用于土石混合体实时声压信息获取的三轴柔性压缩装置的制作方法

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是指一种用于土石混合体实时声压信息获取的三轴柔性压缩装置。

背景技术：

近年来，随着我国经济持续稳定发展，各个行业对矿产资源的需求量持续增长。露天开采作为一种基本的开采方式，由于具有高产高效等优点而被越来越多的应用于矿产资源开采中。但是开采期间剥离的土石混合体堆积而成的排土场失稳现象却时有发生，给矿山的安全生产带来极大影响。因此，通过实验研究揭示土石混合体的力学参数变化规律，对于露天矿排土场安全高效作业具有良好的意义。

土石混合体是一种内部包含有结构面和节理面的极为不均匀的混合多相地质材料。在室内三轴压缩荷载的作用下，其内部各点的力学参数不同，应力分布差异也较大。因此，其变形破坏受轴压及围压加载方式影响显著。采用柔性边界加载方式可以实现试验中给试样施加均匀、确定的边界力。通过进行土石混合体三轴柔性压缩试验可以获取土石混合体的力学参数，为岩土体室内实验提供一种新的力学参数测试方法。

岩体超声波测试技术，是近些年来发展起来的一种新型检测方法。该方法通过测定超声透射岩体后声学信号(如波速、衰减系数、振幅等)的变化来间接地反映岩土体的物理力学参数、应力状态特征及一些结构构造方面的变化。由于超声波检测具有操作简单、检测速度快、受环境影响小、数据结果精度高并可以进行重复检测等特点，因此被广泛应用于室内和现场试验中。但由于它无法获得岩体内部细观结构的实时图像而应用受到限制。通过在试验过程中实时获取岩土体声压信息参数，可以揭示非均匀材料破坏的全过程，进一步为岩土体加固提供理论依据。

基于以上需求，发明了一种用于土石混合体实时声压信息获取的三轴柔性压缩装置，实现实时获取试样不同加载时刻的声学参数，揭示土石混合体变形破坏过程中的声压相关性和损伤弱化过程。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于土石混合体实时声压信息获取的三轴柔性压缩装置，该装置可以用来实现在柔性加载三轴试验过程中土石混合体的实时监测，获取不同加载时刻的声学参数信息，揭示土石混合体的声压相关性和损伤弱化过程，为岩土体室内实验提供一种新的力学参数测试方法。

该装置包括框架装置、轴向柔性荷载加压装置、柔性围压加载装置和超声波监测装置，框架装置包括上横梁、底座和刚性立柱，轴向柔性荷载加压装置包括液压千斤顶、升降台、导向杆、压力传感器、橡胶垫块和千分表，柔性围压加载装置包括气囊、导气管、增压器、压力表和压力接头，超声波监测装置包括承压换能器和示波器；刚性立柱通过螺栓与上横梁连接，刚性立柱固定在底座上，升降台上部设置千分表，升降台下方设置液压千斤顶，液压千斤顶置于底座上，橡胶垫块置于试样的顶部和底部，试样顶部的橡胶垫块与轴向压力传感器相连，压力传感器通过导线连接荷载控制器，试样置于塑胶套筒的气囊内，塑胶套筒上部设置塑胶盖，导向杆保证升降台竖向平稳移动，承压换能器置于试样的上表面和下表面，承压换能器紧贴试样，塑胶套筒底部有增压器接口与压力表接口，增压器接口通过导气管和压力接头连接增压器，压力表接口连接压力表，承压换能器通过电缆连接示波器。

承压换能器包括锁紧环、换能器底壳、压电陶瓷片、弹簧和密封顶丝，换能器底壳端面内侧与压电陶瓷片紧贴，换能器底壳下端口与压电陶瓷片的一个电极连接，弹簧保证压电陶瓷片与换能器底壳紧密接触，锁紧环和密封顶丝将承压换能器与塑胶盖连接固定。

液压千斤顶提供试样的轴向压力，置于塑胶套筒中的气囊提供试样的围向压力，轴向压力直接作用于高强柔性橡胶垫块上，将轴力均匀传递到试样上，气囊将围压均匀施加到试样表面。

承压换能器为两个，一个为发射换能器，另一个为接收换能器，分别粘贴于试样的上表面和下表面，并用凡士林或黄油耦合，保证发射换能器和接收换能器的轴线处于同一直线上。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明通过气囊为土石混合体施加均匀围压，采用高强度柔性橡胶垫块实现均匀轴压，并将超声波测试换能器紧密连接于试件表面，可以实现在柔性加载三轴试验过程中土石混合体的实时监测，获取不同加载时刻的声学参数信息，揭示岩土体的声压相关性和损伤弱化过程，为岩土体室内实验提供一种新的力学参数测试方法。

附图说明

图1为本发明的用于土石混合体实时声压信息获取的三轴柔性压缩装置结构示意图；

图2为本发明柔性围压加载装置示意图；

图3为本发明承压换能器装置示意图。

其中：1-螺栓，2-上横梁，3-刚性立柱，4-导向杆，5-升降台，6-底座，7-千分表，8-导线，9-荷载控制器，10-压力传感器，11-橡胶垫块，12-塑胶盖，13-塑胶套筒，14-承压换能器，15-试样，16-压力接头，17-导气管，18-压力表，19-液压千斤顶，20-增压器，21-电缆，22-示波器，23-锁紧环，24-换能器底壳，25-压电陶瓷片，26-弹簧，27-密封顶丝。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种用于土石混合体实时声压信息获取的三轴柔性压缩装置。

