高精度岩石试样加载中三维裂隙扩展测试实验装置及方法

技术领域

本发明涉及高精度岩石试样荷载作用过程中内部三维裂隙实时扩展的一种实验测试方法，属于岩石领域。

背景技术

岩体在荷载作用下，其内部裂纹的萌生扩展、相互作用及贯通是导致岩石的破裂与失稳的原因。尤其深部岩体在工程开挖等扰动荷载作用下，探索岩体空间裂隙从微观萌生、局部微裂隙扩展、成核及破坏规律对工程稳定性有重要的影响。并且岩石内多尺度裂纹渐进扩展规律及相关数据是研究裂纹扩展机理的重要依据，也是本构模型创建和有效进行工程安全预警的重要基础。但是由于岩石内部不可见性，其中三维裂隙扩展过程的研究是科学研究难点和热点，高精度岩石试样荷载作用下内部三维裂隙实时扩展的试验方法为解决这一问题提供技术支持。

由于加工方法和实验技术的不断改进，近些年来关于三维裂隙实时扩展的研究取得一定的进展。CT实验对岩石内部三维裂纹实时扩展的研究产生了很大的推动作用，但其扫描过程的时间差，不能保证裂纹渐进扩展的实时性。并且CT实验关于岩石内部三维裂纹的的重构和图像处理技术有关，微细裂纹不易被识别。声发射技术检测岩石内部结构有无损和实时的优势，传统声发射声源定位测试方法能测试荷载作用下岩石内部裂纹的总体变化情况。但是对试样内三维裂纹扩展过程进行三维定位的，不太准确。定位裂纹模型材料在三维裂隙的研究中也有较广泛的应用。如PPMM材料、透明数值材料、石膏等，这些模型材料和真实岩石材料有很大的差别，例如不能很好的反映岩石材料的非均质的等。对岩体三维裂纹的研究更加接近岩体的实际破裂过程，也更具有工程实际意义。因此针对岩石材料高精度荷载作用过程中内部三维裂隙实时扩展的研究越来越急迫。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高精度岩石试样加载中三维裂隙扩展测试实验装置及方法，通过传感器转换器的过渡作用，更精确的运用声发射探头获取岩石内部损伤破坏的三维定位情况，不等幅加卸载循环有效的控制破坏过程，使声发射源三维定位更稳定。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种高精度岩石试样加载中三维裂隙扩展测试实验装置，包括刚性的传感器转化器，所述传感器转化器一端设有与试样配合的安装面，另一端安装有声发射传感器，声发射传感器与控制器连接，控制器与计算机连接。

作为优选，所述声发射传感器通过柔性连接剂与传感器转化器连接。

作为优选，所述安装面的面积小于传感器转化器另一端的面积。

一种上述的高精度岩石试样加载中三维裂隙扩展测试实验装置，包括以下步骤：

(1)通过取样装置取得试样样品；

(2)传感器转化器固定于预制裂隙端部和试样端部之间的位置，至少安装不在同一个平面的转化器3个，在端部和预制裂隙之间安装的意义在于既可测试试样端部和预制裂隙端部的三维裂隙，又和试样端部、预制裂隙端部有一定距离，避免了应力集中的不利影响；

(3)、取完整岩石试样和含不同预制裂隙岩石试样各三块，开展单轴压缩实验，分析试样的压密强度，以每组压密强度的平均值为预静荷载强度；

(4)、将每组荷载加压至预静荷载值后，开展不等幅加卸载实验，每次加载的幅值高于前次20％，合适的幅值有利于破裂过程的动态研究，加载过程由应力控制，加载速度为0.1MPa/s，为准静态加载过程；

(5)声发射定位技术需采用不在同一平面上的至少3个探头，应用多通道声发射检测系统，接受上述实验操作得到的声发射源信息，依据探测声发射事件到达的时间，运用时差分析，实现检测声发射事件的位置，对声发射源弹性波进行空间定位，判断荷载作用下裂隙的发展和演化情况。

该过程的意义延长了加载时间，使每一个加载段三维裂纹的扩展过程更清晰、更稳定。卸载过程无声发射现象，所加荷载超过前次加载最大值才会发生声波撞击数。

在本发明中，传感器转换器有不同截面的两端，一端与试样连接，该端面积较小，可分为几种情况：(1)平整的圆形截面，主要用于试样表面也是平整的情况；(2)曲面截面，主要用于圆柱形试样。可根据需要做成与直径为25mm，50mm等匹配的曲面。另一端是截面较大的圆槽，该端通过柔性耦合剂和声发射探头接触。实验过程采用不等幅循环加卸载方式，该加载方式既可获取能量演化数据，同时延长了岩石破坏过程，卸载过程不产生声发射撞击数的变化。声发射源定位能更稳定更清晰观测岩石内部结构灾变劣化过程中的变化情况。

