CN105547825A - 单轴压缩过程中岩样损伤的监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单轴压缩过程中岩样损伤的监测装置及监测方法，实现了岩样单轴压缩试验过程中声波、声发射、电磁辐射信息的联合实时监测，以这三种测量数据为基础，分别定义了不同的损伤变量表达形式，在充分考虑单轴压缩过程中岩样声波波速、声发射和电磁辐射变化规律互补性的基础上，提出一个更加合理的综合损伤变量来全面、完整的反映岩样不同破坏阶段的损伤状态；与传统的电磁测量探头相比，电磁辐射测量线圈制作简单方便，而且能够有效屏蔽周围电磁辐射噪音的干扰，使测量结果更加准确；通过改变导线的总匝数，并在不同匝数位置处向外引出导线，分别连接在电磁辐射检测仪的多个通道，能够快速方便的实现不同频带范围电磁辐射信号的同时测量。

Description

单轴压缩过程中岩样损伤的监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于岩石力学室内试验领域，特别涉及单轴压缩过程中岩样损伤的监测装置及监测方法。

背景技术

在岩土工程施工过程中，岩体会受到开挖扰动的影响发生损伤破坏，具体表现为：内部裂隙不断萌生、发展并相互连通，导致其力学性能衰减并最终丧失承压能力，这给施工安全带来了很大的安全隐患。因此，了解岩石的损伤破坏机理、判别岩石的损伤程度，进而反映出岩石受力过程中的破坏情况，对岩土工程灾害的预防和治理具有十分重要的意义。

在岩石力学室内试验中，许多方法可以用于岩石损伤状态的检测，其中使用较多的无损检测方法采用超声波波速来反映岩石受载过程中的损伤变化情况：首先，采用超声波检测仪测定岩样的超声波波速，近似看作岩石在无损伤状态下的超声波波速；然后，在岩样加载过程中，用超声波检测仪不断测量岩样的超声波波速，即不同损伤状态下的波速；最终，计算出岩样不同破坏阶段的损伤变量，用来反映岩样的损伤状态。这种测量方法操作简便，但受到测量方法的限制，往往只能反映岩样整体的宏观损伤破坏情况，对局部的细观损伤反映不足；另外，在加载初期，岩样内部以微小裂纹的变化为主，超声波波速的变化并不十分明显，只有当加载一定时间以后，微裂纹不断汇合、贯通，直至形成宏观破裂，这时超声波波速才会发生较为明显的改变，由此可见，超声波波速并不能够很好的反映岩样加载初期的损伤破坏情况。

现有研究表明，岩石受压产生裂隙的同时，常常伴随有声发射和电磁辐射现象。声发射和电磁辐射信号中包含了大量有用信息，与岩石内部裂隙的动态变化密切相关，而且是对岩石细部损伤破坏情况的直接反映。另一方面，声发射和电磁辐射对微小破裂事件也较为敏感，能够较好的反映岩样加载初期的损伤破坏情况。

综上所述，采用超声波波速来反映岩石受载过程中的损伤变化情况具有一定的局限性，往往只能反映岩样整体的宏观损伤破坏情况，对局部的细观损伤反映不足，而且不能很好的反映岩样加载初期由微裂纹造成的损伤破坏情况；与此相对应的是，声发射和电磁辐射信号能够直接反映岩样细部损伤破坏情况，并且对加载初期的微小破裂事件十分敏感。由此可见，单轴压缩过程中岩样超声波波速、声发射和电磁辐射的变化规律具有很强的互补性，通过三种测量手段的有效结合才能够全面、完整的反映岩样不同破坏阶段的损伤状态。因此，针对在地下工程施工现场取得的岩块或钻孔岩芯基础上加工得到的岩石试样，研制一种单轴压缩过程中岩样损伤状态的声波、声发射和电磁辐射联合监测装置及方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供单轴压缩过程中岩样损伤的监测装置及监测方法，该方法充分考虑岩样损伤状态的声波、声发射和电磁辐射，通过三种测量手段的有效结合，从而能够全面、完整的反映岩样不同破坏阶段的损伤状态。

