CN104198586B - 轴应力下基于波速的岩石损伤变量的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴应力下基于波速的岩石损伤变量的确定方法，将声发射检测仪的两个探头对称地粘接在岩石动静组合加载实验系统的入射杆和透射杆上，在加载条件下直接测量试样无损伤状态下的超声波波速和试样损伤状态下的超声波波速，再计算得到岩石损伤变量。本发明的测量更加符合实际的结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石损伤变量的确定方法，尤其涉及轴应力下基于波速的岩石损伤变量的确定方法。
背景技术
岩石在循环冲击作用下的损伤特性是岩石动力学和爆破工程中重要的研究课题，只有选取合理的损伤变量，才能得出合理的结论，而利用岩石超声波波速定义损伤变量是通用的方法。通过超声波波速定义的损伤变量的表达式为：
式中：D：损伤变量；：岩石损伤状态下的超声波波速；：岩石无损伤状态下的超声波波速。
目前，通常采用岩石动静组合加载实验系统对岩石试样实施冲击。事先用声波仪测定试样的超声波波速，即初始波速，用于代替岩石在无损伤状态下的超声波波速。每进行完一次冲击后，先卸除载荷，取出试样，然后用声波仪测定试样在损伤状态下的超声波波速，最后代入上述损伤变量的表达式，确定损伤变量。对试样的冲击是在存在轴应力的条件下实施的，因此用卸载后测出的试样损伤状态下的超声波波速去计算损伤变量是有偏差的，应该在加载条件下直接测量试样无损伤状态下的超声波波速和试样损伤状态下的超声波波速，才能获得更加符合实际的结果。
发明内容
针对背景技术中所述技术问题，本发明旨在设计一种保持轴应力的条件下直接测得试样无损伤状态下的超声波波速和试样损伤状态下的超声波波速，从而确定出更符合实际情况的基于波速的岩石损伤变量的方法。
本发明技术方案具体如下：轴应力下基于波速的岩石损伤变量的确定方法：将声发射监测仪的两个探头对称地粘接（可用胶带粘贴）在岩石动静组合加载实验系统的入射杆和透射杆上。试样长度为，左探头至入射杆右端面的距离和右探头至透射杆左端面的距离均为L，声波在入射杆和透射杆内部的传播速度均为V。当入射杆左端受到敲击后，产生的声波会依次被声发射监测仪的左探头和右探头接收，两次接收到声波信号的时间间隔就会在声发射监测仪上显示出来。
测定声波在单个接触面的传播时间：首先，启动轴压系统，按实验要求施加一定的轴向载荷，使入射杆的右端与透射杆的左端紧密贴合，然后，用小锤在入射杆左端轻轻敲击一次，记录声发射监测仪显示的时间间隔，根据公式计算声波在单个接触面的传播时间。
测定试样在无损伤状态下的超声波波速：将试样装夹在入射杆和透射杆之间，施加上述轴向载荷，然后，用小锤在入射杆左端轻轻敲击一次，记录声发射监测仪显示的时间间隔，根据公式：即可计算出试样在无损伤状态下的超声波波速。
测定试样在损伤状态下的超声波波速：保持上述轴向载荷不变，启动汽炮，则纺锤形冲头对入射杆左端实施一次冲击，试样发生一次损伤，然后，用小锤在入射杆左端轻轻敲击一次，记录声发射监测仪显示的时间间隔，根据公式：即可计算出试样在损伤状态下的超声波波速。
确定基于波速的岩石损伤变量D：将上述试样在无损伤状态下的超声波波速和试样在损伤状态下的超声波波速代入公式：，即可确定出损伤变量D。
本发明的有益效果：本发明在加载条件下直接测量试样无损伤状态下的超声波波速和试样损伤状态下的超声波波速，所获结果更加符合实际的；所需材料均容易获得，安装方便，易操作。
附图说明
图1为现有的岩石动静组合加载实验系统示意图；
图2为改进后的岩石动静组合加载实验系统示意图；
图3为测定声波在单个接触面的传播时间的原理图；
图4为测定试样在无损伤状态下的超声波波速的原理图；
图5为测定试样在损伤状态下的超声波波速的原理图；
