一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置及其操作方法

摘要

本发明公开了一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置及其操作方法，声发射测试装置包括声发射传感器、前置放大器、同轴电缆、保护外壳、圆环B、橡胶圈、榫头、圆环A、连接杆、榫眼、短杆、螺栓、螺母、卡扣和传感器保护装置,本发明通过在改变围压的同时对试块进行声发射测试，能够实现对冲击荷载作用后岩体在高围压卸载过程中的破坏模式的研究，为科学计算和工程应用提供相关材料动力学参数。并且，该装置解决了在高围压循环冲击试验中，传感器装卸不便及易被围压和冲击荷载损坏的问题，有效模拟了爆破冲击和围压卸荷的交替作用，更精确地模拟岩石材料的实际工作状态，获得更适用的岩石材料动力学参数。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石力学试验与声发射监测技术领域，具体是一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置及其操作方法，广泛适用于冲击荷载作用后的岩体在高围压卸载过程中的破坏模式、破坏机理及损伤演化规律的室内声发射试验。

背景技术

近年来，随着社会发展的需求，工程岩体的也埋深也不断增加，而深部岩体处于高围岩应的环境条件下。在高地应力环境下，工程岩体的性质由脆性转化为延性，而在开挖卸荷过程中又由延性向脆性转化，因此其围岩卸荷过程中容易导致储存于岩体内部的弹性能突然释放，进而产生岩体劈裂、崩落等脆性破坏现象，甚至导致岩爆的发生对工程的安全性造成了巨大威胁。

目前，钻爆法是地下工程开挖的主要施工方式，深部岩体工程爆破施工过程中，工作面附近岩体经常处于频繁的爆破动力扰动中，而上述动力扰动可简化为典型的冲击荷载。在工程中，一方面是利用爆破冲击荷载来达到高效破岩、诱导致裂提高深部岩体透气性等，另一方面冲击荷载可以改变岩体的力学特性及结构特征。综上所述，研究冲击荷载作用后岩石材料在高围压卸载过程中的破坏机制具有非常重要的工程意义。

分离式霍普金森压杆是研究高应变率下材料力学性能的最主要的试验装置，其试验原理是通过子弹撞击产生脉冲波，脉冲波通过入射杆进入试块，一部分反射回入射杆，一部分通过试块进入透射杆，通过弹性杆上应变片记录的应变脉冲计算材料的动态应力应变参数。目前在室内试验研究中，主要运用分离式霍普金森压杆模拟爆破冲击荷载，在其上附加围压装置施加高地应力作用，来实现深部岩体爆破开挖过程的模拟研究。

同时，声发射检测技术是针对岩体卸荷破坏模式、破坏机理及损伤演化规律方面进行研究的主要手段。岩石材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制，而内部裂纹的产生和发展伴随着能量释放和瞬态弹性波的产生，即声发射现象。声发射检测的原理是，用探测器将由应力波产生的材料机械振动转换为电信号，放大后进行处理和记录。运用声发射检测技术可以动态监测岩石材料内部裂纹的产生及发展，综合评价其结构特征及破坏形式。

进行声发射检测时为确保试验数据的准确有效，需要将声发射传感器与待测试块通过耦合剂耦合并固定，然而在高围压分离式霍普金森压杆循环冲击试验过程中，声发射传感器在高围岩压力及瞬时冲击荷载作用下会发生损坏，同时待测试块又被安装在围压装置内，因此难以进行声发射传感器的反复安装与拆卸。综上所述，现有装置无法有效展开循环冲击荷载作用后，岩体在高围压卸载过程中破坏机制方面的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置，包括声发射传感器、前置放大器、同轴电缆、保护外壳、圆环B、橡胶圈、榫头、圆环A、连接杆、榫眼、短杆、螺栓、螺母、卡扣和传感器保护装置，其特征在于：所述保护外壳分为可拼装的两半，声发射传感器固定安装在保护外壳的凹槽内且声发射传感器露出检测面；

