CN112665947B - 一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种冻融‑干湿环境下岩石损伤声学监测装置及方法，涉及岩石工程技术领域。冻融‑干湿环境下岩石损伤声学监测装置包括试样罐；干湿循环系统，用于向放置于试样罐的岩石试样的顶部补给水分；冻融循环系统，用于调节放置于试样罐的岩石试样的温度；声波声发射探头，用于获取岩石试样损伤信息。干湿循环系统能够通过向岩石试样顶部补给水分模拟降雨环境，冻融循环系统模拟岩石的冻、融状态，以模拟寒区岩体冻胀孕育演化过程。声波声发射探头接收超声波与声发射信号，监测冻融循环岩体微裂隙发展、连通及破坏过程。该装置可精准监测岩样在冻融‑干湿环境下微细观损伤的时空演化过程，揭示岩体在复杂环境下的性能劣化机理。

Description

一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置及方法

技术领域

本申请涉及岩石工程技术领域，具体而言，涉及一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置及方法。

背景技术

随着国民经济的不断发展，我国在寒区修建的岩体工程越来越多，如已建成的青藏铁路，西气东输管线以及即将建设的川藏铁路、规划中的青藏高速等。寒区岩体工程在周期性的气温变化情况下，岩体中赋存的孔隙、裂隙水因冰-水相变产生的冻胀力对岩石造成了严重的损伤劣化，极易诱发岩体的冻融破坏，包括微观损伤、渗流劈裂、冻胀碎裂等。同时，部分地区雨水和风力资源均相对充沛，导致降雨后岩体表面水分蒸发速度较快，这种“高效”的干湿循环环境同样致使岩石性能劣化速度急剧加快。由于寒区岩体的损伤演化影响因素较多，耦合破坏机理复杂且尚不清楚，因此研究寒区岩体的冻融-干湿破坏机理及损伤演化过程具有重要的工程实际意义。

目前，研究岩石在复杂耦合环境作用下损伤劣化机理的技术手段众多，如电阻率、CT(Computed Tomography，X线计算机断层摄影)、NMR(Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振)、电镜等方法，其中基于弹性波的主动方法(超声波)和被动方法(声发射)可以准确地测定岩石的波速、声发射规律，是揭示岩体破坏机制的重要手段。运用超声波和声发射法可以对冻融-干湿循环过程中岩石的劣化过程进行无损实时监测，但是由于受到试验装置的制约，目前主要是在冻融-干湿循环后取出岩样监测其波速及质量变化，此方法人为割裂了岩石微裂隙演化进程，对冻融-干湿循环过程中岩石的实时破坏进程缺乏全面的理性认识。

发明内容

本申请实施例提供一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置及方法，以改善目前的岩石损伤探测装置及方法对岩石破坏检测的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置，包括试样罐，用于放置岩石试样；干湿循环系统，用于向放置于试样罐的岩石试样的顶部补给水分；冻融循环系统，用于调节放置于试样罐的岩石试样的温度；以及声波声发射探头，用于获取岩石试样损伤信息。

上述技术方案中，通过干湿循环系统能够通过向岩石试样顶部补给水分模拟降雨环境，通过冻融循环系统模拟岩石的冻、融状态，以模拟寒区岩体冻胀孕育演化全过程，以使声波声发射探头能够获取到多种自然状态下的岩石的损伤信息。声波声发射探头实时接收超声波与声发射信号，监测冻融循环岩体微裂隙发展、连通及破坏全过程。该冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置可精准监测岩样在冻融-干湿耦合环境下微细观损伤的时空演化过程，揭示岩体在复杂环境下的性能劣化机理，且该装置操作简便，测量精度高。

在本申请第一方面的一些实施例中，声波声发射探头包括：第一横波探头、第二横波探头、第一纵波探头、第二纵波探头和多个声发射探头；第一横波探头、第二横波探头、第一纵波探头、第二纵波探头和多个声发射探头均插设于岩石试样内并安装于岩石试样的侧壁；第一横波探头和第二横波探头上下分层对角布置，第一横波探头用于接收第二横波探头发送的第一信号；第一纵波探头和第二纵波探头上下分层对角布置，第一纵波探头用于接收第二纵波探头发送的第二信号；声发射探头用于接收岩石试样破裂释放能量而产生的声发射信号；多个声发射探头均匀间隔布置于岩石试样的侧壁。

