CN114002065A - 一种利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变的方法，所述方法是通过对受载岩石在单轴压缩过程中进行声波检测，将所得所有受载岩样的声波信号时域图提取首波声时t，根据公式
Figure DDA0003336412480000011
计算每级荷载作用下的波速v，并通过公式
Figure DDA0003336412480000012
计算每级荷载作用下岩样的波速非损伤比α，α值越小，裂纹越多。与现有技术相比，本发明提供的利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变方法，从时域图中计算不同荷载作用下岩样的纵波波速，并定义岩样波速非损伤量，从而定量判断岩样在加载过程中裂纹变化。

Description

一种利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变的方法
技术领域
本发明涉及一种故障检测方法，尤其涉及一种利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变方法，属于声波检测技术领域，特别是涉及工程结构裂缝的检测。
背景技术
岩石作为工程建设重要的承重材料之一被广泛使用。由于成岩作用和所处环境的不同，岩石内部存在微裂隙、节理、孔洞等初始损伤，损伤累积导致结构承载力下降；在地下工程建设中，由于岩石裂隙发育造成结构整体承载能力下降，严重时会导致结构破坏，因此，对于岩石裂隙变化的检测显得尤为重要。
声波检测法由于操作简单、效率高、设备简单被广泛应用于检测结构内部缺陷。Kaneko等人对单轴压缩过程中大理岩声学特征进行研究，测试得到岩石波速，然后给出波速随压应力的变化关系，波速随应力变化较灵敏，岩石弹性性质的变化与荷载作用下的裂纹行为有关。Meglis等人为了表征花岗岩试验隧道开挖过程中的损伤特性，在隧道原位进行了波速和振幅的测量，当波速和振幅较低时，表明岩石存在定向的微裂隙，损伤较大。李浩然等人对岩石的声学特性进行研究，得出用波速来定性描述岩石内部缺陷随外力的变化情况。
但对于应力实时波速变化特征与裂纹开展规律之间的联系、以及如何定量检测出岩石裂纹的变化规律的研究较少，因此，对岩石的波速变化特征与裂纹开展规律之间联系需做进一步研究，也是现在工程结构缺陷检测技术领域急需解决的问题之一。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变方法，通过对单轴压缩过程中的岩石进行声波检测，获取其声波信号，再对提取的信号进行数据处理，从而达到快速、准确的检测目的。
本发明提供的技术方案为：一种利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变的方法，是通过对受载岩石在单轴压缩过程中进行声波检测，将所得所有受载岩样的声波信号时域图提取首波声时，根据公式(1)计算每级荷载作用下的波速v，并通过公式(2)计算每级荷载作用下岩样的波速非损伤比α，α值越小，裂纹越多：
Figure BDA0003336412460000021
其中，l为试件长度；t为声波在岩样内传播的首波到达的时间；
Figure BDA0003336412460000022
其中，v0表示压力为0kN时的波速值，vi表示i压力水平下的波速值。
优选地，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：对待测岩样进行单轴压缩，测得岩样的应力、应变，得待测岩样的应力应变曲线；
步骤S2：在对待测岩样进行单轴压缩的过程中，同时对待测岩样进行声波检测，得待测岩样在不同荷载下的声波信号时域图；
步骤S3：根据步骤S2所得声波信号时域图，提取每幅声波信号时域图中的首波声时t(时域图中首波起跳点对应的横坐标值为首波声时)，通过公式(1)计算每级荷载作用下岩样的波速v；
步骤S4：根据公式(2)计算得每级荷载作用下岩样的波速非损伤比α；
步骤S5：根据步骤S4所得波速非损伤比α的大小来检测裂纹的变化，α值越小，裂纹越多。
优选地，对试件进行单轴压缩试验，荷载施加采用位移控制，多次试验后选取轴向载荷0.2mm/min(试验效果最好)进行加载直至试件破坏，得到岩样的应力应变曲线。
优选地，所述声波为纵波。
