一种应用于岩石常规三轴试验声发射测试的压头

摘要

本发明涉及一种应用于岩石常规三轴试验声发射测试的压头，属于岩土工程技术领域。包括岩石MTS常规三轴压缩试验机上的上压头，下压头，在所述的上压头的下端面和下压头的上端面分别开有圆形槽，圆形槽底部对称开有两个垂直的安装孔，安装孔底部开有垂直导线孔，上压头和下压头的侧壁上开有水平导线孔，垂直导线孔与水平导线孔连通。安装孔底部设置有弹簧。在圆形槽上设有与圆形槽形状相同、大小相等的盖板。本发明可最大限度降低声发射信号的衰减、失真，避免声发射传感器浸泡在液压油中，可进行高围压的声发射测试并可对岩石破裂面定位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于岩石常规三轴试验声发射测试的压头，属于岩土工程技术领 域。

背景技术

当岩石等脆性材料受外力或内力作用，由于其本身的弹性形变、裂纹扩展、颗粒滑移 等造成其材料内局部能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象，称为声发射(Acoustic  emission，简称AE)。声发射技术在岩石力学中获得了广泛的应用。室内实验方面，因岩 石的破坏过程是其内部裂纹衍生、稳定扩展再到非稳定扩展的过程，此过程伴随有声发射 信号发生，因此可以通过监测声发射信号研究岩石的断裂损伤过程。国内外众多研究者利 用声发射测试技术研究了岩石在压缩过程中声发射事件数、能量的演化规律与岩石应力应 变曲线的关系，并将岩石强度分为起裂强度、损伤强度、峰值强度等。除此之外声发射技 术也被广泛应用于深埋硬岩隧洞和矿山的岩爆及冲击地压的预测预报中(一般称为微震监 测)。随着我国浅部矿产资源的逐步枯竭以及国家对水电能源、交通等的需求越来越大， 矿井的开采深度逐年深部化，水电地下厂房和引水隧洞需要在埋深几千米的硬岩隧洞中开 掘，因此岩爆灾害越来越突出，由于声发射技术不仅能够定位潜在震源的位置，还可获知 声发射试件的能量大小，所以声发射技术被成功的应用于深埋高应力地下岩石工程的岩爆 (冲击地压)的定位和预测预报中，有效降低了岩爆造成的损失。

常规三轴实验是获得岩石抗剪强度参数c、和建立不同岩石力学模型的基本手段， MTS815电液伺服实验系统是当今世界上最先进和应用最广的常规三轴实验系统，可在高 温、高压下正常工作。由于声发射探头不能承受高压力，因此与声发射测试技术广泛应用 于不同岩石的单轴压缩实验相比，在常规三轴实验中进行的声发射测试要少很多，而且不 论得到的定位效果还是接收的声发射信号都无法令人满意，主要是以下原因造成的：

(1)单轴压缩试验中，声发射探头与标准岩石试件通过耦合剂直接接触，岩石内部破 裂产生的弹性波经岩石传递到与之接触的声发射探头上，信号基本没有衰减、失真；

(2)常规三轴实验中，一般的做法是将声发射探头固定在外径接近30cm的油缸外壁上 来接收油缸内受压岩石发出的信号。为防止油缸内液压油渗入岩石内部以及岩石破碎粉末 混入油内阻塞进出油管，往往需要用橡胶套或胶带将标准岩石试件与上下压头牢牢裹住， 因此实验过程中岩石破裂产生的声发射信号就需要穿过橡胶套或层层胶带、液压油、油缸 壁三层阻碍才最终传输到声发射传感器上。此传输过程不仅会使声发射信号衰减、变弱， 而且会使部分波被屏蔽掉，因此最终声发射传感器接收到的是强度变弱的、失真的波形， 不是实验破裂发出的真实的声发射信号。

针对上述问题，中国专利公布号CN102305829A，公布日2012.1.4，发明名称“岩石 三轴压缩声发射试验系统”，该申请案公布了通过在连接岩石试件的底部压头内部开一空 腔，将声发射探头放入内部，实验时油可流入空腔，进入探头内部，使探头上的压电陶瓷 元件内外等压，与探头相连的信号线通过预留通道穿出三轴室外。虽然作者将声发射接收 探头置于三轴室内，理论上避免了声发射信号的衰减和被屏蔽，但仍存在如下问题：