上述技术方案中，第一横波探头、第二横波探头、第一纵波探头和第二纵波探头均是通过超声波法探测岩石试样的损伤情况，声发射探头能够探测岩石内局部区域在外界(应力或温度)的影响下，伴随能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象，能够反映岩石内部微裂隙的萌生、扩展汇集情况，能够研究岩石微细观劣化损伤。超声波是通过主动发射弹性波，使其穿过岩石传播，利用波速及其波形变化检测材料损伤，再根据超声波波速与弹性模量和强度的经验关系式来评价岩体损伤。并且，声发射探头的布置方式能够实现声发射源的三维定位，从而反映岩体损伤的空间分布及演化过程。声发射探头均匀间隔布置于岩石试样的侧壁，声发射探头能够获取岩石内部各个方向释放的能量信息，以更加准确的掌握岩石的损伤情况。

在本申请第一方面的一些实施例中，试样罐上设有多个钻孔，钻孔与探头一一对应设置，每个探头插设于对应的钻孔。

上述技术方案中，插孔的设置便于探头安装固定，使得探头的探针能够穿过钻孔并插入岩石试样内，更加准确地获取岩石内部的损伤信息。

在本申请第一方面的一些实施例中，冻融循环系统包括第一冷却装置和第二冷却装置，第一冷却装置用于调节岩石试样上端的温度，第二冷却装置用于调节岩石试样下端的温度。

上述技术方案中，第一冷却装置和第二冷却装置分别用于调节岩石试样上端和下端的温度，以使该冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置能够模拟实际岩体的冻融循环过程，模拟寒区岩体冻胀孕育演化全过程，以获得实际中的冻、融状态变换对岩体的损伤信息。

在本申请第一方面的一些实施例中，第一冷却装置包括第一热交换机和上压头，上压头为中空结构，上压头放置于岩石试样的上端，第一热交换机用于通过调节上压头内的温度，从而调节岩石试样上端的温度；第二冷却装置包括第二热交换机和下压头，下压头为中空结构，第二热交换机用于通过调节下压头内的温度，从而调节岩石试样下端的温度。

上述技术方案中，通过调节上压头内的温度间接调节岩石试样上端的温度，以模拟地表温度，能够使得模拟的地表温度更加接近真实环境。上压头为中空结构，便于冷夜循环控制压头温度。通过调节下压头内的温度间接调节岩石试样下端的温度，能够模拟地热温度。在本申请第一方面的一些实施例中，冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置还包括位移监测装置，位移监测装置用于根据上压头，从而获取岩石试样的冻胀变形量。

在本申请第一方面的一些实施例中，冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置还包括补水系统，补水系统用于从所述岩石试样的下端对岩石试样补水。

上述技术方案中，补水系统能够模拟地下渗水环境，使得模拟的自然调节更加真实，以获取更加接近真实的岩石损伤信息。

在本申请第一方面的一些实施例中，下压头内部划分为温控腔和补水腔，补水腔位于温控腔的上方，补水系统包括马廖特瓶和平衡管，马廖特瓶用于向补水腔内供水，平衡管用于将补水腔内部与外界连通；补水腔的顶壁为渗水结构，补水腔两侧设有第一通孔和第二通孔，马廖特瓶的出水口与第一通孔连通，平衡管插设于第二通孔；第一通孔和第二通孔同轴布置。

上述技术方案中，平衡管的设置能够调节补水后冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置内部压力，避免因补水改变冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置的内部压力，而影响检测结果。第一通孔和第二通孔同轴布置能够更好的保持补水腔内的压力平衡。

在本申请第一方面的一些实施例中，冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置还包括透水石层，透水石层设于补水腔的顶壁，岩石试样能够放置在透水石层上。

上述技术方案中，透水石层具有高渗透性、低导气性，透水石层能够改变从补水腔的顶壁渗出的水的流动状态，以更接近实际地层渗水环境。

在本申请第一方面的一些实施例中，冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置还包括水分传感器，水分传感器穿过试样罐的钻孔插设于岩石试样中。

上述技术方案中，水分传感器的设置能够获取岩石试样在模拟的不同的自然条件下的水分信息。

在本申请第一方面的一些实施例中，冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置还包括温度传感器，温度传感器穿过试样罐的钻孔插设于岩石试样中。

上述技术方案中，温度传感器的设置能够获取岩石试样在模拟的不同的自然条件下的温度信息。

第二方面，本申请实施例提供一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测方法，包括：在岩体上取下一块作为岩石试样；将岩石试样经切割打磨处理平整后装入试样罐；将声波声发射探头安装于试样罐四周；在岩石试样的上端和下端设置冻融循环系统；以及在岩石试样顶部安装干湿循环系统；通过冻融循环系统模拟岩体的冻融状态，通过干湿循环系统模拟降雨环境，通过声波声发射探头获取岩石试样损伤信息。

上述技术方案中，该方法通过干湿循环系统能够通过向岩石试样顶部补给水分模拟降雨环境，通过冻融循环系统模拟岩石的冻、融状态，以使声波声发射探头能够获取到多种自然状态下的岩石的损伤信息，以尽可能全面的了解岩石的损伤信息。

