CN109696479B - 一种针对长方体试样的非对称布置声发射试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对长方形试样的非对称布置声发射试验系统及方法适用于室内岩石力学测试过程中的声发射测试，所设计的夹具结构简单，制作方便，制作成本低廉，适用性高，易安装，方法易于操作，能够直接用于单轴压缩非对称声发射试验；由于前夹板和弹簧连接后架之间可相对转动，故不仅可以用于不同情况的非对称性声发射试验，同样可用于对称情况下的声发射试验，应用范围广，实现一器多用，实验室可只配备一种类型的相应仪器来测定标准长方体岩石试样在不同布置方法的声发射试验。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种针对长方体试样的非对称布置声发射试验系统及方法。
背景技术
声发射(acoustic emission，AE，简称AE技术)是脆性材料受到外力或内力作用时，由于自身的形变和裂纹扩展造成其内部弹性能量迅速释放而产生瞬态弹性波的一种物理现象。岩石内部富含各种缺陷(微裂纹、空隙、节理裂隙等)，是典型的非均匀脆性材料，在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。岩石声发射作为岩石破坏过程中的一种伴生现象，蕴含着岩石材料内部结构缺陷性质和性态变化的丰富信息。AE的频率范围从次声(频率低于20Hz)、可听声(20Hz～20KHz)、直至几十MHz的超声波，其幅度(传感器输出电压)，大约从几微伏到几百伏。AE是自然界中一种常见的物理现象，如果在音频范围释放的应变能足够大，就可以听得见声鸣。木材折断、大多数金属材料发生塑性形变和断裂时都伴有声发射产生。但AE信号的强度一般都比较弱，人耳不能直接听见，需要借助敏感的传感器和电子仪器才能检测出来。利用材料或构件受负载时所辐射的AE信号的能量、振幅、波长和频度(单位时间内发生AE的次数)等，可以研究它们的破坏过程和机理，判断材料或构件的抗断裂性能，使得AE技术成为研究岩石力学领域相关问题的一种重要手段。
自发现受压作用下岩石结构内部存在声发射活动以来，AE技术已在原岩地应力测试、地震序列、微破裂机制及岩体稳定性等领域得到了广泛的应用。在岩石力学领域，可通过岩石声发射技术，研究拉伸、压缩和弯曲载荷下岩石变形及破坏的基本特性；建立声发射信号和岩石性质之间的相关关系；确定单向应力和三向应力状态下岩石样品中非稳定裂隙的起始点；确定岩盐及其它塑性岩石的屈服极限；研究岩石声发射机理、声信号与岩石破碎过程的联系等。
目前，大部分室内岩石力学测试声发射实验都习惯采用圆柱体试样，而在岩石各向异性力学行为室内试验中，圆柱体试样由于水平两个方向无差别，对研究岩石力学行为各向异性特别是层理效应有一定影响，无法很好满足研究岩石力学行为的层理各向异性方面要求。而长方体试件水平两个方向存在差别，能全面反映岩石各向异性的特征，故在岩石力学行为各向异性的室内研究中推荐采用长方体试样进行力学测试并进行声发射测试。通常材料的声发射信息到达换能器的应力波信号是复杂的，每一个波型都有它自己的特征速度和衰减速率，而这两者又都与频率有关，我们探测到的声发射信号的大小、形状和频率的含量全都与试样的尺寸、形状、表面条件和信号源与传感器的相对位置有关。长方体固体的几何边界会导致频散，从而致使某一些频率的脉冲就要比另外频率的到达的迟。声发射源的定位，又靠的是测量声发射信号到达探头的时差，频散作用使脉冲的形状发生畸变，就使时差不易测准，因而增加了精确确定声发射源位置的困难,运用传统的对称式探头布置，难以精确测定声发射源的位置。通过AE探头的非对称布置从而抵消探头之间某些脉冲因为畸变产生的时差。同时，在岩石试件受力破坏过程中，自始至终都会伴随高频声发射，岩石试件在超过其极限强度的应力作用下产生微破裂，并以高频声发射形式释放能量且持续时间短，仅为几毫秒，能量较小，在岩石试件中传播时衰减快，影响范围小。