單軸壓縮過程中巖樣損傷的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖石力學(xué)室內(nèi)試驗領(lǐng)域，特別涉及單軸壓縮過程中巖樣損傷的監(jiān)測裝 置及監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在巖土工程施工過程中，巖體會受到開挖擾動的影響發(fā)生損傷破壞，具體表現(xiàn)為： 內(nèi)部裂隙不斷萌生、發(fā)展并相互連通，導(dǎo)致其力學(xué)性能衰減并最終喪失承壓能力，這給施工 安全帶來了很大的安全隱患。因此，了解巖石的損傷破壞機(jī)理、判別巖石的損傷程度，進(jìn)而 反映出巖石受力過程中的破壞情況，對巖土工程災(zāi)害的預(yù)防和治理具有十分重要的意義。
[0003] 在巖石力學(xué)室內(nèi)試驗中，許多方法可以用于巖石損傷狀態(tài)的檢測，其中使用較多 的無損檢測方法采用超聲波波速來反映巖石受載過程中的損傷變化情況:首先，采用超聲 波檢測儀測定巖樣的超聲波波速，近似看作巖石在無損傷狀態(tài)下的超聲波波速;然后，在巖 樣加載過程中，用超聲波檢測儀不斷測量巖樣的超聲波波速，即不同損傷狀態(tài)下的波速;最 終，計算出巖樣不同破壞階段的損傷變量，用來反映巖樣的損傷狀態(tài)。這種測量方法操作簡 便，但受到測量方法的限制，往往只能反映巖樣整體的宏觀損傷破壞情況，對局部的細(xì)觀損 傷反映不足；另外，在加載初期，巖樣內(nèi)部以微小裂紋的變化為主，超聲波波速的變化并不 十分明顯，只有當(dāng)加載一定時間以后，微裂紋不斷匯合、貫通，直至形成宏觀破裂，這時超聲 波波速才會發(fā)生較為明顯的改變，由此可見，超聲波波速并不能夠很好的反映巖樣加載初 期的損傷破壞情況。
[0004] 現(xiàn)有研究表明，巖石受壓產(chǎn)生裂隙的同時，常常伴隨有聲發(fā)射和電磁輻射現(xiàn)象。聲 發(fā)射和電磁輻射信號中包含了大量有用信息，與巖石內(nèi)部裂隙的動態(tài)變化密切相關(guān)，而且 是對巖石細(xì)部損傷破壞情況的直接反映。另一方面，聲發(fā)射和電磁輻射對微小破裂事件也 較為敏感，能夠較好的反映巖樣加載初期的損傷破壞情況。
[0005] 綜上所述，采用超聲波波速來反映巖石受載過程中的損傷變化情況具有一定的局 限性，往往只能反映巖樣整體的宏觀損傷破壞情況，對局部的細(xì)觀損傷反映不足，而且不能 很好的反映巖樣加載初期由微裂紋造成的損傷破壞情況;與此相對應(yīng)的是，聲發(fā)射和電磁 輻射信號能夠直接反映巖樣細(xì)部損傷破壞情況，并且對加載初期的微小破裂事件十分敏 感。由此可見，單軸壓縮過程中巖樣超聲波波速、聲發(fā)射和電磁輻射的變化規(guī)律具有很強的 互補性，通過三種測量手段的有效結(jié)合才能夠全面、完整的反映巖樣不同破壞階段的損傷 狀態(tài)。因此，針對在地下工程施工現(xiàn)場取得的巖塊或鉆孔巖芯基礎(chǔ)上加工得到的巖石試樣， 研制一種單軸壓縮過程中巖樣損傷狀態(tài)的聲波、聲發(fā)射和電磁輻射聯(lián)合監(jiān)測裝置及方法具 有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供單軸壓縮過程中巖樣損傷的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，該方法充 分考慮巖樣損傷狀態(tài)的聲波、聲發(fā)射和電磁輻射，通過三種測量手段的有效結(jié)合，從而能夠 全面、完整的反映巖樣不同破壞階段的損傷狀態(tài)。