同轴电缆连接声发传感器和前置放大器并通过保护外壳底部的出线孔引出，前置放大器固定安装在传感器保护装置的内壁的卡槽上，传感器保护装置为两半拼合的安装结构；

在分离式霍普金森压杆的围压装置的两端各固定两个短杆，短杆的杆端各预留一个可插入螺栓的短杆预留孔，所述圆环A设置有两个且其上均布四个榫眼，圆环A的一侧伸出两根连接杆，连接杆的杆端均预留可插入螺栓的连接杆预留孔，通过螺栓将连接杆与短杆连接，并在螺栓上安装有螺母，完成转动装置的安装，所述圆环B设置有两个，圆环B的中间嵌入橡胶圈，圆环B上均布四个榫头，榫头的形状、大小和位置与榫眼相对应；

传感器保护装置固定安装在所述橡胶圈内，且榫头一一对应插入安装在圆环A的榫眼中，完成伸缩装置的组装。

作为本发明进一步的方案：所述凹槽按照声发射传感器的形状尺寸设置。

作为本发明再进一步的方案：所述出线孔孔内填有橡胶材料起到密封和保护作用。

作为本发明再进一步的方案：所述螺母未拧紧时连接杆呈可转动的状态，螺母拧紧后连接杆呈固定状态。

作为本发明再进一步的方案：所述连接杆向上旋转至呈竖直方向时，圆环A的圆心处于试块的中轴线上。

作为本发明再进一步的方案：所述传感器保护装置插入安装在橡胶圈内并露出其检测端。

作为本发明再进一步的方案：所述榫头的表面平整光滑，榫眼约束圆环B的径向位移和转动，榫头在榫眼内滑动连接。

作为本发明再进一步的方案：还包括两个与榫头可拆卸连接的卡扣，当把传感器保护装置的检测端伸进围压装置内对试块进行检测时，两个卡扣分别夹紧在两侧的榫头上。

作为本发明再进一步的方案：所述卡扣包括两个对称的塑料零件，卡扣的形状为呈圆心角小于180°的不完整环形，卡扣的的环壁填有橡胶材料，卡扣的两侧各有延伸段，延伸段中部分别开设有一个光滑孔和螺纹孔，螺纹孔内旋接有螺钉，螺钉的尾部设有一圈凸起部分，且螺钉设置旋钮，固定时将两个卡扣合拢，榫头被包在中间，将螺钉先穿过光滑孔，再穿过螺纹孔，旋转螺钉沿螺纹孔旋进，凸起部分最终会卡在光滑孔外，旋紧螺钉则内壁橡胶材料与榫头被压紧，起到固定作用。

一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置的操作方法，包括以下步骤：

S1：按照冲击试验的规范要求安装试块，调整好入射杆和透射杆，施加轴向和径向油压进行冲击试验，此时声发射测试装置位于两侧，不会影响冲击试验的正常进行；

S2：冲击试验结束后，需要进行声发射测试时，卸除轴压，将入射杆与透射杆向外拉开；

S3：放松围压装置两侧的短杆上的螺母；

S4：转动连接杆改变圆环A、圆环B的方向，直至传感器保护装置正对试块的端面，拧紧螺母固定；

S5：在声发射传感器的检测面均匀涂上耦合剂，调节伸缩装置，最终使检测面与试块两端端面紧密接触，在两侧各任选一根便于操作的榫头，将卡扣两半部分包在榫头外并捏住，将螺钉先后插入光滑孔和螺纹孔，稍稍拧上，调整并确定卡扣在榫头上的位置，拧紧螺钉固定住；

S6：按声发射测试的要求连接好仪器，释放围压缸体内的油压，对试块进行声发射测试；

S7：测试完成后，取下卡扣，抽出传感器保护装置，并将圆环B推回至与圆环A贴合的位置，松开螺母将连接杆转回到初始位置；

S8：将移开的入射杆和透射杆重新推至与试块贴合的位置，再施加轴向与径向油压，即可继续进行高围压条件下的冲击试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过在改变围压的同时对试块进行声发射测试，能够实现对冲击荷载作用后岩体在高围压卸载过程中的破坏模式的研究，为科学计算和工程应用提供相关材料动力学参数；

