CN111551638B - 一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法 - Google Patents

一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法。其技术方案是：采用低温岩石声波波速与变形测试装置，测得冻融时刻为ti时的待测试样(24)高度方向的位移Ci‑1和待测试样(24)侧面方向的位移之和
Figure DDA0002478370100000011
利用该测试装置各方向位移测量误差对待测试样(24)位移测试结果进行校正：校正后待测试样(24)高度方向的位移Ri‑1＝Ci‑1+βi‑1；校正后待测试样(24)侧面方向的位移之和
Figure DDA0002478370100000012
将待测试样(24)的高度hdi＝Ri‑1+hs输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)波速vi；得到待测试样(24)的高度方向应变
Figure DDA0002478370100000013
和侧向应变
Figure DDA0002478370100000014
本发明能实时测量岩石冻融过程中波速与变形，测试结果准确可靠。

Description

一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法
技术领域
本发明属于低温岩石室内测试技术领域。具体涉及一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法。
背景技术
低温岩石冻融室内试验中，饱和岩石中的孔隙水在低温作用下冻结，产生了约9％的体积膨胀，这种反常膨胀导致了岩石内部产生了较大的拉应力，从而导致岩石产生冻胀变形，当这种变形超过岩石弹性极限时，就会造成岩石损伤。因此，在研究岩石低温冻融循环过程中的损伤劣化机理，不可避免的要对岩石冻融过程中冻融损伤进行监测。
岩石损伤劣化是岩石内部微观过程，无法通过肉眼直接观察到，一般通过间接的方式对其进行监测，其中包含核磁共振、单轴压缩力学试验、CT技术、声波测试等方式建立岩石宏观物理量与岩石内部损伤的关系。目前，常温岩石力学试验损伤监测研究取得了迅速发展，科技人员提出利用声波测试技术连续监测岩石试样单轴压缩过程中声波波速的方法：“一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法”(CN102589672A)；“一种岩石时效劣化过程的测试方法”(CN102928512A)。还有科技人员提出结合声波测试及声发射监测技术共同监测岩石受荷破坏过程中岩石内部损伤规律：“一种岩石声波、声发射同步测量的方法及装置”(CN103954690A)。上述方法应用领域为常温岩石室内力学试验领域，在低温冻融室内试验领域可操作性不强：首先，上述测量方法没有考虑温度的影响；其次在测量岩石声波波速时没有考虑岩石受荷后测量方向上的距离变化，然而这种距离的变化直接影响波速测试结果。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的在于提供一种能实时、准确的测量岩石冻融过程中声波波速和实时、准确测量岩石冻融过程变形的低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法，测量结果可靠，为岩石低温冻融循环过程中的损伤劣化机理研究奠定了基础。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体步骤是：
步骤1、待测试样和校正试样的制备
将待测试样初坯于105℃条件下烘干12～24h，置于真空抽气桶中，在-0.1MPa条件下静置4～6h。再向所述真空抽气桶中注水至试样高度1/4，以后每隔2h注水一次，依次注水至试样高度1/2、试样高度3/4和试样全部淹没，浸泡48h，取出后拭干表面，得到饱和待测试样。然后在所述饱和待测试样的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在所述饱和试样四个侧面涂一层密封树脂，得到待测试样。
所述待测试样初坯的材质为岩石，待测试样坯体的长×宽×高＝l0×l0×h0；所述待测试样的长×宽×高＝ls×ls×hs。
在校正试样初坯的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在校正试样初坯的四个侧面涂一层密封树脂，然后将温度传感器密封在校正试样坯体的一个侧面上，得到校正试样。
所述校正试样初坯的材质为铜、或为铝；所述校正试样初坯的长×宽×高＝l0×l0×h0。
步骤2、低温岩石声波波速与变形测试装置及其温度校正
步骤2.1、低温岩石声波波速与变形测试装置
低温岩石声波波速与变形测试装置由测试平台、4个水平变形测试架、第一LVDT位移传感器、第二平面声波换能器和第一平面声波换能器组成。
测试平台由底座、横梁和两个立柱组成；底座的两个对角处分别设有立柱，两根立柱中心对称设置；两根立柱的上部装有横梁，横梁中间位置处开有第一LVDT位移传感器的安装孔。
底座是由正方形平板和正方形凸台组成的整体，正方形平板的中心线和正方形凸台的中心线为同一条直线；正方形凸台的边长为正方形平板边长的0.4～0.5倍。底座的中心位置处设有盲孔，在盲孔的孔壁沿径向方向设有导线孔，导线孔靠近盲孔底部；正方形平板中心对称地设有4条支架安装槽，每条支架安装槽的中心线与各自对应的正方形平板的边的中垂线重合，每条支架安装槽由外向内呈条形，每条支架安装槽的长度为正方形平板边长的0.20～0.25倍，每条支架安装槽的截面为空心“凸”字状。
4个水平变形测试架均由L型支架和第二LVDT位移传感器组成；L型支架是由支架垂直板和支架水平板构成的整体，所述支架垂直板的正面中心处开有一个位移传感器安装孔，在位移传感器安装孔的孔壁朝外开有位移传感器固定孔。L型支架的位移传感器安装孔装有第二LVDT位移传感器，螺栓通过位移传感器固定孔将第二LVDT位移传感器紧固在位移传感器安装孔内。
所述支架水平板开有支架固定孔；L型支架的支架水平板通过支架固定孔用螺栓固定在底座各自对应的支架安装槽的上平面；横梁的安装孔装有第一LVDT位移传感器，盲孔底部放置有第一平面声波换能器。
低温岩石声波波速与变形测试装置在使用时，第二平面声波换能器放置在校正试样或待测试样的上平面。
步骤2.2、校正试样的安装
对低温岩石声波波速与变形测试装置进行温度校正时，将校正试样放置在第一平面声波换能器的上平面，校正试样的上平面放置有第二平面声波换能器，第一LVDT位移传感器的测量探针延长杆与第二平面声波换能器的上平面相接触；4个第二LVDT位移传感器的测量探针延长杆与校正试样对应的侧面相接触，拧紧第一LVDT位移传感器的固定螺丝和4个第二LVDT位移传感器的固定螺丝。
第一LVDT位移传感器通过电缆与数据信号采集仪的CH1通道相连接，4个第二LVDT位移传感器通过各自的电缆与数据信号采集仪的CH2通道、CH3通道、CH4通道、CH5通道对应连接。第二平面声波换能器通过电缆线与声波检测仪的CH1端口相连接，第一平面声波换能器通过另一根电缆穿过测试平台上的导线孔与声波检测仪的TRANSMIT端口相连接；温度传感器通过导线与温度采集仪相连。
步骤2.3、低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正
低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正的步骤是：
S1、先将安装校正试样后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱中。设置高低温试验箱冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃；降温速率为0.8～1℃/min；升温速率为0.8～1℃/min；冻结时长为n，融化时长为n，n为360～390的整数，min。
S2、查询所用校正试样材料的线膨胀系数α；开启温度采集仪与数据信号采集仪，分别设置温度采集仪与数据信号采集仪的采集间隔为1min/次；冻融开始前，读取温度采集仪的初始温度Tj0，将数据信号采集仪的各通道初始位移置零。
S3、冻融时刻为t1，读取温度采集仪的温度Tj1，读取数据信号采集仪的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L1-1、L1-2、……、L1-5，计算校正试样的高度方向理论位移hj1＝α×(Tj1-Tj0)×h0，计算数据信号采集仪的CH1通道对应的测量误差β1-1＝hj1-L1-1，计算校正试样的4个侧面方向理论位移之和lj1＝2α×(Tj1-Tj0)×l0，计算数据信号采集仪的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000031
S4、冻融时刻为t2，读取温度采集仪的温度Tj2，读取数据信号采集仪的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L2-1、L2-2、……、L2-5，计算校正试样的高度方向理论位移hj2＝α×(Tj2-Tj0)×h0，计算数据信号采集仪的CH1通道对应的测量误差β2-1＝hj2-L2-1，计算校正试样的4个侧面方向理论位移之和lj2＝2α×(Tj2-Tj0)×l0，计算数据信号采集仪的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000032
……。
S5、冻融时刻为ti，读取温度采集仪温度Tji，读取数据信号采集仪的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移数据Li-1、Li-2、……、Li-5，计算校正试样的高度方向理论位移hji＝α×(Tji-Tj0)×h0，计算数据信号采集仪的CH1通道对应的测量误差βi-1＝hji-Li-1，计算校正试样的4个侧面方向理论位移之和lji＝2α×(Tji-Tj0)×l0，计算数据信号采集仪的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000041
……。
