CN110501225A - 一种利用超声波反映不同含水率受载岩石损伤规律的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用超声波反映不同含水率受载岩石损伤规律的方法，其包括如下步骤：按照工程岩体试验方法标准制作岩石试块；制作成一定含水率的岩石试块；对其表面进行封水处理；连接超声波测量仪器；将岩石试块放在压力机试验台上面，并启动伺服压力机开始试验；进行超声波测量，并记录测量数据；数据处理：收集实验过程中伺服压力机的应力应变数据并生成应力‑应变曲线，将收集的超声波数据用MATLAB进行傅里叶变换得到超声波的频率‑幅度曲线，进行波速和频谱图分析。本发明方法操作方便，测量方法简单，易于携带，测量数据精确，实现了岩石试件实验过程中真正的无损检测，能很好的反映出岩石的内部损伤情况以及裂纹扩展规律。

Description

一种利用超声波反映不同含水率受载岩石损伤规律的方法
技术领域
本发明涉及一种利用超声波反映不同含水率受载岩石损伤规律的方法，属于岩石工程技术领域。
背景技术
超声波是一种机械波，它是由介质中的质点收到机械力的作用而发生周期性震动产生的，其频率在20kHz以上，波在介质材料中行进的速度越大，则介质材料的坚硬性越大；反之，则介质材料越松软。而介质材料的坚硬性实质上也反映了该种材料强度的高低。由于超声波的速度相较于光速要小得多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向型号，强度好控制，因而超声波检测技术在岩土工程中具有很多重要的用途，其中包括无损检测，过程测量等等。
目前，测量岩石的声波数据多采用岩石受载过程中某一点时刻的岩石声波数据，无法做到岩石试验过程中的实时变化，更无法反映出岩石内部损伤以及裂纹扩展情况。
由于现有的超声波检测过程中检测探头多采用金属框架结构夹持，可能会导致超声波沿夹持结构传导造成接收数据不准确，从而导致试验失败。
目前，测量不同含水率岩石性能试验中多采用蜡封法或保鲜膜封水，封水效果差，在试验过程中封蜡与保鲜膜均不能与岩石表面很好地契合，容易脱落，造成测量数据不准确，从而对试验结果产生影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种利用超声波反映不同含水率受载岩石损伤规律的方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种利用超声波反映不同含水率受载岩石损伤规律的方法，其包括如下步骤：
S1、按照GB/T50266-2013工程岩体试验方法标准制作岩石试块；
S2、将所述岩石试块制作成一定含水率的岩石试块；
S3、对岩石试块表面进行封水处理；
S4、连接超声波测量仪器；
S5、将岩石试块放在压力机试验台上面，并启动伺服压力机开始试验；
S6、进行超声波测量，并记录测量数据；
S7、数据分析：收集实验过程中伺服压力机的应力应变数据并生成应力-应变曲线，将收集的超声波数据用MATLAB进行傅里叶变换得到超声波的频率-幅度曲线，进行波速和频谱图分析。
在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，所述制作成一定含水率的岩石试块的方法为：将岩石试块放入烘箱中，在105～110℃恒温下烘干24h，然后放入干燥器内冷却至室温，称重，精确至0.01g，得到质量m1的干燥岩石试块，再将干燥岩石试块浸水，一段时间后取出，将岩石试块表面水分擦干，然后称重，精确至0.01g，质量记作m2，得到一定含水率的岩石试块，具体的含水率由公式
计算得到。
在一个优选的实施方案中，在步骤S3中，所述封水处理采用毛刷将环氧树脂涂料均匀涂抹于岩石试块表面对岩石试块进行封水处理，并将封水处理后的岩石试块放置在通风处12h风干。
进一步地，所述环氧树脂涂料是指将环氧树脂E51与593固化剂按照3:1的质量比所配置的溶液，加入固化剂以加快环氧树脂固化的速度。
在一个优选的实施方案中，在步骤S4中，所述连接超声波测量仪器时，需刮掉步骤S3封水后的岩石试块的表面环氧树脂涂料，其面积与超声波探头大小相等；并刮掉环氧树脂涂料的岩石表面涂抹凡士林，作为超声波测量仪器探头与岩石试块的耦合剂；并将超声波发射器与接收器用橡胶皮圈固定在岩石试块。