2、该装置解决了在高围压循环冲击试验中，传感器装卸不便及易被围压和冲击荷载损坏的问题，有效模拟了爆破冲击和围压卸荷的交替作用，更精确地模拟岩石材料的实际工作状态，获得更适用的岩石材料动力学参数。

附图说明

图1为一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置的在冲击试验时的示意图；

图2为图1所述的岩体在高围压卸载中的声发射测试装置中传感器保护装置、转动装置、伸缩装置组装后剖面图；

图3为图1所述的岩体在高围压卸载中的声发射测试装置中传感器保护装置三维图；

图4a为圆环A和连接杆与围压装置上短杆连接的正视图（未装螺栓和螺母）；

图4b为圆环A沿I-I断面的剖面图；

图4c为圆环A和连接杆与围压装置上短杆连接的俯视图（已装螺栓和螺母）；

图5a为圆环B和榫头的剖面图；

图5b为圆环B和榫头的俯视图；

图6为进行声发射测试时的示意图；

图7a为卡扣拼装的三维图；

图7b为卡扣上螺钉拧紧时的三维图。

图中：1-声发射传感器，2-前置放大器，3-同轴电缆，4-保护外壳，5-出线孔，6-卡槽，7-凹槽，8-圆环B，9-橡胶圈，10-榫头，11-圆环A，12-连接杆，13-榫眼，14-短杆，15-螺栓，16-螺母，17-卡扣，18-传感器保护装置，19-短杆预留孔，20-连接杆预留孔，21-试块，22-围压缸体，23-入射杆，24-透射杆。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-7b，一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置，一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置，包括声发射传感器(1)、前置放大器(2)、同轴电缆(3)、保护外壳(4)、圆环B(8)、橡胶圈(9)、榫头(10)、圆环A(11)、连接杆(12)、榫眼(13)、短杆(14)、螺栓(15)、螺母(16)、卡扣(17)和传感器保护装置(18)，其特征在于：所述保护外壳(4)分为可拼装的两半，声发射传感器(1)固定安装在保护外壳的凹槽(7)内且声发射传感器(1)露出检测面；

同轴电缆(3)连接声发传感器(1)和前置放大器(2)并通过保护外壳(4)底部的出线孔(5)引出，前置放大器(2)固定安装在传感器保护装置(18)的内壁的卡槽(6)上，传感器保护装置(18)为两半拼合的安装结构；

在分离式霍普金森压杆的围压装置的两端各固定两个短杆(14)，短杆(14)的杆端各预留一个可插入螺栓的短杆预留孔(19)，所述圆环A(11)设置有两个且其上均布四个榫眼(13)，圆环A(11)的一侧伸出两根连接杆(12)，连接杆(12)的杆端均预留可插入螺栓的连接杆预留孔(20)，通过螺栓(15)将连接杆(12)与短杆(14)连接，并在螺栓(15)上安装有螺母(16)，完成转动装置的安装，所述圆环B(8)设置有两个，圆环B(8)的中间嵌入橡胶圈(9)，圆环B(8)上均布四个榫头(10)，榫头(10)的形状、大小和位置与榫眼(13)相对应；

传感器保护装置(18)固定安装在所述橡胶圈(9)内，且榫头(10)一一对应插入安装在圆环A(11)的榫眼(13)中，完成伸缩装置的组装。

所述凹槽(7)按照声发射传感器(1)的形状尺寸设置。

所述出线孔(5)孔内填有橡胶材料起到密封和保护作用。

所述螺母(16)未拧紧时连接杆(12)呈可转动的状态，螺母(16)拧紧后连接杆(12)呈固定状态。

所述连接杆(12)向上旋转至呈竖直方向时，圆环A(11)的圆心处于试块(21)的中轴线上。

所述传感器保护装置(18)插入安装在橡胶圈(9)内并露出其检测端。

所述榫头(10)的表面平整光滑，榫眼(13)约束圆环B(8)的径向位移和转动，榫头(10)在榫眼(13)内滑动连接。

还包括两个与榫头(10)可拆卸连接的卡扣(17)，当把传感器保护装置(18的检测端伸进围压装置内对试块(21)进行检测时，两个卡扣(17)分别夹紧在两侧的榫头(10)上。