S6、冻融时刻为t2n，读取温度采集仪温度Tj2n，读取数据信号采集仪的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移数据L2n-1、L2n-2、……、L2n-5，计算校正试样的高度方向理论位移hj2n＝α×(Tj2n-Tj0)×h0，计算数据信号采集仪的CH1通道对应的测量误差β2n-1＝hj2n-L2n-1，计算校正试样的4个侧面方向理论位移之和lj2n＝2α×(Tj2n-Tj0)×l0，计算数据信号采集仪的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000042
测试结束，关闭高低温试验箱、数据信号采集仪与声波检测仪。
k表示数据信号采集仪的通道序号，k为2,3,4,5；
i表示冻融时刻，i为1,2,3,……2n，n为360～390的整数，min。
步骤3、低温岩石声波波速与变形测试装置的测试方法
步骤3.1、安装待测试样
将待测试样放置在第一平面声波换能器的上平面，待测试样的上平面放置有第二平面声波换能器，第一LVDT位移传感器的测量探针延长杆与第二平面声波换能器的上平面相接触；4个第二LVDT位移传感器的测量探针延长杆与待测试样对应的侧面相接触，拧紧第一LVDT位移传感器的固定螺丝和4个第二LVDT位移传感器的固定螺丝。
第一LVDT位移传感器通过电缆与数据信号采集仪的CH1通道相连接，4个第二LVDT位移传感器通过各自的电缆与数据信号采集仪的CH2通道、CH3通道、CH4通道、CH5通道对应连接；第二平面声波换能器通过电缆线与声波检测仪的CH1端口相连接，第一平面声波换能器通过另一根电缆穿过测试平台上的导线孔与声波检测仪的TRANSMIT端口相连接。
步骤3.2、测试与数据初处理
S1、先将安装待测试样后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱中。设置高低温试验箱冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃；降温速率为0.8～1℃/min；升温速率为0.8～1℃/min；冻结时长为n，融化时长为n；n为360～390的整数，min。
S2、开启数据信号采集仪与声波检测仪，分别设置数据信号采集仪与声波检测仪的采集间隔为1min/次；冻融开始前，将数据信号采集仪的各通道初始位移置零，将待测试样高度hs输入到声波检测仪中，读取待测试样初始波速v0。
S3、冻融时刻为t1，依次读取数据信号采集仪的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移C1-1、C1-2、……、C1-5，校正后的CH1通道对应的位移R1-1＝C1-1+β1-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应位移之和
Figure BDA0002478370080000043
待测试样的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000044
待测试样的侧向应变
Figure BDA0002478370080000051
将待测试样的高度hd1＝R1-1+hs输入到声波检测仪中，读取待测试样的波速v1。
S4、冻融时刻为t2，依次读取数据信号采集仪上CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C2-1、C2-2、……C2-5；校正后的CH1通道对应的位移数据为R2-1＝C2-1+β2-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure BDA0002478370080000052
待测试样的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000053
待测试样的侧向应变
Figure BDA0002478370080000054
将待测试样的高度hd2＝R2-1+hs输入到声波检测仪中，读取待测试样的波速v2。
……。
S5、冻融时刻为ti，依次读取数据信号采集仪的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移Ci-1、Ci-2、……Ci-5，校正后的CH1通道的位移Ri-1＝Ci-1+βi-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure BDA0002478370080000055
待测试样的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000056
待测试样的侧向应变
Figure BDA0002478370080000057
将待测试样的高度hdi＝Ri-1+hs输入到声波检测仪中，读取待测试样波速vi。
……。
S6、冻融时刻为t2n，依次读取数据信号采集仪的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C2n-1、C2n-2、……C2n-5，校正后的CH1通道的位移R2n-1＝C2n-1+β2n-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure BDA0002478370080000058
待测试样的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000059
待测试样的侧向应变
Figure BDA00024783700800000510
将待测试样的高度hd2n＝R2n-1+hs输入到声波检测仪中，读取待测试样的波速v2n。
测试结束，关闭高低温试验箱、数据信号采集仪与声波检测仪。
在S3～S6中：
β1-1表示冻融时刻t1时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β1-1＝hj1-L1-1；
β2-1表示冻融时刻t2时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β2-1＝hj2-L2-1；
βi-1表示冻融时刻ti时计算所得的CH1通道对应的测量误差，βi-1＝hji-Li-1；
β2n-1表示冻融时刻t2n时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β2n-1＝hj2n-L2n-1；
Figure BDA00024783700800000511
表示冻融时刻t1时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA00024783700800000512
Figure BDA00024783700800000513
表示冻融时刻t2时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA00024783700800000514
Figure BDA0002478370080000061
表示冻融时刻ti时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA0002478370080000062
Figure BDA0002478370080000064
表示冻融时刻t2n时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA0002478370080000063
L1-1表示数据信号采集仪的CH1通道监测的校正试样在冻融时刻t1的位移；
L2-1表示数据信号采集仪的CH1通道监测的校正试样在冻融时刻t2的位移；
Li-1表示数据信号采集仪的CH1通道监测的校正试样在冻融时刻ti的位移；
L2n-1表示数据信号采集仪的CH1通道监测的校正试样在冻融时刻t2n的位移；
L1-k表示数据信号采集仪的CHK通道监测的校正试样在冻融时刻t1的位移；
L2-k表示数据信号采集仪的CHK通道监测的校正试样在冻融时刻t2的位移；
Li-k表示数据信号采集仪的CHK通道监测的校正试样在冻融时刻ti的位移；
L2n-k表示数据信号采集仪的CHK通道监测的校正试样在冻融时刻t2n的位移；
hj1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样在冻融时刻t1高度方向的理论位移；
hj2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样在冻融时刻t2高度方向的理论位移；
hji表示通过线膨胀系数α计算的校正试样在冻融时刻ti高度方向的理论位移；
hj2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样在冻融时刻t2n高度方向的理论位移；
lj1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样在冻融时刻t1侧向的理论位移；
lj2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样在冻融时刻t2侧向的理论位移；
lji表示通过线膨胀系数α计算的校正试样在冻融时刻ti侧向的理论位移；
lj2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样在冻融时刻t2n侧向的理论位移；
k表示数据信号采集仪的通道序号，k为2,3,4,5；
i表示冻融时刻，i为1,2,3,……2n，n为360～390的整数，min。
步骤3.3、数据后处理
根据所测待测试样不同时刻的波速vi、高度方向应变εhdi和侧向应变εldi，即可得到待测试样冻融循环过程中时间-波速图和时间-应变图；
步骤2.3和步骤3.2中所述恒温是指在20～25℃条件下放置30～60min。
本说明书中，有关字母下角标中的“j”或“d”字样依次代表与该字母相关的“校正试样”或“待测试样”(下同)。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下效果：
①能实时测量岩石冻融全过程变形
本发明所采用第一LVDT位移传感器和第二LVDT位移传感器，能对待测试样冻融过程中高度方向的应变εhdi和侧向应变εldi进行实时监测，为待测试样低温冻融损伤劣化机理研究提供基础数据，现有测试技术只考虑冻融循环后岩石物理力学指标劣化，而没有关注冻融循环过程中损伤积累过程，本发明实现了对岩石低温冻融全过程的监测，为利用岩石低温变形来研究岩石冻融循环过程中损伤劣化机理研究奠定基础。
