CN102519784A - 一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，具体操作：在岩样的中部某横截面上两条相互垂直的直径两端各布置一对纵波探头，在岩样加载过程中，以很短的时间间隔（如1～3s）分别连续地测试岩样两条相互垂直的直径间岩石声波速度，直至岩样破坏；试验完成后整理岩样两条相互垂直径向的声波纵波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向纵波速度显著降低的轴向应力即为该种岩石的共轭损伤强度。进行两条相互垂直的直径上岩样的纵波速度测试是为了消除由于岩样轴向加载时所产生的轴向裂纹的方位导致的误差，提高判定的精度。

Description

一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法

技术领域

本发明涉及一种判定岩石共轭损伤强度的方法，尤其是涉及一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法。

背景技术

随着水电开发的进一步深入及矿产资源开采深度的进一步增加，深部高应力导致的隧洞或采矿巷道围岩的应力型破坏现象越来越普遍和严重，常诱发重大工程地质灾害。为了评价深埋硬岩及中硬岩（如玄武岩、花岗岩、大理岩等）地下工程中岩体开挖损伤区的大小及控制围岩的动力开挖响应（如岩爆、片帮破坏等），需要了解硬岩在高应力作用下的破裂特性。经过40余年的努力，特别是20世纪90年代以后为满足在脆性岩体地区修建地下核废料处理站的需要而开展的研究工作、以及测试技术的发展和应用，人们对脆性岩体的破坏机理和强度特征有了新的认识：在单轴加载的过程中，岩样弹性阶段到裂纹稳定扩展阶段过渡的临界强度称为岩石的起裂强度（σci，大约为40%的岩石单轴抗压强度），裂纹稳定扩展阶段到加速扩展阶段过渡的临界强度称为岩石的共轭损伤强度（或称裂纹非稳定扩展强度，σcd，大约为80%的岩石单轴抗压强度）。

目前，对岩样起裂强度和共轭损伤强度通常采用声发射测试来确定，通过匹配岩样加载全过程的声发射监测获得不同加载阶段对应的声发射事件数或声发射频率来判读这两个强度指标。但开展岩样的声发射监测需要全套的声发射监测设备，较为昂贵，而且声发射监测技术对加载试验机的要求很高，需要平稳的加载，而且加载在设备的本身震动（如高压油缸活塞往复）和噪声等都需要进行严格的控制，否则很难区别背景噪声信号和岩样受载所产生的真正声发射信号，因此对这两个指标的确定和判断存在一定的误差，而岩石的共轭损伤强度的判读误差尤为显著。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种所需的设备简单，而且对测试条件要求不高的一种采用超声波判定岩石损伤强度的方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种采用超声波判定岩石损伤强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在岩样的中部某横截面上两条相互垂直的直径两端各固定一对纵波探头，即第一纵波发射探头、第一纵波接收探头、第二纵波发射探头以及第二纵波接收探头；

步骤2，对岩样进行压力加载，并在加载过程中，以时间间隔T通过步骤1所固定的纵波探头分别连续地测试岩样两条相互垂直的直径间岩石声波速度，直至岩样破坏；

步骤3，整理步骤2完成后的岩样两条相互垂直径向的声波纵波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向纵波速度显著降低的轴向应力即为该种岩石的共轭损伤强度。

本发明所采用的技术方案是：根据均质岩样单轴加载大多出现劈裂和剪切破坏的事实，可以判断均质岩样在单轴加载的过程中轴向裂纹优先扩展，最后贯通。因此，在岩样的中部某横截面上两条相互垂直的直径两端各布置一对纵波探头（包括发射和接收探头），在岩样加载过程中，以很短的时间间隔（如1～3s）分别连续地测试岩样两条相互垂直的直径间岩石声波速度，直至岩样破坏；试验完成后整理岩样两条相互垂直径向的声波纵波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向纵波速度显著降低的轴向应力即为该种岩石的共轭损伤强度。进行两条相互垂直的直径上岩样的纵波速度测试是为了消除由于岩样轴向加载时所产生的轴向裂纹的方位导致的误差，提高判定的精度。

在上述的一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，所述的步骤2中，具体操作步骤如下：

步骤2.1，在某一时刻t1启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt1到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt1即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v1，记录下t1、Δt1和v1；