在一个优选的实施方案中，在步骤S6中，所述记录测量数据为实时记录岩石试块在受载情况下岩石的声波信息，或记录任一时刻的超声波数据。
在一个优选的实施方案中，在步骤S7中，数据分析还包括根据公式计算超声波在干燥岩石试块中的正常波速，其中，Va为超声波的纵波在岩石试块中的正常速度；E为杨氏模量；μ为泊松比；ρ为岩石密度；测量的超声波波速记为V，若V<Va，则说明岩石内部已经裂隙，导致波在岩石中传播遇到裂隙导致波速下降，能量耗散，若V>Va，则说明岩石中原始裂隙被压密，致使波的传播更快，能量更高。
根据超声波的传播速度还与岩石内部结构和应力状态有关，声波波速随介质裂隙发育、密度降低而降低，随应力增大、密度增大而增加来分析岩石损伤程度以及内部裂纹扩展情况。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种利用超声波反映不同含水率受载岩石损伤规律的方法，实现了对岩石试块在受载破坏过程中任一时刻以及任意时间段内的超声波测量，并且根据岩石的应力-应变曲线以及超声波的频率-幅度曲线来分析岩石试块在外力作用下内部裂隙扩展规律以及损伤情况。
本发明的方法中采用凡士林作为耦合剂，可以有效地减小测量误差，得到更加真实的超声波数据；采用环氧树脂作为封水物质能够有效地防止一定含水率的岩石试块在试验过程中的水分散失，保证含水率的稳定性，从而测得较为准确地超声波数据。
本发明方法操作方便，测量方法简单，易于携带，测量数据精确，实现了岩石试件实验过程中真正的无损检测，能很好的反映出岩石的内部损伤情况以及裂纹扩展规律。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的岩石试块与设备连接示意图；
图3为本发明一优选实施例的应力-应变曲线图；
图4为本发明一优选实施例的超声波频率-幅度曲线图。
【附图标记说明】
1：岩石试块；
2：超声波换能器；
3：橡胶皮圈；
4：超声波检测仪；
5：伺服压力机。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
一种利用超声波来反映不同含水率的受载岩石损伤以及内部裂纹扩展的方法，其它流程图如图1所示，主要包括以下步骤：
(1)制作岩石试块：选取待测岩石，加工得到常规标准长方体岩石试块1，尺寸为100mm×100mm×200mm，符合《GB/T50266-2013工程岩体试验方法标准》的要求。
(2)将制好的岩石试块放入烘箱中，在105～110℃恒温下烘干24h，然后放入干燥器内冷却至室温，称重，精确至0.01g，得到质量m1的干燥岩石试块，再将干燥岩石试块浸水，一段时间后取出，将岩石试块表面水分擦干，然后称重，精确至0.01g，得到一定含水率的岩石试块，质量记作m2，具体的含水率由公式(1)计算得到
本实施例1中采用了三个试样进行研究，三个试样记为试样1、试样2、试样3，其含水率分别如下表1所示。
表1
m<sub>1</sub>(g) m<sub>2</sub>(g) m<sub>2</sub>-m<sub>1</sub>(g) ω
试样1 4949.53 4959.48 9.95 0.201％
试样2 4941.21 4949.65 8.44 0.171％
试样3 4895.45 4903.24 7.79 0.159％
(3)将环氧树脂E51与593固化剂按照3:1的质量比配置，使用毛刷将环氧树脂溶液与593固化剂混合液均匀涂抹于岩石试块1表面，通过采用环氧树脂混合液涂层对岩石试块1进行封水处理，并将封水处理后的岩石试块1放置在通风处12h风干。
(4)在封水后的岩石试块1表面上刮掉与超声波换能器2大小面积相等的环氧树脂涂层，在刮掉涂层后的岩石试块1表面均匀的涂抹上凡士林，并将超声波检测仪4的发射器与接收器与岩石试块1用橡胶皮圈3固定。其中，凡士林是作为耦合剂，让发射器与接收器能更好的接触，以求测量数据精确。
(5)在岩石试块1的两端设有伺服压力机5，启动伺服压力机5开始试验。
(6)记录试验过程中的超声波数据，结果见表2。
表2