②能准确测量岩石冻融过程变形
本发明利用低温岩石声波波速与变形测试装置测试已知热膨胀系数α的校正试样在低温条件下不同时刻ti的温度Tji与位移Li-1、Li-k，通过理论计算，得出了低温岩石声波波速与变形测试装置在不同时刻不同通道对应的测量误差βi-1和
Figure BDA0002478370080000071
从而在进行待测试样变形测试时，利用不同时刻ti不同通道的测量误差βi-1和
Figure BDA0002478370080000072
对数据采集仪对应通道数据进行误差校正，达到准确测量待测试样高度方向的应变εhdi和侧向应变εldi的目的，考虑了温度对低温岩石声波波速与变形测试装置变形测量结果的影响，使测试结果更为可靠。
③能实时、准确地测量岩石冻融过程中声波波速
本发明所采用低温岩石声波波速与变形测试装置在进行温度校正后，能实时准确监测待测试样在低温冻融试验时高度hdi，将待测试样高度hdi输入声波检测仪中，通过声波检测仪测出实时的待测试样波速vi，从而为研究低温岩石冻融过程中的波速特征提供准确数据支撑，现有岩石波速测试技术不考虑波速测试方向上的距离随加载时间的变化，波速测试结果准确性较低，本发明考虑了测试方向距离随时间变化这一因素，确保了波速测试时距离的准确，减小测试结果误差，测试结果可靠。
因此，本发明能实时准确的测量岩石冻融过程中声波波速和实时测量岩石冻融过程变形，测试结果可靠，为岩石低温冻融循环过程中的损伤劣化机理研究奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的一种低温岩石声波波速与变形测试装置结构示意图；
图2为图1中测试平台1的结构示意图；
图3为图2的俯视示意图；
图4为图1中水平变形测试架2的结构示意图；
图5为图4中L型支架13的右视示意图；
图6为安装校正试样19后的低温岩石声波波速与变形测试装置的示意图；
图7为安装校正试样19的低温岩石声波波速与变形测试装置的冻融测试示意图；
图8为安装待测试样24后的低温岩石声波波速与变形测试装置的示意图；
图9为安装待测试样24的低温岩石声波波速与变形测试装置的冻融测试示意图；
图10为第一个待测试样24冻融循环过程中时间-波速图；
图11为第一个待测试样24冻融循环过程中时间-应变图；
图12为第二个待测试样24冻融循环过程中时间-波速图；
图13为第二个待测试样24冻融循环过程中时间-应变图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法。本实施例所述测试方法的具体步骤是：
步骤1、待测试样和校正试样的制备
将待测试样初坯于105℃条件下烘干12h，置于真空抽气桶中，在-0.1MPa条件下静置4h。再向所述真空抽气桶中注水至试样高度1/4，以后每隔2h注水一次，依次注水至试样高度1/2、试样高度3/4和试样全部淹没，浸泡48h，取出后拭干表面，得到饱和待测试样。然后在所述饱和待测试样的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在所述饱和试样四个侧面涂一层密封树脂，得到待测试样。
所述待测试样初坯的材质为红砂岩，待测试样坯体的长×宽×高＝40×40×100mm；所述待测试样的长×宽×高＝40×40×100.1mm。
在校正试样初坯的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在校正试样初坯的四个侧面涂一层密封树脂，然后将温度传感器密封在校正试样坯体的一个侧面上，得到校正试样。
所述校正试样初坯的材质为铜；所述校正试样初坯的长×宽×高＝40×40×100mm。
步骤2、低温岩石声波波速与变形测试装置及其温度校正
步骤2.1、低温岩石声波波速与变形测试装置
如图1所示，低温岩石声波波速与变形测试装置由测试平台1、4个水平变形测试架2、第一LVDT位移传感器3、第二平面声波换能器4和第一平面声波换能器5组成。
如图2和图3所示，测试平台1由底座6、横梁9和两个立柱10组成。底座6的两个对角处分别设有立柱10，两根立柱10中心对称设置；两根立柱10的上部装有横梁9，横梁9中间位置处开有第一LVDT位移传感器3的安装孔12。
如图2～图3所示，底座6是由正方形平板和正方形凸台组成的整体，正方形平板的中心线和正方形凸台的中心线为同一条直线；正方形凸台的边长为正方形平板边长的0.4倍。底座6的中心位置处设有盲孔11，在盲孔11的孔壁沿径向方向设有导线孔7，导线孔7靠近盲孔11底部；正方形平板中心对称地设有4条支架安装槽8，每条支架安装槽8的中心线与各自对应的正方形平板的边的中垂线重合，每条支架安装槽8由外向内呈条形，每条支架安装槽8的长度为正方形平板边长的0.20倍，每条支架安装槽8的截面为空心“凸”字状。
如图4和图5所示，4个水平变形测试架2均由L型支架13和第二LVDT位移传感器14组成；L型支架13是由支架垂直板和支架水平板构成的整体，所述支架垂直板的正面中心处开有一个位移传感器安装孔17，在位移传感器安装孔17的孔壁朝外开有位移传感器固定孔16。L型支架13的位移传感器安装孔17装有第二LVDT位移传感器14，螺栓通过位移传感器固定孔16将第二LVDT位移传感器14紧固在位移传感器安装孔17内。
如图5所示，所述支架水平板开有支架固定孔15；如图6所示，L型支架13的支架水平板通过支架固定孔15用螺栓固定在底座6各自对应的支架安装槽8的上平面；横梁9的安装孔12装有第一LVDT位移传感器3，盲孔11底部放置有第一平面声波换能器5。
如图6和图8所示，低温岩石声波波速与变形测试装置在使用时，第二平面声波换能器4放置在校正试样19或待测试样24的上平面。
步骤2.2、校正试样19的安装
对低温岩石声波波速与变形测试装置进行温度校正时，如图6、7所示，将校正试样19放置在第一平面声波换能器5的上平面，校正试样19的上平面放置有第二平面声波换能器4，第一LVDT位移传感器3的测量探针延长杆与第二平面声波换能器4的上平面相接触；4个第二LVDT位移传感器14的测量探针延长杆与校正试样19对应的侧面相接触，拧紧第一LVDT位移传感器3的固定螺丝和4个第二LVDT位移传感器14的固定螺丝。
如图7所示，第一LVDT位移传感器3通过电缆与数据信号采集仪21的CH1通道相连接，4个第二LVDT位移传感器14通过各自的电缆与数据信号采集仪21的CH2通道、CH3通道、CH4通道、CH5通道对应连接。第二平面声波换能器4通过电缆线与声波检测仪23的CH1端口相连接，第一平面声波换能器5通过另一根电缆穿过测试平台1上的导线孔7与声波检测仪23的TRANSMIT端口相连接；如图6和图7所示，温度传感器18通过导线与温度采集仪22相连。
步骤2.3、低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正
低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正的步骤是：
S1、先将安装校正试样19后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱20中。设置高低温试验箱20冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃；降温速率为0.8℃/min；升温速率为0.8℃/min；冻结时长为n，融化时长为n，n为360min。
S2、查得所用校正试样19材料的线膨胀系数α＝16.5×10-6℃-1；开启温度采集仪22与数据信号采集仪21，分别设置温度采集仪22与数据信号采集仪21的采集间隔为1min/次；冻融开始前，读取温度采集仪22的初始温度Tj0＝20℃，将数据信号采集仪21的各通道初始位移置零。
S3、冻融时刻为t1，读取温度采集仪22的温度Tj1＝19.9℃，读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L1-1＝-0.155×10-3mm、L1-2＝-0.022×10-3mm、……、L1-5＝-0.024×10-3mm，计算校正试样19的高度方向理论位移hj1＝α×(Tj1-Tj0)×h0＝16.5×10-6×(19.9-20)×100＝-0.165×10-3mm，计算数据信号采集仪21的CH1通道对应的测量误差β1-1＝hj1-L1-1＝(-0.165-(-0.155))×10-3＝-0.01×10-3mm，计算校正试样19的4个侧面方向理论位移之和lj1＝2α×(Tj1-Tj0)×l0＝2×16.5×10-6×(19.9-20)×40＝-0.132×10-3mm，计算数据信号采集仪21的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000101
Figure BDA0002478370080000102
S4、冻融时刻为t2，读取温度采集仪22的温度Tj2＝19.8℃，读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L2-1＝-0.29×10-3mm、L2-2＝-0.045×10-3mm、……、L2-5＝-0.047×10-3mm，计算校正试样19的高度方向理论位移hj2＝α×(Tj2-Tj0)×h0＝16.5×10-6×(19.8-20)×100＝-0.33×10-3mm，计算数据信号采集仪21的CH1通道对应的测量误差β2-1＝hj2-L2-1＝(-0.33-(-0.29))×10-3＝-0.04×10-3mm，计算校正试样19的4个侧面方向理论位移之和lj2＝2α×(Tj2-Tj0)×l0＝2×16.5×10-6×(19.8-20)×40＝-0.264×10-3mm，计算数据信号采集仪21的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000103
Figure BDA0002478370080000104
……。
