一种研究高温下应力波在岩体中传播特性的装置及方法

本发明涉及一种用于研究在不同温度下应力波在微裂隙岩体中的传播特性的方法，属于岩体力学实验技术领域

背景技术：

随着我国经济不断发展、地下工程规模也越来越大，同时也对地下工程的安全性提出了更高的要求，而地震是威胁地下工程的主要因素，主要通过产生的应力波通过岩体传播作用于地下结构，最终产生破坏，因此了解地震产生的应力波在岩体中的传播特性变得极为重要。现有理论研究表明，应力波在岩体中传播时，由于岩石内部微裂隙的存在，导致应力波在其内部传递时会发生弥散和衰减，目前对应力波在岩体中的传播仅局限于理论和常温实验，由于岩石裂隙在不同温度下的分布和开裂状况有所不同，因此应力波在岩体中的传播特性也会发生变化，因此研究不同温度下应力波在岩体中的传播对指导日后工程实践有重要意义。

本发明采用加热装置和径向应变检测装置，可以测量实时高温下应力波在岩石杆中的传播特性，弥补了应变片无法粘贴在高温岩体上的缺点，相比采用数字图像技术间接测量的方法，具有可操作性强、成本低、灵敏度高的优点。

技术实现要素：

本发明提供一种用于研究高温下应力波在微裂隙岩体中的传播特性的方法。利用径向应变检测装置，克服了传统应变片无法在高温下粘结岩石的缺点，克服了数字图像技术(例如dic、散斑干涉)成本高、精度低的缺点，可以研究实时高温下岩体的应力波传播规律。本发明采用的方法有两部分，实验装置和数据处理系统。实验装置主要包括加热装置、敲击装置、数据采集装置。首先将杆件放入加热装置中加热到指定温度，后采用敲击装置撞击杆件产生应力波，后采用数据采集装置测量杆件产生径向的应变，后经过数据处理系统处理得到岩石杆的纵向应变。

该装置用于测量应力波在微裂隙中的传播特性。测量系统用于测量杆件在撞击时产生的径向应变。加热装置用于加热岩石杆，加热装置可以控制加热温度、加热速度和恒温时间。由于不同温度下岩石杆内部微裂隙的状态不同，因此可以研究不同温度下的应力波传播特性。

进一步的敲击装置包括刻度尺和不同形状的摆锤。可以通过调整摆锤角度改变入射波幅值，通过更换摆锤调整入射波波形(例如正弦波、矩形波、三角波等)。

进一步的，加热装置包括保温外壳、加热层和密封扣。保温外壳为圆筒状结构，内部为加热层，加热层内有一个长条形的凹槽，用于放置岩石杆。加热层均匀分布在凹槽四周，用于均匀加热岩石杆。并采用密封板将凹槽两端密封，保证内部温度恒定。

进一步的，数据采集系统采用径向应变仪，径向应变仪由金属丝和传感器两部分组成，其中传感器表面覆盖隔热层，并采用耐高温的金属丝，由于岩石温度较高时粘合剂和应变片失效无法直接测量岩石杆的纵向位移，而物体在压缩或拉伸时会产生径向应变，因此在应力波传播过程中，金属丝会产生拉伸变形，由传感器接收金属丝变形信息，并通过蓝牙无线传输到数据处理系统。

进一步的，数据处理系统可分为输入模块，显示模块、计算模块，通过输入模块将数据采集系统数据导入处理系统，显示模块可以用来显示当前输入波形、计算模块所得结果，计算模块用来计算波形频域分布、材料衰减系数、波数。

本发明的优势在于：可以测量不同温度下岩石微裂隙对应力波传播的影响，利用径向应变仪测量径向应变，无需使用粘合剂，弥补了传统应变片的缺陷，径向应变仪同样具有良好的灵敏度，精度在1με，可以很好的测量由应力波产生的微应变。

相比于目前数字影像间接测量技术具有成本低，易操作，灵敏度高的的优点

附图说明

图1为研究高温下应力波在岩体微裂隙中传播特性的装置。

图2为数据采集装置。

图3为敲击装置。

图中：1刻度尺；2摆锤；3支座；4保温层；5加热层；6密封板；7数据采集装置；8岩石杆；10应变传感器；11金属丝

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种用于研究高温下应力波在微裂隙岩体中的传播特性的装置和方法。

本发明采用的方法有两大块，实验装置和数据处理系统。实验装置主要包括加热装置、敲击装置、数据采集装置。首先将岩石杆8放入加热装置中加热到指定温度，后采用敲击装置撞击岩石杆8产生应力波，后采用数据采集装置测量岩石杆8产生轴向的应变，后经过数据处理系统处理得到岩石杆8的纵向应变。