由现有技术可知，待测岩样获得的声波信号时域图中利用公式(1)计算得声波在不同荷载下的岩样中传播的波速，岩样波速基本随着应力增加而增加，因此，仅利用波速值大小描述岩石在单轴压缩过程的破坏情况比较局限。而当引入一个基于波速的特征参数，即将不同载荷作用下测得的岩样波速与完整岩样波速进行比较，提取特征参数波速非损伤比α，则可以通过岩样波速非损伤比α定量评判岩石在单轴压缩过程的破坏情况，从而定量分析岩石在单轴压缩过程中损伤规律，使对岩样内部裂隙的评判更加直观。
与现有技术相比，本发明提供的利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变方法，从时域图中计算不同荷载作用下岩样的纵波波速，并定义岩样波速非损伤量，从而定量判断岩样在加载过程中裂纹变化。该方法流程简单、便捷，优势明显：
(1)通过本发明计算出岩样波速非损伤比α可直接得到待测物在加载过程中的裂纹变化情况；
(2)通过α的大小来判断待测物的损伤，α越小，待测物的损伤越多，判断结果直观准确；
(3)本发明操作流程简单，测量结果稳定。
附图说明：
图1为本发明实施例1提供的岩石试样与设备连接示意图；
图2为本发明实施例1提供的岩石试样应力应变曲线图；
图3为本发明实施例1提供的岩石试样在载荷为0～35kN作用下的时域图；
图4为本发明实施例1提供的岩石试样在载荷为40～68kN作用下的时域图；
图5为本发明实施例1提供的岩石试样首波起跳点的示意图；
图6为本发明实施例1提供的岩石试样纵波波速与应力关系图；
图7为本发明实施例1提供的岩石试样波速非损伤比与应力图；
图8为本发明实施例1提供的岩石试样应力随时间变化图；
图9为本发明实施例1提供的岩石试样应变随时间变化图；
图10为本发明实施例1提供的岩石试样应力、波速非损伤比与应变的关系图；
其中，1、岩样；2、承压换能器；3、声波检测仪；4、微机控制电子万能试验机。
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。
实施例1
(1)制作岩石试件：选取待测岩样1，加工得到标准圆柱岩石试件A、试件B、试件C，所有试件尺寸半径R＝25mm，长度l＝100mm。
(2)在岩石试件上下表面均匀涂抹凡士林，并在其上下表面分别接触承压换能器2，各承压换能器2另一侧固定微机控制电子万能试验机4，将声波检测仪3与承压换能器2连接，如图1所示。其中，凡士林作为耦合剂，让承压换能器2与岩石试件接触更好，使测量数据精确，减小误差。
(3)启动微机控制电子万能试验机对岩石试件进行单轴压缩试验，实验过程中系统自动采集并记录应力、应变等数据，绘制应力应变曲线如图2所示。
(4)在步骤(3)的单轴压缩试验过程中，分别对岩石试件在受力荷载为0kN、1kN、2kN、3kN、4kN、···时，通过步骤2的仪器对岩石试件上下表面进行声波发射与接收，保存所得声波信号，直至岩石试件破坏或声波无法识别。
(5)对步骤(4)所得不同荷载作用下的声波信号进行数据处理，得岩石试件在不同荷载作用下的时域图(见图3、图4)，结合公式(1)计算岩石试件在不同荷载作用下的声波传播波速v：
Figure BDA0003336412460000041
其中，l为试件长度，本实施例中l＝100mm；t为试件声波走时(即时域图中首波起跳点对应的横坐标值，首波起跳点的示意图见图5)。
为了将岩石试件的应力值与声波在岩石试件中波速的变化相结合，将作用在岩石试件上的力代入公式(3)换算为岩石试件的应力，即可得到在不同应力状态下声波在岩石试件中传播的波速，所得结果如表2所示：
Figure BDA0003336412460000042
其中，σ为作用在岩石试件上的应力，F为作用在岩石试件上的力，S为岩石试件受力截面的面积(S＝πR2，本实施例中R＝25mm)。
表2不同应力状态下声波在岩石试件中传播的波速
Figure BDA0003336412460000043
Figure BDA0003336412460000051
根据表2数据绘制岩石试件中波速与所受应力的关系图6。由图6可以看出，当岩石试件在不同应力状态下所对应的波速变化显著不同，结合步骤1所得的应力应变曲线图(图2)，可将岩样受力过程分为4阶段：在加载初期，岩样处于孔隙压密阶段，应力应变曲线向下弯曲且呈凹形，由于岩样内部孔隙数目减少，声波在岩样中传播的距离变短，因此首波到达的声时变小，导致波速增大。随着荷载增加，岩样处于弹性变形及微裂纹稳定发展阶段，应力应变曲线近似变成直线，岩样内部微裂纹开始扩展，波速有所下降。随着荷载进一步增加，应力应变曲线向上弯曲，直到载荷达到峰值载荷，此时为裂纹非稳定发展阶段，裂纹继续扩展同时又有新裂纹产生，但是裂纹之间尚未贯通，声波速度下降明显；当荷载达到极限状态，岩样裂纹迅速扩展，裂纹数量增加，波速急剧下降，直到裂纹贯通，试件破坏；因此，公式(1)仅能定性描述岩石在不同应力状态下裂纹的变化情况。