这就需要探头在极短的时间内探测到高频声发射，传统的声发射布置难以做到这一点，而利用非对称性声发射由于探头的非对称布置，使得8个探头总有某个探头的距离与破坏源距离变小，进而探测到高频声发射的概率增加，进而更多的收集到高频声发射信号。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的针对长方体试样的非对称布置声发射试验系统解决了上述背景技术中存在的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种针对长方体试样的非对称布置声发射试验系统，包括四组结构完全相同的夹具、岩石力学测试子系统和长方体试样；
每组夹具均包括第一AE探头、第二AE探头、第一前夹板、第二前夹板、第一螺旋转轴、第二螺旋转轴、弹簧连接后架、连接绳和磁性底座；
所述弹簧连接后架的一端端部通过第一螺旋转轴与第一前夹板一端端部连接，其另一端端部通过第二螺旋转轴与第二前夹板的一端端部连接；所述第一AE探头设置于第一前夹板的另一端端部，所述第二AE探头设置于第二前夹板的另一端端部；
所述弹簧连接后架通过连接绳与磁性底座连接；
所述岩石力学测试子系统包括单轴测试平台、半球形压头和刚性框架；
四组所述夹具的第一AE探头和第二AE探头均布置于长方体试样表面，所述长方体试样设置于单轴测试平台上，所述半球形压头设置于长方体试样的上方；四组所述夹具的磁性底座通电后均固定于刚性框架上。
进一步地，所述弹簧连接后架包括弹簧和与弹簧一体成形的两个后架，两个所述后架分别设置于弹簧的两端端部，且分别与第一前夹板和第二前夹板连接；
所述弹簧沿其弹簧轴线的垂直线中心对称。
进一步地，所述连接绳的一端与弹簧连接后架的中心位置处连接。
进一步地，所述第一螺旋转轴和第二螺旋转轴均包括销钉和销帽；
所述弹簧连接后架的两端端部均设置有预制孔，所述第一前夹板一端端部和第二前夹板的一端端部均设置有与预制孔配合的连接孔；
所述销钉穿过相互配合的预制孔和连接孔，并通过销帽固定。
进一步地，所述岩石力学测试子系统为MTS815 Flex Text GT岩石力学测试系统。
一种针对长方体试样的非对称布置声发射试验方法，包括以下步骤；
S1、在需要进行声发射试验的长方体试样上标注探测点的位置；
S2、将长方体试样放置在岩石力学测试子系统的单轴测试平台上，调整单轴测试平台的位置，使长方体试样的上表面刚好与半球形压头接触；
S3、完成夹具的安装，使四组夹具的AE探头与标注的探测点位置一一对应；
S4、通过半球形压头对长方体试样进行轴向加载，直到长方体试样加载破坏；
S5、通过岩石力学测试子系统记录长方体试样破坏过程中的声发射时间序列参数和声发射三维空间分布；
S6、根据记录的声发射时间序列参数和声发射三维空间分布，绘制并分析长方体试样在单轴加载过程中的关系曲线，完成声发射试验。
进一步地，所述步骤S1中在长方体试样上标注的探测点有8个；
对长方体试样进行探测点标注包括对层理面与水平面的夹角为0°的长方体试样进行探测点标注和对层理面与水平面的夹角为90°的长方体试样进行探测点标注；
对层理面与水平面的夹角为0°的长方体试样进行探测点标注的方法具体为：
A1、确定长方体试样的层理面，并根据层理面的划分将长方体试样分为上半部分和下半部分；
A2、在长方体试样的上半部分中确定一个层理面标注第一探测点和第二探测点，使第一探测点和第二探测点位于该层理面的两个对角；
在与该层理面的相邻层理面上标注第三探测点和第四探测点，使第三探测点和第四探测点位于该层理面的两个对角，并使其与第一探测点和第二探测点的位置错位；
A3、在长方体试样的下半部分中确定一个层理面标注第五探测点和第六探测点，使第五探测点和第六探测点位于该层理面的两个对角；
在与该层理面的相邻层理面上标注第七探测点和第八探测点，使第七探测点和第八探测点位于该层理面的两个对角，并使其与第五探测点和第六探测点的位置错位；