(1)声发射探头与岩石试件仍然不是直接接触，中间隔着厚厚的承压圆柱，探头与岩 样距离越远，信号衰减越厉害；

(2)声发射探头的压电陶瓷浸没在油中，其震动频率、工作性能等都会受到油介质的 影响；

(3)声发射探头的压电陶瓷非常脆弱，不能承受高的压力，因此对于围压大于10MPa 的常规三轴试验这种声发射测试装置都不能应用。

(4)该改进的声发射测试装置只能进行一般的声发射检测，无法对破裂面进行定位， 因为定位至少需要四个合理布置的声发射探头。

发明内容

为克服上述岩石常规三轴试验中声发射测试所存在的问题，本发明的目的在于提供一 种应用于岩石常规三轴试验声发射测试的压头，不仅可以最大程度的降低信号的衰减，声 发射探头的压电陶瓷也不用承受很大的压力，而且还能对岩样破裂面定位。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种应用于岩石常规三轴试验声发射测试的压头，包括岩石MTS常规三轴压缩试验 机上的上压头，下压头，在所述的上压头的下端面和下压头的上端面分别开有圆形槽，圆 形槽底部对称开有两个垂直的安装孔，安装孔底部开有垂直导线孔，上压头和下压头的侧 壁上开有水平导线孔，垂直导线孔与水平导线孔连通。安装孔底部设置有弹簧。在圆形槽 上设有与圆形槽形状相同、大小相等的盖板。

圆形槽与压头同心圆布置。

对称布置的安装孔以圆形槽的圆心为对称中心。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用在上下压头内开安装孔，可以将声发射探头置于其中，解决了岩石常 规三轴实验中无法将声发射探头安装在三轴室内的难题；

(2)设置在安装孔内的弹簧可以使声发射探头与盖板紧密接触，保证接收到完整的声 发射信号；

(3)声发射探头与岩样之间仅隔了一块盖板，可以最大限度减小声发射信号长距离传 输和多介质(橡胶套或层层胶带、液压油、油缸壁)的传递造成的信号衰减、失真；

(4)由于岩样和上下压头被胶带、薄膜、胶带层层紧密缠绕，可以避免油渗入岩样和 压头内的安装孔里，因此既可以避免声发射传感器的压电陶瓷在液压油中浸泡导致的频 率、工作性能受影响，又可避免压电陶瓷承受高压力而失效的问题。

(5)将分别设置有两个安装孔的上压头和下压头进行合理的布置(只要不共面即可， 如十字形布置方式)不仅可以接受到常规的声发射信号，还可以对岩石的破裂位置进行定 位。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为图1的俯视图

图3为本发明工作状态示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

见附图

一种应用于岩石常规三轴试验声发射测试的压头，包括岩石MTS常规三轴压缩试验 机上的上压头1，下压头2，在所述的上压头1的下端面和下压头2的上端面分别开有圆 形槽3，圆形槽3底部对称开有两个垂直的安装孔4，安装孔4底部开有垂直导线孔5， 上压头1和下压头2的侧壁上开有水平导线孔6，垂直导线孔5与水平导线孔6连通。安 装孔4底部设置有弹簧7。在圆形槽3上设有与圆形槽3形状相同、直径相等的盖板8， 盖板8的厚度与圆形槽3的深度相等。

圆形槽3与压头同心圆布置。

对称布置的安装孔4以圆形槽3的圆心为对称中心。

试验前将声发射传感器9置于安装孔4中，并置于弹簧7上，声发射传感器9的导线 11先从导线孔5中引出，声发射传感器9的导线11一端连接三轴室外的前置放大器。之 后将圆柱形盖板8嵌入圆形槽3中，声发射传感器9的压电陶瓷片10在弹簧7的弹力作 用下与盖板8密切接触而不会受很大压力，将标准岩石试件12对正安放在安装好声发射 传感器9的下压头2上，用胶带将下压头2和标准岩石试件12缠紧密。同样的方法安装 上压头1，上压头1两个声发射传感器9圆心的连线与下压头2中两个声发射传感器9中 心的连线呈十字形布置，便于定位声发射试件，然后用胶带缠好上压头1和标准岩石试件 12，之后用胶带将上压头1，下压头2和标准岩石试件12再缠一圈，缠完后在上压头1， 下压头2和标准岩石试件12上再套一层桶状薄膜，并用热吹风机吹至其收缩与缠入的胶 带紧密接触。最后再缠1～2圈胶带，保证油缸内的液压油不渗入到标准岩石试件12和上 压头1及下压头2中。将缠好的标准岩石试件12，上压头1及下压头2置于MTS三轴压 力室内，开始试验。