在本发明中，低频不等幅循环加卸载，位移控制加载范围是0.001-0.005mm/s。低频不等幅加卸载方式既是研究获取能量演化数据所必须的，同时这种加载方式延长了岩石破坏过程，由本文研究也可知：加载过程，荷载超过一定数值，岩石内部会产生损伤，声发射仪可以测到波形变化，产生声发射撞击数；卸载过程不产生声发射撞击数的变化。声发射源定位能更稳定更清晰观测岩石内部结构灾变劣化过程中的变化情况。

在本发明中，多次修正门槛值，门槛值的有效确定有利于声发射定位的准确性。门槛值较低不利于过滤环境中噪音，门槛值较高可能会遗漏荷载作用下材料内部多尺度损伤演化的信息。声发射固定门槛值常用45dB，本研究门槛值从45dB逐步下调，观测波形图，直到波形图出现数据变化。

在本发明中，通过传感器转化器，克服了贴在试样表面存在的问题，贴在试样表面，如果采用柔性连接剂，传感器采集的数据不准确，如果刚性连接在试件表面，传感器由于振动，会破坏传感器，影响传感器使用。通过在凹槽内固定声发射传感器，解决了上述存在的问题，同时实现测量准确和保护传感器的目的。

有益效果：本发明的高精度不同岩石试样加载过程中三维裂隙实时扩展测试实验方法，通过传感器转化器和岩石试样的连接，减小传感器与试样的接触面，使定位更加准确，且保护不同荷载尤其是复杂荷载作用下，试样破坏对传感器的冲击作用，保护传感器的使用寿命。低频不等幅加卸载方式既是研究获取能量演化数据所必须的，同时这种加载方式延长了岩石破坏过程，使声发射源定位能更稳定更清晰观测岩石内部结构灾变劣化过程中的变化情况。

附图说明

图1为本发明的穿透预制裂纹试样。

图2为本发明岩石试样和传感器转化器连接示意图。

图3为传感器转化器和传感器连接装置示意图。

图4试验加卸载路径图。

图5含45°倾角预制单裂隙试样循环荷载作用下声发射三维定位图。

图6为本发明中取样装置的剖视图。

图7为本发明中取样装置的主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图5所示，本发明的一种高精度不同岩石试样加载过程中三维裂隙实时扩展测试实验方法，包括刚性的传感器转化器32，试样31可以为圆柱体岩石试样或长方体岩石试样，岩石试样又可分为完整岩石试样、预制三维裂隙不穿透岩石试样和预制裂隙穿透岩石试样。所有预制裂隙都可以加工单一预制裂隙和多组预制裂隙，如图1所示。准备好试样之后，用酒精清洁表面，根据实验需要设计不同数目的声发射源信号定位的传感器。传感器与试样通过传感器转化器连接。

在本发明中，所述与长方体试样连接的传感器转化器32与试样31连接的面为平面，且为刚性连接，使连接处无柔性变形，声发射源传到传感器转化器的能量较少的损耗。所述圆柱体试样连接的传感器转化器与试样连接的面为曲面，该曲面半径应和圆柱体试样半径匹配，连接处同样为刚性连接。

在本发明中，所述传感器转化器与声发射传感器34连接的一端设计有圆形凹槽，与声发射传感器所用连接剂为柔性连接剂，圆槽与传感器的大小形状紧密配合，少量的柔性连接剂主要起到更好将传感器转化器与传感器结合，并减少二者之间的摩擦作用。

实验操作过程中，多次修正门槛值，门槛值的有效确定有利于声发射定位的准确性。门槛值较低不利于过滤环境中噪音，门槛值较高可能会遗漏荷载作用下材料内部多尺度损伤演化的信息。声发射固定门槛值常用45dB，本研究门槛值从45dB逐步下调，观测波形图，直到波形图出现数据变化。加载方式特征在于：预静载低频不等幅循环加卸载方式。预静载的意义是较大程度压密了岩石试样，较大程度避免初始裂隙和孔隙对测试结果的影响。低频不等幅加卸载方式既是研究获取能量演化数据所必须的，同时这种加载方式延长了岩石破坏过程。

在本发明中，取样装置包括驱动装置，驱动装置设置在固定架的上方，驱动装置输出端设置有岩石取样装置，固定架包含有底板20，底板20的底部固定安装有弹簧伸缩杆21，底板20的顶部固定安装有数量为两个的安装板22，驱动装置处于两个安装板22之间，两个安装板22相对的一侧均开设有限位滑槽221，底板20的顶部且位于两个安装板22之间固定安装有液压伸缩杆23，利用液压伸缩杆23的伸缩能力替代传统人工施压的方式，减轻工作人员的工作量，降低工作强度。

在本发明中，驱动装置包括驱动电机10，驱动电机10通过柴油机提供动力来源，驱动电机10的顶部固定安装有顶杆11，顶杆11的顶部转动安装有手扶杆12，手扶杆12的底部安装有包容套，顶杆11的顶部固定安装有限位板，限位板延伸至包容套内部且与包容套转动连接，手扶杆12的表面安装有海绵套，且手扶杆12的两端固定安装有防脱球，手扶杆12的长度大于驱动电机10的直径。

