CN108490070B - 一种节理岩体试样超声波测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种节理岩体试样超声波测试设备，涉及岩石动力学试验技术领域，包括对所述节理岩体试样进行超声波测试的超声波测试装置和对所述节理岩体试样施加围压的围压施加装置，围压施加装置对人工节理试样提供围压荷载，超声波测试装置对人工节理岩体试样发射及接收超声波信号并进行记录分析。本发明提供的节理岩体试样超声波测试设备，不仅可以有效探究应力波在节理岩体中的传播规律，测试范围多元化，而且设备组装拆卸便利，能够很好地完成岩石动力学相关测试任务。

Description

一种节理岩体试样超声波测试设备

技术领域

本发明涉及岩石动力学试验技术领域，特别涉及一种节理岩体试样超声波测试设备。

背景技术

在地震或爆破等动态荷载作用下，会引起应力波的产生与传播，对以岩体为主的地下工程的安全性产生影响。天然岩体中结构面的存在，不仅降低了岩体的强度，更对应力波在岩体结构面中的传播有着较大影响。当岩体中含有节理时，应力波的传播特性会发生明显的改变，从而引起应力波的一些特性如能量参数等发生改变。

在节理岩体动态特性及应力波传播影响的探究中，超声波测试是常见研究方法之一。在实际工程应用中，节理岩体常常埋深较大，会受到周围岩石的荷载作用，且在节理面位置常有充填物质(如水、砂石等)存在。因此对于围压存在与节理面含有充填物质情况的测试，显得尤为重要。但目前采用超声波测试，更多地局限于对于完整岩体或含有简易节理岩体的简单测试，不能有效地满足实际工程应用的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够对含有充填物的复杂节理岩体进行较好超声波测试的节理岩体试样超声波测试设备。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种节理岩体试样超声波测试设备，包括对所述节理岩体试样进行超声波测试的超声波测试装置和对所述节理岩体试样施加围压的围压施加装置；所述超声波测试装置包括超声波测试仪、及分别与所述超声波测试仪连接的超声波换能发射器和超声波换能接收器，所述围压施加装置包括容纳所述节理岩体试样的外壳、分别设置在所述外壳首尾两端的密封盖、与所述外壳通过导管连通的增压泵、及设置在所述外壳上的进出水阀门，所述外壳首尾两端的密封盖中心位置分别设置超声波入射孔和超声波透射孔，所述超声波换能发射器连接于所述超声波入射孔前端，所述超声波换能接收器连接于所述超声波透射孔后端。

进一步地，所述节理岩体试样包括岩体试样以及设置在所述岩体试样之间的节理充填层，所述节理充填层为固体材料、液体材料或固体材料与液体材料的混合物。

进一步地，所述固体材料为砂浆或水泥等，所述液体材料为水或油等，当所述节理充填层为液体材料时，节理充填层与所述外壳和所述节理岩体试样之间形成的液体区域相连通。

进一步地，所述超声波换能发射器包括发射器橡胶层、第一发射器电极片、发射器连接导线、发射器振荡层、第二发射器电极片以及发射器压电陶瓷层，所述发射器压电陶瓷层将电能转化为机械能，通过发射器振荡层发射超声波信号。

进一步地，所述超声波换能接收器包括接收器橡胶层、第一接收器电极片、接收器连接导线、接收器振荡层、第二接收器电极片、接收器压电陶瓷层，所述接收器振荡层接收超声波信号，通过接收器压电陶瓷层将机械能转化为电能，由所述超声波测试仪记录并分析超声波信号。

进一步地，所述外壳是由两个半圆筒拼接而成的圆筒形壳体，所述两个半圆筒的两侧分别设置有固定片，所述固定片通过固定螺丝螺母组合固定在一起从而将所述两个半圆筒连接在一起形成所述外壳，所述外壳上轴向设置有限位滑槽和尺寸刻度线，所述限位滑槽内设置有岩体试样定位器，所述岩体试样定位器两个一组，用于定位所述岩体试样，便于调节所述岩体试样的位置，每组的两个岩体试样定位器与垂直线方向呈45度布置。

进一步地，所述岩体试样定位器包括试样接触凹槽及与试样接触凹槽固定连接的滑动卡销，所述试样接触凹槽端部呈圆弧状，与岩体试样接触可以将岩体试样固定，所述滑动卡销设置在所述限位滑槽中、并位于所述外壳的内外两表面层之间。