在本申请第二方面的一些实施例中，在岩体上取下一块作为岩石试样，还包括：在岩石试样的顶端开设呈放射状布置的降雨槽；以及在岩石试样的周壁上开设插槽。

上述技术方案中，放射状布置的降雨槽能够使得水能够从多个方向渗入岩石试样，以模拟更加真实的降雨环境。插槽的设置便于探针插入岩石，以获取岩石试样内部更加准确的损伤信息。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置的示意图；

图2为第一横波探头、第二横波探头、第一纵波探头、第二纵波探头和声发射探头的布设示意图；

图3为本申请实施例提供的干湿循环系统和试样罐的俯视图；

图4为其他实施例提供的冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置示意图。

图标：100-冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置；10-试样罐；121-进水口；15-圆环结构；16-支撑杆；20-干湿循环系统；21-补水瓶；22-输水管；23-输水阀门；24-密封圈；30-冻融循环系统；31-第一冷却装置；311-第一热交换机；312-上压头；313-第一循环管；32-第二冷却装置；321-第二热交换机；322-下压头；3221-温控腔；3222-补水腔；323-第二循环管；40-声波声发射探头；41-第一横波探头；42-第二横波探头；43-第一纵波探头；44-第二纵波探头；45-声发射探头；A-第一层；B-第二层；C-第三层；D-第四层；50-主机；51-声发射接收通道；52-超声接收通道；53-信号放大器；60-补水系统；62-马廖特瓶；63-平衡管；631-第一管口；632-第二管口；70-透水石层；80-位移监测装置；81-固定杆；82-横杆；83-位移计；84-位移调节器；90-水分传感器；110-温度传感器；200-岩石试样；210-降雨槽；211-环形槽；212-槽口；300-底座；400-终端；500-数据采集仪。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例

如图1-图3所示，本申请实施例提供一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100，该岩石损伤探测装置包括试样罐10、干湿循环系统20、冻融循环系统30和声波声发射探头40。试样罐10用于放置岩石试样200；干湿循环系统20用于向放置于试样罐10的岩石试样200的补给水分。冻融循环系统30用于调节放置于试样罐10的岩石试样200的温度。声波声发射探头40用于获取岩石试样200损伤信息。

研究岩石在复杂耦合环境作用下损伤劣化机理的技术手段众多，其中基于弹性波的主动方法(超声波)和被动方法(声发射)可以准确地测定岩石的波速、声发射规律，是揭示岩体破坏机制的重要手段，对岩体失稳预警及控制有着重要的作用，而且具有操作简便、测量精度高等优点，目前使用比较广泛。声发射是材料内局部区域在外界(应力或温度)的影响下，伴随能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象，能够反映岩石内部微裂隙的萌生、扩展汇集情况，可作为一种研究岩石微细观劣化损伤的手段。超声波是通过主动发射弹性波，使其穿过岩石介质传播，利用波速及其波形变化检测材料损伤，再根据超声波波速与弹性模量和强度的经验关系式来评价岩体损伤。

运用超声波或声发射法可以对冻融-干湿循环过程中岩石的劣化过程进行无损实时监测，但是由于受到试验装置的制约，目前主要是在冻融-干湿循环后取出岩样监测其波速及质量变化，此方法人为割裂了岩石微裂隙演化进程，对冻融-干湿循环过程中岩石的实时破坏进程缺乏全面的理性认识。因此，本申请提供的冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100通过干湿循环系统20能够通过向岩石试样200顶部补给水分模拟降雨环境，通过冻融循环系统30模拟岩石的冻、融状态，以模拟寒区岩体冻胀孕育演化全过程，以使声波声发射探头40能够获取到多种自然状态下的岩石的损伤信息，声波声发射探头40实时接收超声波与声发射信号，监测冻融循环岩体微裂隙发展、连通及破坏全过程。该冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100可精准监测岩样在冻融-干湿耦合环境下微细观损伤的时空演化过程，揭示岩体在复杂环境下的性能劣化机理，且该装置操作简便，测量精度高。

在本实施例中，试样罐10为轴向两端开口的圆柱筒，试样罐10的放置于底座300上，试样罐10的上端边缘连接有圆环结构15，圆环结构15与试样罐10同轴布置，圆环结构15上设有多个支撑杆16，支撑杆16的一端与圆环结构15连接，另一端支撑于底座300。