步骤2.2，关闭控制第一纵波发射探头、第一纵波接收探头的声波仪，在某一时刻t2启动声波测试仪的测试按钮，第二纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt2到达第二纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt2即得到这一时刻岩样第二纵波发射探头、第二纵波接收探头岩石的纵波速度v2，记录下t2、Δt2和v2；

步骤2.3，以时间间隔T重复步骤2.1至步骤2.2直至岩样破坏，获取到两条岩样的轴向荷载与纵波速度间的关系曲线，曲线上声波纵波速度大幅降低点所对应的荷载即为岩样的共轭损伤强度。

一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，包括以下步骤：

步骤1，在岩样的中部某纵截面上一条直径两端各固定一对纵波探头，即第一横波发射探头、第一横波接收探头；

步骤2，对岩样进行压力加载，并在加载过程中，以时间间隔T通过步骤1所固定的横波探头分别连续地测试岩样直径岩石声波速度，直至岩样破坏；

步骤3，整理步骤2完成后的岩样一条径向的声波横波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向横波速度显著降低的轴向应力即为该种岩石的共轭损伤强度。

在上述的一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，所述的步骤2中，具体操作步骤如下：

步骤2.1，在某一时刻t1启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt1到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt1即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v1，记录下t1、Δt1和v1；

步骤2.3，以时间间隔T重复步骤2.1直至岩样破坏，获取到一条岩样的轴向荷载与横波速度间的关系曲线，曲线上声波横波速度大幅降低点所对应的荷载即为岩样的共轭损伤强度。

一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在岩样的中部某横截面上两条相互垂直的直径两端各固定一对纵波探头，即第一纵波发射探头、第一纵波接收探头、第二纵波发射探头以及第二纵波接收探头；在岩样的中部某纵截面上一条直径两端各固定一对纵波探头，即第一横波发射探头、第一横波接收探头；

步骤2，对岩样进行压力加载，并在加载过程中，以时间间隔T通过步骤1所固定的纵波探头和横波探头分别连续地测试岩样两条相互垂直的直径之间以及一条纵向直径的岩石声波速度，直至岩样破坏；

步骤3，整理步骤2完成后的岩样两条相互垂直径向的声波纵波速度以及一条径向的声波横波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向纵波速度显著降低的轴向应力和对应径向横波速度显著降低的轴向应力同为该种岩石的共轭损伤强度。

在上述的一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体操作步骤如下：

步骤2.1，在某一时刻t1启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt1到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt1即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v1，记录下t1、Δt1和v1；

步骤2.2，关闭控制第一纵波发射探头、第一纵波接收探头的声波仪，在某一时刻t2启动声波测试仪的测试按钮，第二纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt2到达第二纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt2即得到这一时刻岩样第二纵波发射探头、第二纵波接收探头岩石的纵波速度v2，记录下t2、Δt2和v2；

步骤2.3，在某一时刻t3启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt3到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt3即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v3，记录下t3、Δt3和v3；

步骤2.4，以时间间隔T重复步骤2.1至步骤2.3直至岩样破坏，获取到一条岩样的轴向荷载与横波速度间的关系曲线，两条岩样的轴向荷载与纵波速度间的关系曲线，曲线上声波纵波速度大幅降低点所对应的荷载和曲线上声波横波速度大幅降低点所对应的荷载同为岩样的共轭损伤强度。

因此，本发明具有如下优点：所需的设备简单，而且对测试条件要求不高（环境噪声、试验机振动等的影响均不大）。

附图说明

附图1是本发明的实施例1的结构原理示意图；

附图2是本发明的实施例2的结构原理示意图；

附图3是本发明的实施例3的结构原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，包括以下步骤：

步骤1，在岩样的中部某横截面上两条相互垂直的直径两端各固定一对纵波探头，即第一纵波发射探头、第一纵波接收探头、第二纵波发射探头以及第二纵波接收探头；

步骤2，对岩样进行压力加载，并在加载过程中，以时间间隔T通过步骤1所固定的纵波探头分别连续地测试岩样两条相互垂直的直径间岩石声波速度，直至岩样破坏；这里，T取1～3s，步骤2的具体操作步骤如下：

