号。

(3)测量监测结构

本实验装置的测量监测结构主要有：力测量结构、位移测量结构、振动测量结构。

力测量结构：用于监测作用在节理岩样1上的力，是通过安装在加载结构上的测力计4得以实施，即每一个加载块(包括轴向加载块3和切向加载块4)附近都配有一个独立的测力计7，一共有10个测力计7。

位移测量结构：用于测量节理岩样1的轴向变形和切向变形，是通过安装在刚性框架21内侧表面的拉绳位移计13实现，位移计的拉绳通过固定销15直接固定在轴向加载块3和切向加载块4上，便于较大精度的直接测量节理岩样1的轴向变形和切向变形。为了能够合理布置拉绳位移计13在装置中的安装位置，利用导向滑轮14改变拉绳的方向。

振动测量结构：包括两组换能器，每一组换能器包括一个轴向超声振动换能器6和一个切向超声振动换能器5。振动信号的测量是通过轴向超声振动换能器6和切向超声振动换能器5实现的，节理岩样1上下的两组换能器，当一组用来作为振源时，另外一组则作为接收传感器。

参见图8，本实用新型还提供了一种上述复杂应力下岩石节理超声实验装置的控制系统，包括数据采集转换仪、控制信号转换放大装置、实验数据处理与储存系统以及安装有实验软件系统的计算机终端。所述数据采集转换仪用于接收拉绳位移计、测力计、切向超声振动换能器、轴向超声振动换能器传递来的电信号，并将电信号转换成计算机能识别的数字信号。计算机终端接收数据采集转换仪传递而来的数字信号，通过实验软件系统对接收到的信号进行处理分析，将所需的实验数据经过实验数据处理与储存系统处理后进行存储，并针对实验装置的监测信号做出反馈控制信息，计算机终端将反馈控制信息发送至控制信号转换放大装置，根据反馈控制信息控制信号转换放大装置分别控制各个伺服液压油泵或超声信号激发系统做出响应。所述伺服液压油泵用于驱动切向液压驱动器和轴向液压驱动器，超声信号激发系统用于控制切向超声振动换能器和轴向超声振动换能器。

当伺服液压油泵接收到控制信号转换放大装置发出的控制指令后，控制油泵的运转，油泵又通过油路控制切向液压驱动器和轴向液压驱动器的加载力大小，从而控制施加在节理岩样1上的静载力大小。当超声信号激发系统接收到控制信号转换放大装置发出的控制指令后，将产生指定的频率、幅值等电压驱动信号，实验装置上的切向超声振动换能器或轴向超声振动换能器接收到电压驱动信号将产生指定的超声振动，振动产生应力波通过轴向加载块3入射至节理岩样1中。

为了更好的监控该实验装置的状态，还可以在该装置上安装液压传感器、温度传感器、报警装置等，这些传感器和装置均与数据采集转换仪连接，构成除位移、加载力和超声振动以外的其他状态监控信息。

下面通过一个具体的实验来说明本实验装置的使用方法。

实验名称：恒定法向应力下剪应力对岩石节理纵波传播特性的影响研究

实验准备材料：岩石节理实验制作，将节理岩样外表面打磨平整光滑，水平横截面为正方形，上下两岩块的径向尺寸偏差不得超过0.5mm，平行加载面的不平行度最大不超过0.05mm。并始终保持节理面的完好。

实验步骤：

Step1：将节理岩样1上下两块岩块对齐，并在外表面上(节理面上下壁面除外)涂抹均匀粘性胶体物质(如凡士林、水玻璃、硅胶等)，并用缓冲密封薄膜均匀包裹试样；

Step2：将试样放置在实验装置下部的支撑反力结构的轴向加载块3之上，并保证下部支撑反力结构轴心线与试样轴心线与上部轴向加载结构轴心线对齐；

Step3：轴向液压驱动器20工作，使得轴向加载块3向下运动，并对试样轴向进行加载至指定法向应力时停止，并保持这一应力不变；

Step4：切向液压驱动器19工作，对节理岩样1进行水平加载，同一方向共线的两个切向加载活塞10同步加载，并实时监测试样岩块上的加载力，使得试样中岩块的受力始终保持平衡，并保持试样的初始位置不变，直到岩块中的应力状态达到所需的初始应力状态；

Step5：节理岩样下部岩块上的切向液压驱动器19工作，进行剪切荷载的施加。下部岩块上的四个切向液压驱动器19中，其中两个的加载力增大，使得试样剪切变形向所需方向进行，另外两个的加载力保持Step4中的加载力大小不变。与此同时，由于节理面上的剪切力作用，节理岩样中上部岩块的受力发生改变，通过位移计13的实时监测和反馈，伺服控制上部岩块上的四个切向液压驱动器19的加载力，使得上部岩块在实验装置中保持位置的不变，并同样使得其中两个切向液压驱动器19保持在step4中的加载力大小不变(以维持初始应力状态)。当剪切力达到指定水平时，此时通过伺服控制保持节理面上应力和岩块中的应力不变。

Step6：上部的轴向超声振动换能器6施加所需的激励电压使其振动，于此同时下部换能器接收振动信号，并将信号传递至数据采集转换仪。此时的超声测试完成后，返回至Step5中，再次通过切向液压驱动器19加载至另外一个节理剪应力水平，然后再次进行超声测试。如此循环往复，直至实验测试全部完成；

实验的整个过程，各个传感器同步实时采集数据，实验者可以在计算机中同步观测数据、设置初始状态和进行控制。

数据处理与分析：将以上实验所得的数据进行分析，可以得出以下有益数据：岩石节理的应力波透射特征在节理的弹性阶段、峰前强化阶段、峰后软化阶段以及残余阶段中的变化规律；进而也能够反演出节理面各个剪切变形阶段的刚度系数的变化规律。

本实验装置除了能够做“恒定法向应力下剪应力对岩石节理应力波传播特性的影响研究”外，还能做其他多种类型的超声动力实验，如“常法向刚度下剪应力对岩石节理应力波传播特性的影响研究”、“节理面凸起磨损对对岩石节理应力波传播特性的影响研究”、“节理面开度对岩石节理应力波传播特性的影响研究”、“节理面物质充填情况对岩石节理应力波传播特性的影响研究”、“节理面应力方向与大小对各向异性节理的应力波传播特性的影响研究”等等。具有非常广阔的应用前景。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。