[0007] 單軸壓縮過程中巖樣損傷的監(jiān)測裝置，包括通過上承壓板和下承壓板承壓待測巖 樣的壓力機(jī)，在上承壓板的下表面和下承壓板的上表面均安裝與超聲波檢測儀連接的承壓 聲波探頭，用于得出基于聲波波速的損傷變量;巖樣的側(cè)面設(shè)有與聲發(fā)射檢測儀連接的聲 發(fā)射探頭，用于得出基于聲發(fā)射振鈴計數(shù)的損傷變量;繞巖樣設(shè)有多圈電磁輻射測量線圈， 線圈的多個匝數(shù)不同位置處的導(dǎo)線分別連接到電磁輻射檢測儀，用于得出基于電磁輻射事 件數(shù)的損傷變量，以上各個探頭與巖樣接觸面之間涂有耦合劑。
[0008] 進(jìn)一步地，所述電磁輻射測量線圈通過懸掛裝置懸掛在巖樣的外側(cè)，電磁輻射測 量線圈包括空心薄壁圓柱體，在空心薄壁圓柱體水平纏繞導(dǎo)線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律， 巖樣破裂過程中產(chǎn)生的電磁輻射會在閉合線圈中引起感應(yīng)電動勢，因此通過測量感應(yīng)電動 勢就可以反映出巖樣破裂過程中的電磁輻射情況。
[0009] 特別的，導(dǎo)線的匝數(shù)會影響線圈所能夠測量的電磁輻射信號的頻帶范圍：導(dǎo)線匝 數(shù)越少，所能夠測量的電磁輻射頻帶范圍越寬、但靈敏度較低，導(dǎo)線匝數(shù)越多，所能夠測量 的電磁輻射頻帶范圍越窄，但相應(yīng)的靈敏度會提高。因此，可以根據(jù)試驗的需要設(shè)計導(dǎo)線的 總匝數(shù)，并在不同匝數(shù)位置處向外引出導(dǎo)線，分別連接在電磁輻射檢測儀的多個通道，實現(xiàn) 不同頻帶范圍電磁輻射信號的同時測量。另外，采用線圈的方式測量，還可以有效地屏蔽周 圍電磁輻射噪音的影響，提高測量的精度。
[0010] 所述超聲波檢測儀可以實時記錄對穿巖樣的聲波波形;所述聲發(fā)射檢測儀能夠?qū)?時獲取巖樣的聲發(fā)射信息;所述電磁輻射檢測儀能夠?qū)崟r測量巖樣的電磁輻射信息。
[0011] 進(jìn)一步地，所述承壓聲波探頭包括承壓聲波發(fā)射探頭和承壓聲波接收探頭，二者 中的一個設(shè)置在巖樣的上端面，另一個設(shè)置在巖樣的下端面。
[0012] 單軸壓縮過程中巖樣損傷的監(jiān)測方法，具體步驟如下：
[0013] 1)選取待測巖石制成巖樣；
[0014] 2)在巖樣的端面安裝與超聲波檢測儀連接的承壓聲波探頭；
[0015] 3)在巖樣的側(cè)面設(shè)置聲發(fā)射探頭并與聲發(fā)射檢測儀相連；
[0016] 4)繞巖樣的外側(cè)懸掛設(shè)置電磁輻射測量線圈，將不同匝數(shù)位置處的導(dǎo)線分別連接 到電磁輻射檢測儀的不同通道處；
[0017] 5)將巖樣置于壓力機(jī)的上下兩承壓板之間，采集巖樣未受壓時的聲波信息；
[0018] 6)壓力機(jī)對巖樣加壓，實時米集巖樣在單軸壓縮過程中聲波、聲發(fā)射和電磁福射 信息；
[0019] 7)通過采集的數(shù)據(jù)分析單軸壓縮過程中巖樣的損傷變量D。
[0020] 進(jìn)一步地，所述步驟5)中巖樣未受壓時的聲波信息為巖樣未受壓時的超聲波波 速。
[0021] 進(jìn)一步地，所述步驟6)中巖樣在單軸壓縮過程中聲波、聲發(fā)射和電磁輻射信息分 別為巖石損傷狀態(tài)下的超聲波波速Vf，巖石損傷破壞過程中某一時刻的累積聲發(fā)射振鈴計 數(shù)Cf，巖樣損傷破壞過程中某一時刻的累積電磁福射事件數(shù)Mf。
[0022] 進(jìn)一步地，所述步驟7)中巖樣的損傷變量D根據(jù)公式(1)計算：
[0023] D= ω iDv+ω 2( ω cDc+ωmDm) (1)
[0024] 其中ω?Ν c〇2、ω(^ΡωΜ分別為基于聲波損傷的、基于聲發(fā)射與電磁福射損傷的、基 于聲發(fā)射損傷和基于電磁輻射損傷的權(quán)重系數(shù)，且ω # ω 2= 1、ω c+ ω M= 1，Dv為基于聲波波 速的損傷變量，DC為基于聲發(fā)射振鈴計數(shù)的損傷變量，Dm為基于電磁輻射事件數(shù)的損傷變 量。
[0025] 進(jìn)一步地，基于聲波波速的損傷變量Dv通過公式(2)計算：
[0026] =1-(-^)2 C2； K
