本發(fā)明涉及一種巖石力學實驗裝置及方法，尤其設計一種聲發(fā)射測試裝置及使用該裝置對巖石試件進行真三軸試驗的方法。

背景技術(shù)：

聲發(fā)射監(jiān)測廣泛的應用于巖石單軸壓縮試驗過程中，對巖石內(nèi)部損傷破裂以及內(nèi)部微破裂面之間的剪切滑動有很好的監(jiān)測效果，在巖石穩(wěn)定性方面的研究中有著廣泛的應用。聲發(fā)射不僅能夠反映出巖石材料在不同加載過程的聲發(fā)射活動的特性，同時還可以通過聲發(fā)射定位系統(tǒng)實時監(jiān)測巖石內(nèi)部微裂隙孕育，萌生，擴展，成核和貫通的三維演化過程。這些是其他實驗方法所不具備的特性，已被廣泛的應用于巖石，混凝土等材料的破壞失穩(wěn)的機理研究。

在現(xiàn)有的真三軸中進行聲發(fā)射監(jiān)測實驗，普遍做法是將聲發(fā)射探頭貼在加載柱上，得到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)噪音很大。一方面是由于聲發(fā)射探頭與試件之間經(jīng)過了多個接觸界面，且每個接觸界面的接觸質(zhì)量不能得到有效保證；應力波經(jīng)過接觸面時會有反射損失，有效信號會有很大的衰減。另一方面，巖石真三軸試驗機的腔體以及加載柱受外界干擾較大，目前廣泛應用的巖石真三軸試驗機都采用伺服控制；巖石真三軸試驗機在運行過程中會對加載柱進行不斷的加載動作，并產(chǎn)生大量的干擾信號。

目前，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員設法將聲發(fā)射探頭安裝在壓頭與試件之間的墊塊內(nèi)，利用彈簧及推桿將聲發(fā)射探頭與試件緊貼，該方法容易造成巖石破碎后碎屑進入聲發(fā)射探頭通道內(nèi)，嚴重時將探頭擠壓損壞；由于聲發(fā)射探頭與墊塊之間沒有屏蔽措施，在實驗過程中聲發(fā)射探頭可能與墊塊之間相互接觸，機器產(chǎn)生的干擾信號會通過墊塊傳導至聲發(fā)射探頭，從而干擾對試件產(chǎn)生聲發(fā)射信號的采集。

基于上述問題，本發(fā)明提出了一種用于巖石真三軸應力條件下的聲發(fā)射測試裝置，同時提出了一種使用該裝置對巖石試件進行真三軸試驗的方法，該裝置能夠有效防止加載過程中巖石碎屑對聲發(fā)射探頭造成的損傷，同時也有效避免外部無關(guān)信號干擾，大幅提高了聲發(fā)射信號的信噪比。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種聲發(fā)射測試裝置，能夠有效防止加載過程中巖石碎屑對聲發(fā)射探頭造成的損傷，同時也能有效避免外部無關(guān)信號干擾，提高聲發(fā)射信號的信噪比。

為了達到上述目的，本發(fā)明一方面提供了一種聲發(fā)射測試裝置，用于對一巖石試件進行聲發(fā)射測試，其特征在于，包括壓頭主體、至少一個聲發(fā)射模塊以及數(shù)據(jù)記錄模塊；所述壓頭主體及每個聲發(fā)射模塊均與所述巖石試件接觸；每個聲發(fā)射模塊均包括一聲發(fā)射探頭，所述聲發(fā)射探頭設于所述壓頭主體內(nèi)，用于對所述巖石試件進行聲發(fā)射測試，并將測試的信息傳送至所述數(shù)據(jù)記錄模塊。

可選的，在上述聲發(fā)射測試裝置中，每個聲發(fā)射模塊均包括一導波桿以及一復位組件；

其中，所述導波桿的第一端連接于所述復位組件，所述導波桿的第二端與所述巖石試件接觸；

所述導波桿的第一端設有一開口腔體，所述聲發(fā)射探頭位于所述開口腔體中，并與所述開口腔體的內(nèi)壁連接。

可選的，在上述聲發(fā)射測試裝置中，所述開口腔體的形狀包括u形、c形或e形；所述聲發(fā)射探頭位于所述導波桿形成的u形、c形或e形腔體內(nèi)。

可選的，在上述聲發(fā)射測試裝置中，所述導波桿與所述壓頭主體通過至少一個第一隔離墊圈進行隔離，每個第一隔離墊圈連接于所述壓頭主體上，用于隔離所述壓頭主體產(chǎn)生的干擾所述聲發(fā)射探頭的信號，還用于增加所述導波桿與所述壓頭主體的摩擦力。