声波声发射探头40包括：第一横波探头41、第二横波探头42、第一纵波探头43、第二纵波探头44和多个声发射探头45；第一横波探头41、第二横波探头42、第一纵波探头43、第二纵波探头44和多个声发射探头45均用于安装于试样罐10的侧壁并插设于岩石试样200内；第一横波探头41和第二横波探头42上下对角布置，第一横波探头41用于接收第二横波探头42发送的第一信号；第一纵波探头43和第二纵波探头44上下对角布置，第一纵波探头43用于接收第二纵波探头44发送的第二信号；声发射探头45用于接收岩石试样200破裂释放能量而产生的声发射信号。

在本实施例中，声波声发射探头40包括第一横波探头41、第二横波探头42、第一纵波探头43、第二纵波探头44和十二个声发射探头45，并分在沿上下方向的分四层布置，如图2所示，从上至下依次为第一层A、第二层B、第三层C和第四层D。其中，第一横波探头41和第一纵波探头43布置于第一层A，并相对布置，第一层A中在第一横波探头41和第一纵波探头43之间还设有两个声发射探头45。第二纵波探头44和第二横波探头42布置于第四层D，并相对布置，第四层D中在第二横波探头42和第二纵波探头44之间还设有两个声发射探头45。第二层B和第三层C分别均匀间隔布置四个声发射探头45。

第一纵波探头43和第二纵波探头44分别用于纵波的发射与接收，第一纵波探头43和第二纵波探头44均为长19mm、宽14mm、高16mm的立方体，外部为刚性的耐压壳，靠近岩石试样200的一端面为圆弧面，圆弧面的具体大小根据岩石试样200的大小指定，只要当第一纵波探头43和第二纵波探头44的探针插设于岩石试样200内，圆弧面能够与岩石试样200的周壁贴合即可。第一纵波探头43内置压电陶瓷感应器，谐振频率为300kHz，能将电信号转化为机械振动，压电陶瓷感应器通过导线与外部端口相连。

第一横波探头41和第二横波探头42分别用于横波的发射与接收，其外形结构和尺寸可以参照第一纵波探头43和第二纵波探头44，在此不再赘述。声发射探头45接收岩石试样200内部的声发射信号，其为长19mm、宽14mm、高16mm的立方体，靠近岩石试样200的一端面为圆弧形，以使声发射探头45的探针插入岩石试样200后，圆弧面可以与岩石试样200贴合。声发射探头45内部同样内置压电陶瓷感应器，能将电信号转化为机械振动，压电陶瓷感应器通过导线与外部端口相连。最大响应幅值96.39db，谐振频率为300KHz，工作带宽60～400KHz，工作温度为-60～150℃，工作压力为0～100MPa。

冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100还包括主机50，主机50主要由声发射采集卡和超声波采集卡组成。声发射采集卡上设有声发射接收通道51，超声波采集卡上设有超声接收通道52。第一横波探头41和第一纵波探头43均与主机50电连接，主机50用于控制第一横波探头41向第二横波探头42发送横波，主机50用于控制第一纵波探头43向第二纵波探头44发送纵波，第二横波探头42和第二纵波探头44均与声波接收通道，第二横波探头42和第二纵波探头44分别将第一信号和第二信号传送给声波接收通道，再由声波接收通道传输至终端400。每个声发射探头45均与声发射接收通道51电连接，声发射探头45将声发射信号发送给声波接收通道，再通过声波接收通道发送至终端400。第一横波探头41和第一纵波探头43的波形可以任意设置，如正弦波形，矩形波形，锯齿波形等。在主机50与各个探头之间还设有信号放大器53，信号放大器53用于放大微弱的电压信号，过滤噪音，提高信噪比，便于信号长距离传输。

第一横波探头41、第二横波探头42、第一纵波探头43和第二纵波探头44均是通过超声波法探测岩石试样200的损伤情况，声发射探头45能够探测岩石内局部区域在外界(应力或温度)的影响下，伴随能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象，能够反映岩石内部微裂隙的萌生、扩展汇集情况，能够研究岩石微细观劣化损伤。超声波是通过主动发射弹性波，使其穿过岩石传播，利用波速及其波形变化检测材料损伤，再根据超声波波速与弹性模量和强度的经验关系式来评价岩体损伤。并且，声发射探头45的布置方式能够实现声发射源的三维定位，从而反映岩体损伤的空间分布及演化过程。

在其他实施例中，第一层A和第四层D也可以交换位置。

在本实施例中，所述的多个声发射探头45沿均匀间隔布置于试样罐10的周壁，这声发射探头45能够获取岩石内部各个方向释放的能量信息，以更加准确的掌握岩石的损伤情况。

在其他实施例中，声发射探头45也可以是除开十二以外其他个数，比如八个、十个、十四个等。

为了便于探头的安装，在本实施例中，试样罐10上设有多个钻孔，钻孔与探头(包括第一横波探头41、第二横波探头42、第一纵波探头43、第二纵波探头44和声发射探头45)一一对应设置，每个探头插设于对应的插孔。插孔的设置便于探头安装固定，使得探头的探针能够穿过钻孔插入岩石试样200内，更加准确地获取岩石内部的损伤信息。