(7)数据处理：根据超声波在岩体中的传播速度与岩石的受力状态与裂隙程度的关系来实时地反映岩石的内部损伤情况即超声波波速与波幅数据。压力机上获得应力-应变曲线如图3所示，将采集的数据用MATLAB进行变换得到超声波的频率-幅度曲线如图4所示。根据图3的应力-应变曲线中可以看到，岩石试块在分别经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段以及峰后破坏阶段。从收集到的超声波数据表2中得知，在岩石试块的压密阶段，超声波的最大幅值以及波速，会随着岩石试块内部原始裂隙的压密闭合而呈现增大的趋势，随着应力的增大，岩石内部裂隙扩展，超声波在岩石试块内部反射面增加，造成声波传播过程中能量耗散增加，导致超声波最大幅值与波速逐渐下降。当应力继续增加，导致内部裂隙连接相互贯通，岩石试块出现肉眼可见的细小裂纹，超声波最大幅值与波速急剧下降，最终岩石试块宏观破坏。可以根据超声波的振幅频谱图如图4与波速变化来反映岩石内部裂隙扩展贯通情况。
根据公式计算超声波在干燥岩石试块中的正常波速进行数据处理，其中，Va为超声波的纵波在岩石试块中的正常速度，即为干燥状态下岩石的波速；E为杨氏模量；μ为泊松比；ρ为岩石密度；测量的超声波波速记为V，若V<Va，则说明岩石内部已经裂隙，导致波在岩石中传播遇到裂隙导致波速下降，能量耗散，若V>Va，则说明岩石中原始裂隙被压密，致使波的传播更快，能量更高。
本发明所采集的是含水状态下的超声波信息，由于岩石内部原生裂隙与孔洞以及水的影响，Va特指试验开始前即压力为0时，所采集的声波波速，其他参数亦保持不变。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用超声波反映不同含水率受载岩石损伤规律的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1、按照GB/T50266-2013工程岩体试验方法标准制作岩石试块；
S2、将所述岩石试块制作成一定含水率的岩石试块；
S3、对岩石试块表面进行封水处理；
S4、连接超声波测量仪器；
S5、将岩石试块放在压力机试验台上面，并启动伺服压力机开始试验；
S6、进行超声波测量，并记录测量数据；
S7、数据处理：收集实验过程中伺服压力机的应力应变数据并生成应力-应变曲线，将收集的超声波数据用MATLAB进行傅里叶变换得到超声波的频率-幅度曲线，进行波速和频谱图分析。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述制作成一定含水率的岩石试块的方法为：将岩石试块放入烘箱中，在105～110℃恒温下烘干24h，然后放入干燥器内冷却至室温，称重，精确至0.01g，得到质量m1的干燥岩石试块，再将干燥岩石试块浸水，一段时间后取出，将岩石试块表面水分擦干，然后称重，精确至0.01g，质量记作m2，得到一定含水率的岩石试块，具体的含水率由公式
计算得到。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述封水处理采用毛刷将环氧树脂涂料均匀涂抹于岩石试块表面对岩石试块进行封水处理，并将封水处理后的岩石试块放置在通风处12h风干。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述环氧树脂涂料是指将环氧树脂E51与593固化剂按照3:1的质量比所配置的溶液，加入固化剂以加快环氧树脂固化的速度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述连接超声波测量仪器时，需刮掉步骤S3封水后的岩石试块的表面环氧树脂涂料，其面积与超声波探头大小相等；并刮掉环氧树脂涂料的岩石表面涂抹凡士林，作为超声波测量仪器探头与岩石试块的耦合剂；并将超声波发射器与接收器用橡胶皮圈固定在岩石试块。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S6中，所述记录测量数据为实时记录岩石试块在受载情况下岩石的声波信息，或记录任一时刻的超声波数据。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S7中，数据分析还包括根据公式计算超声波干燥岩石试块中的正常波速，其中，Va为超声波的纵波在岩石试块中的正常速度；E为杨氏模量；μ为泊松比；ρ为岩石密度；测量的超声波波速记为V，若V<Va，则说明岩石内部已经裂隙，导致波在岩石中传播遇到裂隙导致波速下降，能量耗散，若V>Va，则说明岩石中原始裂隙被压密，致使波的传播更快，能量更高。
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