图中：1.汽炮 2.纺锤形冲头 3.入射杆 4.试样 5.透射杆 6.轴压系统 7.声发射监测仪 8.左探头 9.右探头 10.小锤 11.声波仪。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，现有的岩石动静组合加载实验系统主要包括汽炮1、纺锤形冲头2、轴压系统6、入射杆3和透射杆5。传统的基于波速的岩石损伤变量确定方法为：由于无法在施加轴压的情况下测得试样无损伤状态下的超声波波速，故用敲击的方法，借助声发射监测仪测定试样的初始超声波波速，并用该初始超声波波速代替试样无损伤状态下的超声波波速。然后将试样夹持在入射杆和透射杆之间，启动轴压系统6，按实验要求施加一定的轴向载荷，启动汽炮1，则纺锤形冲头2对岩石试样4实施一次冲击损伤。冲击损伤结束后，先卸载，然后取出试样，用敲击的方法，借助声波仪11测定试样在损伤状态下的超声波波速。将上述测得的试样无损伤状态下的超声波波速和试样损伤状态下的超声波波速带入公式，确定损伤变量D。
从上述传统的基于波速的岩石损伤变量确定方法看出，对试样的冲击是在存在轴应力的条件下实施的，因此用解除轴应力后测出的波速去计算损伤变量是有偏差的，应该在保持轴应力条件下直接测量试样无损伤状态下的超声波波速和试样损伤状态下的超声波波速，再带入上述公式计算损伤变量，才能获得更加符合实际的结果。
如图2所示，轴应力下基于波速的岩石损伤变量的确定方法：将声发射监测仪的两个探头对称地粘接在岩石动静组合加载实验系统的入射杆和透射杆上。试样长度为，左探头至试样左端面的距离和右探头至试样右端面的距离均为L，声波在入射杆和透射杆内部的传播速度均为V。当入射杆左端受到敲击后，产生的声波会依次被声发射监测仪的左探头和右探头接收，两次接收到声波信号的时间间隔就会在声发射监测仪上显示出来。
如图3所示，测定声波在单个接触面的传播时间：首先，启动轴压系统，按试验需求施加一定的轴向载荷，使入射杆的右端与透射杆的左端紧密贴合，左探头至入射杆右端面的距离和右探头至透射杆左端面的距离也均是L，然后，用小锤（或其它工具）在入射杆左端轻轻敲击一次（敲击力度在声发射监测仪检测范围内即可），记录声发射监测仪显示的时间间隔。根据公式计算声波在单个接触面的传播时间。
如图4所示，测定试样在无损伤状态下的超声波波速：将试样装夹在入射杆和透射杆之间，施加上述轴向载荷，然后，用小锤在入射杆左端轻轻敲击一次，记录声发射监测仪显示的时间间隔。根据公式：即可计算出试样在无损伤状态下的超声波波速。
如图5所示，测定试样在损伤状态下的超声波波速：保持上述轴向载荷不变，启动汽炮，则纺锤形冲头对入射杆左端实施一次冲击，试样发生一次损伤，然后，用小锤在入射杆左端轻轻敲击一次，记录声发射监测仪显示的时间间隔。根据公式：即可计算出试样在损伤状态下的超声波波速。
确定基于波速的岩石损伤变量D：将上述试样在无损伤状态下的超声波波速和试样在损伤状态下的超声波波速代入公式：，即可确定出损伤变量D。
以下是本发明方法测量损伤变量的实验，岩石式样长度为均为L’，
表1 实验加载方案
表2 实验结果表
由上表得出：损伤变量与循环冲击次数是正相关的，循环冲击次数越多，损伤量越大，岩石由于产生了损伤，导致波速降低，本方法测得数据是符合岩石受敲击后损伤变量的变化规律。
Claims (1)
1.轴应力下基于波速的岩石损伤变量的确定方法，将声发射监测仪（7）的两个探头对称地粘接在岩石动静组合加载实验系统的入射杆 （3）和透射杆（5）上，试样（4）长度为L’，左探头至入射杆右端面的距离和右探头至透射杆左端面的距离均为L，声波在入射杆和透射杆内部的传播速度均为；
测定声波在单个接触面的传播时间：首先，启动轴压系统（6），按实验要求施加一定的轴向载荷，使入射杆（3）的右端与透射杆（5）的左端紧密贴合，然后，在入射杆（3）左端敲击一次，记录声发射监测仪（7）显示的时间间隔，根据公式计算声波在单个接触面的传播时间；
测定试样在无损伤状态下的超声波波速：将试样(4)装夹在入射杆(3)和透射杆(5)之间，施加与测定时等量的轴向载荷，然后，在入射杆(3)左端敲击一次，记录声发射监测仪（7）显示的时间间隔，根据公式：即可计算出试样在无损伤状态下的超声波波速；
测定试样在损伤状态下的超声波波速：保持上述轴向载荷不变，启动汽炮（1），则纺锤形冲头（2）对入射杆（3）左端实施一次冲击，试样发生一次损伤，然后，在入射杆(3)左端敲击一次，记录声发射监测仪（7）显示的时间间隔，根据公式：即可计算出试样在损伤状态下的超声波波速；
确定基于波速的岩石损伤变量：将上述试样在无损伤状态下的超声波波速和试样在损伤状态下的超声波波速代入公式：，即可确定出损伤变量。
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