在本实施例中，钻孔的数量多于探头的数量，以供后文叙述的水分传感器90和温度传感器110的穿过试样罐10插入岩石试样200中。

如图1、图3所示，干湿循环系统20包括补水瓶21、输水管22、输水阀门23和密封圈24。试样罐10的侧壁的上方设有进水口121，输水管22一端与补水瓶21连通，另一端穿过试样罐10的进水口121进入试样罐10内，并位于试样罐10的轴线上，输水阀门23安装在输水管22上，用于断开或者连通输水管22，定期打开输水阀门23模拟自然降雨，水流自岩样顶部中心向四周扩散后下渗。密封圈24设置在输水管22与试样罐10的进水口121的连接处，主要起预防漏水的作用。

冻融循环系统30包括第一冷却装置31和第二冷却装置32，第一冷却装置31用于调节岩石试样200上端的温度，第二冷却装置32用于调节岩石试样200下端的温度。第一冷却装置31和第二冷却装置32分别用于调节岩石试样200上端和下端的温度，第一冷却装置31能够模拟实际岩体的地表温度，第二冷却装置32能够实际模拟实际岩体的地热温度，以使该冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100能够模拟实际岩体的冻融循环过程，以获得实际中的冻、融状态变换对岩体的损伤信息。

其中，第一冷却装置31包括第一热交换机311和上压头312，上压头312为中空结构，上压头312与第一冷却装置31通过第一循环管313连接，上压头312用于放置于岩石试样200的上端，第一热交换机311用于通过调节上压头312内的温度，从而调节岩石试样200上端的温度。通过调节上压头312内的温度间接调节岩石试样200上端的温度，能够使得模拟的地表稳定更加接近真实环境。上压头312为中空结构，能够减少因为上压头312本身的重量使得岩石试样200变形。

第二冷却装置32包括第二热交换机321和下压头322，下压头322为中空结构，下压头322与第二热交换机321通过第二循环管323连接，第二热交换机321用于通过调节下压头322内的温度，从而调节岩石试样200下端的温度。通过调节下压头322内的温度间接调节岩石试样200下端的温度，模拟地热温度，能够使得模拟的地表稳定更加接近真实环境。下压头322为中空结构，还能够减少冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100的重量。

上压头312和下压头322均为刚性压头，其直径与岩石试样200的外径和试样罐10的内径大致相同，以使保证在岩石试样200在试样罐10装样完成后，上压头312可沿着试样罐10的内壁自由下落至岩石试样200的顶端，以此完全约束岩石试样200的位置。其中，在第一循环管313、上压头312和第一热交换机311之间循环流动的可以是空气、冷却液等。第二循环管323、下压头322和第二热交换机321之间循环流动的可以是空气、冷却液等，以达到控制岩石试样200温度边界条件的目的。比如，通过液压泵泵送冷却液第一循环管313循环，从而改变上压头312内腔的温度。

在本实施例中，冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100还包括补水系统60，补水系统60用于从岩石试样200的下端对岩石试样200补水。补水系统60能够模拟地下渗水环境，使得模拟的自然调节更加真实，以获取更加接近真实的岩石损伤信息。

在本实施例中，下压头322内部划分为温控腔3221和补水腔3222，第二热交换机321用于调节温控腔内的温度。补水腔位于温控腔的上方，补水系统60包括马廖特瓶62和平衡管63，马廖特瓶62用于向补水腔3222内供水，平衡管63用于将所述补水腔3222内部与外界连通；补水腔3222的顶壁为渗水结构，补水腔3222两侧设有第一通孔和第二通孔，马廖特瓶62的出水口与第一通孔连通，平衡管63插设于第二通孔。平衡管63具有位于平衡管63两端的第一管口631和第二管口632，第一管口631与第二通孔连接，第二管口632朝上并与大气连通，用于平衡补水腔3222内部空腔的气压，并实时观测岩石试样200下端水位变化。平衡管63的设置还能够调节补水后冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100内部压力，避免因补水改变冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100的内部压力，而影响检测结果。

为了更好的保证补水腔3222内压力平衡，第一通孔和第二通孔同轴布置，能够实现无压、稳定、均匀补水。

在本实施例中，补水腔3222的箱壁和下压头322的腔壁一体成型，补水腔3222的底壁即为下压头322的顶壁。

在其他实施例中，如图4所示，下压头322和形成补水腔的3222的结构为两个独立的箱体，形成补水腔的3222的结构位于下压头的上方，形成补水腔的3222的结构的下表面与下压头322的顶壁接触。

冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100还包括透水石层70，透水石层70设于补水腔3222的顶壁，岩石试样200能够放置在透水石层70上。透水石层70尺寸与岩石试样200直径一致，具有高渗透性、低导气性透水石能够改变从补水腔3222的顶壁渗出的水的流动状态，以更接近实际地层渗水环境。

进一步地，冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100还包括位移监测装置80，位移监测装置80用于根据上压头312上下移动量，从而获取岩石试样200的冻胀变形量。位移监测装置80用于根据上压头312冻胀变形量，从而获取岩石试样200的冻胀变形量，能够获得较为准确的岩石试样200在模拟的不同自然环境调节下的膨胀、收缩量，减少上压头312本身的重量对岩石试样200的形变量产生影响，从而影响位移监测装置80的检测结果。

位移监测装置80包括两个固定杆81、横杆82、位移计83和位移调节器84。两个固定杆81在圆环结构15的径向上相对布置，固定杆81的一端与圆环结构15连接，另一端向上延伸，横杆82的两端分别与两个固定杆81连接。

位移计83量程为0-10cm，上压头312的顶面设有凹槽，位移计83固定于横杆82并与上压头312顶面的凹槽的底壁接触，可通过位移计83调节器上下移动调节，使得位移计83在试验过程中与上压头312时时接触，测得岩石试样200的冻胀变形量通过数据采集仪500最终显示、存储在数据终端400。

在本实施例中，冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100还包括水分传感器90，水分传感器90穿过试样罐10的钻孔插设于岩石试样200中。为了便于水分传感器90获取岩石试样200内部的水分信息，在安装水分传感器90之前，在岩石试样200的周壁上开设安装孔，将水分传感器90插入安装孔内。水分传感器90为多个，多个水分传感器90在上下方向上均匀间隔布置于岩石试样200的周壁，以获取岩石试样200不同深度的水分信息。水分传感器90的设置能够获取岩石试样200在模拟的不同的自然条件下的水分信息。每个水分传感器90和数据采集仪500连接，数据采集仪500用于将水分传感器90获取的岩石试样200的水分信息传至终端400。

冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置100还包括温度传感器110，温度传感器110穿过试样罐10的钻孔插设于岩石试样200中。为了便于温度传感器110获取岩石试样200内部的温度信息，在安装温度传感器110之前，在岩石试样200的周壁上开设固定孔，将温度传感器110插入固定孔内。温度传感器110为多个，多个温度传感器110在上下方向上均匀间隔布置于岩石试样200的周壁，以获取岩石试样200不同深度的温度信息。每个温度传感器110和数据采集仪500连接，数据采集仪500用于将温度传感器110获取的岩石试样200的水分信息传至终端400。

本申请实施例还提供一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测方法，包括：

在岩体上取下一块完整岩样作为岩石试样200，这里的“岩体”是指实际要检测的地质环境中的岩体。取下的岩石试样200要与试样罐10的内部尺寸，并将岩石试样200的两端打磨平整，在打磨平整后的岩石试样200的顶端开设多个降雨槽210，降雨槽210包括多个同轴布置的环形槽211和多个沿岩石试样200径向布置的槽口212，每个槽口212连通相邻的两个环形槽211。图3中的空心箭头即为水在槽口212中流向。并在岩石试样200的周壁上开设插设探头的插孔、插设水分传感器90的安装孔和插设温度传感器110的固定孔，以便后期插入探头、水分传感器90和温度传感器110。

在其他实施例中，降雨槽210还可以从岩石试样200顶端的中心位置向外围呈放射状分布。

将试样罐10的底端放置在底座300上，并使得下压头322位于试样罐10的正下方，补水系统60的补水腔3222放置在下压头322的顶壁，透水石层70放置于补水腔3222的腔顶壁，透水石层70位于试样罐10内。在岩石试样200四周涂抹薄层凡士林，然后将岩石试样200装入四周设有与插孔、安装孔、固定孔对应的插入孔的试样罐10内，并置于透水石层70之上，支撑杆16将有试样罐10固定在底座300上。

第一横波探头41、第二横波探头42和声发射探头45穿过试样罐10的钻孔插入岩石试样200上对应的插孔，沿上下方向和轴向等间距布置。第一横波探头41、第二横波探头42、第一纵波探头43、第二纵波探头44和十二个声发射探头45分在沿上下方向的分四层布置，从上至下依次为第一层A、第二层B、第三层C和第四层D。其中，第一横波探头41和第二纵波探头44布置于第一层A，第一层A上还设有两个声发射探头45；第一纵波探头43和第二横波探头42布置于第四层D，第四层D上还设有两个声发射探头45。第二层B和第三层C分别均匀间隔布置四个声发射探头45。