对层理面与水平面的夹角为90°的长方体试样进行探测点标注的方法具体为：
B1、确定长方体试样的层理面，并根据层理面的划分将长方体试样分为左半部分和有半部分；
B2、在长方体试样的左半部分确定一个层理面标注第一探测点至第四探测点，使第一探测点至第四探测点相互错位布置；
B3、在长方体试样的右半部分确定一个层理面标志第五探测点至第八探测点，使第五探测点至第八探测点相互错位布置；
其中，两个标注有探测点的层理面内探测点也相互错位布置。
进一步地，所述步骤S3具体为：
S31、调整一组夹具的两个前夹板的位置，使其与长方体试样的设置位置相匹配，将一组夹具的两个AE探头贴合于同一层理面上标注的两个探测点上；
S32、将一组夹具的两个螺旋转轴固定，调节磁性底座在刚性框架上的位置，进而调整夹具的布置姿态；
S33、根据步骤S31-S32相同的方法，完成四组夹具的安装，使四组夹具的AE探头与标注的探测点位置一一对应。
进一步地，每组所述夹具的两个AE探头和对应的探测点上均涂抹有凡士林。
进一步地，所述步骤S5中的声发射时间序列参数包括AE振铃计数、AE振铃计数率、AE能量和AE能率；
所述步骤S6的关系曲线包括AE振铃计数随轴向加载应力变化的关系曲线、AE能量随轴向加载应力变化的关系曲线、长方体试样的平行层理面和轴向层理面轴向加载过程中声发射时间序列参数随时间变化的关系曲线和长方体试样的平行层理面和轴向层理面轴向加载过程中轴向加载应力随时间变化的关系曲线；
其中，长方体试样的平行层理面是指层理面与水平面的夹角为0°时的长方体试样的层理面；长方体试样的轴向层理面是指与水平面的夹角为90°时的长方体试样的层理面；
所述步骤S6中，根据声发射三维空间分布，确定长方体试样中节理裂隙的位置；根据对各种关系曲线的对比分析，确定长方体试样单轴压缩过程中非对称布置声发射试验的试验效果。
本发明提供的针对长方形试样的非对称布置声发射试验系统及方法适用于室内岩石力学测试过程中的声发射测试，所设计的夹具结构简单，制作方便，制作成本低廉，适用性高，易安装，方法易于操作，能够直接用于单轴压缩非对称声发射试验；由于前夹板和弹簧连接后架之间可相对转动，故不仅可以用于不同情况的非对称性声发射试验，同样可用于对称情况下的声发射试验，应用范围广，实现一器多用，实验室可只配备一种类型的相应仪器来测定标准长方体岩石试样在不同布置方法的声发射试验。
附图说明
图1为本发明提供的针对长方体试样的非对称布置声发射试验系统结构图。
图2为本发明提供的夹具结构俯视图。
图3为本发明提供的夹具结构侧视图。
图4为本发明提供的夹具结构平面分解俯视图。
图5为本发明提供的针对长方体试样的非对称布置声发射试验方法流程图。
图6为本发明提供的层理面与水平面的夹角为0°时的长方体试样探测点标注示意图。
图7为本发明提供的层理面与水平面的夹角为90°时的长方体试样探测点标注示意图。
图8为本发明提供的实施例中页岩应力应变曲线示意图。
图9为本发明提供的实施例中页岩应力和累积振铃计数随时间变化曲线图。
图10为本发明提供的实施例中页岩应力和累积能量随时间变化曲线图。
图11为本发明提供的实施例中页岩应力和振铃计数率随时间变化曲线图。
图12为本发明提供的实施例中页岩应力和能率随时间变化曲线图。
图13为本发明提供的实施例中页岩受压过程中空间分布演化示意图。
其中：1、长方体试样；2、半球形压头；3、单轴测试平台；4、弹簧连接后架；5、第一前夹板；6、第二前夹板；7、第一螺旋转轴；8、第二螺旋转轴；9、第一AE探头；10、第二AE探头；11、磁性底座；12、连接绳；13、刚性框架；7-1、销钉；7-2、销帽；7-3、连接孔；7-4、预制孔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种针对长方体试样的非对称布置声发射试验系统，包括四组结构完全相同的夹具、岩石力学测试子系统和长方体试样1；