[0027] 其中，Vf表示巖樣損傷狀態(tài)下的超聲波波速，Vo表示巖樣無損傷狀態(tài)下的超聲波檢 測儀檢測的超聲波波速。
[0028]進(jìn)一步地，基于聲發(fā)射振鈴計數(shù)的損傷變量DdS過公式(3)計算：
[0029] D,.rr (3)
[0030]其中，Cf表不巖樣損傷破壞過程中聲發(fā)射檢測儀檢測到巖樣某一時刻的累積聲發(fā) 射振鈴計數(shù)，Cd表示巖樣完全破壞狀態(tài)下聲發(fā)射檢測儀檢測到巖樣的累積聲發(fā)射振鈴計 數(shù)。
[0031 ]進(jìn)一步地，基于電磁福射事件數(shù)的損傷變量Dm通過公式(4)計算： Μ,
[0032] DVt = (4) 1Y1 j
[0033] 其中，Mf表不巖樣損傷破壞過程中電磁福射檢測儀檢測到巖樣某一時刻的累積電 磁輻射事件數(shù)，Md表示巖樣完全破壞狀態(tài)下電磁輻射檢測儀檢測到巖樣的累積電磁輻射事 件數(shù)。
[0034] 進(jìn)一步地，在巖樣壓縮過程的壓密階段、彈性變形階段和塑性變形階段初期，基于 聲發(fā)射與電磁福射損傷的權(quán)重系數(shù)ω 2取值大于基于聲波損傷的權(quán)重系數(shù)ω :取值，在塑性 變形階段后期、破裂階段和殘余變形階段，基于聲發(fā)射與電磁輻射損傷的權(quán)重系數(shù)ω2取值 小于基于聲波損傷的權(quán)重系數(shù)ω 1取值。
[0035] 例如，巖樣單軸壓縮過程一般可以分為壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段、 破裂階段以及殘余變形階段。在壓密階段、彈性變形階段和塑性變形階段初期，巖樣的損傷 破壞主要是由局部微觀裂隙的變化造成的，因此在這一階段，聲發(fā)射和電磁輻射信號對巖 樣損傷破壞情況的反映更為敏感，相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)《 2可以適當(dāng)取較大的值;在塑性變形階 段后期、破裂階段以及殘余變形階段，巖樣內(nèi)部裂隙大量發(fā)育并且相互貫通，最終聯(lián)合形成 宏觀裂隙，這一階段巖樣以宏觀損傷破壞為主，聲波波速會有更為明顯的反映，相應(yīng)的權(quán)重 系數(shù)ω:可以適當(dāng)取較大的值。特別的，聲發(fā)射和電磁輻射信息是對巖樣內(nèi)部同一破裂事件 不同角度的直接反映，因此在ω ωΜ的取值上需要根據(jù)具體試驗情況，按照不同加載階段 聲發(fā)射和電磁輻射響應(yīng)特征的不同，靈活選取合適的數(shù)值。
[0036]本發(fā)明的有益效果是：
[0037] (1)本發(fā)明實現(xiàn)了巖樣單軸壓縮試驗過程中聲波、聲發(fā)射、電磁輻射信息的聯(lián)合實 時監(jiān)測，以這三種測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別定義了不同的損傷變量表達(dá)形式，在充分考慮單軸 壓縮過程中巖樣聲波波速、聲發(fā)射和電磁輻射變化規(guī)律互補性的基礎(chǔ)上，提出一個更加合 理的綜合損傷變量來全面、完整的反映巖樣不同破壞階段的損傷狀態(tài)。
[0038] (2)本發(fā)明提出了一種電磁輻射測量線圈來實現(xiàn)電磁輻射信息的實時測量，與傳 統(tǒng)的電磁測量探頭相比，電磁輻射測量線圈制作簡單方便，而且能夠有效屏蔽周圍電磁輻 射噪音的干擾，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確;通過改變導(dǎo)線的總匝數(shù)，并在不同匝數(shù)位置處向外引 出導(dǎo)線，分別連接在電磁輻射檢測儀的多個通道，能夠快速方便的實現(xiàn)不同頻帶范圍電磁 輻射信號的同時測量，提高了測量效率。
【附圖說明】
[0039] 圖1是一種單軸壓縮過程中巖樣損傷狀態(tài)的聲波