(6)将步骤5得到的波速代入公式(2)得岩样波速非损伤比α，计算结果如表3，并绘制岩石试件的波速非损伤比与应力图(方法同上)，如图7所示。
Figure BDA0003336412460000061
其中，v0表示压力为0kN时的波速值，vi表示i压力水平下的波速值。
表3不同应力状态下岩石试件1波速非损伤比α
Figure BDA0003336412460000062
Figure BDA0003336412460000071
(7)利用万能试验机4测试得岩石试件的应力、应变随时间变化(见图8、图9)，得出应力应变与时间关系，以时间为中间变量，可得到岩石试件在单轴压缩过程中应力、波速非损伤比与应变的关系图(见图10)。
结合图2、图10可知，图2中当岩石处于孔隙压密阶段(oa段)，σa＝3Mpa，此时相对应的岩石试件αa＝97％，并由图9可知α为首次降低的点，故可将αa＝97％视为弹性阶段转变为微裂纹稳定发展阶段点；图2中当岩石处于弹塑性变形阶段(ab段)，σb＝22.92Mpa，此时相对应的岩石试件αb＝75％，在此阶段岩石试件内部微裂纹开始扩展且伴随新裂纹出现，岩石试件已处于微裂隙稳定发展阶段，易造成工程安全问题，由图10可知，αb＝75％为岩石试件在弹性阶段的突变点，故将此点作为岩石试件的破坏预警点；图2中当岩石试件处于塑性阶段(bc段)，此阶段岩石内部裂纹数量逐渐增多，说明岩石的破坏已经开始，图2中当岩石处于破坏阶段(cd段)，σd＝35.65Mpa，此时相对应的岩石试件αd＝45％，由图10可知，当岩石试件波速非损伤比αd＝45％，此时岩石试件强度达到抗压强度，说明岩石试件的裂隙已经贯穿整个试件，试件逐渐丧失承载能力，直至完全破坏，故将此点作为试件破坏点。
通过以上分析得到，岩石在加载过程中，随着波速非损伤比α变小，岩石的裂纹数量逐渐增加，即岩石损伤量逐渐增多，试件逐渐丧失承载能力；因此，我们可以通过计算岩石在受力过程中波速非损伤比α的大小判断岩石裂纹的演变，从而确定岩石的损伤状态。
通过上述方法，可以利用波速非损伤比可以快速监测试件裂纹变化情况使得测量结果更加准确、直观。

Claims (4)

1.一种利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变的方法，其特征在于，是通过对受载岩石在单轴压缩过程中进行声波检测，从所得受载岩样的所有声波信号时域图中提取首波声时t，根据公式(1)计算每级荷载作用下的波速v，并通过公式(2)计算每级荷载作用下岩样的波速非损伤比α，α值越小，裂纹越多：
Figure FDA0003336412450000011
其中，l为试件长度；t为声波在岩样内传播的首波到达的时间；
Figure FDA0003336412450000012
其中，v0表示压力为0kN时的波速值，vi表示i压力水平下的波速值。
2.根据权利要求1所述的利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：对待测岩样进行单轴压缩，测得岩样的应力、应变，得待测岩样的应力应变曲线；
步骤S2：在对待测岩样进行单轴压缩的过程中，同时对待测岩样进行声波检测，得待测岩样在不同荷载下的声波信号时域图；
步骤S3：根据步骤S2所得声波信号时域图，提取每幅声波信号时域图中的首波声时t，通过公式(1)计算每级荷载作用下岩样的波速v；
步骤S4：根据公式(2)计算得每级荷载作用下岩样的波速非损伤比α；
步骤S5：根据步骤S4所得波速非损伤比α的大小来检测裂纹的变化，α值越小，裂纹越多。
3.根据权利要求1所述的利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变的方法，其特征在于，对试件进行单轴压缩试验，荷载施加采用位移控制，选取轴向载荷0.2mm/min进行加载直至试件破坏，得到岩样的应力应变曲线。
4.根据权利要求1所述的利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变的方法，其特征在于，所述声波为纵波。
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