单轴压缩过程中岩样损伤的监测装置，包括通过上承压板和下承压板承压待测岩样的压力机，在上承压板的下表面和下承压板的上表面均安装与超声波检测仪连接的承压声波探头，用于得出基于声波波速的损伤变量；岩样的侧面设有与声发射检测仪连接的声发射探头，用于得出基于声发射振铃计数的损伤变量；绕岩样设有多圈电磁辐射测量线圈，线圈的多个匝数不同位置处的导线分别连接到电磁辐射检测仪，用于得出基于电磁辐射事件数的损伤变量，以上各个探头与岩样接触面之间涂有耦合剂。

进一步地，所述电磁辐射测量线圈通过悬挂装置悬挂在岩样的外侧，电磁辐射测量线圈包括空心薄壁圆柱体，在空心薄壁圆柱体水平缠绕导线，根据法拉第电磁感应定律，岩样破裂过程中产生的电磁辐射会在闭合线圈中引起感应电动势，因此通过测量感应电动势就可以反映出岩样破裂过程中的电磁辐射情况。

特别的，导线的匝数会影响线圈所能够测量的电磁辐射信号的频带范围：导线匝数越少，所能够测量的电磁辐射频带范围越宽、但灵敏度较低，导线匝数越多，所能够测量的电磁辐射频带范围越窄，但相应的灵敏度会提高。因此，可以根据试验的需要设计导线的总匝数，并在不同匝数位置处向外引出导线，分别连接在电磁辐射检测仪的多个通道，实现不同频带范围电磁辐射信号的同时测量。另外，采用线圈的方式测量，还可以有效地屏蔽周围电磁辐射噪音的影响，提高测量的精度。

所述超声波检测仪可以实时记录对穿岩样的声波波形；所述声发射检测仪能够实时获取岩样的声发射信息；所述电磁辐射检测仪能够实时测量岩样的电磁辐射信息。

进一步地，所述承压声波探头包括承压声波发射探头和承压声波接收探头，二者中的一个设置在岩样的上端面，另一个设置在岩样的下端面。

单轴压缩过程中岩样损伤的监测方法，具体步骤如下：

1)选取待测岩石制成岩样；

2)在岩样的端面安装与超声波检测仪连接的承压声波探头；

3)在岩样的侧面设置声发射探头并与声发射检测仪相连；

4)绕岩样的外侧悬挂设置电磁辐射测量线圈，将不同匝数位置处的导线分别连接到电磁辐射检测仪的不同通道处；

5)将岩样置于压力机的上下两承压板之间，采集岩样未受压时的声波信息；

6)压力机对岩样加压，实时采集岩样在单轴压缩过程中声波、声发射和电磁辐射信息；

7)通过采集的数据分析单轴压缩过程中岩样的损伤变量D。

进一步地，所述步骤5)中岩样未受压时的声波信息为岩样未受压时的超声波波速。

进一步地，所述步骤6)中岩样在单轴压缩过程中声波、声发射和电磁辐射信息分别为岩石损伤状态下的超声波波速V_f，岩石损伤破坏过程中某一时刻的累积声发射振铃计数C_f，岩样损伤破坏过程中某一时刻的累积电磁辐射事件数M_f。

进一步地，所述步骤7)中岩样的损伤变量D根据公式(1)计算：

D＝ω₁D_V+ω₂(ω_CD_C+ω_MD_M)(1)

其中ω₁、ω₂、ω_C和ω_M分别为基于声波损伤的、基于声发射与电磁辐射损伤的、基于声发射损伤和基于电磁辐射损伤的权重系数，且ω₁+ω₂＝1、ω_C+ω_M＝1，D_V为基于声波波速的损伤变量，D_C为基于声发射振铃计数的损伤变量，D_M为基于电磁辐射事件数的损伤变量。