步骤2.1，在某一时刻t1启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt1到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt1即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v1，记录下t1、Δt1和v1；

步骤2.2，关闭控制第一纵波发射探头、第一纵波接收探头的声波仪，在某一时刻t2启动声波测试仪的测试按钮，第二纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt2到达第二纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt2即得到这一时刻岩样第二纵波发射探头、第二纵波接收探头岩石的纵波速度v2，记录下t2、Δt2和v2；

步骤2.3，以时间间隔T重复步骤2.1至步骤2.2直至岩样破坏，获取到两条岩样的轴向荷载与纵波速度间的关系曲线，曲线上声波纵波速度大幅降低点所对应的荷载即为岩样的共轭损伤强度。

步骤3，整理步骤2完成后的岩样两条相互垂直径向的声波纵波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向纵波速度显著降低的轴向应力即为该种岩石的共轭损伤强度。

纵波测试过程可采用人工记录，也可采用声波仪的自动记录功能进行自动判读和记录。若采用后者，则测试完后需要人工逐一检查声波测试数据，防止出现误读。

实施例2：

一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，包括以下步骤：

步骤1，在岩样的中部某纵截面上一条直径两端各固定一对纵波探头，即第一横波发射探头、第一横波接收探头；

步骤2，对岩样进行压力加载，并在加载过程中，以时间间隔T通过步骤1所固定的横波探头分别连续地测试岩样直径岩石声波速度，直至岩样破坏；这里，T取1～3s，具体操作步骤如下：

步骤2.1，在某一时刻t1启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt1到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt1即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v1，记录下t1、Δt1和v1；

步骤2.3，以时间间隔T重复步骤2.1直至岩样破坏，获取到一条岩样的轴向荷载与横波速度间的关系曲线，曲线上声波横波速度大幅降低点所对应的荷载即为岩样的共轭损伤强度。

步骤3，整理步骤2完成后的岩样一条径向的声波横波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向横波速度显著降低的轴向应力即为该种岩石的共轭损伤强度。

实施例3：

一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，包括以下步骤：

步骤1，在岩样的中部某横截面上两条相互垂直的直径两端各固定一对纵波探头，即第一纵波发射探头、第一纵波接收探头、第二纵波发射探头以及第二纵波接收探头；在岩样的中部某纵截面上一条直径两端各固定一对纵波探头，即第一横波发射探头、第一横波接收探头；

步骤2，对岩样进行压力加载，并在加载过程中，以时间间隔T通过步骤1所固定的纵波探头和横波探头分别连续地测试岩样两条相互垂直的直径之间以及一条纵向直径的岩石声波速度，直至岩样破坏；这里，T取1～3s，具体操作步骤如下：

步骤2.1，在某一时刻t1启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt1到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt1即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v1，记录下t1、Δt1和v1；

步骤2.2，关闭控制第一纵波发射探头、第一纵波接收探头的声波仪，在某一时刻t2启动声波测试仪的测试按钮，第二纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt2到达第二纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt2即得到这一时刻岩样第二纵波发射探头、第二纵波接收探头岩石的纵波速度v2，记录下t2、Δt2和v2；

步骤2.3，在某一时刻t3启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt3到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt3即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v3，记录下t3、Δt3和v3；

步骤2.4，以时间间隔T重复步骤2.1至步骤2.3直至岩样破坏，获取到一条岩样的轴向荷载与横波速度间的关系曲线，两条岩样的轴向荷载与纵波速度间的关系曲线，曲线上声波纵波速度大幅降低点所对应的荷载和曲线上声波横波速度大幅降低点所对应的荷载同为岩样的共轭损伤强度。

步骤3，整理步骤2完成后的岩样两条相互垂直径向的声波纵波速度以及一条径向的声波横波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向纵波速度显著降低的轴向应力和对应径向横波速度显著降低的轴向应力同为该种岩石的共轭损伤强度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1. 一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在岩样的中部某横截面上两条相互垂直的直径两端各固定一对纵波探头，即第一纵波发射探头、第一纵波接收探头、第二纵波发射探头以及第二纵波接收探头；