如图2至图4所示，每组夹具均包括第一AE探头9、第二AE探头10、第一前夹板5、第二前夹板6、第一螺旋转轴7、第二螺旋转轴8、弹簧连接后架4、连接绳12和磁性底座11；
弹簧连接后架4的一端端部通过第一螺旋转轴7与第一前夹板5一端端部连接，其另一端端部通过第二螺旋转轴8与第二前夹板6的一端端部连接；第一AE探头9设置于第一前夹板7的另一端端部，第二AE探头10设置于第二前夹板6的另一端端部；
弹簧连接后架4通过连接绳12与磁性底座11连接；使得弹簧连接后架4可以悬在空中而不影响前夹板的固定；
岩石力学测试子系统包括单轴测试平台3、半球形压头2和刚性框架13；
四组夹具的第一AE探头9和第二AE探头10均布置于长方体试样1表面，长方体试样1设置于单轴测试平台3上，半球形压头2设置于长方体试样1的上方；四组夹具的磁性底座11通电后均固定于刚性框架13上。
其中，两个AE探头通过胶带固定在两个前夹板的端部，可以根据进行试验的长方体试样1的大小选择合适大小的AE探头。
上述弹簧连接后架4包括弹簧和与弹簧一体成形的两个后架，两个后架分别设置于弹簧的两端端部，且分别与第一前夹板5和第二前夹板6连接；弹簧沿其弹簧轴线的垂直线中心对称；弹簧为两个后架在两侧前夹板中间提供一定的拉应力，即传递给前夹板的端头对长方体试样1的压应力，保证两个前夹板连接的AE探头能够紧贴长方体试样1相应位置而不产生松动滑移；因为利用弹簧间所存在的约束来传递到AE探头位置夹紧长方体试样1防止AE探头滑落的力为探头于试件之间的摩擦力，因此弹簧设计时根据试件尺寸的大小要存在一定的预应力，具体力的大小根据长方体试件间的大小而决定。弹簧的圈数不必过多，为保证简单方便，弹簧两侧的夹板可成弧形弯曲出去一定距离后再重新相对平行起来，保证两端头能与试件待测的两个面平行。且连接绳的一端与弹簧连接后架4的中心位置处连接，保证夹具不发生偏移。
上述第一螺旋转轴7和第二螺旋转轴8均包括销钉7-1和销帽7-2；弹簧连接后架4的两端端部均设置有预制孔7-3，第一前夹板5一端端部和第二前夹板6的一端端部均设置有与预制孔7-4配合的连接孔7-3；销钉7-1穿过相互配合的预制孔7-4和连接孔7-3，并通过销帽7-2固定。通过螺旋转轴连接弹簧连接后架4和前夹板，使得弹簧连接后架4和前夹板可以产生连接，且两者之间通过摩擦力可以产生相对固定，也可以领养外力产生相对旋转；
上述岩石力学测试子系统为MTS815 Flex Text GT岩石力学测试系统，该系统中报考的控制及操作系统由MTS815总控系统、MTS815加载系统(轴压、渗透压力及围压)、MTS815高温控制系统、激发及采集系统、MTS815程控及采集系统、声发射三维定位及采集系统。
需要说明的是，弹簧连接后架4与两个前夹板的连接与固定有好多种。例如，依靠转轴，转轴间的销子将两者连成一个部分。销子必须特别紧保证弹簧连接后架4与前夹板之间不会轻易产生转动而影响测量。销子具有耐磨性，才能在不同的非对称布置中体现其耐久性。同时，销子的作用保证了在不同的非对称性布置声发射实验时，前夹板可以根据需要旋转一定的角度，匹配试验的要求，前夹板的旋转需要放松销子后方可进行，旋转合适角度后，销子需要固定前甲板与弹簧连接后架4，保证两者不产生相对的转动。又如，将两者间利用螺栓和螺帽连接，螺栓和螺帽连接时将弹簧连接后架4的端部相应位置磨平，加上垫片，保证螺栓的稳定性和耐久性。
本发明中，将弹簧连接后架4与前夹板分为两部分设计，目的在于其多用性。对于不同的AE探测布置的实验，如果不将其分开，就需要不断的调整弹簧架子两臂的相对位置，对于架子相对较硬时，调整起来相对困难；而且，此类调整也会缩短架子的使用寿命。而分开之后，利用相对固定，可以自由选择AE探测器的相对位置，可以实现一架多用，同时不需要使架子产生疲劳变形，可以延展其使用寿命。
为了使整个夹具在试验中保持足够的刚度和硬度，可以采用硬度较大的材料制作前夹板，保证其不产行塑性变形，采用硬度稍小的材料制作弹簧后架，保证其具有一定的预应力。