S5、冻融时刻为t2n-1，读取温度采集仪22温度Tj2n-1＝20℃，读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移数据L(2n-1)-1＝0mm、L(2n-1)-2＝0mm、……、L(2n-1)-5＝0mm，计算校正试样19的高度方向理论位移hj2n-1＝α×(Tj2n-1-Tj0)×h0＝16.5×10-6×(20-20)×100＝0mm，计算数据信号采集仪21的CH1通道对应的测量误差β(2n-1)-1＝hj2n-1-L(2n-1)-1＝0mm，计算校正试样19的4个侧面方向理论位移之和lj2n-1＝2α×(Tj2n-1-Tj0)×l0＝2×16.5×10-6×(20-20)×40＝0mm，计算数据信号采集仪21的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000105
S6、冻融时刻为t2n，读取温度采集仪22温度Tj2n＝20℃，读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移数据L2n-1＝0mm、L2n-2＝0mm、……、L2n-5＝0mm，计算校正试样19的高度方向理论位移hj2n＝α×(Tj2n-Tj0)×h0＝16.5×10-6×(20-20)×100＝0mm，计算数据信号采集仪21的CH1通道对应的测量误差β2n-1＝hj2n-L2n-1＝0mm，计算校正试样19的4个侧面方向理论位移之和lj2n＝2α×(Tj2n-Tj0)×l0＝2×16.5×10-6×(20-20)×40＝0mm，计算数据信号采集仪21的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000106
测试结束，关闭高低温试验箱20、数据信号采集仪21与声波检测仪23。
k表示数据信号采集仪21的通道序号，k为2,3,4,5；
步骤3、低温岩石声波波速与变形测试装置的测试方法
步骤3.1、安装待测试样24
如图8、9所示，将待测试样24放置在第一平面声波换能器5的上平面，待测试样24的上平面放置有第二平面声波换能器4，第一LVDT位移传感器3的测量探针延长杆与第二平面声波换能器4的上平面相接触；4个第二LVDT位移传感器14的测量探针延长杆与待测试样24对应的侧面相接触，拧紧第一LVDT位移传感器3的固定螺丝和4个第二LVDT位移传感器14的固定螺丝。
第一LVDT位移传感器3通过电缆与数据信号采集仪21的CH1通道相连接，4个第二LVDT位移传感器14通过各自的电缆与数据信号采集仪21的CH2通道、CH3通道、CH4通道、CH5通道对应连接；第二平面声波换能器4通过电缆线与声波检测仪23的CH1端口相连接，第一平面声波换能器5通过另一根电缆穿过测试平台1上的导线孔7与声波检测仪23的TRANSMIT端口相连接。
步骤3.2、测试与数据初处理
S1、先将安装待测试样24后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱20中。设置高低温试验箱20冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃；降温速率为0.8℃/min；升温速率为0.8℃/min；冻结时长为n，融化时长为n；n为360min。
S2、开启数据信号采集仪21与声波检测仪23，分别设置数据信号采集仪21与声波检测仪23的采集间隔为1min/次；冻融开始前，将数据信号采集仪21的各通道初始位移置零，将待测试样24高度hs＝100.1mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24初始波速v0＝2500m/s。
S3、冻融时刻为t1，依次读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移C1-1＝-0.0901×10-3mm、C1-2＝-0.005×10-3mm、……、C1-5＝-0.007×10-3mm，校正后的CH1通道对应的位移R1-1＝C1-1+β1-1＝(-0.0901+(-0.01))×10-3＝-0.1001×10-3mm，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应位移之和
Figure BDA0002478370080000111
待测试样24的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000112
待测试样24的侧向应变
Figure BDA0002478370080000113
将待测试样24的高度hd1＝R1-1+hs＝-0.1001×10-3+100.1＝100.0999mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24的波速v1＝2500m/s。
S4、冻融时刻为t2，依次读取数据信号采集仪21上CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C2-1＝-0.2603×10-3mm、C2-2＝-0.003×10-3mm、……C2-5＝-0.005×10-3mm；校正后的CH1通道对应的位移数据为R2-1＝C2-1+β2-1＝(-0.2603+(-0.04))×10-3＝-0.3003×10-3mm，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure BDA0002478370080000121
Figure BDA0002478370080000122
待测试样24的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000123
待测试样24的侧向应变
Figure BDA0002478370080000124
将待测试样24的高度hd2＝R2-1+hs＝-0.3003×10-3+100.1＝100.0997mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24的波速v2＝2499m/s。
……。
S5、冻融时刻为t2n-1，依次读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C(2n-1)-1＝58.4584×10-3mm、C(2n-1)-2＝4.671×10-3mm、……C(2n-1)-5＝4.673×10-3mm，校正后的CH1通道的位移R(2n-1)-1＝C(2n-1)-1+β(2n-1)-1＝(58.4584+0)×10-3＝58.4584×10-3mm，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure BDA0002478370080000125
Figure BDA0002478370080000126
待测试样(24)的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000127
待测试样24的侧向应变
Figure BDA0002478370080000128
将待测试样24的高度hd(2n-1)＝R(2n-1)-1+hs＝58.4584×10-3+100.1＝100.1584584mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24波速v(2n-1)＝2471m/s。
……。
S6、冻融时刻为t2n，依次读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C2n-1＝58.5585×10-3、C2n-2＝4.67×10-3mm、……C2n-5＝4.69×10-3mm，校正后的CH1通道的位移R2n-1＝C2n-1+β2n-1＝(58.5585+0)×10-3＝58.5585×10-3mm，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure BDA0002478370080000129
待测试样24的高度方向应变
Figure BDA00024783700800001210
待测试样24的侧向应变
Figure BDA00024783700800001211
将待测试样24的高度hd2n＝R2n-1+hs＝58.5585×10-3+100.1＝100.1585585mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24的波速v2n＝2470m/s。
测试结束，关闭高低温试验箱20、数据信号采集仪21与声波检测仪23。
在S3～S6中：
β1-1表示冻融时刻t1时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β1-1＝hj1-L1-1；
β2-1表示冻融时刻t2时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β2-1＝hj2-L2-1；
β(2n-1)-1表示冻融时刻t2n-1时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β(2n-1)-1＝hj(2n-1)-L(2n-1)-1；
β2n-1表示冻融时刻t2n时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β2n-1＝hj2n-L2n-1；
Figure BDA0002478370080000131
表示冻融时刻t1时计算得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA0002478370080000132
Figure BDA0002478370080000133
表示冻融时刻t2时计算得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA0002478370080000134
Figure BDA0002478370080000135
表示冻融时刻t2n-1时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA0002478370080000136
Figure BDA0002478370080000137
表示冻融时刻t2n时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA0002478370080000138
