一种可实现在三轴压力室内采集声发射信号的耦合装置

摘要

本发明公开了一种可实现在三轴压力室内采集声发射信号的耦合装置，三轴仪底座呈L型导通管道，在L型导通管道内放置传感器信号线，声发射信号线穿过三轴仪底座的L型导通管道，位于L型导通管道两端的内防水橡胶塞、外防水橡胶塞通过玻璃胶与声发射信号线固定成一个整体，内防水橡胶塞和外防水橡胶塞大小相等，内防水橡胶塞与外防水橡胶塞分别塞进L型导通管道内，声发射传感器套在防护固定罩上，声发射传感器感应面平行于试样表面，防护固定罩手柄竖直立于试样的乳胶膜外表面，通过上弹性橡皮圈、下弹性橡皮圈固定。结构简单，操作方便，实时监测岩土材料的常规三轴压缩、剪切过程中由于颗粒破碎、微裂纹扩展产生的声发射信号。

说明书

技术领域

本发明属于岩土力学试验领域，更具体涉及一种可实现在三轴压力室内采集声发射信号的耦合装置。具体来说就是试样在进行三轴试验过程中产生的声发射信号可以通过直接粘贴在试样乳胶膜表面的声发射传感器接收，达到声发射信号实时监测的目的。本发明适用于粗粒土、钙质砂、岩石等材料的颗粒破碎、微裂纹扩展等性质方面的研究。为研究认识土的颗粒破碎、岩石的裂纹扩展现象提供了技术支撑。 

背景技术

三轴仪是岩土力学研究最常规最重要的实验设备之一。三轴试验是测定土的抗剪强度、应力应变关系的一种试验。试验中，一般采用4～5个圆柱体试样，分别在不同的恒定周围压力（即小主应力σ₃下），施加轴向应力σ₁，此时产生的主应力差为（σ₁-σ₃），在不同主应力差（σ₁-σ₃）下测定试样轴向应变ε₁及体应变ε_v，直至将试样剪切至破坏，求得土样抗剪强度、应力应变关系和数值模拟分析模型参数。 

由于粗粒土在剪切过程中会发生颗粒破碎现象，目前测得颗粒破碎的技术手段还主要是通过试样试验前后颗分试验获取。由于颗粒破碎的时候会释放能量产生瞬态弹性波，这种产生的瞬态弹性波现象称为声发射(Acoustic Emission，简称AE)，有时也称为应力波发射。为了能够获得三轴试验过程中产生的真实声发射信号，必须首先找到一种结构简单，易于操作，性能稳定的装置，可将声发射测试技术应用于三轴仪中。只有获得了高保真的颗粒破碎的声发射信号，其他研究工作才成为可能。 

目前声发射技术主要应用于金属材料的无损检测中。而岩土材料，特别是土介质材料方面的声发射研究还处在初步探索阶段。 

中国科学院武汉岩土力学研究所曾采用声发射技术监测钙质砂的常规三轴试验，他们采用的是将声发射传感器粘贴在三轴压力室的外面，试样压缩、剪切试验过程中产生的声发射信号需要经过围压水、压力室等介质才能被声发射传感器接收。对于大型三轴试验来说，由于压力室大，压力室缸壁厚，如果将声发射传感器粘贴在三轴压力室的外面，声发射信号能量损失将更严重。由于颗粒破碎产生的声发射信号非常弱，大量的信号衰减将造成接收到的声发射信号失真。因此为了避免信号的衰减，保证采集的声发射信号的真实性，把声发射传感器直接粘贴在试样的表面，是非常有意义的。 

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的目的是在于提供了一种可实现声发射传感器在压力室内监测三轴试验过程中声发射信号的耦合装置，解决的技术问题是：实现了声发射传感器直接粘贴在试样的表面，保证了采集的声发射信号的真实性；同时可以防止高围压水的渗出，进而不影响三轴试验的正常进行；方便拆卸，不影响三轴仪的正常使用功能。从而实现声发射传感器能够直接监测到土样在固结、剪切过程中产生的声发射信号的目的。本发明结构简单，操作方便，可以实时监测岩土材料的常规三轴压缩、剪切过程中由于颗粒破碎、微裂纹扩展产生的声发射信号。对原有的三轴仪改装范围较小，可方便拆卸，而不影响三轴仪的其他功能使用。该装置可满足围压高达1MPa的围压环境中长时间进行声发射监测工作，可满足大部分土的常规静、动三轴试验的需求，尤其是粗粒土、粗粒料、堆石料的大型常规静、动三轴声发射试验研究，也可满足部分岩石的常规三轴声发射试验研究。 