如图5所示，本发明还提供了一种针对长方体试样的非对称布置声发射试验方法，包括以下步骤；
S1、在需要进行声发射试验的长方体试样上标注探测点的位置；
S2、将长方体试样放置在岩石力学测试子系统的单轴测试平台上，调整单轴测试平台的位置，使长方体试样的上表面刚好与半球形压头接触；
S3、完成夹具的安装，使四组夹具的AE探头与标注的探测点位置一一对应；
S4、通过半球形压头对长方体试样进行轴向加载，直到长方体试样加载破坏；
S5、通过岩石力学测试子系统记录长方体试样破坏过程中的声发射时间序列参数和声发射三维空间分布；
S6、根据记录的声发射时间序列参数和声发射三维空间分布，绘制并分析长方体试样在单轴加载过程中的关系曲线，完成声发射试验。
上述步骤S1中在长方体试样上标注的探测点有8个；
对长方体试样进行探测点标注包括对层理面与水平面的夹角为0°的长方体试样进行探测点标注和对层理面与水平面的夹角为90°的长方体试样进行探测点标注；
对层理面与水平面的夹角为0°的长方体试样进行探测点标注的方法具体为：
A1、确定长方体试样的层理面，并根据层理面的划分将长方体试样分为上半部分和下半部分；
A2、在长方体试样的上半部分中确定一个层理面标注第一探测点和第二探测点，使第一探测点和第二探测点位于该层理面的两个对角；
在与该层理面的相邻层理面上标注第三探测点和第四探测点，使第三探测点和第四探测点位于该层理面的两个对角，并使其与第一探测点和第二探测点的位置错位；
A3、在长方体试样的下半部分中确定一个层理面标注第五探测点和第六探测点，使第五探测点和第六探测点位于该层理面的两个对角；
在与该层理面的相邻层理面上标注第七探测点和第八探测点，使第七探测点和第八探测点位于该层理面的两个对角，并使其与第五探测点和第六探测点的位置错位；
图6中显示了通过上述方法进行探测点标注的一种结果，上述探测点的标注方法在某一层岩石试样上的声发射AE探头分布在两个端角，这样尽可能大的覆盖了某一层的测量范围，同时两层层理面之间AE探头的非对称性布置对于层与层之间的影响能够达到最小，且从整体来看，声发射探头的非对称性布置使得8个探头的测量范围更加全面，使得声发射探头在测量过程中由于层理存在而产生的影响效果达到最小。
对层理面与水平面的夹角为90°的长方体试样进行探测点标注的方法具体为：
B1、确定长方体试样的层理面，并根据层理面的划分将长方体试样分为左半部分和有半部分；
B2、在长方体试样的左半部分确定一个层理面标注第一探测点至第四探测点，使第一探测点至第四探测点相互错位布置；
B3、在长方体试样的右半部分确定一个层理面标志第五探测点至第八探测点，使第五探测点至第八探测点相互错位布置；
其中，两个标注有探测点的层理面内探测点也相互错位布置。
图7中显示了通过上述方法进行探测点标注的一种结果，上述探测点的标注方法形成整体的声发射探头非对称性布置，从而降低由于竖向层理的存在而引起的声发射信号的丢失，尽可能全面地测量出实验过程中产生的声发射信号。
上述步骤S3具体为：
S31、调整一组夹具的两个前夹板的位置，使其与长方体试样的设置位置相匹配，将一组夹具的两个AE探头贴合于同一层理面上标注的两个探测点上；
S32、将一组夹具的两个螺旋转轴固定，调节磁性底座在刚性框架上的位置，进而调整夹具的布置姿态；
S33、根据步骤S31-S32相同的方法，完成四组夹具的安装，使四组夹具的AE探头与标注的探测点位置一一对应。
其中，用胶带将大小AE探头贴合在前夹板前端；在长方体试样中标注了探测点的待测面，前夹板与长方体试样表面之间留有一定空隙，保证在探头被安装上之后能够与试件表面完美贴合。前夹板连接的AE探头与试件之间需要耦合，因此在每组夹具的两个AE探头和对应的探测点上均涂抹有少许凡士林，保证其耦合效果。其中，凡士林是一种烷系烃或饱和烃类半液态的混合物，也叫矿脂，由石油分馏后制得，天然凡士林取自烷属烃重油等石油残油浓缩物；人造凡士林则取自用纯地蜡或石蜡、石蜡脂使矿物油稠化的混合物。