进一步地，基于声波波速的损伤变量D_V通过公式(2)计算：

$D_V=1-{\left(\frac{V_f}{V_0}\right)}^2---\left(2\right)$

其中，V_f表示岩样损伤状态下的超声波波速，V₀表示岩样无损伤状态下的超声波检测仪检测的超声波波速。

进一步地，基于声发射振铃计数的损伤变量D_C通过公式(3)计算：

$D_C=\frac{C_f}{C_d}---\left(3\right)$

其中，C_f表示岩样损伤破坏过程中声发射检测仪检测到岩样某一时刻的累积声发射振铃计数，C_d表示岩样完全破坏状态下声发射检测仪检测到岩样的累积声发射振铃计数。

进一步地，基于电磁辐射事件数的损伤变量D_M通过公式(4)计算：

$D_M=\frac{M_f}{M_d}---\left(4\right)$

其中，M_f表示岩样损伤破坏过程中电磁辐射检测仪检测到岩样某一时刻的累积电磁辐射事件数，M_d表示岩样完全破坏状态下电磁辐射检测仪检测到岩样的累积电磁辐射事件数。

进一步地，在岩样压缩过程的压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段初期，基于声发射与电磁辐射损伤的权重系数ω₂取值大于基于声波损伤的权重系数ω₁取值，在塑性变形阶段后期、破裂阶段和残余变形阶段，基于声发射与电磁辐射损伤的权重系数ω₂取值小于基于声波损伤的权重系数ω₁取值。

例如，岩样单轴压缩过程一般可以分为压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、破裂阶段以及残余变形阶段。在压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段初期，岩样的损伤破坏主要是由局部微观裂隙的变化造成的，因此在这一阶段，声发射和电磁辐射信号对岩样损伤破坏情况的反映更为敏感，相应的权重系数ω₂可以适当取较大的值；在塑性变形阶段后期、破裂阶段以及残余变形阶段，岩样内部裂隙大量发育并且相互贯通，最终联合形成宏观裂隙，这一阶段岩样以宏观损伤破坏为主，声波波速会有更为明显的反映，相应的权重系数ω₁可以适当取较大的值。特别的，声发射和电磁辐射信息是对岩样内部同一破裂事件不同角度的直接反映，因此在ω_C和ω_M的取值上需要根据具体试验情况，按照不同加载阶段声发射和电磁辐射响应特征的不同，灵活选取合适的数值。

本发明的有益效果是：

(1)本发明实现了岩样单轴压缩试验过程中声波、声发射、电磁辐射信息的联合实时监测，以这三种测量数据为基础，分别定义了不同的损伤变量表达形式，在充分考虑单轴压缩过程中岩样声波波速、声发射和电磁辐射变化规律互补性的基础上，提出一个更加合理的综合损伤变量来全面、完整的反映岩样不同破坏阶段的损伤状态。

(2)本发明提出了一种电磁辐射测量线圈来实现电磁辐射信息的实时测量，与传统的电磁测量探头相比，电磁辐射测量线圈制作简单方便，而且能够有效屏蔽周围电磁辐射噪音的干扰，使测量结果更加准确；通过改变导线的总匝数，并在不同匝数位置处向外引出导线，分别连接在电磁辐射检测仪的多个通道，能够快速方便的实现不同频带范围电磁辐射信号的同时测量，提高了测量效率。

附图说明

图1是一种单轴压缩过程中岩样损伤状态的声波、声发射和电磁辐射联合监测装置示意图；

图2是电磁辐射测试装置示意图；

图3是一种单轴压缩过程中岩样损伤状态的声波、声发射和电磁辐射联合监测装置及方法的流程示意图。

其中：1.岩石压力试验机上承压板，2.承压声波发射探头，3.岩样，4.电磁辐射测量线圈，5.承压声波接收探头，6.岩石压力试验机下承压板，7.声发射探头，8.超声波检测仪，9.电磁辐射检测仪，10.声发射检测仪，11.胶布，12.空心薄壁圆柱体，13.导线，14.电缆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，为本发明实施例所述一种单轴压缩过程中岩样损伤状态的声波、声发射和电磁辐射联合监测装置示意图，主要包括：声波测试装置、声发射测试装置、电磁辐射测试装置；所述声波测试装置包括承压声波发射探头2、承压声波接收探头5、超声波检测仪8；所述声发射测试装置包括多个声发射探头7和声发射检测仪10；所述电磁辐射测试装置包括电磁辐射测量线圈4、电磁辐射检测仪9。如图3所示，本发明提供的声波、声发射和电磁辐射联合监测方法主要包括以下步骤：