每个探头的圆弧面与岩石试样200无缝贴合并通过胶水粘接到岩石试样200表面。各个探头布设完毕后在操作软件中建立岩石试样200尺寸模型，并将探头位置信息输入到软件中。

探头与主机50连接。探头布设完毕后，第一横波探头41和第一纵波探头43通过电缆主机50，第一横波探头41和第一纵波探头43发射周期可根据需要自由设置，第一横波探头41和第二横波探头42的波形可以自由选择，供选择的波形有正弦波，矩形波，锯齿波等。第一横波探头41和第二横波探头42发射的横波和纵波的强度可根据岩样尺寸灵活确定。第二横波探头42和第二纵波探头44通过导线与信号放大器53连接，增益值选择40db,然后将信号放大器53另一端通过电缆与声波接收通道相连。

连接情况检查。连接情况检查。横纵波探头检测：手动发射一组或几组纵波或横波，根据接收情况判断连接是否正常。若第二横波探头42和第二横波探头42接收不到信号，检查连接线路，反之，根据信号波形及时间判断数据是否准确，若不正常，重复以上步骤。声发射检查：启动声发射采集卡，用同样的力度用铅笔敲打各个声发射探头45，观察各个声发射探头45所接收信号的幅值大小，若差别不大，则表示连接正常，若差别较大，则需检查连接情况。连接正常后，在岩石试样200任意位置压断铅笔芯，在软件观察定位事件，若与实际断铅位置吻合，则不再调整，进行下一步，若两者偏差较大，则调整定位参数中的波速，重新进行断铅，直至定位事件与实际相符。

将水分传感器90穿过试样罐10的钻孔并插入岩石试样200预先开设好的安装孔中，将温度传感器110穿过试样罐10的钻孔并插入岩石试样200预先开设好的固定孔中。

将干湿循环系统20的输水管22插入试样罐10的进水口121，位于一个降雨槽210内，输水管22的出水口位于岩石试样200的顶端中心位置。

在岩石试样200的顶端放置上压头312，并连接好位移计83，然后将水分传感器90、温度传感器110及位移计83通过导线与数据采集仪500连接并连接到数据终端400。

用止水带分别密封水分传感器90、温度传感器110与试样罐10的间隙，之后在试样罐10周围包裹隔热保温棉，形成绝热温度边界。

调节马廖特瓶62的补水管路出口，确定补水腔3222充满水；

冻融循环程序设置：分别设置控温箱，样品顶板、底板温度变换曲线；

启动第一冷却装置31和第二冷却装置32进行冻融循环过程，同时启动声发射采集软件及超声波发射软件，设定周期进行横、纵波发射。上压头312和下压头322的温度变化曲线设为矩形状，一个冻融周期选择为八小时，先将上压头312和下压头322的温度设为-20℃进行岩石试样200冻结，该过程不补水。四小时后将上压头312和下压头322温度设为20℃，同时打开补水系统60补水，四小时后重复上述温度变化过程，声发射采集软件及超声波发射系统工作不间断。

从采集到的信号中识别超声波信号，处理后得到冻融循环过程中岩石的波速变化规律，超声波(第一横波探头41、第二横波探头42、第一纵波探头43、第二纵波探头44)技术通过监测声波信号在岩体介质内传播过程的波速、波幅、波形及频谱等信息，间接了解岩体冻融过程中岩体内部空隙、微裂隙的演化，并通过纵波、横波数据计算岩体泊松比及动态弹性模量，为评估岩体的力学性质提供参考数据。同时将超声波信号及噪声信号从所有信号中剔除，剩余信号为岩石冻融过程中产生的声发射信号，声发射探头45能够获取岩体冻融过程中的声发射信号及裂纹破裂的三维定位，实时采集各类信号的能量、幅值、计数、频率等参数，并实现岩石声发射震源的三维定位，间接获得岩体冻融损伤过程与温度及水分的演化规律。

并且处理获得的声发射信号可获得岩石冻融过程中损伤的定位信息，同时依据获得的温度及水分数据，可获得岩石冻融过程中损伤的时空演化分布规律。

本申请实现了岩石冻融-干湿环境下的声波声发射一体化监测，能够对岩石波速进行实时监测，通过波速变化判断岩石中水分及微裂隙的变化情况。同时能实现声发射源的三维定位，从而反映岩体损伤的空间分布及演化过程。通过在岩体冻融-干湿循环过程中引入声波声发射技术，实现了对岩石劣化过程的无损实时监测，弥补了先前监测岩体在复杂耦合环境中的性能劣化机理时，需要在冻融-干湿循环后取出岩样单独监测其波速及质量的技术缺陷，对冻融-干湿循环过程中岩石的实时破坏进程有了更加全面的理性认识。