上述步骤S5中的声发射时间序列参数包括AE振铃计数、AE振铃计数率、AE能量和AE能率；
步骤S6的关系曲线包括AE振铃计数随轴向加载应力变化的关系曲线、AE能量随轴向加载应力变化的关系曲线、长方体试样的平行层理面和轴向层理面轴向加载过程中声发射时间序列参数随时间变化的关系曲线和长方体试样的平行层理面和轴向层理面轴向加载过程中轴向加载应力随时间变化的关系曲线；
其中，长方体试样的平行层理面是指层理面与水平面的夹角为0°时的长方体试样的层理面；长方体试样的轴向层理面是指与水平面的夹角为90°时的长方体试样的层理面；
步骤S6中，根据声发射三维空间分布，确定长方体试样中节理裂隙的位置；根据对各种关系曲线的对比分析，确定长方体试样单轴压缩过程中非对称布置声发射试验的试验效果。
在本发明的一个实施例中，为研究页岩力学行为的各向异性特征，对7种层理倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)页岩试样开展室内力学加载声发射测试，从而获得不同层理倾角页岩的变形破坏及声发射特性。
在开展单轴压缩试验时，将制备好的长方体页岩试样置于MTS底盘中央，并施加2～3kN的轴向预加力固定试样。安装测量试样变形的轴向引伸计和线性可变差动传感器(LVDT)，然后按照非对称布置方法安装固定声发射探头于长方体页岩试样表面。
由于试验前已有很小的初始荷载，在试验程序里对除荷载外的位移等参数清零。试验全程采用LVDT控制进行加载，位移加载速率为0.02mm/min，直到试样完全破坏失去承载能力，测试结束。实验过程中采集时间、荷载、轴向变形等力学参数数据，以及实时采集岩石变形破坏过程中的声发射数据。
本次试验长方体页岩试样层理倾角为0°，即层理面呈水平方向，开展其他层理倾角的单轴压缩声发射测试时，仅需声发射传感器沿着层理面方向布置在相应的位置，重复上述步骤即可，最终获得不同层理倾角页岩的变形破坏和声发射数据。
对层理倾角为0°的页岩应力应变数据和相应的声发射数据进行作图分析，得到了该层理倾角条件下页岩的变形破坏特征和声发射特征。图8为页岩典型的应力应变曲线，变形破坏曲线形态较为平直和线性，无明显的塑性变形阶段，整体变形较小，说明页岩致密且高脆性。页岩单轴抗压强度为109MPa，破坏时的轴向应变、横向应变和体应变分别为0.72％、-0.32％和0.068％，页岩破坏时，未出现相对初始状态的体积膨胀现象，整个变形破坏过程中始终处于体积压缩状态。
页岩应力及声发射参数随时间变化曲线如图9-图12所示，随着加载时间增加，页岩承载应力不断增加，在接近2700s时达到峰值，然后迅速下跌。在加载初始阶段，页岩处于不断压实压密阶段，会产生少量声发射振铃计数和能量等声发射信号；随后线性变形阶段，页岩变形过程中几乎没有产生新的声发射信号，累计声发射参数随时间变化曲线呈现平缓的状态；临近峰值应力阶段，声发射信号急剧大量产生，累计声发射参数随时间变化曲线陡峭上升；应力峰后跌落阶段，仍有一定量的声发射信号持续产生，直到测试结束。页岩整个变形破坏阶段累计产生7100余次声发射振铃计数，累计产生声发射能量约4.5×10-16J，绝大部分声发射信号和能量均是在临近峰值应力阶段后产生，线性变形阶段声发射较少产生，表明页岩弹线性变形阶段仅有少量损伤产生，绝大部分损伤产生于接近峰值应力前后。
除了对页岩变形破坏过程中声发射参数进行分析外，也对页岩变形破坏过程中内部声发射三维空间分布演化开展了研究，各应力加载阶段的声发射空间分布演化如图13所示，分别展示了应力水平25％、50％、75％和100％(峰值应力)时刻对应的声发射空间分布图，图中每一个红点代表一个声发射事件。加载初始阶段，声发射产生地较少，主要发生在试样两端。随着继续加载，除了在试样两端继续产生声发射事件外，声发射也会在试样中部逐渐开始出现。临近峰值应力及破坏时，声发射在整个试件内部均大量产生，未出现明显的声发射成核现象，声发射均相对较均匀地分布在试样内部，与页岩多破裂面破坏模式相符合，呈现穿切层理面的张拉破坏模式，且破坏面较多，从而与相对分散的声发射空间分布现象想吻合。