在本发明中，驱动电机10的外表面固定安装有固定环套13，固定环套13通过螺栓与驱动电机10螺纹连接，当驱动电机10出现故障时，可以直接将固定环套13打开而后取出驱动电机10进行维修，固定环套13的左右两侧固定安装有延伸至限位滑槽221内部的限位滑块14，限位滑块14俯视形状为‘凸’字形，限位滑块14与安装板22滑动连接。

在本发明中，驱动电机10的外表面且位于固定环套13的顶部与底部均固定安装有散热水带15，散热水带15内填充有水，通过散热水带15给驱动电机10进行散热，散热水带15的俯视形状为圆环形，两个散热水带15之间固定连接有导管，顶部散热水带15的顶部螺纹安装有进水管，底部散热水带15的底部固定安装有排水管。

在本发明中，底板20底部的四周均固定安装有弹簧伸缩杆21，弹簧伸缩杆21的底部固定安装有防滑垫，底板20的长度为驱动电机10直径的三倍，底板20的宽度与驱动电机10直径相等，在使用时，可通过脚踩的方式将底板20固定。

在本发明中，岩石取样装置包含钻地杆30和取样钻31，取样钻31通过连接板安装在钻地杆30的底部，钻地杆30贯穿底板20并与底板20同时满足滑动连接和转动连接，取样钻31的剖视形状为倒‘匚’字形，取样钻31的底部固定安装有破碎齿，当取样钻31高速转动时，即可切割出一个圆柱形的岩石样本进入到取样钻31内部，取样钻31的直径大于钻地杆30的直径，取样钻31的高度小于弹簧伸缩杆21的最大长度。

在本发明中，液压伸缩杆23的顶部与驱动电机10的底壁固定连接，液压伸缩杆23的数量为两个，两个液压伸缩杆23分布在钻地杆30的两侧，钻地杆30的表面转动安装有与底板20固定连接的降温水箱32，降温水箱32为铝合金，降温水箱32的俯视形状为圆环形，降温水箱32与钻地杆30滑动连接，降温水箱32的内部开设有出水细孔，可源源不断的将水敷在钻地杆30的表面，从而对钻地杆30的表面快速降温。

本发明中取样装置的工作原理为：在使用时，手握手扶杆12，脚踩底板20，然后同步启动驱动电机10和液压伸缩杆23，在驱动电机10初期运转时，取样钻31处于悬空状态，随着液压伸缩杆23逐步施压，取样钻31逐步往岩石中钻，即可获得一个大小合适的岩石样本，同时，通过散热水带15给驱动电机10进行散热，并且降温水箱32通过出水细孔源源不断的将水敷在钻地杆30的表面，从而对钻地杆30的表面快速降温。

与现有技术相比，该高精度岩石试样加载中三维裂隙扩展测试实验的取样设备，分别在驱动电机10和钻地杆30表面安装了散热水带15和降温水箱32，能够及时的进行散热降温，避免工作人员意外烫伤，此外，通过液压伸缩杆23施压，工作人员只需要握着手扶杆12，另外用脚踩住底板20，不让设备倾倒即可，大幅度降低了劳动量，节省了体力，最后，在钻地杆30底部安装了圆筒状的取样钻31，并在取样钻31底壁安装了破碎齿，使得本实用在工作时，能够取得大小统一的岩石样本，方便工作人员对岩石做检测工作，节省了后续对岩石样本的其他操作，使得检测工作能够更加方便的进行。

一种高精度岩石试样加载中三维裂隙扩展测试实验装置，包括以下步骤：

(1)通过取样装置取得试样样品；

(2)传感器转化器固定于预制裂隙端部和试样端部中间的位置，至少安装不在同一个平面的转化器3个，在端部和预制裂隙之间安装的意义在于既可测试试样端部和预制裂隙端部的三维裂隙，又和试样端部、预制裂隙端部有一定距离，避免了应力集中的不利影响；

(3)、取完整岩石试样和含不同预制裂隙岩石试样各三块，开展单轴压缩实验，分析试样的压密强度，以每组压密强度的平均值为预静荷载强度；

(4)、将每组荷载加压至预静荷载值后，开展不等幅加卸载实验，每次加载的幅值高于前次20％，合适的幅值有利于破裂过程的动态研究，加载过程由应力控制，加载速度为0.1MPa/s，为准静态加载过程；

(5)声发射定位技术需采用不在同一平面上的至少3个探头，应用多通道声发射检测系统，接受上述实验操作得到的声发射源信息，依据探测声发射事件到达的时间，运用时差分析，实现检测声发射事件的位置，对声发射源弹性波进行空间定位，判断荷载作用下裂隙的发展和演化情况。

以上所述仅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。