(1)制作岩样：选取待测岩石，加工得到常规的圆柱体标准岩石试样3，尺寸为Ф50mm×100mm，符合《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》的要求；

(2)声发射探头7的安装及连接：根据试验需要，在岩样侧面相应位置安放声发射探头7，声发射探头7和岩样侧面之间涂抹耦合剂，通过电缆14将声发射探头7与声发射检测仪10相连。

(3)承压声波探头的安装及连接：承压声波发射探头2放置在岩样3上端面和压力机上承压板1之间，承压声波接收探头5放置在岩样3下端面与压力机下承压板6之间，并在承压声波探头和岩样上下端面之间涂抹耦合剂，通过电缆14将承压声波探头与超声波检测仪8相连。

(4)电磁辐射测量线圈4的安装及连接：如图1和图2所示，首先，根据试验的需要设计导线13的总匝数，将导线13缠绕在空心薄壁圆柱体12外表面，并在不同匝数位置处向外引出导线13，组成电磁辐射测量线圈4；然后，将电磁辐射测量线圈4套在岩样外面，用胶布11将电磁辐射测量线圈4固定在压力机上下承压板，使其处于悬挂状态，并能够保持稳定、不会轻易晃动；最后，将不同匝数位置处的导线13分别连接到电磁辐射检测仪9的不同通道。

(5)岩样无损伤状态下的波速测量：开始单轴压缩试验之前，先用超声波检测仪8测量岩样此时的超声波波速，近似看作岩样在无损伤状态下的超声波波速V₀。

(6)岩样单轴压缩过程中声波、声发射和电磁辐射联合监测：启动刚性伺服压力机，采用较低的加载速率对岩样3进行加压，同时开启超声波检测仪8、声发射检测仪10和电磁辐射检测仪9，实时采集岩样单轴压缩全过程中的声波、声发射和电磁辐射信息。

(7)数据的处理分析：试验完成后将声波、声发射和电磁辐射分别导出，开始进行数据处理，并通过定义损伤变量这一参数来反映岩样单轴压缩过程中的损伤状态，具体可以分为以下几步：

①通过超声波检测仪8可以测得声波波速，从而得到基于声波波速的损伤变量表达式：其中，V_f表示岩样损伤状态下的超声波波速，V₀表示岩样无损伤状态下的超声波检测仪检测的超声波波速。

②通过声发射检测仪10可以测得声发射振铃计数，从而得到基于声发射振铃计数的损伤变量表达式：C_f表示岩样损伤破坏过程中声发射检测仪检测到岩样某一时刻的累积声发射振铃计数，C_d表示岩样完全破坏状态下声发射检测仪检测到岩样的累积声发射振铃计数。

③由电磁辐射检测仪9测出声发射的振铃计数，从而得到基于电磁辐射事件数的损伤变量表达式：M_f表示岩样损伤破坏过程中电磁辐射检测仪检测到岩样某一时刻的累积电磁辐射事件数，M_d表示岩样完全破坏状态下电磁辐射检测仪检测到岩样的累积电磁辐射事件数。

④考虑到单轴压缩过程中岩样超声波波速、声发射和电磁辐射变化规律具有很强的互补性，在上述步骤①-③建立的损伤变量基础上，提出一个综合损伤变量D来全面、完整的反映岩样不同破坏阶段的损伤状态。定义综合损伤变量D＝ω₁D_V+ω₂(ω_CD_C+ω_MD_M)，其中ω₁、ω₂、ω_C和ω_M为相应的权重系数，且ω₁+ω₂＝1、ω_C+ω_M＝1，具体的取值可以根据不同试验条件和不同加载阶段取不同的数值，通过求得的D可以全面、完整反映岩样在单轴压缩过程中不同破坏阶段的损伤状态。

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。

Claims (10)