可選的，在上述聲發(fā)射測試裝置中，所述復位組件包括復位盤、支撐桿、至少一個彈性單元以及至少一個第二隔離墊圈；

所述每個彈性單元的一端均與所述導波桿的第一端固定連接，所述每個彈性單元的另一端均與所述復位盤連接，所述支撐桿的一端與所述復位盤之異于與所述彈性單元連接的一側(cè)連接；

每個第二隔離墊圈均連接于所述復位盤，用于將所述復位盤及所述壓頭主體隔離，以隔離所述彈性單元產(chǎn)生的對所述聲發(fā)射探頭的干擾信號。

為了達到上述目的，本發(fā)明又一方面提出了一種使用上述任一聲發(fā)射測試裝置對一巖石試件進行巖石真三軸試驗的方法，包括：

將巖石試件進行打磨，使其端面不平整度小于第一平整度；

調(diào)試上述任意一項聲發(fā)射測試裝置，使得壓頭主體以及每個聲發(fā)射模塊均能夠與所述巖石試件接觸；

將端面打磨后的巖石試件及聲發(fā)射測試裝置安裝于一巖石真三軸試驗機的真三軸壓力室中，使得所述壓頭主體以及每個聲發(fā)射模塊均與所述巖石試件的端面接觸；

進行巖石試件真三軸試驗。

可選的，在上述巖石真三軸試驗的方法中，調(diào)試所述聲發(fā)射測試裝置的步驟包括：

在每個聲發(fā)射模塊的導波桿的第二端涂抹耦合劑，使所述導波桿的第二端與所述巖石試件接觸面完全接觸；

利用聲發(fā)射模塊中的聲發(fā)射探頭進行聲速測量，獲取所述聲發(fā)射探頭發(fā)射的聲波速。

可選的，在上述巖石真三軸試驗的方法中，將端面打磨后的巖石試件及聲發(fā)射測試裝置安裝于一巖石真三軸試驗機的真三軸壓力室中，使得所述壓頭主體以及每個聲發(fā)射模塊均與所述巖石試件的端面接觸的步驟包括：

將打磨后的巖石試件放在聲發(fā)射測試裝置中的壓頭主體及聲發(fā)射模塊上，使得所述巖石試件的端面與所述聲發(fā)射模塊中的導波桿的第二端完全接觸；

所述聲發(fā)射模塊中的復位盤在聲發(fā)射模塊中的支撐桿及彈性單元的作用下在壓頭主體內(nèi)運動到第一工位；同時，聲發(fā)射模塊中的第一隔離墊圈將所述導波桿與所述壓頭主體隔離，使整個聲發(fā)射模塊處于懸浮狀態(tài)。

可選的，在上述巖石真三軸試驗的方法中，所述進行巖石試件真三軸試驗的步驟包括：

向真三軸壓力室排空充油，檢查儀器系統(tǒng)；

在正式加載前，聲發(fā)射裝置對所述巖石試件施加第一數(shù)值的力，使得聲發(fā)射測試裝置中的壓頭主體及聲發(fā)射模塊與所述巖石試件完全接觸；

數(shù)據(jù)記錄模塊得到加載過程中的應力-應變曲線以及數(shù)據(jù)。

為了達到上述目的，本發(fā)明又一方面提出了一種巖石真三軸試驗機，其特征在于，包括上述任意一項聲發(fā)射測試裝置。

綜上所述，本發(fā)明提出了一種聲發(fā)射測試裝置及使用該裝置對巖石試件進行真三軸試驗的方法。在壓頭主體內(nèi)設置至少一個聲發(fā)射模塊，一方面，多個聲發(fā)射模塊能夠多角度的對巖石試件進行測試，傳輸性能穩(wěn)定，從而使得試驗結(jié)果更加精確；另一方面，所有聲發(fā)射模塊中的聲發(fā)射探頭均設置在壓頭主體內(nèi)，不僅可以有效避免外部無關(guān)信號干擾，大幅提高聲發(fā)射信號的信噪比，還可以避免巖石試件碎塊對其的影響，延長聲發(fā)射探頭的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實施例中的聲發(fā)射測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中的聲發(fā)射測試裝置中的聲發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明一優(yōu)選實施例中的聲發(fā)射模塊在壓頭主體上的分布示意圖；

