CN207832584U - 多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，包括应力加载单元、水气发生单元、水气循环单元和计算机；水气发生单元经水气循环单元连接应力加载单元，计算机信号连接各传感器。本实用新型的有益效果：通过计算机控制应力加载单元对岩石试件应力加载；通过计算机控制水气发生单元产生设定湿度、温度的水气，通过水气循环单元实现对岩石试件不同湿度、温度变化的影响；通过更换不同化学溶液实现不同化学溶液对岩石试件的作用；在不同应力、不同湿度、不同温度、不同化学溶液耦合作用岩石试件的同时，对岩石试件进行超声波监测试验，以定量研究岩石受应力、湿度、温度以及化学腐蚀单独或共同作用下的长期稳定性问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及岩土工程试验技术领域，特别是涉及一种多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置。
背景技术
多场耦合条件下岩石的破坏行为研究是岩石力学领域最前沿的课题之一，是核废料地下储存、地下能源储存、二氧化碳地下储存、地热开发、石油开采等众多岩石工程的基础性研究课题，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。在众多岩土工程中，岩石总是处于一定的地应力、地温、湿度的共同作用下，而地下水气中含有的各种化学物质也将对岩石进行腐蚀，对岩石材料的破坏有很大影响。温度对岩石的影响，主要是通过其热力学性质体现，温度的变化会在岩石内部产生很大的应力，进而影响其力学性质；湿度的长时间作用，将会对岩石的各种强度参数造成不同程度的劣化，另一方面，岩石强度参数的劣化，也将导致湿度场发生变化。因此有必要开展岩石在多场耦合下的力学特性试验，分析岩石在多场耦合条件下的长期稳定问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，实现对岩石材料在不同应力、不同湿度、不同温度、不同化学溶液单独或共同作用下损伤演化规律的测试。
本实用新型提供一种多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置包括应力加载单元、水气发生单元、水气循环单元和计算机；应力加载单元包括支撑架、透明密闭罩、上压头底座、下压头底座、伸缩油缸、岩石试件和油压泵，支撑架周围罩设透明密闭罩，支撑架的上端设置上压头底座，上压头底座上设置有刚性上压头，支撑架的下端设置伸缩油缸，伸缩油缸的伸缩端上设置下压头底座，下压头底座上设置有刚性下压头，刚性上压头的下表面设置有超声波发射探头，刚性下压头的上表面设置有超声波接收探头，刚性上压头和刚性下压头之间设置岩石试件，油压泵经油压管路连接伸缩油缸，油压管路上设置有数显油压表，透明密闭罩内的上方设置有第一数显温度计和第一数显湿度计；水气发生单元包括透明溶液瓶，透明溶液瓶内填充有化学溶液，透明溶液瓶内的底部设置有冒泡加热器，透明溶液瓶内的上方设置有第二数显温度计和第二数显湿度计；水气循环单元包括进气管路和回气管路，进气管路的一端连接透明溶液瓶，进气管路的另一端连接透明密闭罩，进气管路上设置有第一空气泵和进气阀门，回气管路的一端连接透明溶液瓶，回气管路的另一端连接透明密闭罩，回气管路上设置有第二空气泵和回气阀门；计算机分别信号连接超声波发射探头、超声波接收探头、油压泵、第一数显温度计、第一数显湿度计、冒泡加热器、第二数显温度计和第二数显湿度计。
进一步的，冒泡加热器中设置有加热器、风机和若干个吹气管，风机连接有进风管路和送风管路，进风管路的末端位于化学溶液液面上方，风机经送风管路连接若干个吹气管，计算机分别信号连接加热器和风机。
进一步的，进气管路的另一端连接透明密闭罩的下端，回气管路的另一端连接透明密闭罩的上端。
进一步的，超声波发射探头内嵌于刚性上压头的下表面，超声波接收探头内嵌于刚性下压头的上表面。
进一步的，透明密闭罩由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料制成，透明密闭罩的下端设置装配口，透明密闭罩经装配口可拆卸连接下压头底座。
进一步的，透明溶液瓶由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料制成。
进一步的，进气管路、回气管路均由透明耐腐蚀耐高温材料制成。
进一步的，透明溶液瓶上方的两侧分别设置有进气连接管和回气连接管，进气连接管连接进气管路的一端，回气连接管连接回气管路的一端。
与现有技术相比，本实用新型的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置具有以下特点和优点：
本实用新型的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，通过计算机控制应力加载单元对岩石试件应力加载；通过计算机控制水气发生单元产生设定湿度、温度的水气，通过水气循环单元实现对岩石试件不同湿度、温度变化的影响；通过更换不同化学溶液实现不同化学溶液对岩石试件的作用；在不同应力、不同湿度、不同温度、不同化学溶液耦合作用岩石试件的同时，对岩石试件进行超声波监测试验，以定量研究岩石受应力、湿度、温度以及化学腐蚀单独或共同作用下的长期稳定性问题。