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施： 

一种可实现在三轴压力室内采集声发射信号的耦合装置，它由室体、活塞杆、试样、底座、乳胶膜、L型导通管道、内防水橡胶塞、外防水橡胶塞、预压力板、紧固螺栓、上弹性橡皮圈、下弹性橡皮圈、防护固定罩、声发射传感器、声发射信号线、声发射采集系统等部件构成。其连接关系是：三轴压力室体用以安装试样，底座为室体的一部分，试样外侧套上一层乳胶膜，安放在三轴仪底座之上，并通过密封圈把试样固定在底座与活塞杆之间，活塞杆将轴力传到试样上。声发射传感器放置在防护固定罩内，其感应面朝外，紧贴试样，并连同防护固定罩一起通过上弹性橡皮圈和下弹性橡皮圈压紧固定在试样外侧乳胶膜上，弹性橡皮圈卡在防护固定罩两侧手柄凹槽处。所述的防护固定罩手柄两侧均有一个凹槽，防止橡皮圈在试验过程中由于试样变形而脱落。用于连接声发射传感器的信号线的接头从底座上表面的L型导通管道进入，通过底座侧旁的L型管道口引出，并连接到声发射采集系统上。所述的L型导通管道位于底座内部，一端连通压力室腔，一端连通压力室外。所述的外防水橡胶塞通过玻璃胶与信号线固定成一个整体，把外防水橡胶塞塞进底座侧面的L型导通管道内。预压力板平行贴紧外防水橡胶塞，4颗紧固螺栓均匀紧固，使得外防水橡胶塞缓慢前进约4-6mm即可。内防水橡胶塞通过玻璃胶与信号线固定成一个整体，朝L型导通管道放满水后，内防水橡胶塞塞进底座上表面的L型导通管道内。所述的外防水橡胶塞通过预压力板预压固定，内防水橡胶塞通过围压水的水压力固定，共同发挥了强密封性效果。 

其特征在于：三轴仪底座呈直径38－42mm的L型导通管道（三轴仪底座改造了直径38－42mm的L型导通管道），在L型导通管道内放置3-4根传感器信号线，实现声发射信号采集的需求。声发射信号线穿过三轴仪底座的L型导通管道，位于L型导通管道两端的内防水橡胶塞、外防水橡胶塞通过玻璃胶与声发射信号线固定成一个整体。所述的内防水橡 胶塞和外防水橡胶塞大小相等，均为圆台状，其上直径32-36mm，下直径44-46mm，其橡胶塞中心进行了钻孔，其孔径8-15mm，并对其进行了竖向劈裂，形成圆台对开式结构。内防水橡胶塞与外防水橡胶塞分别塞进L型导通管道内，其中外防水橡胶塞通过预压力板预压固定于三轴仪底座侧面上。所述的内防水橡胶塞上直径朝底座上表面的L型导通管道口，以便于其塞入L型管道内；外防水橡胶塞上直径面对底座外侧的L型的导通管道口，以便于其塞入L型管道内。上弹性橡皮圈与下弹性橡皮圈平行套在试样的乳胶膜的外表面上，并使上弹性橡皮圈与下弹性橡皮圈位于试样高度的中间位置，声发射传感器套在防护固定罩上，并使声发射传感器感应面平行于试样表面，防护固定罩手柄竖直立于试样的乳胶膜外表面，并通过上弹性橡皮圈、下弹性橡皮圈固定。 

所述的内防水橡胶塞与外防水橡胶塞是以圆台对开式结构，即此种橡胶塞结构设计便于声发射信号线放置其中心处；预压力板由预压力板螺栓孔和预压力板中心导通口组成，预压力板中心导通口可使得声发射信号线穿过，而其直径小于外防水橡胶塞的下直径，预压力板通过紧固螺栓穿过预压力板螺栓孔，对外防水橡胶塞施压紧固；内防水橡胶塞通过围压水施压紧固。 

所述的防护固定罩由防护固定罩室体和防护固定罩手柄组成，防护固定罩室体明口处有一缺口，便于声发射传感器信号线伸引出，防护固定罩高度相较声发射传感器高度稍小，使得安放的声发射传感器感应面出露，防护固定罩两侧的防护固定罩手柄中心位置有一凹槽，用于镶嵌上弹性橡皮圈、下弹性橡皮圈。 