圖4為本發(fā)明一優(yōu)選實施例中的聲發(fā)射測試裝置對一巖石試件進行巖石真三軸試驗的流程圖；

圖5為本發(fā)明一優(yōu)選實施例中的步驟s2的流程圖；

圖6為本發(fā)明一優(yōu)選實施例中的步驟s3的流程圖；

圖7為本發(fā)明一優(yōu)選實施例中的步驟s4的流程圖。

其中，1-壓頭主體；2-聲發(fā)射模塊；21-導波桿；22-聲發(fā)射探頭；23-引線；24-復位組件；241-復位盤；242-彈性單元；243-第二隔離墊圈；244-支撐桿；25-第一隔離墊圈。

具體實施方式

下面將結(jié)合示意圖對本發(fā)明的具體實施方式進行更詳細的描述。根據(jù)下列描述和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

本發(fā)明提出一種聲發(fā)射測試裝置，用于對一巖石試件進行聲發(fā)射測試，包括壓頭主體1、至少一個聲發(fā)射模塊2以及數(shù)據(jù)記錄模塊。具體的，參考圖1及圖2，本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，每個聲發(fā)射模塊2均包括導波桿21、聲發(fā)射探頭22以及復位組件24；復位組件24包括復位盤241、支撐桿244以及至少一個彈性單元242。

可選的，聲發(fā)射探頭22與數(shù)據(jù)記錄模塊可以但不限于通過有線或無線的方式連接，以將測試數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)記錄模塊，本發(fā)明對此不作任何限制。本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，聲發(fā)射探頭22通過一引線23將測試數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)記錄模塊；彈性單元242可以但不限于為彈簧，本發(fā)明對此不作任何限制。

具體的，導波桿21設于壓頭主體1中，其第二端與巖石試件接觸，第一端與每個彈性單元242連接；每個彈性單元242一端均與導波桿21固定連接，另一端均與復位盤241連接。與聲發(fā)射探頭22連接的引線23通過復位盤241及壓頭主體1中的引線通道與數(shù)據(jù)記錄模塊連接。優(yōu)選地，復位盤241上設一通孔，或復位盤241及支撐桿244設置為c形u形，以保證引線23能夠通過復位盤241及支撐桿244與數(shù)據(jù)記錄模塊連接，本發(fā)明對此不作任何限制。

本實施例中的導波桿21的第一端設有一開口腔體，聲發(fā)射探頭22位于開口腔體中，并與開口腔體的內(nèi)壁連接，以提高聲波傳遞的信噪比；聲發(fā)射探頭22不與壓頭主體1接觸，避免了突發(fā)情況對聲發(fā)射探頭22的影響。同時，所述聲發(fā)射探頭22也不與所述巖石試件接觸。開口腔體的形狀包括但不限于u形、c形或e形；聲發(fā)射探頭22位于u形、c形或e形腔體內(nèi)，可以有效防止在運行過程中巖石碎屑對聲發(fā)射探頭22造成的損傷，一優(yōu)選實施例中的導波桿21的開口腔體為u形結(jié)構(gòu)，本發(fā)明對此不作任何限制。

優(yōu)選地，聲發(fā)射探頭22可通過一耦合材料構(gòu)成的固定件與導波桿21的開口腔體的內(nèi)壁連接，可以提高聲波傳遞的信噪比，同時增加傳遞的穩(wěn)定性；或者在所述聲發(fā)射探頭22與導波桿21的開口腔體的內(nèi)壁的連接處填充耦合劑，以提高聲波傳遞的信噪比，同時增加傳遞的穩(wěn)定性，本發(fā)明對此不作任何限制。

具體的，在使用上述聲發(fā)射測試裝置進行聲發(fā)射測試時，導波桿21的第二端及壓頭主體1均應與巖石試件的端面完全接觸。為保證接觸足夠充分，在測試過程中，首先調(diào)試聲發(fā)射測試裝置，推動支撐桿244，使得導波桿21在彈性單元242的作用下，其與巖石試件接觸的一端略高出壓頭主體1，用力擠壓聲發(fā)射測試裝置時，導波桿21作用于彈性單元242，彈性單元242作用于復位盤241，此時復位盤241的位置為第一工位。