结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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的附图。
图1为本实用新型实施例多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置的结构示意图；
其中，1、计算机，2、岩石试件，3、进气阀门，4、进气管路，5、第一空气泵，6、油压泵，7、数显油压表，8、进气连接管，9、第二数显温度计，10、第二数显湿度计，11、冒泡加热器，12、回气连接管，13、第一数显温度计，14、第一数显湿度计，15、透明密闭罩，16、上压头底座，17、刚性上压头，18、刚性下压头，19、伸缩油缸，20、油压管路，21、超声波发射探头，22、超声波接收探头，23、回气阀门，24、第二空气泵，25、回气管路，26、透明溶液瓶，27、下压头底座。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供一种多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，包括应力加载单元、水气发生单元、水气循环单元和计算机1等。
应力加载单元包括支撑架、透明密闭罩15、上压头底座16、下压头底座27、伸缩油缸19、岩石试件2和油压泵6等。支撑架上方的周围罩设透明密闭罩15，透明密闭罩15由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料制成，透明密闭罩15的下端设置装配口，透明密闭罩15经装配口可拆卸连接下压头底座27。支撑架的上端装配上压头底座16，上压头底座16上装配刚性上压头17。支撑架的下端设置伸缩油缸19，伸缩油缸19的伸缩端上装配下压头底座27，下压头底座27上装配刚性下压头18。刚性上压头17的下表面内嵌有超声波发射探头21，刚性下压头18的上表面内嵌有超声波接收探头22，刚性上压头17和刚性下压头18之间用于夹持岩石试件2。油压泵6经油压管路20连接伸缩油缸19，油压管路20上设置有数显油压表7。透明密闭罩15内的上方设置有第一数显温度计13和第一数显湿度计14。
水气发生单元包括透明溶液瓶26，透明溶液瓶26由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料制成。透明溶液瓶26内填充有化学溶液，透明溶液瓶26内的底部设置有冒泡加热器11，冒泡加热器11中设置有加热器、风机和若干个吹气管，风机连接有进风管路和送风管路，进风管路的末端位于化学溶液液面上方，风机经送风管路连接若干个吹气管。透明溶液瓶26内的上方设置有第二数显温度计9和第二数显湿度计10。
水气循环单元包括进气管路4和回气管路25，进气管路4、回气管路25均由透明耐腐蚀耐高温材料制成。透明溶液瓶26的上方的两侧分别设置有进气连接管8和回气连接管12，进气管路4的一端经进气连接管8连接透明溶液瓶26，进气管路4的另一端连接透明密闭罩15的下端，进气管路4上设置有第一空气泵5和进气阀门3，回气管路25的一端经回气连接管12连接透明溶液瓶26，回气管路25的另一端连接透明密闭罩15的上端，回气管路25上设置有第二空气泵24和回气阀门23。
计算机1分别经信号电缆信号连接超声波发射探头21、超声波接收探头22、油压泵6、第一数显温度计13、第一数显湿度计14、冒泡加热器11中的加热器及风机、第二数显温度计9和第二数显湿度计10。
本实施例的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，其使用过程如下：
(1)利用取芯钻具获取地下岩芯试样，选取完好、无损且原始内部结构完整的岩芯试样，加工成标准圆柱形岩石试件2，将岩石试件2夹持在刚性上压头17和刚性下压头18之间。
(2)在岩石试件2上下两侧的超声波发射探头21、超声波接收探头22通过信号电缆与计算机1实现数据相连，用来实时记录由超声波发射探头21发射超声波到超声波接收探头22接收超声波的时间，并保存相关数据进行后期的处理与分析。
(3)将透明密闭罩15内上方的第一数显温度计13和第一数显湿度计14通过信号电缆与计算机1数据相连，试验人员可通过透明密闭罩15查看第一数显温度计13和第一数显湿度计14的读数，确定透明密闭罩15内的温度和湿度。将透明密闭罩15罩设在支撑架上，密闭罩15下方的装配口连接下压头底座27，以使支撑架周围形成密闭空间，将油压泵66和数显油压表7通过油压管路20接在伸缩油缸19的底部，将进气管路4和回气管路25连接在透明密闭罩15上。
(4)将冒泡加热器11通过信号电缆与计算机1数据连接，将透明溶液瓶26上方的第二数显温度计9和第二数显湿度计10通过信号电缆与计算机1数据连接，进气管路4和回气管路25分别经进气连接管8和回气连接管12连接透明溶液瓶26。
(5)进入计算机1程序控制器的控制界面，设定超声波发射探头21发射超声波，从超声波发射探头21发射超声波到超声波接收探头22接收到超生波的时间记为Δt0，岩石试件2的长度为L，因此可以根据计算得到初始未开始应力加载试验前的超声波在岩石试件2中的传播的波速v0。