进一步地，所述限位滑槽为两条，平行设置在所述外壳内。

进一步地，所述固定片由外侧的金属层和内侧的橡胶密封层构成，所述固定螺丝螺母组合包括螺丝与螺母，所述螺丝穿过所述固定片上预先加工好的孔洞与所述螺母相配合。

进一步地，所述外壳上设置压力计，用以监测所述外壳内施加在所述岩体试样上的围压量值。

本发明提供的一种节理岩体试样超声波测试设备，利用围压施加装置对节理岩体试样提供围压荷载，超声波测试装置对节理岩体试样发射及接收超声波信号并进行记录分析，可以用来对完整岩体、含单一或多组节理面的节理岩体、以及含有充填物质的节理岩体，进行围压加载状态的超声波测试，通过超声波测试仪的信号分析，可以有效探究应力波在节理岩体中的传播规律，不仅测试范围多元化，而且设备组装拆卸便利，能够很好地完成岩石动力学相关测试任务。

附图说明

图1为本发明实施例提供的节理岩体试样超声波测试设备的整体示意图；

图2为本发明实施例提供的节理岩体试样超声波测试设备的超声波换能发射器结构示意图；

图3为本发明实施例提供的节理岩体试样超声波测试设备的超声波换能接收器结构示意图；

图4为本发明实施例提供的节理岩体试样超声波测试设备的外壳横向剖视图；

图5为本发明实施例提供的节理岩体试样超声波测试设备的外壳纵向剖视图；

图6为本发明实施例提供的节理岩体试样超声波测试设备的岩体试样定位器布设位置示意图；

图7为本发明实施例提供的节理岩体试样超声波测试设备的岩体试样定位器结构示意图；

图8为本发明实施例提供的节理岩体试样超声波测试设备的固定螺丝螺母组合与固定片结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种节理岩体试样超声波测试设备，包括对所述节理岩体试样进行超声波测试的超声波测试装置和对所述节理岩体试样施加围压的围压施加装置。其中，所述超声波测试装置包括超声波测试仪7、及分别与超声波测试仪7通过导线6连接的超声波换能发射器3和超声波换能接收器8，所述围压施加装置包括容纳节理岩体试样的外壳1、分别设置在外壳1首尾两端的密封盖2、与外壳1通过导管11连通的增压泵10、及设置在外壳1上的进出水阀门15。外壳1首尾两端的密封盖2中心位置分别设置超声波入射孔4和超声波透射孔9，超声波换能发射器3连接于超声波入射孔4前端，超声波换能接收器8连接于超声波透射孔9后端。超声波换能发射器3发射超声波，通过超声波入射孔4进入节理岩体试样，随后通过超声波透射孔9被超声波换能接收器8所接收，通过导线6经处理好的电学信号传入超声波测试仪7，进行测试数据的记录与分析。

其中，节理岩体试样包括岩体试样13以及设置在岩体试样13之间的节理充填层14。岩体试样13呈圆柱状，圆柱状的岩体试样13两两之间会形成接触面，该接触面即为一个节理面，在节理面的间隙中充填材料，即形成节理充填层14。节理充填层14可以是固体材料，如砂浆或水泥等，也可为液体材料，如水或油等，还可以是固体材料与液体材料的混合物。当节理充填层14为液体材料时，节理充填层14与外壳1和节理岩体试样之间形成的液体区域12相连通，可以从设置在外壳1上的进出水阀门15向外壳1内注入液体，并使用增压泵10为液体增加压力，同时通过设置在外壳1上的压力计5监测外壳1内施加在岩体试样13上的围压量值。

当仅探究节理存在充填材料，应力波在节理岩体中传播规律时，可以不启用围压施加装置，特别地，当仅探究节理存在水，应力波在节理岩体中传播规律时，可以通过进出水阀门15注入水，但不使用增压泵10，待水充满装置内部即可，此时圆柱体试样周围也有水存在，水压量值很小，可以忽略此时该部分水引起的围压影响；当仅探究围压存在，应力波在节理岩体中传播规律时，可以不使用节理充填层14，直接启用围压施加装置；当探究节理存在充填材料且围压存在，应力波节理岩体中传播规律时，使用节理充填层14且启用围压施加装置。

参见图2，超声波换能发射器3包括发射器橡胶层31、第一发射器电极片32、发射器连接导线33、发射器振荡层34、第二发射器电极片35以及发射器压电陶瓷层36，发射器连接导线33与连接超声波测试仪7的导线6连接，发射器压电陶瓷层36将电能转化为机械能，通过发射器振荡层34发射超声波信号。