本發(fā)明中的聲發(fā)射模塊2還包括至少一個第一隔離墊圈25，每個第一隔離墊圈25連接于壓頭主體1的內(nèi)壁上，且位于所述壓頭主體1與導波桿21之間，可以將兩者進行隔離，形成懸浮結(jié)構(gòu)。一方面用于隔離壓頭主體1產(chǎn)生的干擾聲發(fā)射探頭22的信號，還用于保證導波桿21與壓頭主體1之間的摩擦力，使其不脫離壓頭主體1。

優(yōu)選地，本發(fā)明中的聲發(fā)射模塊2包括一個第一隔離墊圈25，第一隔離墊圈25為柔性材料高壓墊圈或柔性材料高壓墊塊；在本發(fā)明的又一實施例中，包括多個第一隔離墊圈25，多個隔離墊圈25均連接于壓頭主體1的內(nèi)壁上，且位于所述壓頭主體1與導波桿21之間，用于隔離所述壓頭主體1產(chǎn)生的對聲發(fā)射探頭22的干擾信號?？蛇x的，多個隔離墊圈25可以連接于導波桿21上，同樣位于壓頭主體1與導波桿21之間，隔離所述壓頭主體1產(chǎn)生的對聲發(fā)射探頭22的干擾信號，本發(fā)明對第一隔離墊圈25的數(shù)量、材料、形狀及與連接方式均不作任何限制。

復位盤241可能將壓頭主體1產(chǎn)生的無關(guān)信號通過彈性單元242傳遞給導波桿21，進而對聲發(fā)射信號造成影響，本發(fā)明中的復位組件24還包括至少一個第二隔離墊圈243，用于將復位盤241及壓頭主體1隔離，以隔離所述至少一個彈性單元242及支撐桿244產(chǎn)生的聲發(fā)射探頭22的干擾信號，優(yōu)選地，每個第二隔離墊圈243包括柔性材料墊圈及柔性材料高壓墊塊。在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，包括一個第二隔離墊圈243，復位盤241外圈加工成臺階狀，第二隔離墊圈243為柔性材料墊圈，與復位盤241可拆卸式連接，本發(fā)明對第二隔離墊圈243的數(shù)量、材料、形狀以及其與復位盤241的連接方式均不作任何限制。

在本發(fā)明的又一實施例中，所述復位組件24包括多個第二隔離墊圈243，所述多個隔離墊圈243均勻分布于所述復位盤241的外壁，用于隔離所述至少一個彈性單元242及支撐桿244產(chǎn)生的對聲發(fā)射探頭22的干擾信號。

可選的，在支撐桿244與復位盤241的連接處設一第二隔離墊圈243，結(jié)合復位盤241上的第二隔離墊圈243，可有效隔離所述至少一個彈性單元242及支撐桿244產(chǎn)生的對聲發(fā)射探頭22的干擾信號。

本發(fā)明包括至少一個聲發(fā)射模塊2，如圖3所示，在一優(yōu)選實施例中設有四個聲發(fā)射模塊2，在壓頭主體1與巖石試件接觸面上均勻分布，本發(fā)明對聲發(fā)射模塊2的數(shù)量及分布形式均不作任何限制。

具體的，參考圖4，使用上述任意一種聲發(fā)射測試裝置對一巖石試件進行巖石真三軸試驗的方法包括：

步驟s1：將巖石試件進行打磨，使其端面不平整度小于第一平整度；

步驟s2：調(diào)試聲發(fā)射測試裝置，使得保證壓頭主體1以及每個聲發(fā)射模塊2均能夠與巖石試件接觸；

步驟s3：將端面打磨后的巖石試件及聲發(fā)射測試裝置放在一巖石真三軸試驗機的真三軸壓力室中，使得壓頭主體1以及導波桿21的第二端均與巖石試件的端面接觸；

步驟s4：進行巖石試件真三軸試驗。

具體的，上述步驟s1中的第一平整度包括0～0.07mm，對將巖石試件進行打磨。具體的，所述第一平整度可以為0.02mm、0.05mm或者0.06mm。當然，在本發(fā)明的其他實施例中，所述第一平整度還可以是其他的值，在此不再贅述。