(6)进入计算机1程序控制器的控制界面，设定透明溶液瓶26的湿度值以及温度值，计算机1控制冒泡加热器11并根据第二数显温度计9和第二数显湿度计10使溶液瓶26达到试验要求的湿度和温度时，打开回气阀门23、进气阀门3和第一空气泵5和第二空气泵24，由第一空气泵5将混有一定温度和湿度的水气(混合有化学试剂颗粒)压入透明密闭罩15，由第二空气泵24将透明密闭罩15内的水气抽走以使水气形成循环。试验人员可通过透明溶液瓶26查看第二数显温度计9和第二数显湿度计10的读数，确定透明溶液瓶26内的温度和湿度。水气由进气管路4经透明密闭罩15的下方进入透明密闭罩15并逐渐在透明密闭罩15内上升从透明密闭罩15的上方流出进入回气管路25，使水气充满整个透明密闭罩15，以使岩石试件2被水气包裹。计算机1根据第一数显温度计13和第一数显湿度计14监测透明密闭罩15内的温度和湿度，计算机1进而再调节控制冒泡加热器11，使透明溶液瓶26与透明密闭罩15的湿度值以及温度值接近。
(7)通过计算机1程序控制器的控制界面，启动油压泵6并根据数显油压表7控制伸缩油缸19施加设定压力，对岩石试件2进行单轴压缩以进行应力加载试验，通过计算机1记录超声波发射探头21和超声波接收探头22的发射和接收的时间，从超声波发射探头21发射超声波到超声波接收探头22接收到超生波的时间为Δt1，岩石试件2的长度为L，因此可以根据计算得到岩石试件2单轴压缩过程中的超声波的波速保持预定应力不变，每隔时间ΔT，测定一次时间超声波波速，记为定义损伤变量由应力-湿度-温度-化学耦合作用下的试验得到一系列的不同时刻下的损伤变量的值(t1,D1)，(t2,D2),…(tn,Dn)，通过数据拟合得到损伤演化方程D＝f(t)。
本实施例的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，通过计算机1控制应力加载单元对岩石试件2进行应力加载试验；通过计算机1控制水气发生单元产生设定湿度、温度的水气，通过水气循环单元实现对岩石试件2不同湿度、温度变化的影响；通过更换透明溶液瓶26中不同化学溶液实现不同化学溶液对岩石试件2的作用；在不同应力、不同湿度、不同温度、不同化学溶液耦合作用岩石试件2的同时，对岩石试件2进行超声波监测试验，以定量研究岩石受应力、湿度、温度以及化学腐蚀单独或共同作用下的长期稳定性问题。
当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，其特征在于：多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置包括应力加载单元、水气发生单元、水气循环单元和计算机；应力加载单元包括支撑架、透明密闭罩、上压头底座、下压头底座、伸缩油缸、岩石试件和油压泵，支撑架周围罩设透明密闭罩，支撑架的上端设置上压头底座，上压头底座上设置有刚性上压头，支撑架的下端设置伸缩油缸，伸缩油缸的伸缩端上设置下压头底座，下压头底座上设置有刚性下压头，刚性上压头的下表面设置有超声波发射探头，刚性下压头的上表面设置有超声波接收探头，刚性上压头和刚性下压头之间设置岩石试件，油压泵经油压管路连接伸缩油缸，油压管路上设置有数显油压表，透明密闭罩内的上方设置有第一数显温度计和第一数显湿度计；水气发生单元包括透明溶液瓶，透明溶液瓶内填充有化学溶液，透明溶液瓶内的底部设置有冒泡加热器，透明溶液瓶内的上方设置有第二数显温度计和第二数显湿度计；水气循环单元包括进气管路和回气管路，进气管路的一端连接透明溶液瓶，进气管路的另一端连接透明密闭罩，进气管路上设置有第一空气泵和进气阀门，回气管路的一端连接透明溶液瓶，回气管路的另一端连接透明密闭罩，回气管路上设置有第二空气泵和回气阀门；计算机分别信号连接超声波发射探头、超声波接收探头、油压泵、第一数显温度计、第一数显湿度计、冒泡加热器、第二数显温度计和第二数显湿度计。
2.根据权利要求1所述的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，其特征在于：冒泡加热器中设置有加热器、风机和若干个吹气管，风机连接有进风管路和送风管路，进风管路的末端位于化学溶液液面上方，风机经送风管路连接若干个吹气管，计算机分别信号连接加热器和风机。
3.根据权利要求1所述的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，其特征在于：进气管路的另一端连接透明密闭罩的下端，回气管路的另一端连接透明密闭罩的上端。
4.根据权利要求1所述的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，其特征在于：超声波发射探头内嵌于刚性上压头的下表面，超声波接收探头内嵌于刚性下压头的上表面。
5.根据权利要求1所述的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，其特征在于：透明密闭罩由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料制成，透明密闭罩的下端设置装配口，透明密闭罩经装配口可拆卸连接下压头底座。
6.根据权利要求1所述的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，其特征在于：透明溶液瓶由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料制成。
7.根据权利要求1所述的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置，其特征在于：进气管路、回气管路均由透明耐腐蚀耐高温材料制成。
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