参见图3，超声波换能接收器8包括接收器橡胶层81、第一接收器电极片82、接收器连接导线83、接收器振荡层84、第二接收器电极片85、接收器压电陶瓷层86，接收器连接导线83与连接超声波测试仪7的导线6连接，接收器振荡层84接收超声波信号，通过接收器压电陶瓷层86将机械能转化为电能，由超声波测试仪7记录并分析超声波信号。

参见图4，外壳1是由两个半圆筒拼接而成的圆筒形壳体，将节理岩体试样放置于一个半圆筒内，将另一个半圆筒与之组合形成外壳1，两个半圆筒的两侧分别设置有固定片18，固定片18通过固定螺丝螺母组合17固定在一起从而将两个半圆筒紧紧的连接在一起形成稳固的外壳1，然后在外壳1的首尾两端加装好密封盖2，构成封闭体系，保证外壳1的密封性与结构完整性，以利于增压泵10对外壳1进行围压施加。

参见图5和图6，外壳1上轴向设置有限位滑槽19，限位滑槽19内设置有岩体试样定位器16。岩体试样定位器16两个一组，用于定位岩体试样13，便于调节岩体试样13在外壳1中的位置，每组的两个岩体试样定位器16与垂直线方向呈45度布置。另外，在外壳1上与限位滑槽19平行设置有尺寸刻度线20，这样方便结合尺寸刻度线20，提前手动调节好岩体试样定位器16的位置，以方便将岩体试样13固定在预定的位置。作为本发明的一种具体实施方式，限位滑槽19设置为两条，平行设置在外壳1内，岩体试样定位器16也设置为两组，在实际应用中，可以根据具体情况，增设或删减限位滑槽19和岩体试样定位器16的数目，以满足实际测试的需要。

参见图7，岩体试样定位器16包括试样接触凹槽161及与试样接触凹槽161固定连接的滑动卡销162，试样接触凹槽161与岩体试样13接触的端部呈圆弧状，有利于试样接触凹槽161对岩体试样13的固定。滑动卡销162设置在限位滑槽19中、并位于外壳1的内表面101和外表面102之间。根据外壳1上的尺寸刻度线20，通过移动滑动卡销162带动试样接触凹槽161在限位滑槽19中的移动，使试样接触凹槽161移动到预定的位置，从而使得岩体试样13被固定在外壳1内的预定轴向位置。

参见图8，固定片18由外侧的金属层181和内侧的橡胶密封层182构成，固定螺丝螺母组合17包括螺丝171与螺母172，螺丝171穿过固定片18上预先加工好的孔洞与螺母172相配合，将设置在两个半圆筒上的橡胶密封层182相接触紧密的固定在一起，保证外壳1的密封性。

