一种岩石定向挤压断裂过程的力学声学联合测试方法

摘要

一种岩石定向挤压断裂过程的力学声学联合测试方法，属于岩石断裂过程的物理力学行为研究技术领域。本发明的步骤为：制备岩石试样，划出应力加载区，贴应变片，固定超声波探头和声发射传感器；将岩石试样置于压力机内，岩石试样与压头之间加装局部加载压块，局部加载压块与应力加载区居中对齐；启动压力机，进行阶梯式应力加载；通过声发射传感器、超声波探头、应变片采集数据信号，直到岩石试样出现定向的宏观裂纹，加载停止；提取测试数据，进行数据分析。本发明通过局部定向加载的方式，人工控制宏观裂隙面的形成，有效避免多组宏观裂隙面的产生和宏观裂纹交叉复合现象的发生，为进一步研究岩石挤压断裂过程中的物理力学行为提供了可能。

说明书

技术领域

本发明属于岩石断裂过程的物理力学行为研究技术领域，特别是涉及一种岩石定向挤压 断裂过程的力学声学联合测试方法。

背景技术

研究岩石断裂过程的物理力学行为，对地震的预测、地震的机理研究及岩层构造应力场 的反演都具有十分重要的作用。

现阶段，在实验室环境下开展岩石挤压断裂的物理力学实验，是作为相关技术人员研究 岩石断裂过程的物理力学行为的一种手段。

相关技术人员已经在单轴和三轴条件下进行了岩石压缩破裂的应力应变力学测试，但是 实验过程中总会出现多组宏观裂隙面和宏观裂纹的交叉复合现象，这给实验结果的分析带来 了极大的不便，无法很好的说明岩石挤压断裂现象。

由于岩石在挤压断裂过程中，往往伴随着声发射现象，研究表明，岩石挤压断裂过程中 发出的声学信号可以很好地解释岩石断裂过程的物理力学行为，因此相关技术人员确定了两 种主要的声学测试方法，包括声发射检测法和超声检测法，通过声发射检测法可以了解岩石 的损伤演化过程，通过超声检测法可以很好的表征岩石的内部变化和损伤程度。

但是，目前还没有一种有效的方法可以将力学测试与声学测试联合在一起进行同时测试， 并实现测试过程中避免多组宏观裂隙面的出现和宏观裂纹交叉复合现象的发生，想要进一步 研究岩石挤压断裂过程中的物理力学行为，现有测试技术暂时还无法满足这一目标。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种岩石定向挤压断裂过程的力学声学联合测试 方法，通过局部定向加载的方式，人工控制宏观裂隙面的形成，有效避免多组宏观裂隙面的 产生和宏观裂纹交叉复合现象的发生；进行力学测试的同时，同步实现声学测试，为进一步 研究岩石挤压断裂过程中的物理力学行为提供了可能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岩石定向挤压断裂过程的力学声学 联合测试方法，包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样，岩石试样的长、高、宽尺寸比例为3:2:1；

步骤二：在岩石试样的两个长×宽端面上分别划出应力加载区，应力加载区位于长×宽 端面中心；

步骤三：在岩石试样的一个长×高端面上贴应变片；

步骤四：在岩石试样的两个高×宽端面上固定超声波探头，包括超声波发射探头和超声 波接收探头，超声波发射探头位于一个高×宽端面中心，超声波接收探头位于另一个高×宽 端面中心；

步骤五：在岩石试样的长×高端面上固定声发射传感器；

步骤六：将岩石试样置于岩石压力机的上压头与下压头之间，在岩石试样与上压头之间 加装上端局部加载压块，在岩石试样与下压头之间加装下端局部加载压块，上端局部加载压 块、下端局部加载压块同时与岩石试样的长×宽端面的应力加载区居中对齐；

步骤七：启动岩石压力机，对岩石试样进行阶梯式应力加载；同时，通过声发射传感器 对声发射信号进行连续实时采集，通过超声波探头采集超声波信号，通过应变片采集应变信 号，直到岩石试样出现定向的宏观裂纹，加载停止；