1.单轴压缩过程中岩样损伤的监测装置，其特征在于，包括通过上承压板和下承压板承压待测岩样的压力机，在上承压板的下表面和下承压板的上表面均安装与超声波检测仪连接的承压声波探头，用于得出基于声波波速的损伤变量；岩样的侧面设有与声发射检测仪连接的声发射探头，用于得出基于声发射振铃计数的损伤变量；绕岩样设有多圈电磁辐射测量线圈，线圈的多个匝数不同位置处的导线分别连接到电磁辐射检测仪，用于得出基于电磁辐射事件数的损伤变量。

2.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述电磁辐射测量线圈通过悬挂装置悬挂在岩样的外侧。

3.如权利要求1或2所述的监测装置，其特征在于，所述承压声波探头包括承压声波发射探头和承压声波接收探头，二者中的一个设置在岩样的上端面，另一个设置在岩样的下端面。

4.单轴压缩过程中岩样损伤的监测方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)选取待测岩石制成岩样；

2)在岩样的端面安装与超声波检测仪连接的承压声波探头；

3)在岩样的侧面设置声发射探头并与声发射检测仪相连；

4)绕岩样的外侧悬挂设置电磁辐射测量线圈，将不同匝数位置处的导线分别连接到电磁辐射检测仪的不同通道处；

5)将岩样置于压力机的上下两承压板之间，采集岩样未受压时的声波信息；

6)压力机对岩样加压，实时采集岩样在单轴压缩过程中声波、声发射和电磁辐射信息；

7)通过采集的数据分析单轴压缩过程中岩样的损伤变量D。

5.如权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述步骤6)中岩样在单轴压缩过程中声波、声发射和电磁辐射信息分别为岩样损伤状态下的超声波波速V_f，岩样损伤破坏过程中某一时刻的累积声发射振铃计数C_f，岩样损伤破坏过程中某一时刻的累积电磁辐射事件数M_f。

6.如权利要求4或5所述的监测方法，其特征在于，所述步骤7)中岩样的损伤变量D根据公式(1)计算：

D＝ω₁D_V+ω₂(ω_CD_C+ω_MD_M)(1)

其中ω₁、ω₂、ω_C和ω_M分别为基于声波损伤的、基于声发射与电磁辐射损伤的、基于声发射损伤和基于电磁辐射损伤的权重系数，且ω₁+ω₂＝1、ω_C+ω_M＝1，D_V为基于声波波速的损伤变量，D_C为基于声发射振铃计数的损伤变量，D_M为基于电磁辐射事件数的损伤变量。

7.如权利要求6所述的监测方法，其特征在于，基于声波波速的损伤变量D_V通过公式(2)计算：

$D_V=1-{\left(\frac{V_f}{V_0}\right)}^2---\left(2\right)$

其中，V_f表示岩样损伤状态下的超声波波速，V₀表示岩样无损伤状态下的超声波检测仪检测的超声波波速。

8.如权利要求6或7所述的监测方法，其特征在于，基于声发射振铃计数的损伤变量D_C通过公式(3)计算：

$D_C=\frac{C_f}{C_d}---\left(3\right)$

其中，C_f表示岩样损伤破坏过程中声发射检测仪检测到岩样某一时刻的累积声发射振铃计数，C_d表示岩样完全破坏状态下声发射检测仪检测到岩样的累积声发射振铃计数。

9.如权利要求8所述的监测方法，其特征在于，基于电磁辐射事件数的损伤变量D_M通过公式(4)计算：

$D_M=\frac{M_f}{M_d}---\left(4\right)$

其中，M_f表示岩样损伤破坏过程中电磁辐射检测仪检测到岩样某一时刻的累积电磁辐射事件数，M_d表示岩样完全破坏状态下电磁辐射检测仪检测到岩样的累积电磁辐射事件数。

10.如权利要求6所述的监测方法，其特征在于，在岩样压缩过程的压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段初期，基于声发射与电磁辐射损伤的权重系数ω₂取值大于基于声波损伤的权重系数ω₁取值，在塑性变形阶段后期、破裂阶段和残余变形阶段，基于声发射与电磁辐射损伤的权重系数ω₂取值小于基于声波损伤的权重系数ω₁取值。