敲击装置包括刻度尺1和不同形状的摆锤12。在实验开始时通过调整摆锤2角度改变入射波幅值，后续可通过更换摆锤12调整入射波波形，研究不同波形在岩石中的传播特性。

加热装置包括保温外壳4、加热层5和密封扣6。保温外壳4为圆筒状结构，内部为加热层5，加热层5内部有长条形凹槽，用于放置岩石杆8。加热层5均匀分布在凹槽四周，用于均匀加热岩石杆8。再实验开始时，需要对两端采用密封板6将凹槽两端密封，保证内部温度恒定。

数据采集系统7采用径向应变仪，径向应变仪由金属丝11和传感器10两部分组成，其中传感器10表面覆盖隔热层，采用耐高温的金属丝11，由于岩石温度较高时粘合剂和应变片失效无法直接测量岩石杆的纵向位移，而物体在压缩或拉伸时时会产生横向应变，因此在应力波传播过程中，金属丝会产生径向变形，由传感器接收金属丝变形信息，并通过蓝牙无线传输到数据处理系统。

进行敲击实验时，打开靠近敲击装置的密封板6，同时保证加热装置其余部位密封，防止内部温度发生变化。然后将摆锤2旋转至刻度板1指定角度，然后松开摆锤2对岩石杆8一端进行敲击，产生的应力波将沿杆进行传播，由数据采集装置7进行岩石杆径向位移的采集。

后将实验数据传到数据处理系统，通过在相应温度下静态压缩得到的泊松比将径向应变仪得到的径向应变得到杆件的纵向变形，绘制波形曲线图，并进一步计算得到频谱图、得到材料在不同频率下材料的衰减系数和波数。

技术特征：

1.一种研究高温下应力波在岩体中传播特性的装置，其特征在于：包括，实验装置和数据处理系统；实验装置包括加热装置、敲击装置、数据采集装置；将岩石杆放入加热装置中加热到指定温度，后采用敲击装置撞击岩石杆产生应力波，后采用数据采集装置测量岩石杆产生轴向的应变，后经过数据处理系统处理得到岩石杆的纵向应变。

2.根据权利要求1所述的一种研究高温下应力波在岩体中传播特性的装置，其特征在于：敲击装置包括刻度尺和不同形状的摆锤；在实验开始时通过调整摆锤的角度改变入射波幅值。

3.根据权利要求1所述的一种研究高温下应力波在岩体中传播特性的装置，其特征在于：加热装置包括保温外壳、加热层和密封扣；保温外壳为圆筒状结构，内部为加热层，加热层内部有长条形凹槽，用于放置岩石杆；加热层均匀分布在凹槽四周，用于均匀加热岩石杆；再实验开始时，需要对两端采用密封板将凹槽两端密封，保证内部温度恒定。

4.根据权利要求1所述的一种研究高温下应力波在岩体中传播特性的装置，其特征在于：数据采集系统采用径向应变仪，径向应变仪由金属丝和传感器两部分组成，其中传感器表面覆盖隔热层，采用耐高温的金属丝，由于岩石温度较高时粘合剂和应变片失效无法直接测量岩石杆的纵向位移，而物体在压缩或拉伸时时会产生横向应变，因此在应力波传播过程中，金属丝会产生径向变形，由传感器接收金属丝变形信息，并通过蓝牙无线传输到数据处理系统。

5.根据权利要求1所述的一种研究高温下应力波在岩体中传播特性的装置，其特征在于：进行敲击实验时，打开靠近敲击装置的密封板，同时保证加热装置其余部位密封，防止内部温度发生变化；然后将摆锤旋转至刻度板指定角度，然后松开摆锤对岩石杆一端进行敲击，产生的应力波将沿杆进行传播，由数据采集装置进行岩石杆径向位移的采集；

将实验数据传到数据处理系统，通过在相应温度下静态压缩得到的泊松比将径向应变仪得到的径向应变得到杆件的纵向变形，绘制波形曲线图，并计算得到频谱图、得到材料在不同频率下材料的衰减系数和波数。

技术总结
本发明公开了一种研究高温下应力波在岩体中传播特性的装置及方法，将杆件放入加热装置中加热到指定温度，后采用敲击装置撞击杆件产生应力波，后采用数据采集装置测量杆件产生径向的应变，后经过数据处理系统处理得到岩石杆的纵向应变。测量系统用于测量杆件在撞击时产生的径向应变。加热装置用于加热岩石杆，加热装置可以控制加热温度、加热速度和恒温时间。由于不同温度下岩石杆内部微裂隙的状态不同，因此可以研究不同温度下的应力波传播特性。本发明可以测量不同温度下岩石微裂隙对应力波传播的影响，利用径向应变仪测量径向应变，无需使用粘合剂，弥补了传统应变片的缺陷。

技术研发人员：范立峰;杨崎浩;王梦
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.02.09
技术公布日：2021.07.23