L1-1表示数据信号采集仪21的CH1通道监测的校正试样19在冻融时刻t1的位移；
L2-1表示数据信号采集仪21的CH1通道监测的校正试样19在冻融时刻t2的位移；
L2n-1-1表示数据信号采集仪21的CH1通道监测的校正试样19在冻融时刻t2n-1的位移；
L2n-1表示数据信号采集仪21的CH1通道监测的校正试样19在冻融时刻t2n的位移；
L1-k表示数据信号采集仪21的CHK通道监测的校正试样19在冻融时刻t1的位移；
L2-k表示数据信号采集仪21的CHK通道监测的校正试样19在冻融时刻t2的位移；
L2n-1-k表示数据信号采集仪21的CHK通道监测的校正试样19在冻融时刻t2n-1的位移；
L2n-k表示数据信号采集仪21的CHK通道监测的校正试样19在冻融时刻t2n的位移；
hj1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t1高度方向的理论位移；
hj2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2高度方向的理论位移；
hj(2n-1)表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2n-1高度方向的理论位移；
hj2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2n高度方向的理论位移；
lj1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t1侧向的理论位移；
lj2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2侧向的理论位移；
lj(2n-1)表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2n-1侧向的理论位移；
lj2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2n侧向的理论位移；
k表示数据信号采集仪21的通道序号，k为2,3,4,5；
步骤3.3、数据后处理
根据测得的待测试样24在不同时刻的波速vi、高度方向应变εhdi和侧向应变εldi，绘制成图10和图11：图10为本实施例待测试样24冻融循环过程中时间-波速图；图11为待测试样24冻融循环过程的时间-应变图，该应变图包括高度方向应变εhdi图和侧向应变εldi图。
步骤2.3和步骤3.2中所述恒温是指在20℃条件下放置30min。
实施例2
一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法。本实施例所述测试方法的具体步骤是：
步骤1、待测试样和校正试样的制备
将待测试样初坯于105℃条件下烘干24h，置于真空抽气桶中，在-0.1MPa条件下静置6h。再向所述真空抽气桶中注水至试样高度1/4，以后每隔2h注水一次，依次注水至试样高度1/2、试样高度3/4和试样全部淹没，浸泡48h，取出后拭干表面，得到饱和待测试样。然后在所述饱和待测试样的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在所述饱和试样四个侧面涂一层密封树脂，得到待测试样。
所述待测试样初坯的材质为青砂岩，待测试样坯体的长×宽×高＝40×40×100mm；所述待测试样的长×宽×高＝40×40×100.1mm。
在校正试样初坯的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在校正试样初坯的四个侧面涂一层密封树脂，然后将温度传感器密封在校正试样坯体的一个侧面上，得到校正试样。
所述校正试样初坯的材质为铝；所述校正试样初坯的长×宽×高＝40×40×100mm。
步骤2、低温岩石声波波速与变形测试装置及其温度校正
步骤2.1、低温岩石声波波速与变形测试装置
除下述技术参数外，低温岩石声波波速与变形测试装置与实施例1的步骤2.1相同：
所述正方形凸台的边长为正方形平板边长的0.5倍；
所述每条支架安装槽8的长度为正方形平板边长的0.25倍。
步骤2.2、校正试样19的安装
校正试样19的安装与实施例1中的步骤2.2相同。
步骤2.3、低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正
低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正的步骤是：
S1、先将安装校正试样19后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱20中。设置高低温试验箱20冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃；降温速率为1℃/min；升温速率为1℃/min；冻结时长为n，融化时长为n，n为390min。
S2、查得所用校正试样19材料的线膨胀系数α＝23.0×10-6℃-1；开启温度采集仪22与数据信号采集仪21，分别设置温度采集仪22与数据信号采集仪21的采集间隔为1min/次；冻融开始前，读取温度采集仪22的初始温度Tj0＝25℃，将数据信号采集仪21的各通道初始位移置零。
S3、冻融时刻为t1，读取温度采集仪22的温度Tj1＝24.9℃，读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L1-1＝-0.206×10-3mm、L1-2＝-0.021×10-3mm、……、L1-5＝-0.023×10-3mm，计算校正试样19的高度方向理论位移hj1＝α×(Tj1-Tj0)×h0＝23.0×10-6×(24.9-25)×100＝-0.23×10-3mm，计算数据信号采集仪21的CH1通道对应的测量误差β1-1＝hj1-L1-1＝(-0.23-(-0.206))×10-3＝-0.024×10-3mm，计算校正试样19的4个侧面方向理论位移之和lj1＝2α×(Tj1-Tj0)×l0＝2×23.0×10-6×(24.9-25)×40＝-0.184×10-3mm，计算数据信号采集仪21的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000151
Figure BDA0002478370080000152
S4、冻融时刻为t2，读取温度采集仪22的温度Tj2＝24.8℃，读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L2-1＝-0.406×10-3mm、L2-2＝-0.037×10-3mm、……、L2-5＝-0.039×10-3mm，计算校正试样19的高度方向理论位移hj2＝α×(Tj2-Tj0)×h0＝23.0×10-6×(24.8-25)×100＝-0.46×10-3mm，计算数据信号采集仪21的CH1通道对应的测量误差β2-1＝hj2-L2-1＝(-0.46-(-0.406))×10-3＝-0.054×10-3mm，计算校正试样19的4个侧面方向理论位移之和lj2＝2α×(Tj2-Tj0)×l0＝2×23.0×10-6×(24.8-25)×40＝-0.368×10-3mm，计算数据信号采集仪21的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000153
Figure BDA0002478370080000154
……。
S5、冻融时刻为t2n-1，读取温度采集仪22温度Tj2n-1＝25℃，读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移数据L(2n-1)-1＝0mm、L(2n-1)-2＝0mm、……、L(2n-1)-5＝0mm，计算校正试样19的高度方向理论位移hj2n-1＝α×(Tj2n-1-Tj0)×h0＝23.0×10-6×(25-25)×100＝0mm，计算数据信号采集仪21的CH1通道对应的测量误差β(2n-1)-1＝hj2n-1-L(2n-1)-1＝0mm，计算校正试样19的4个侧面方向理论位移之和lj2n-1＝2α×(Tj2n-1-Tj0)×l0＝2×23.0×10-6×(25-25)×40＝0mm，计算数据信号采集仪21的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000155
S6、冻融时刻为t2n，读取温度采集仪22温度Tj2n＝25℃，读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移数据L2n-1＝0mm、L2n-2＝0mm、……、L2n-5＝0mm，计算校正试样19的高度方向理论位移hj2n＝α×(Tj2n-Tj0)×h0＝23.0×10-6×(25-25)×100＝0mm，计算数据信号采集仪21的CH1通道对应的测量误差β2n-1＝hj2n-L2n-1＝0mm，计算校正试样19的4个侧面方向理论位移之和lj2n＝2α×(Tj2n-Tj0)×l0＝2×23.0×10-6×(25-25)×40＝0mm，计算数据信号采集仪21的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure BDA0002478370080000156
测试结束，关闭高低温试验箱20、数据信号采集仪21与声波检测仪23。
k表示数据信号采集仪21的通道序号，k为2,3,4,5；
步骤3、低温岩石声波波速与变形测试装置的测试方法
步骤3.1、安装待测试样24
安装待测试样24与实施例1中的步骤3.1相同。
步骤3.2、测试与数据初处理
S1、先将安装待测试样24后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱20中。设置高低温试验箱20冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃；降温速率为1℃/min；升温速率为1℃/min；冻结时长为n，融化时长为n；n为390min。
S2、开启数据信号采集仪21与声波检测仪23，分别设置数据信号采集仪21与声波检测仪23的采集间隔为1min/次；冻融开始前，将数据信号采集仪21的各通道初始位移置零，将待测试样24高度hs＝100.1mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24初始波速v0＝2514m/s。