一般的实验室声发射试验都采用圆柱体标准试件，但圆柱体由于其水平方向的无差异性，对研究岩石力学行为各向异性特别是层理效应有一定影响，无法很好满足研究岩石力学行为的层理各向异性方面要求。而本发明方法试验选用长方体试样作为单轴压缩情况下声发射实验的试件，长方体试样水平两个方向存在差别，能全面反映岩石各向异性的特征，能够很好的满足对于岩石力学行为各向异性研究的要求，在长方体试件中，伴随着层理裂隙的存在，试验选取的长方体试件所存在的层理面与水平面夹角可以有0°，90°等，在这些层理存在的情况下，声发射探头相向的方向为沿着层理面的方向，最大程度避免了由于沿层理面断裂导致的声发射信号接收不稳定问题，本发明选定以非对称性布置的声发射探头以求尽可能全面而稳定地测量声发射信号。
本发明提供的针对长方形试样的非对称布置声发射试验系统及方法适用于室内岩石力学测试过程中的声发射测试，所设计的夹具结构简单，制作方便，制作成本低廉，适用性高，易安装，方法易于操作，能够直接用于单轴压缩非对称声发射试验；由于前夹板和弹簧连接后架之间可相对转动，故不仅可以用于不同情况的非对称性声发射试验，同样可用于对称情况下的声发射试验，应用范围广，实现一器多用，实验室可只配备一种类型的相应仪器来测定标准长方体岩石试样在不同布置方法的声发射试验。
Claims (7)
1.一种针对长方体试样的非对称布置声发射试验系统，其特征在于，包括四组结构完全相同的夹具、岩石力学测试子系统和长方体试样（1）；
每组夹具均包括第一AE探头（9）、第二AE探头（10）、第一前夹板（5）、第二前夹板（6）、第一螺旋转轴（7）、第二螺旋转轴（8）、弹簧连接后架（4）、连接绳（12）和磁性底座（11）；
所述弹簧连接后架（4）的一端端部通过第一螺旋转轴（7）与第一前夹板（5）一端端部连接，其另一端端部通过第二螺旋转轴（8）与第二前夹板（6）的一端端部连接；所述第一AE探头（9）设置于第一前夹板（5）的另一端端部，所述第二AE探头（10）设置于第二前夹板（6）的另一端端部；
所述弹簧连接后架（4）通过连接绳（12）与磁性底座（11）连接；
所述岩石力学测试子系统包括单轴测试平台（3）、半球形压头（2）和刚性框架（13）；
四组所述夹具的第一AE探头（9）和第二AE探头（10）均布置于长方体试样（1）表面，所述长方体试样（1）设置于单轴测试平台（3）上，所述半球形压头（2）设置于长方体试样（1）的上方；四组所述夹具的磁性底座（11）通电后均固定于刚性框架（13）上；
所述弹簧连接后架（4）包括弹簧和与弹簧一体成形的两个后架，两个所述后架分别设置于弹簧的两端端部，且分别与第一前夹板（5）和第二前夹板（6）连接；
所述弹簧沿其弹簧轴线的垂直线中心对称；
所述连接绳（12）的一端与弹簧连接后架（4）的中心位置处连接；
所述第一螺旋转轴（7）和第二螺旋转轴（8）均包括销钉（7-1）和销帽（7-2）；
所述弹簧连接后架（4）的两端端部均设置有预制孔（7-4），所述第一前夹板（5）一端端部和第二前夹板（6）的一端端部均设置有与预制孔（7-4）配合的连接孔（7-3）；
所述销钉（7-1）穿过相互配合的预制孔（7-4）和连接孔（7-3），并通过销帽（7-2）固定。
2.根据权利要求1所述的针对长方体试样的非对称布置声发射试验系统，其特征在于，所述岩石力学测试子系统为MTS815 Flex Text GT岩石力学测试系统。
3.一种基于权利要求2所述的针对长方体试样的非对称布置声发射试验系统的针对长方体试样的非对称布置声发射试验方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1、在需要进行声发射试验的长方体试样上标注探测点的位置；