通过在岩样顶部设计的冻融-干湿循环系统20，能够模拟自然冻融及降雨过程，有助于更真实反映岩石在自然界中的冻融-干湿劣化进程，且该装置具有操作简便、冻融温度变化曲线设置灵活、能实现顶底板温度独立变化、温控范围大、干湿循环过程中补水灵活等优点。

运用温度及水分传感器90，能够有效监测冻融、干湿过程中岩石内部温度和水分的变化规律，配合声波声发射探头40，能够研究不同类型岩石在不同冻融温度及水分下损伤演化进程，有助于全方位认识冻融-干湿耦合环境下岩石的劣化机理，分析并研究冻融、干湿循环过程中岩石损伤的三维演化过程与温度及湿度的关系。从而为寒区岩体工程在周期性的气温变化情况下冻融-干湿破坏及损伤演化机理的研究予以技术支撑，为防治寒区岩体冻害提供理论支撑，进一步提高寒区岩体的安全性及服役性能。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置，其特征在于，包括：

试样罐，用于放置岩石试样；

干湿循环系统，用于向放置于所述试样罐的所述岩石试样的顶部补给水分；

冻融循环系统，用于调节放置于所述试样罐的所述岩石试样的温度；以及

声波声发射探头，用于获取所述岩石试样损伤信息；

所述冻融循环系统包括第一冷却装置和第二冷却装置，所述第一冷却装置用于调节所述岩石试样上端的温度，所述第二冷却装置用于调节所述岩石试样下端的温度；

所述第一冷却装置包括第一热交换机和上压头，所述上压头为中空结构，所述上压头放置于所述岩石试样的上端，所述第一热交换机用于通过调节所述上压头内的温度，从而调节所述岩石试样上端的温度；所述第二冷却装置包括第二热交换机和下压头，所述下压头为中空结构，所述第二热交换机用于通过调节所述下压头内的温度，从而调节所述岩石试样下端的温度；

所述冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置还包括位移监测装置和补水系统，所述位移监测装置根据所述上压头上下移动量，从而获取所述岩石试样的冻胀变形量；所述补水系统用于从所述岩石试样的下端对所述岩石试样补水；

所述下压头内部划分为温控腔和补水腔，所述补水腔位于所述温控腔的上方，所述补水系统包括马廖特瓶和平衡管，所述马廖特瓶用于向所述补水腔内供水，所述平衡管用于将所述补水腔内部与外界连通；

所述补水腔的顶壁为渗水结构，所述补水腔两侧设有第一通孔和第二通孔，所述马廖特瓶的出水口与所述第一通孔连通，所述平衡管插设于所述第二通孔；

所述第一通孔和所述第二通孔同轴布置。

2.根据权利要求1所述的冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置，其特征在于，所述声波声发射探头包括：第一横波探头、第二横波探头、第一纵波探头、第二纵波探头和多个声发射探头，所述第一横波探头、所述第二横波探头、所述第一纵波探头、所述第二纵波探头和所述多个声发射探头均插设于岩石试样内并安装于岩石试样的侧壁；

所述第一横波探头和所述第二横波探头上下分层对角布置，所述第一横波探头用于接收所述第二横波探头发送的第一信号；

所述第一纵波探头和所述第二纵波探头在上下分层对角布置，所述第一纵波探头用于接收所述第二纵波探头发送的第二信号；

所述声发射探头用于接收所述岩石试样破裂释放能量而产生的声发射信号；所述多个声发射探头均匀间隔布置于所述岩石试样的侧壁。

3.根据权利要求2所述的冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置，其特征在于，所述试样罐上设有多个钻孔，所述钻孔与探头一一对应设置，每个探头插设于对应的钻孔。

4.根据权利要求3所述的冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置，其特征在于，所述冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置还包括水分传感器，所述水分传感器穿过所述试样罐的所述钻孔插设于所述岩石试样中；和/或

所述冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置还包括温度传感器，所述温度传感器穿过所述试样罐的钻孔插设于所述岩石试样中。

5.一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置实施，包括：

在岩体上取下一块作为岩石试样；

将所述岩石试样经切割打磨处理平整后装入试样罐；

将声波声发射探头紧贴岩样安装于所述试样罐四周；

在所述岩石试样的上端和下端设置冻融循环系统；以及

在所述岩石试样顶部安装干湿循环系统；

通过所述冻融循环系统模拟岩体的冻融状态，通过所述干湿循环系统模拟降雨环境，通过所述声波声发射探头获取所述岩石试样损伤信息。

6.根据权利要求5所述的冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测方法，其特征在于，所述在岩体上取下一块作为岩石试样，还包括：

在所述岩石试样的顶端开设呈放射状布置的降雨槽；以及

在所述岩石试样的周壁上开设插槽。

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