所述的上弹性橡皮圈与下弹性橡皮圈套在试样的乳胶膜外表面上，位于试样高度的中心位置，且两橡皮圈平行相距约60mm，且上弹性橡皮圈与下弹性橡皮圈均由可延展性材料制作。 

声发射传感器防护固定罩为一侧开口的空心圆柱体结构，采用铝制作，其边缘两侧各对应一个手柄。其防护固定罩内径大于声发射传感器直径1-1.5mm，壁厚3-5mm，两个手柄长约60mm，宽约10mm，厚约5mm，其手柄位于开口一侧以下1-2mm处，通过螺丝固定于罩体壁上。所述的防护固定罩室体一侧有一宽高约为16×30mm的缺口，该缺口是使得声发射传感器的导线得以引出。所述的防护固定罩手柄长约30mm处，有一2×10mm的凹槽。下弹性橡皮圈、上弹性橡皮圈先后套在试样的乳胶膜外侧，传感器放置防护固定罩内，传感器表面平行与试样表面，通过上、下橡皮圈固定。所述的防护固定罩的两个手柄平行于试样的垂直线。所述的下弹性橡皮圈，下弹性橡皮圈宽约6mm，在固定传感器时，卡在防护固定罩的凹槽内，这样就不会因为试验过程中试样变形而使固定罩翻滚脱落。所述的防护固定罩室体设计高度刚好保证声发射传感器卡紧后，出露1～2mm，使得弹性橡皮圈对传感器大约施加5kPa的压力。 

所述的可实现声发射仪监测三轴试验过程中声发射信号的耦合装置工作过程是：使得传感器信号线接头从底座L型导通管道外接口穿过，从底座外侧的管道口伸出。然后通过玻璃胶把信号线固定在内防水橡胶塞和外防水橡胶塞内。外防水橡胶塞塞进L型导通管道外出口，再通过预压力板平行挤压固定外防水橡胶塞，在其L型导通管道内注水，然后内防水橡胶塞塞进L型管道内侧口。试样固定直立在底座之上，其试样外侧套有乳胶膜，把上弹性橡皮圈、下弹性橡皮圈套在乳胶膜外侧，把声发射传感器套在防护固定罩内，平行的贴在试样上，两个弹性橡皮圈卡在防护固定罩两个手柄的凹槽内。声发射信号线连接到声发射采集系统上，罩好室体，即可开展相关三轴试验。 

本发明具有以下优点和效果： 

1）该耦合装置成功实现了传感器直接粘贴在试样表面，进行三轴试验的声发射监测的目的，并且更能确保声发射信号的真实性。 

2）该耦合装置中的防水防渗部件，采用了简单的两级密封结构，第一级密封结构采用围压水对内防水橡胶塞施力挤压密封，第二级密封结构采用预压力板挤压外防水橡胶塞挤压密封，该装置结构简单，便于拆卸。申请者利用该装置开展试验时，发现该密封装置可承受2MPa的围压水压力。 

3）用于固定传感器的固定固件采用弹性橡皮圈固定，由于橡皮圈的可收缩性，对试样在径向变形不造成影响。申请者曾采用透明胶带固定传感器，由于透明胶带遇水容易脱落，且收缩性较差，结果显示透明胶带对三轴剪切试验中的试样径向变形影响很大。 

4）所述的防护固定罩采用铝制作，具有轻便的效果，减轻固定的压力；同时具有静电屏蔽的效果，使得声发射信号抗干扰性强。 

本发明设计合理，结构简单，并可方便拆卸。将声发射传感器直接安装在压力室内部，再通过三轴仪底座的导通口把传感器信号线引出来，通过两级密封技术，保证L型管道导通口的强密闭性，从而使得三轴压缩、剪切试验过程中产生的声发射信号能够实时、真实监测。为颗粒破碎、微裂纹扩展等特性的声发射研究奠定了基础。 

申请者利用该耦合装置开展了耦合声发射的软岩粗粒料大型三轴剪切试验研究，取得了良好技术效果，也表明该耦合装置具备了以上所述的先进技术特征，可用于开展粗粒土、岩石等材料的颗粒破碎、微裂纹扩展等性质方面的声发射试验研究。试验及成果简述如下： 