步骤八：提取测试数据，并对获取的测试数据进行分析。

所述的超声波发射探头、超声波接收探头与岩石试样之间通过耦合剂进行耦合。

所述上端局部加载压块、下端局部加载压块均为刚性垫块，其长度为岩石试样长度的一 半，其宽度与岩石试样相等。

在所述岩石试样与上端局部加载压块、下端局部加载压块之间均加入了减摩剂，减摩剂 采用聚四氟乙烯膜或硬脂酸合成减摩剂。

在所述的上端局部加载压块与上压头之间安装有平衡球头。

通过所述的超声波探头采集超声波信号需要在应力加载台阶处进行，即应力加载每增加 一级，便进行一次超声波测试。

本发明的有益效果：

本发明能够通过局部定向加载的方式，人工控制宏观裂隙面的形成，有效避免多组宏观 裂隙面的产生和宏观裂纹交叉复合现象的发生；进行力学测试的同时，同步实现声学测试， 为进一步研究岩石挤压断裂过程中的物理力学行为提供了可能。

附图说明

图1为实施例中岩石试样测试前的安装状态示意图；

图2为实施例中岩石试样应力加载曲线图；

图3为实施例中应变与应力、超声波波速、声发射脉冲数关系曲线图；

图中，1—岩石试样，2—短栅应变片，3—长栅应变片，4—上端局部加载压块，5—下端 局部加载压块，6—平衡球头，7—超声波发射探头，8—超声波接收探头，9—声发射传感器， 10—上压头，11—下压头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

所述的岩石定向挤压断裂过程的力学声学联合测试方法，包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样1，其长、高、宽的尺寸比例为3:2:1，本实施例中，岩石试样1 的长、高、宽尺寸为200mm、100mm、50mm，岩石试样1各端面需要进行磨平处理，使每两个 平行端面的平行误差不超过0.02mm；

步骤二：在岩石试样1的两个长×宽(200mm×50mm)端面上分别划出应力加载区，应力 加载区位于长×宽(200mm×50mm)端面中心；

步骤三：在岩石试样1的一个长×高(200mm×100mm)端面上贴应变片，应变片包括短 栅应变片2和长栅应变片3，短栅应变片2用于测量岩石试样1一点的局部应变，长栅应变 片3用于测量岩石试样1整体的平均应变；

步骤四：在岩石试样1的两个高×宽(100mm×50mm)端面上固定超声波探头，包括超声 波发射探头7和超声波接收探头8，超声波发射探头7位于一个高×宽(100mm×50mm)端面 中心，超声波接收探头8位于另一个高×宽(100mm×50mm)端面中心；

步骤五：在岩石试样1的长×高(200mm×100mm)端面上固定声发射传感器9；

步骤六：将岩石试样1置于岩石压力机的上压头10与下压头11之间，在岩石试样1与 上压头10之间加装上端局部加载压块4，在岩石试样1与下压头11之间加装下端局部加载 压块5，上端局部加载压块4、下端局部加载压块5同时与岩石试样1的长×宽(200mm×50mm) 端面的应力加载区居中对齐，如图1所示；

步骤七：启动岩石压力机，对岩石试样1进行阶梯式应力加载，加载梯度为20KN，加载 速率为1KN/s，如图2所示；同时，通过声发射传感器9对声发射信号进行连续实时采集， 通过超声波探头采集超声波信号，通过应变片采集应变信号，直到岩石试样1出现定向的宏 观裂纹，加载停止；

步骤八：提取测试数据，并对获取的测试数据进行分析，通过测试数据绘制应变与应力、 超声波波速、声发射脉冲数关系曲线图，具体如图3所示。

为了减小测试误差，提高测试精度，所述的超声波发射探头7、超声波接收探头8与岩 石试样1之间通过耦合剂进行耦合。

所述上端局部加载压块4、下端局部加载压块5均为刚性垫块，其长度为岩石试样1长 度的一半，其宽度与岩石试样1相等，其作用是控制宏观裂纹的形成。

为了减小岩石试样1与上端局部加载压块4、下端局部加载压块5之间的摩擦，降低摩 擦对声发射信号的干扰，在所述岩石试样1与上端局部加载压块4、下端局部加载压块5之 间均加入了减摩剂，减摩剂采用聚四氟乙烯膜或硬脂酸合成减摩剂。

为了保证岩石试样1的受力平衡性，在所述的上端局部加载压块4与上压头10之间安装 有平衡球头6。

为了防止声发射信号与超声波信号的相互干扰，通过所述的超声波探头采集超声波信号 需要在应力加载台阶处进行，即应力加载每增加一级，便进行一次超声波测试。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施 或变更，均包含于本案的专利范围中。