S3、冻融时刻为t1，依次读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移C1-1＝-0.1762×10-3mm、C1-2＝-0.007×10-3mm、……、C1-5＝-0.009×10-3mm，校正后的CH1通道对应的位移R1-1＝C1-1+β1-1＝(-0.1762+(-0.024))×10-3＝-0.2002×10-3mm，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应位移之和
Figure BDA0002478370080000161
待测试样24的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000162
待测试样24的侧向应变
Figure BDA0002478370080000163
将待测试样24的高度hd1＝R1-1+hs＝-0.2002×10-3+100.1＝100.0998mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24的波速v1＝2513m/s。
S4、冻融时刻为t2，依次读取数据信号采集仪21上CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C2-1＝-0.4465×10-3mm、C2-2＝-0.025×10-3mm、……C2-5＝-0.027×10-3mm；校正后的CH1通道对应的位移数据为R2-1＝C2-1+β2-1＝(-0.4465+(-0.054))×10-3＝-0.5005×10-3mm，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure BDA0002478370080000164
Figure BDA0002478370080000167
待测试样24的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000165
待测试样24的侧向应变
Figure BDA0002478370080000166
将待测试样24的高度hd2＝R2-1+hs＝-0.5005×10-3+100.1＝100.0995mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24的波速v2＝2510m/s。
……。
S5、冻融时刻为t2n-1，依次读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C(2n-1)-1＝58.058×10-3mm、C(2n-1)-2＝9.27×10-3mm、……C(2n-1)-5＝9.29×10-3mm，校正后的CH1通道的位移R(2n-1)-1＝C(2n-1)-1+β(2n-1)-1＝(58.058+0)×10-3＝58.058×10-3mm，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure BDA0002478370080000171
Figure BDA00024783700800001715
待测试样24的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000172
待测试样24的侧向应变
Figure BDA0002478370080000173
将待测试样24的高度hd(2n-1)＝R(2n-1)-1+hs＝58.058×10-3+100.1＝100.158058mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24波速v(2n-1)＝2461m/s。
……。
S6、冻融时刻为t2n，依次读取数据信号采集仪21的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C2n-1＝58.1581×10-3、C2n-2＝9.295×10-3mm、……C2n-5＝9.298×10-3mm，校正后的CH1通道的位移R2n-1＝C2n-1+β2n-1＝(58.1581+0)×10-3＝58.1581×10-3mm，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure BDA0002478370080000174
待测试样24的高度方向应变
Figure BDA0002478370080000175
待测试样24的侧向应变
Figure BDA0002478370080000176
将待测试样24的高度hd2n＝R2n-1+hs＝58.1581×10-3+100.1＝100.1581581mm输入到声波检测仪23中，读取待测试样24的波速v2n＝2460m/s。
测试结束，关闭高低温试验箱20、数据信号采集仪21与声波检测仪23。
在S3～S6中：
β1-1表示冻融时刻t1时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β1-1＝hj1-L1-1；
β2-1表示冻融时刻t2时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β2-1＝hj2-L2-1；
β(2n-1)-1表示冻融时刻t2n-1时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β(2n-1)-1＝hj(2n-1)-L(2n-1)-1；
β2n-1表示冻融时刻t2n时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β2n-1＝hj2n-L2n-1；
Figure BDA0002478370080000177
表示冻融时刻t1时计算得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA0002478370080000178
Figure BDA0002478370080000179
表示冻融时刻t2时计算得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA00024783700800001710
Figure BDA00024783700800001711
表示冻融时刻t2n-1时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA00024783700800001712
Figure BDA00024783700800001713
表示冻融时刻t2n时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure BDA00024783700800001714
L1-1表示数据信号采集仪21的CH1通道监测的校正试样19在冻融时刻t1的位移；
L2-1表示数据信号采集仪21的CH1通道监测的校正试样19在冻融时刻t2的位移；
L(2n-1)-1表示数据信号采集仪21的CH1通道监测的校正试样19在冻融时刻t2n-1的位移；
L2n-1表示数据信号采集仪21的CH1通道监测的校正试样19在冻融时刻t2n的位移；
L1-k表示数据信号采集仪21的CHK通道监测的校正试样19在冻融时刻t1的位移；
L2-k表示数据信号采集仪21的CHK通道监测的校正试样19在冻融时刻t2的位移；
L(2n-1)-k表示数据信号采集仪21的CHK通道监测的校正试样19在冻融时刻t2n-1的位移；
L2n-k表示数据信号采集仪21的CHK通道监测的校正试样19在冻融时刻t2n的位移；
hj1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t1高度方向的理论位移；
hj2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2高度方向的理论位移；
hj(2n-1)表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2n-1高度方向的理论移；
hj2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2n高度方向的理论位移；
lj1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t1侧向的理论位移；
lj2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2侧向的理论位移；
lj(2n-1)表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2n-1侧向的理论位移；
lj2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样19在冻融时刻t2n侧向的理论位移；
k表示数据信号采集仪21的通道序号，k为2,3,4,5；
步骤3.3、数据后处理
根据测得的待测试样24在不同时刻的波速vi、高度方向应变εhdi和侧向应变εldi，绘制成图12和图13：图12为本实施例待测试样24冻融循环过程中时间-波速图；图11为待测试样24冻融循环过程的时间-应变图，该应变图包括高度方向应变εhdi图和侧向应变εldi图。
步骤2.3和步骤3.2中所述恒温是指在25℃条件下放置60min。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下效果：
①能实时测量岩石冻融全过程变形
本具体实施方式所采用第一LVDT位移传感器3和第二LVDT位移传感器14，能对待测试样24冻融过程中高度方向的应变εhdi和侧向应变εldi进行实时监测，为待测试样24低温冻融损伤劣化机理研究提供基础数据，现有测试技术只考虑冻融循环后岩石物理力学指标劣化，而没有关注冻融循环过程中损伤积累过程，本具体实施方式实现了对岩石低温冻融全过程的监测，为利用岩石低温变形来研究岩石冻融循环过程中损伤劣化机理研究奠定基础。
②能准确测量岩石冻融过程变形