如图1所示，该装置包括框架装置、轴向柔性荷载加压装置、柔性围压加载装置和超声波监测装置，框架装置包括上横梁2、底座6和刚性立柱3，轴向柔性荷载加压装置包括液压千斤顶19、升降台5、导向杆4、压力传感器10、橡胶垫块11和千分表7，柔性围压加载装置包括气囊、导气管17、增压器20、压力表18和压力接头16，超声波监测装置为承压换能器14；刚性立柱3通过螺栓1与上横梁2连接，刚性立柱3固定在底座6上，升降台5上部设置千分表7，升降台5下方设置液压千斤顶19，液压千斤顶19置于底座6上，橡胶垫块11置于试样15的顶部和底部，试样15顶部的橡胶垫块11与轴向压力传感器10相连，压力传感器10通过导线8连接荷载控制器9，试样15置于塑胶套筒13的气囊内，如图2所示，塑胶套筒13上部设置塑胶盖12，导向杆4保证升降台5竖向平稳移动，承压换能器14置于试样15的上表面和下表面，承压换能器14紧贴试样15，塑胶套筒13底部有增压器接口与压力表接口，增压器接口通过导气管17和压力接头16连接增压器20，压力表接口连接压力表18，承压换能器14通过电缆21连接示波器22。

如图3所示，承压换能器14中换能器底壳24端面内侧与压电陶瓷片25紧贴，换能器底壳24下端口与压电陶瓷片25的一个电极连接，弹簧26保证压电陶瓷片25与换能器底壳24紧密接触，锁紧环23和密封顶丝27将承压换能器14与塑胶盖12连接固定。

下面结合具体实施例予以说明。

在具体实施中，一种用于土石混合体实时声压信息获取的三轴柔性压缩装置，包括框架装置、轴向柔性荷载加压装置、柔性围向加压装置和超声波监测装置。其框架装置包括上横梁2、底座6和刚性立柱3，刚性立柱3通过螺栓1与上横梁2连接。其轴向压力由液压千斤顶19提供，围压通过增压器20向气囊内充入气体以产生一定的压力，进而气囊压力均匀的作用在试样15表面。

液压千斤顶19可提供最大轴力为100kn，压缩过程中的轴向力由压力传感器10量测；轴向变形由千分表7量测，精度为0.01mm。

试样上下表面的橡胶垫块11具有强度大、易变形特点。当液压千斤顶19提供的轴压作用于该垫块上时，将轴力均匀传递到试样上，提供更为局部的变形场。柔性橡胶垫块11为采用多种橡胶材料制成的高强度柔性橡胶垫块，厚度为50mm，该垫块质地柔软，易变形，承压能力强，因此可以将轴向压力均匀的施加在岩体试件上，尤其对于表面不平整的试件具有很好的效果，进而实现了轴向柔性加载。

该测试系统为柔性加载，气囊压力处处是相等的，因此作用在试样上的围压是均匀的。对于极不均匀的土石混合体，该种加载方式与实际更相符。气囊为一个直径为75mm的空心圆柱体，壁厚为5mm，将气囊放入直径为80mm的塑胶套筒13中，以提供反力。塑胶套筒13底部有增压器接口与压力表接口。通过增压器20给气囊充入气体以产生一定的压力，气囊压力作用于试样表面。由于气囊压力处处相等，因此作用在试件周围的力是均匀的，即给不均匀的土石混合体施加柔性围压，通过压力表18读取压力值。采用气囊反力提供围压避免了传统围压仓试件与加压介质不好隔离的弊端。

超声波监测装置为连接于试件上下表面的高灵敏度承压换能器14。高灵敏度承压换能器频率为500khz，它由外壳、压电陶瓷片、弹簧组成。外壳采用合金铝制作，起保护和支撑作用，其端面内侧与压电陶瓷片紧贴，下端口与压电陶瓷片的一个电极连接。弹簧保证压电陶瓷片与外壳紧密接触。在试样三轴压缩过程中，超声波承压换能器14产生的超声脉冲波穿透岩体试件，接收到的超声波信号携带了土石混合体试件的质量信息。试样表面粘贴换能器之前，须保证试件上下测试面平整、干净，不能有松软、脱皮等，以免对测试结果产生影响。在试样上下端涂上凡士林或黄油进行润滑耦合，以便承压换能器辐射面紧贴于岩面，保证超声波在此接触面上最大限度地减少损耗。保证发射和接收换能器的轴线处于同一直线上，实现试样变形破坏过程的测试。

具体测试步骤如下：

测试步骤：

(1)采用直径50mm、高100mm的圆柱体试样，在试样表面涂上聚乙烯醇缩醛胶，待凝固后，将圆柱体试件两端放置上、下垫块，并在试样上套上橡皮薄膜，两端扎紧，确保试样破坏后碎石屑不落入压力室内。

(2)将试样放入三轴压力室内，并保证试样的轴心线与三轴压力室轴心线对准。

(3)打开增压器，向气囊中充入气体，以0.05mpa/s的加载速率施加围向压力，当侧向围压达到预定压力时，向上提升千斤顶施加轴向压力，以0.5～1mpa/s的应力速率施加轴向荷载，直至试样完全破坏。

(4)随着轴压与围压的施加，启动超声波测试装置，实时测读声速、波幅、衰减系数等声学参数信息，对测试数据进行分析和整理，得到土石混合体力学参数，构建以声学参数为自变量的损伤演化方程和本构方程。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。