步骤2，对岩样进行压力加载，并在加载过程中，以时间间隔T通过步骤1所固定的纵波探头分别连续地测试岩样两条相互垂直的直径间岩石声波速度，直至岩样破坏；

步骤3，整理步骤2完成后的岩样两条相互垂直径向的声波纵波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向纵波速度显著降低的轴向应力即为该种岩石的共轭损伤强度。

2. 根据权利要求1所述的一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体操作步骤如下：

步骤2.1，在某一时刻t1启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt1到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt1即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v1，记录下t1、Δt1和v1；

步骤2.2，关闭控制第一纵波发射探头、第一纵波接收探头的声波仪，在某一时刻t2启动声波测试仪的测试按钮，第二纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt2到达第二纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt2即得到这一时刻岩样第二纵波发射探头、第二纵波接收探头岩石的纵波速度v2，记录下t2、Δt2和v2；

步骤2.3，以时间间隔T重复步骤2.1至步骤2.2直至岩样破坏，获取到两条岩样的轴向荷载与纵波速度间的关系曲线，曲线上声波纵波速度大幅降低点所对应的荷载即为岩样的共轭损伤强度。

3. 一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在岩样的中部某纵截面上一条直径两端各固定一对纵波探头，即第一横波发射探头、第一横波接收探头；

步骤2，对岩样进行压力加载，并在加载过程中，以时间间隔T通过步骤1所固定的横波探头分别连续地测试岩样直径岩石声波速度，直至岩样破坏；

步骤3，整理步骤2完成后的岩样一条径向的声波横波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向横波速度显著降低的轴向应力即为该种岩石的共轭损伤强度。

4. 根据权利要求3所述的一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体操作步骤如下：

步骤2.1，在某一时刻t1启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt1到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt1即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v1，记录下t1、Δt1和v1；

步骤2.3，以时间间隔T重复步骤2.1直至岩样破坏，获取到一条岩样的轴向荷载与横波速度间的关系曲线，曲线上声波横波速度大幅降低点所对应的荷载即为岩样的共轭损伤强度。

5. 一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在岩样的中部某横截面上两条相互垂直的直径两端各固定一对纵波探头，即第一纵波发射探头、第一纵波接收探头、第二纵波发射探头以及第二纵波接收探头；在岩样的中部某纵截面上一条直径两端各固定一对纵波探头，即第一横波发射探头、第一横波接收探头；

步骤2，对岩样进行压力加载，并在加载过程中，以时间间隔T通过步骤1所固定的纵波探头和横波探头分别连续地测试岩样两条相互垂直的直径之间以及一条纵向直径的岩石声波速度，直至岩样破坏；

步骤3，整理步骤2完成后的岩样两条相互垂直径向的声波纵波速度以及一条径向的声波横波速度随岩样轴向应力的变化过程，对应径向纵波速度显著降低的轴向应力和对应径向横波速度显著降低的轴向应力同为该种岩石的共轭损伤强度。

6. 根据权利要求5所述的一种采用超声波判定岩石共轭损伤强度的方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体操作步骤如下：

步骤2.1，在某一时刻t1启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt1到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt1即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v1，记录下t1、Δt1和v1；

步骤2.2，关闭控制第一纵波发射探头、第一纵波接收探头的声波仪，在某一时刻t2启动声波测试仪的测试按钮，第二纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt2到达第二纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt2即得到这一时刻岩样第二纵波发射探头、第二纵波接收探头岩石的纵波速度v2，记录下t2、Δt2和v2；

步骤2.3，在某一时刻t3启动声波测试仪的测试按钮，第一纵波发射探头发射超声波，经过时间Δt3到达第一纵波接收探头，用岩样的直径d除以Δt3即得到这一时刻岩样第一纵波发射探头、第一纵波接收探头岩石的纵波速度v3，记录下t3、Δt3和v3；

步骤2.4，以时间间隔T重复步骤2.1至步骤2.3直至岩样破坏，获取到一条岩样的轴向荷载与横波速度间的关系曲线，两条岩样的轴向荷载与纵波速度间的关系曲线，曲线上声波纵波速度大幅降低点所对应的荷载和曲线上声波横波速度大幅降低点所对应的荷载同为岩样的共轭损伤强度。

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