本具体实施方式利用低温岩石声波波速与变形测试装置测试已知热膨胀系数α的校正试样19在低温条件下不同时刻ti的温度Tji与位移Li-1、Li-k，通过理论计算，得出了低温岩石声波波速与变形测试装置在不同时刻不同通道对应的测量误差βi-1和
Figure BDA0002478370080000191
从而在进行待测试样24变形测试时，利用不同时刻ti不同通道的测量误差βi-1和
Figure BDA0002478370080000192
对数据采集仪21对应通道数据进行误差校正，达到准确测量待测试样24高度方向的应变εhdi和侧向应变εldi的目的，考虑了温度对低温岩石声波波速与变形测试装置变形测量结果的影响，使测试结果更为可靠。
③能实时、准确地测量岩石冻融过程中声波波速
本具体实施方式所采用低温岩石声波波速与变形测试装置在进行温度校正后，能实时准确监测待测试样24在低温冻融试验时高度hdi，将待测试样24高度hdi输入声波检测仪23中，通过声波检测仪23测出实时的待测试样24波速vi，从而为研究低温岩石冻融过程中的波速特征提供准确数据支撑，现有岩石波速测试技术不考虑波速测试方向上的距离随加载时间的变化，波速测试结果准确性较低，本具体实施方式考虑了测试方向距离随时间变化这一因素，确保了波速测试时距离的准确，减小测试结果误差，测试结果可靠。
因此，本具体实施方式能实时准确的测量岩石冻融过程中声波波速和实时测量岩石冻融过程变形，测试结果可靠，为岩石低温冻融循环过程中的损伤劣化机理研究奠定了基础。

Claims (1)

1.一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法，其特征在于所述测量方法的具体步骤是：
步骤1、待测试样和校正试样的制备
将待测试样初坯于105℃条件下烘干12～24h，置于真空抽气桶中，在-0.1MPa条件下静置4～6h；再向所述真空抽气桶中注水至试样高度1/4，以后每隔2h注水一次，依次注水至试样高度1/2、试样高度3/4和试样全部淹没，浸泡48h，取出后拭干表面，得到饱和待测试样；然后在所述饱和待测试样的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在所述饱和试样四个侧面涂一层密封树脂，得到待测试样；
所述待测试样初坯的材质为岩石，待测试样坯体的长×宽×高＝l0×l0×h0；所述待测试样的长×宽×高＝ls×ls×hs；
在校正试样初坯的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在校正试样初坯的四个侧面涂一层密封树脂，然后将温度传感器密封在校正试样坯体的一个侧面上，得到校正试样；
所述校正试样初坯的材质为铜、或为铝，所述校正试样初坯的长×宽×高＝l0×l0×h0；
步骤2、低温岩石声波波速与变形测试装置及其温度校正
步骤2.1、低温岩石声波波速与变形测试装置
低温岩石声波波速与变形测试装置由测试平台(1)、4个水平变形测试架(2)、第一LVDT位移传感器(3)、第二平面声波换能器(4)和第一平面声波换能器(5)组成；
测试平台(1)由底座(6)、横梁(9)和两个立柱(10)组成；底座(6)的两个对角处分别设有立柱(10)，两根立柱(10)中心对称设置；两根立柱(10)的上部装有横梁(9)，横梁(9)中间位置处开有第一LVDT位移传感器(3)的安装孔(12)；
底座(6)是由正方形平板和正方形凸台组成的整体，正方形平板的中心线和正方形凸台的中心线为同一条直线，正方形凸台的边长为正方形平板边长的0.4～0.5倍；底座(6)的中心位置处设有盲孔(11)，在盲孔(11)的孔壁沿径向方向设有导线孔(7)，导线孔(7)靠近盲孔(11)底部；正方形平板中心对称地设有4条支架安装槽(8)，每条支架安装槽(8)的中心线与各自对应的正方形平板的边的中垂线重合，每条支架安装槽(8)由外向内呈条形，每条支架安装槽(8)的长度为正方形平板边长的0.20～0.25倍，每条支架安装槽(8)的截面为空心“凸”字状；
4个水平变形测试架(2)均由L型支架(13)和第二LVDT位移传感器(14)组成；L型支架(13)是由支架垂直板和支架水平板构成的整体，所述支架垂直板的正面中心处开有一个位移传感器安装孔(17)，在位移传感器安装孔(17)的孔壁朝外开有位移传感器固定孔(16)；L型支架(13)的位移传感器安装孔(17)装有第二LVDT位移传感器(14)，螺栓通过位移传感器固定孔(16)将第二LVDT位移传感器(14)紧固在位移传感器安装孔(17)内；
所述支架水平板开有支架固定孔(15)；L型支架(13)的支架水平板通过支架固定孔(15)用螺栓固定在底座(6)各自对应的支架安装槽(8)的上平面；横梁(9)的安装孔(12)装有第一LVDT位移传感器(3)，盲孔(11)底部放置有第一平面声波换能器(5)；
低温岩石声波波速与变形测试装置在使用时，第二平面声波换能器(4)放置在校正试样(19)或待测试样(24)的上平面；
步骤2.2、校正试样(19)的安装
对低温岩石声波波速与变形测试装置进行温度校正时，将校正试样(19)放置在第一平面声波换能器(5)的上平面，校正试样(19)的上平面放置有第二平面声波换能器(4)，第一LVDT位移传感器(3)的测量探针延长杆与第二平面声波换能器(4)的上平面相接触；4个第二LVDT位移传感器(14)的测量探针延长杆与校正试样(19)对应的侧面相接触，拧紧第一LVDT位移传感器(3)的固定螺丝和4个第二LVDT位移传感器(14)的固定螺丝；
第一LVDT位移传感器(3)通过电缆与数据信号采集仪(21)的CH1通道相连接，4个第二LVDT位移传感器(14)通过各自的电缆与数据信号采集仪(21)的CH2通道、CH3通道、CH4通道、CH5通道对应连接；第二平面声波换能器(4)通过电缆线与声波检测仪(23)的CH1端口相连接，第一平面声波换能器(5)通过另一根电缆穿过测试平台(1)上的导线孔(7)与声波检测仪(23)的TRANSMIT端口相连接；温度传感器(18)通过导线与温度采集仪(22)相连；
步骤2.3、低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正
低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正的步骤是：
S1、先将安装校正试样(19)后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱(20)中；设置高低温试验箱(20)冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃，降温速率为0.8～1℃/min，升温速率为0.8～1℃/min，冻结时长为n，融化时长为n，n为360～390的整数，单位为min；
S2、查询所用校正试样(19)材料的线膨胀系数α；开启温度采集仪(22)与数据信号采集仪(21)，分别设置温度采集仪(22)与数据信号采集仪(21)的采集间隔为1min/次；冻融开始前，读取温度采集仪(22)的初始温度Tj0，将数据信号采集仪(21)的各通道初始位移置零；
S3、冻融时刻为t1，读取温度采集仪(22)的温度Tj1，读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L1-1、L1-2、……、L1-5，计算校正试样(19)的高度方向理论位移hj1＝α×(Tj1-Tj0)×h0，计算数据信号采集仪(21)的CH1通道对应的测量误差β1-1＝hj1-L1-1，计算校正试样(19)的4个侧面方向理论位移之和lj1＝2α×(Tj1-Tj0)×l0，计算数据信号采集仪(21)的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure FDA0003714315260000021
S4、冻融时刻为t2，读取温度采集仪(22)的温度Tj2，读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L2-1、L2-2、……、L2-5，计算校正试样(19)的高度方向理论位移hj2＝α×(Tj2-Tj0)×h0，计算数据信号采集仪(21)的CH1通道对应的测量误差β2-1＝hj2-L2-1，计算校正试样(19)的4个侧面方向理论位移之和lj2＝2α×(Tj2-Tj0)×l0，计算数据信号采集仪(21)的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure FDA0003714315260000031
以此类推；
S5、冻融时刻为ti，读取温度采集仪(22)温度Tji，读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移Li-1、Li-2、……、Li-5，计算校正试样(19)的高度方向理论位移hji＝α×(Tji-Tj0)×h0，计算数据信号采集仪(21)的CH1通道对应的测量误差βi-1＝hji-Li-1，计算校正试样(19)的4个侧面方向理论位移之和lji＝2α×(Tji-Tj0)×l0，计算数据信号采集仪(21)的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure FDA0003714315260000032
以此类推；
S6、冻融时刻为t2n，读取温度采集仪(22)温度Tj2n，读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L2n-1、L2n-2、……、L2n-5，计算校正试样(19)的高度方向理论位移hj2n＝α×(Tj2n-Tj0)×h0，计算数据信号采集仪(21)的CH1通道对应的测量误差β2n-1＝hj2n-L2n-1，计算校正试样(19)的4个侧面方向理论位移之和lj2n＝2α×(Tj2n-Tj0)×l0，计算数据信号采集仪(21)的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和
Figure FDA0003714315260000033
测试结束，关闭高低温试验箱(20)、数据信号采集仪(21)与声波检测仪(23)。
k表示数据信号采集仪(21)的通道序号，k为2,3,4,5；
i表示冻融时刻，i为1,2,3,……2n，n为360～390的整数，单位为min；
步骤3、低温岩石声波波速与变形测试装置的测试方法
步骤3.1、安装待测试样(24)