利用该耦合装置开展了耦合声发射的软岩粗粒料大型三轴剪切试验研究，重点探索软岩粗粒料颗粒破碎时的声发射特征。图7a～图7b给出了耦合声发射的软岩粗粒料大型三轴剪切试验典型成果图，图7a～图7b可以看出：把传感器放置在压力室外，会导致大量的声发射信号衰减缺失，试验结果显示，相同试验条件下，传感器放置在压力室内剪切全过程的振 铃计数比传感器放置在压力室外剪切全过程的振铃计数高两个数量级。采用所研制的耦合装置取得了良好技术效果，揭示了软岩粗粒料颗粒破碎的声发射特征。 

附图说明

图1为一种可实现在三轴压力室内采集声发射信号的耦合装置示意图。 

图2为一种预压力板的平面正视剖面图。 

图3a为一种防水橡胶塞的正视图。 

图3b为一种防水橡胶塞与声发射信号线安装图。 

图4为二级防水装置安装正视图 

图5a为一种声发射传感器安装正视示意图 

图5b为一种声发射传感器安装右视示意图 

图6a为一种防护罩的俯视图。 

图6b为一种防护罩与传感器安装的正视图。 

图7a为压力室内采集的声发射信号计数图。 

图7b为压力室外采集的声发射信号计数图。 

附图中标记分述如下：1-室体；2-上弹性橡皮圈；3-下弹性橡皮圈；4-试样；5-底座；6-活塞杆；7-围压水；8-乳胶膜；9-声发射传感器（例如PAC公司R6I-UC型声发射传感器）；10-防护固定罩；11-L型导通管道；12-预压力板；13-紧固螺栓；14-内防水橡胶塞；15-外防水橡胶塞；16-声发射采集系统（如PAC公司DiSP系统）；17-声发射信号线；18-防护固定罩凹槽；19-防护固定罩室体；20-防护固定罩手柄；21-预压力板螺栓孔；22-预压力板中心导通口；23-玻璃胶（如瑞士西卡AP多功能玻璃胶）。 

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步详细描述： 

根据附图1～图6可知，该耦合装置由室体1，试样4，活塞杆6，底座5，乳胶膜8，L型导通管道11，内防水橡胶塞14，外防水橡胶塞15，预压力板12，紧固螺栓13，上弹性橡皮圈2，下弹性橡皮圈3，防护固定罩10，声发射传感器9，声发射信号线17，声发射采集系统16构成。所述的防护固定罩10由防护固定罩凹槽18，防护固定室体19，防护固定手柄20构成。所述的预压力板12由预压力板螺栓孔21和预压力板中心导通口22组成。其连接关系是：试样4固定在三轴仪底座5之上，试样4外侧套上一层乳胶膜8，通过密封圈把试样4固定在底座5与活塞杆6之间。声发射传感器9放置在防护固定罩10的防护固定 室体19内，其感应面朝外，通过上弹性橡皮圈2和下弹性橡皮圈3固定在试样外侧橡皮膜8上。所述的防护固定罩手柄20两侧均有一个防护固定罩凹槽18。所述的防护固定罩凹槽18，用于橡皮圈卡紧防护固定罩10的作用。用于连接声发射传感器9的信号线17的接头从底座上表面的L型导通管道11进入，底座侧旁的L型管道11口引出。所述的L型导通管道11位于底座5内部。所述的外防水橡胶塞15通过玻璃胶23与信号线17固定成一个整体，把外防水橡胶塞15塞进底座5侧面的L型导通管道11内。预压力板12平行贴紧外防水橡胶塞15，4颗紧固螺栓13均匀紧固，使得外防水橡胶塞15缓慢前进约5mm即可。内防水橡胶塞14通过玻璃胶23与信号线17固定成一个整体，向L型导通管道11放满水后，内防水橡胶塞14塞进底座5上表面的L型导通管道11内。室体1固定在底座5之上，声发射信号线17连接到声发射采集系统16上，放入围压水7到稳定后，即可进行耦合声发射的三轴试验。所述的外防水橡胶塞15通过预压力板12预压固定，内防水橡胶塞14通过围压水7的水压力固定，共同发挥了强密封性效果。 