可選的，為確保真三軸試驗中巖石試件不受巖石真三軸試驗機的影響，可使用一熱縮管對巖石試件進行保護。具體的，首先，用長出巖石試件長度一段距離的熱縮管套在巖石試件的外圍，將聲發(fā)射模塊2及壓頭主體1放置在所述巖石試件的端面上，用力擠壓聲發(fā)射測試裝置確保聲發(fā)射模塊2中的聲發(fā)射探頭22和導波桿21與巖石試件的端面接觸緊密，沒有空隙；然后，用熱風槍均勻加熱熱縮管，以保證熱縮管與巖石試件緊密貼合；最后，在熱縮管與壓頭主體1重合部位利用金屬緊箍密封，保證高壓液壓油不會進入到巖石試件內(nèi)部。

具體的，參考圖5，步驟s2包括：

s21：推動支撐桿244，使得導波桿21在彈性單元242的作用下，導波桿21與巖石試件接觸的一端略高出壓頭主體1；在每個導波桿21的第二端涂抹耦合劑，使得其與巖石試件接觸面完全接觸，不會出現(xiàn)空隙。

具體的，在本發(fā)明一實施例中，設有四個聲發(fā)射模塊2，每個所述聲發(fā)射模塊2包括一導波桿，因此，在步驟s21中，有四個導波桿21。

s22：利用聲發(fā)射模塊2中的聲發(fā)射探頭22進行聲速測量，獲取所述聲發(fā)射探頭發(fā)射的聲波速；優(yōu)選的，利用聲發(fā)射探頭22自帶的測量聲波速度軟件進行聲速測量，并根據(jù)測量的波速值設定定位參數(shù)設置中的聲波速，本發(fā)明對此不作任何限制。

可選的，在上述步驟s2中，為了保證試驗的準確性，可提前檢測聲發(fā)射探頭22的接觸質(zhì)量，具體的，首先，對聲發(fā)射探頭22進行波形測試，利用聲發(fā)射探頭22與巖石試件端面接觸的一端探頭發(fā)送波形，另外一端探頭接收波形，根據(jù)通過對比波形衰減情況來判斷聲發(fā)射探頭22的接觸質(zhì)量。

具體的，參考圖6，步驟s3包括：

s31：將打磨后的巖石試件放在聲發(fā)射測試裝置中的壓頭主體1及聲發(fā)射模塊2上，使得所述巖石試件的端面與聲發(fā)射模塊2中的導波桿21的第二端完全接觸。

s32：聲發(fā)射模塊2中的復位盤241在聲發(fā)射模塊1中的支撐桿244及彈性單元242的作用下在壓頭主體1內(nèi)運動到第一工位；同時，第一隔離墊圈25將導波桿21與壓頭主體1隔離，使整個聲發(fā)射模塊2處于懸浮狀態(tài)。

具體的，參考圖7，步驟s4包括：

s41：向真三軸壓力室排空充油，檢查儀器系統(tǒng)是否正常。

s42：在正式加載前，聲發(fā)射裝置對巖石試件施加第一數(shù)值的力，使得聲發(fā)射測試裝置中的壓頭主體1及聲發(fā)射模塊2與巖石試件緊密接觸。

s43：數(shù)據(jù)記錄模塊得到加載過程中的應力-應變曲線以及數(shù)據(jù)。

具體的，在上述步驟s42中，可推動聲發(fā)射裝置，使得導波桿21的第二端對巖石試件施加第一數(shù)值的力，保證導波桿21的第二端及壓頭主體1均與巖石試件緊密接觸；上述第一數(shù)值包括0.01kn～0.2kn，可根據(jù)復位盤241、彈性單元242及支撐桿244的工位進行選擇，本發(fā)明對比不作限制。

可選的，在上述步驟s4中，可根據(jù)不同的實驗條件提前設置加載程序，就可以對不同應力路徑下的加卸載進行試驗。

綜上所述，本發(fā)明提出了一種聲發(fā)射測試裝置及使用該裝置對巖石試件進行真三軸試驗的方法。在壓頭主體內(nèi)設置至少一個聲發(fā)射模塊，一方面，多個聲發(fā)射模塊能夠多角度的對巖石試件進行測試，傳輸性能穩(wěn)定，從而使得試驗結(jié)果更加精確；另一方面，所有聲發(fā)射模塊中的聲發(fā)射探頭均設置在壓頭主體內(nèi)，不僅可以有效避免外部無關(guān)信號干擾，大幅提高聲發(fā)射信號的信噪比，還可以避免巖石試件碎塊對其的影響，延長聲發(fā)射探頭的使用壽命。

上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不對本發(fā)明起到任何限制作用。任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)，對本發(fā)明揭露的技術(shù)方案和技術(shù)內(nèi)容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容，仍屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。