将待测试样(24)放置在第一平面声波换能器(5)的上平面，待测试样(24)的上平面放置有第二平面声波换能器(4)，第一LVDT位移传感器(3)的测量探针延长杆与第二平面声波换能器(4)的上平面相接触；4个第二LVDT位移传感器(14)的测量探针延长杆与待测试样(24)对应的侧面相接触，拧紧第一LVDT位移传感器(3)的固定螺丝和4个第二LVDT位移传感器(14)的固定螺丝；
第一LVDT位移传感器(3)通过电缆与数据信号采集仪(21)的CH1通道相连接，4个第二LVDT位移传感器(14)通过各自的电缆与数据信号采集仪(21)的CH2通道、CH3通道、CH4通道、CH5通道对应连接；第二平面声波换能器(4)通过电缆线与声波检测仪(23)的CH1端口相连接，第一平面声波换能器(5)通过另一根电缆穿过测试平台(1)上的导线孔(7)与声波检测仪(23)的TRANSMIT端口相连接；
步骤3.2、测试与数据初处理
S1、先将安装待测试样(24)后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱(20)中，设置高低温试验箱(20)冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃，降温速率为0.8～1℃/min，升温速率为0.8～1℃/min，冻结时长为n，融化时长为n；n为360～390的整数，单位为min；
S2、开启数据信号采集仪(21)与声波检测仪(23)，分别设置数据信号采集仪(21)与声波检测仪(23)的采集间隔为1min/次；冻融开始前，将数据信号采集仪(21)的各通道初始位移置零，将待测试样(24)高度hs输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)初始波速v0；
S3、冻融时刻为t1，依次读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移C1-1、C1-2、……、C1-5，校正后的CH1通道对应的位移R1-1＝C1-1+β1-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应位移之和
Figure FDA0003714315260000041
待测试样(24)的高度方向应变
Figure FDA0003714315260000042
待测试样(24)的侧向应变
Figure FDA0003714315260000043
将待测试样(24)的高度hd1＝R1-1+hs输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)的波速v1；
S4、冻融时刻为t2，依次读取数据信号采集仪(21)上CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C2-1、C2-2、……C2-5；校正后的CH1通道对应的位移数据为R2-1＝C2-1+β2-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure FDA0003714315260000044
待测试样(24)的高度方向应变
Figure FDA0003714315260000045
待测试样(24)的侧向应变
Figure FDA0003714315260000046
将待测试样(24)的高度hd2＝R2-1+hs输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)的波速v2；
以此类推；
S5、冻融时刻为ti，依次读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移Ci-1、Ci-2、……Ci-5，校正后的CH1通道的位移Ri-1＝Ci-1+βi-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure FDA0003714315260000047
待测试样(24)的高度方向应变
Figure FDA0003714315260000048
待测试样(24)的侧向应变
Figure FDA0003714315260000049
将待测试样(24)的高度hdi＝Ri-1+hs输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)波速vi；
以此类推；
S6、冻融时刻为t2n，依次读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C2n-1、C2n-2、……C2n-5，校正后的CH1通道的位移R2n-1＝C2n-1+β2n-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和
Figure FDA00037143152600000410
待测试样(24)的高度方向应变
Figure FDA0003714315260000051
待测试样(24)的侧向应变
Figure FDA0003714315260000052
将待测试样(24)的高度hd2n＝R2n-1+hs输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)波速v2n；
测试结束，关闭高低温试验箱(20)、数据信号采集仪(21)与声波检测仪(23)；
在S3～S6中：
β1-1表示冻融时刻t1时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β1-1＝hj1-L1-1，
β2-1表示冻融时刻t2时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β2-1＝hj2-L2-1，
βi-1表示冻融时刻ti时计算所得的CH1通道对应的测量误差，βi-1＝hji-Li-1，
β2n-1表示冻融时刻t2n时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β2n-1＝hj2n-L2n-1，
Figure FDA0003714315260000053
表示冻融时刻t1时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure FDA0003714315260000054
Figure FDA0003714315260000055
表示冻融时刻t2时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure FDA0003714315260000056
Figure FDA0003714315260000057
表示冻融时刻ti时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure FDA0003714315260000058
Figure FDA0003714315260000059
表示冻融时刻t2n时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，
Figure FDA00037143152600000510
L1-1表示数据信号采集仪(21)的CH1通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t1的位移，
L2-1表示数据信号采集仪(21)的CH1通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t2的位移，
Li-1表示数据信号采集仪(21)的CH1通道监测的校正试样(19)在冻融时刻ti的位移，
L2n-1表示数据信号采集仪(21)的CH1通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t2n的位移，
L1-k表示数据信号采集仪(21)的CHK通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t1的位移，
L2-k表示数据信号采集仪(21)的CHK通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t2的位移，
Li-k表示数据信号采集仪(21)的CHK通道监测的校正试样(19)在冻融时刻ti的位移，
L2n-k表示数据信号采集仪(21)的CHK通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t2n的位移，
hj1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t1高度方向的理论位移，
hj2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t2高度方向的理论位移，
hji表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻ti高度方向的理论位移，
hj2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t2n高度方向的理论位移
lj1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t1侧向的理论位移，
lj2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t2侧向的理论位移，
lji表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻ti侧向的理论位移，
lj2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t2n侧向的理论位移，
k表示数据信号采集仪(21)的通道序号，k为2,3,4,5，
i表示冻融时刻，i为1,2,3,……2n，n为360～390的整数，单位为min；
步骤3.3、数据后处理
根据所测待测试样(24)不同时刻的波速vi、高度方向应变εhdi和侧向应变εldi，即可得到待测试样(24)冻融循环过程中时间-波速图和时间-应变图；
步骤2.3和步骤3.2中所述恒温是指在20～25℃条件下放置30～60min。
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