其特征在于：三轴仪底座5呈直径38或40或42mm的L型导通管道11（声发射信号线17的接头处首先经过三轴仪底座5改造直径约40mm的L型导通管道11），声发射信号线17经过L型导通管道11自上而下穿过，如图1、图5a所示。位于L型导通管道11两端处的声发射信号线17，首先采用防水绝缘胶带包扎，安置内防水橡胶塞14、外防水橡胶塞15内部，再通过玻璃胶23进行密封固定，使得信号线牢牢固定在橡胶塞中心处，使信号线与橡胶塞成为一体。随后将内防水橡胶塞14、外防水橡胶塞15塞进L型导通管道11内。所述的内防水橡胶塞14、外防水橡胶塞15如图3a所示，通过橡胶制作而成。其结构形式如图3a、3b所示，为一圆台对开式，其上直径32-36mm，下直径44-46mm，中心孔径8-15mm。 

所述的内防水橡胶塞14与外防水橡胶塞15是以圆台对开式结构，即此种橡胶塞结构设计便于声发射信号线17放置其中心处；预压力板12由预压力板螺栓孔21和预压力板中心导通口22组成，预压力板中心导通口22可使得声发射信号线17穿过，而其直径小于外防水橡胶塞15的下直径，预压力板通过紧固螺栓13穿过预压力板螺栓孔21，对外防水橡胶塞施压紧固；内防水橡胶塞14通过围压水7施压紧固。 

所述的防护固定罩10由防护固定罩室体1和防护固定罩手柄20组成，防护固定罩室体19明口处有一缺口，便于声发射传感器信号线17伸引出，防护固定罩室体19内高相较声发射传感器9高度小1-2mm，使得安放的声发射传感器9感应面出露，防护固定罩10两侧的防护固定罩手柄20中心位置有一凹槽，用于镶嵌上弹性橡皮圈、下弹性橡皮圈。 

所述的上弹性橡皮圈2与下弹性橡皮圈3套在试样4的乳胶膜8外表面上，位于试样4高度的中心位置，且上弹性橡皮圈2与下弹性橡皮圈3平行相距约60mm，且上弹性橡皮圈2与下弹性橡皮圈3均由可延展性材料（如铝、铜等）制作。 

预压力板12由4颗预压力板螺栓孔21、预压力板中心导通口22组成，如图2所示。其中心孔径约30mm，厚约10mm。声发射信号线17通过预压力板12的预压力板中心导通口22穿出，使得预压力板平行的紧贴在外防水橡胶塞15的下直径的表面上，通过4颗紧固螺栓13牢牢的固定在底座5上，如图4所示。 

试样4固定在底座5上部，其试样4表面套有一层乳胶膜8，下弹性橡皮圈3、上弹性橡皮圈2先后套在乳胶膜8上，其橡皮圈位于试样4高度的中间位置，且上弹性橡皮圈2与下弹性橡皮圈3平行相距约60mm。声发射传感器9套在防护固定室体1内，传感器感应面抹一层凡士林，然后使得传感器感应面与试样表面平行接触，防护固定罩10的防护固定手柄20竖直立于试样4表面，并调节上弹性橡皮圈2、下弹性橡皮圈3的位置，使其能够卡在防护固定罩凹槽18内，如图5a、5b所示。 

在本实施例中，室体1与底座5是分离结构，声发射传感器9、防护固定罩10与上弹性橡皮圈2、下弹性橡皮圈3之间均是分离式结构。而声发射传感器9与声发射信号线17是整体式结构，内防水橡胶塞14、外防水橡胶塞15与声发射信号线17是整体式结构，预压力板21、外防水橡胶塞15、底座5的L型导通管道11之间均是分离式结构。 

使用本发明时，在室体1内充填的围压水7与活塞杆6共同作用，对试样4产生σ₁的轴向压力，以及σ₃的周围压力。其中用乳胶膜8包扎的圆柱体试样4置于底座5之上。声发射传感器9通过防护固定罩10与上弹性橡皮圈2、下弹性橡皮圈3固定在试样4的表面。用于连接传感器信号线17经过底座5的导通口连接到外界的信号采集系统16上。其中底座导通口采取两级防护措施密闭。当活塞杆6与围压水7共同作用在试样4上时，试样产生的声发射信号被声发射传感器9接收，并通过声发射信号线17传输到声发射采集系统16中。本发明可实现采集监测三轴试验过程中产生的声发射信号，对试样产生的颗粒破碎、微裂纹的扩展进行动态、定量和无损的量测，从而得到试样受力状态下的声发射数据。 

装置适用范围： 

本发明提供了一种可实现在三轴压力室内采集声发射信号的耦合装置，适用于岩土力学领域的粗粒土、岩石等材料的颗粒破碎、微裂纹扩展等性质方面的声发射试验研究。