S2、将长方体试样放置在岩石力学测试子系统的单轴测试平台上，调整单轴测试平台的位置，使长方体试样的上表面刚好与半球形压头接触；
S3、完成夹具的安装，使四组夹具的AE探头与标注的探测点位置一一对应；
S4、通过半球形压头对长方体试样进行轴向加载，直到长方体试样加载破坏；
S5、通过岩石力学测试子系统记录长方体试样破坏过程中的声发射时间序列参数和声发射三维空间分布；
S6、根据记录的声发射时间序列参数和声发射三维空间分布，绘制并分析长方体试样在单轴加载过程中的关系曲线，完成声发射试验。
4.根据权利要求3所述的针对长方体试样的非对称布置声发射试验方法，其特征在于，所述步骤S1中在长方体试样上标注的探测点有8个；
对长方体试样进行探测点标注包括对层理面与水平面的夹角为0°的长方体试样进行探测点标注和对层理面与水平面的夹角为90°的长方体试样进行探测点标注；
对层理面与水平面的夹角为0°的长方体试样进行探测点标注的方法具体为：
A1、确定长方体试样的层理面，并根据层理面的划分将长方体试样分为上半部分和下半部分；
A2、在长方体试样的上半部分中确定一个层理面标注第一探测点和第二探测点，使第一探测点和第二探测点位于该层理面的两个对角；
在与该层理面的相邻层理面上标注第三探测点和第四探测点，使第三探测点和第四探测点位于该层理面的两个对角，并使其与第一探测点和第二探测点的位置错位；
A3、在长方体试样的下半部分中确定一个层理面标注第五探测点和第六探测点，使第五探测点和第六探测点位于该层理面的两个对角；
在与该层理面的相邻层理面上标注第七探测点和第八探测点，使第七探测点和第八探测点位于该层理面的两个对角，并使其与第五探测点和第六探测点的位置错位；
对层理面与水平面的夹角为90°的长方体试样进行探测点标注的方法具体为：
B1、确定长方体试样的层理面，并根据层理面的划分将长方体试样分为左半部分和有半部分；
B2、在长方体试样的左半部分确定一个层理面标注第一探测点至第四探测点，使第一探测点至第四探测点相互错位布置；
B3、在长方体试样的右半部分确定一个层理面标志第五探测点至第八探测点，使第五探测点至第八探测点相互错位布置；
其中，两个标注有探测点的层理面内探测点也相互错位布置。
5.根据权利要求4所述的针对长方体试样的非对称布置声发射试验方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
S31、调整一组夹具的两个前夹板的位置，使其与长方体试样的设置位置相匹配，将一组夹具的两个AE探头贴合于同一层理面上标注的两个探测点上；
S32、将一组夹具的两个螺旋转轴固定，调节磁性底座在刚性框架上的位置，进而调整夹具的布置姿态；
S33、根据步骤S31-S32相同的方法，完成四组夹具的安装，使四组夹具的AE探头与标注的探测点位置一一对应。
6.根据权利要求3所述的针对长方体试样的非对称布置声发射试验方法，其特征在于，每组所述夹具的两个AE探头和对应的探测点上均涂抹有凡士林。
7.根据权利要求3所述的针对长方体试样的非对称布置声发射试验方法，其特征在于，所述步骤S5中的声发射时间序列参数包括AE振铃计数、AE振铃计数率、AE能量和AE能率；
所述步骤S6的关系曲线包括AE振铃计数随轴向加载应力变化的关系曲线、AE能量随轴向加载应力变化的关系曲线、长方体试样的平行层理面和轴向层理面轴向加载过程中声发射时间序列参数随时间变化的关系曲线和长方体试样的平行层理面和轴向层理面轴向加载过程中轴向加载应力随时间变化的关系曲线；
其中，长方体试样的平行层理面是指层理面与水平面的夹角为0°时的长方体试样的层理面；长方体试样的轴向层理面是指与水平面的夹角为90°时的长方体试样的层理面；
所述步骤S6中，根据声发射三维空间分布，确定长方体试样中节理裂隙的位置；根据对各种关系曲线的对比分析，确定长方体试样单轴压缩过程中非对称布置声发射试验的试验效果。
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