本发明实施例提供的节理岩体试样超声波测试设备，其工作原理及工作过程如下：现以存在两组节理面的情况为例进行说明，先根据外壳1的内径加工圆柱形的岩体试样13，取三个加工好的岩体试样13，根据外壳1上的尺寸刻度线20，将三个岩体试样13放入外壳1的一个半圆筒内的预定位置，并在两岩体试样13之间预留一定的缝隙，并在两岩体试样13之间的缝隙内填充砂浆或水泥等固体充填材料，从而形成节理充填层14，然后移动滑动卡销162带动试样接触凹槽161移动预定位置，再盖上另一个半圆筒，将两个半圆筒两侧的固定片18通过固定螺丝螺母组合17固定在一起从而形成稳固且密封性良好的外壳1，然后在外壳1的首尾两端加装好密封盖2，构成封闭体系。当节理充填层14需要为水或油等液体充填材料时，可以从外壳1上的进出水阀门15向外壳1内注入液体，使液体充填材料进入外壳1内的液体区域12，进而进入两岩体试样13之间的缝隙内，形成液体充填材料形成的节理充填层14。当需要探究围压的影响时，使用增压泵10为液体增加压力，同时通过外壳1上的压力计5监测外壳1内施加在岩体试样13上的围压量值。启动超声波测试装置，超声波换能发射器3的发射器压电陶瓷层36将电能转化为机械能，通过发射器振荡层34发射超声波信号，发射的超声波信号通过超声波入射孔4进入节理岩体试样的岩体试样13和节理充填层14，随后超声波信号通过超声波透射孔9被超声波换能接收器8的接收器振荡层84所接收，通过接收器压电陶瓷层86将机械能转化为电能，通过导线6经处理好的电学信号传入超声波测试仪7，由超声波测试仪7记录并分析超声波信号。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种节理岩体试样超声波测试设备，其特征在于：包括对所述节理岩体试样进行超声波测试的超声波测试装置和对所述节理岩体试样施加围压的围压施加装置；所述超声波测试装置包括超声波测试仪(7)、及分别与所述超声波测试仪(7)连接的超声波换能发射器(3)和超声波换能接收器(8)，所述围压施加装置包括容纳所述节理岩体试样的外壳(1)、分别设置在所述外壳(1)首尾两端的密封盖(2)、与所述外壳(1)通过导管(11)连通的增压泵(10)、及设置在所述外壳(1)上的进出水阀门(15)，所述外壳(1)首尾两端的密封盖(2)中心位置分别设置超声波入射孔(4)和超声波透射孔(9)，所述超声波换能发射器(3)连接于所述超声波入射孔(4)前端，所述超声波换能接收器(8)连接于所述超声波透射孔(9)后端，所述外壳(1)是由两个半圆筒拼接而成的圆筒形壳体，所述两个半圆筒的两侧分别设置有固定片(18)，所述固定片(18)通过固定螺丝螺母组合(17)固定在一起从而将所述两个半圆筒连接在一起形成所述外壳(1)，所述外壳(1)上轴向设置有限位滑槽(19)和尺寸刻度线(20)，所述限位滑槽(19)内设置有岩体试样定位器(16)，所述岩体试样定位器(16)两个一组，用于定位所述岩体试样(13)，便于调节所述岩体试样(13)的位置，每组的两个岩体试样定位器(16)与垂直线方向呈45度布置。

2.根据权利要求1所述的超声波测试设备，其特征在于：所述节理岩体试样包括岩体试样(13)以及设置在所述岩体试样(13)之间的节理充填层(14)，所述节理充填层(14)为固体材料、液体材料或固体材料与液体材料的混合物。

3.根据权利要求2所述的超声波测试设备，其特征在于：所述固体材料为砂浆或水泥，所述液体材料为水或油，当所述节理充填层(14)为液体材料时，节理充填层(14)与所述外壳(1)和所述节理岩体试样之间形成的液体区域(12)相连通。

4.根据权利要求1所述的超声波测试设备，其特征在于：所述超声波换能发射器(3)包括发射器橡胶层(31)、第一发射器电极片(32)、发射器连接导线(33)、发射器振荡层(34)、第二发射器电极片(35)以及发射器压电陶瓷层(36)，所述发射器压电陶瓷层(36)将电能转化为机械能，通过发射器振荡层(34)发射超声波信号。

5.根据权利要求1所述的超声波测试设备，其特征在于：所述超声波换能接收器(8)包括接收器橡胶层(81)、第一接收器电极片(82)、接收器连接导线(83)、接收器振荡层(84)、第二接收器电极片(85)、接收器压电陶瓷层(86)，所述接收器振荡层(84)接收超声波信号，通过接收器压电陶瓷层(86)将机械能转化为电能，由所述超声波测试仪(7)记录并分析超声波信号。

6.根据权利要求1所述的超声波测试设备，其特征在于：所述岩体试样定位器(16)包括试样接触凹槽(161)及与试样接触凹槽(161)固定连接的滑动卡销(162)，所述试样接触凹槽(161)端部呈圆弧状，与岩体试样(13)接触可以将岩体试样(13)固定，所述滑动卡销(162)设置在所述限位滑槽(19)中、并位于所述外壳(1)的内外两表面层之间。

7.根据权利要求6所述的超声波测试设备，其特征在于：所述限位滑槽(19)为两条，平行设置在所述外壳(1)内。

8.根据权利要求6所述的超声波测试设备，其特征在于：所述固定片(18)由外侧的金属层(181)和内侧的橡胶密封层(182)构成，所述固定螺丝螺母组合(17)包括螺丝(171)与螺母(172)，所述螺丝(171)穿过所述固定片(18)上预先加工好的孔洞与所述螺母(172)相配合。

9.根据权利要求8所述的超声波测试设备，其特征在于：所述外壳(1)上设置压力计(5)，用以监测所述外壳(1)内施加在所述岩体试样(13)上的围压量值。