所述卡扣(17)包括两个对称的塑料零件，卡扣(17)的形状为呈圆心角小于180°的不完整环形，卡扣(17)的的环壁填有橡胶材料，卡扣(17)的两侧各有延伸段，延伸段中部分别开设有一个光滑孔和螺纹孔，螺纹孔内旋接有螺钉，螺钉的尾部设有一圈凸起部分，且螺钉设置旋钮，固定时将两个卡扣(17)合拢，榫头(10)被包在中间，将螺钉先穿过光滑孔，再穿过螺纹孔，旋转螺钉沿螺纹孔旋进，凸起部分最终会卡在光滑孔外，旋紧螺钉则内壁橡胶材料与榫头(10)被压紧，起到固定作用。

首先，将声发射传感器(1)放入保护外壳的凹槽(7)内固定住，用同轴电缆(3)连接传感器(1)与前置放大器(2)并由出线孔(5)引出。将前置放大器(2)固定在传感器保护装置(18)内设的卡槽(6)上，将两半外壳的榫结构对合，扣紧固定，完成传感器保护装置(18)的安装。在分离式霍普金森压杆的围压装置两端各固定两个短杆(14)，杆端各预留一个可插入螺栓的短杆预留孔(19)，制备两个圆环A(11)，其上均布4个小圆孔作为榫眼(13)，圆环A(11)一侧伸出两根连接杆(12)，杆端也均预留可插入螺栓的连接杆预留孔(20)；通过螺栓(15)将连接杆(12)与短杆(14)连接，并拧上螺母(16)，完成转动装置的安装。再制备两个圆环B(8)，中间嵌入橡胶圈(9)，圆环B(8)上均布四个光滑的榫头(10)，其形状、大小和位置与上述榫眼(13)对应。将传感器保护装置(18)固定在带有榫头(10)的圆环B(8)的橡胶圈(9)内，将榫头(10)一一对应插入圆环A(11)的榫眼(13)中，完成伸缩装置的组装。

一种岩体在高围压卸载中的声发射测试装置的操作方法，包括以下步骤：

S1：按照冲击试验的规范要求安装试块(21)，调整好入射杆(23)和透射杆(24)，施加轴向和径向油压进行冲击试验，此时声发射测试装置位于两侧，不会影响冲击试验的正常进行；

S2：冲击试验结束后，需要进行声发射测试时，卸除轴压，将入射杆(23)与透射杆(24)向外拉开；

S3：放松围压装置两侧的短杆(14)上的螺母(16)；

S4：转动连接杆(12)改变圆环A(11)、圆环B(8)的方向，直至传感器保护装置(18)正对试块(21)的端面，拧紧螺母(16)固定；

S5：在声发射传感器(1)的检测面均匀涂上耦合剂，调节伸缩装置，最终使检测面与试块(21)两端端面紧密接触，在两侧各任选一根便于操作的榫头(10)，将卡扣(17)两半部分包在榫头(10)外并捏住，将螺钉先后插入光滑孔和螺纹孔，稍稍拧上，调整并确定卡扣(17)在榫头(10)上的位置，拧紧螺钉固定住；

S6：按声发射测试的要求连接好仪器，释放围压缸体(22)内的油压，对试块(21)进行声发射测试；

S7：测试完成后，取下卡扣(17)，抽出传感器保护装置(18)，并将圆环B(8)推回至与圆环A(11)贴合的位置，松开螺母(16)将连接杆(12)转回到初始位置；

S8：将移开的入射杆(23)和透射杆(24)重新推至与试块(21)贴合的位置，再施加轴向与径向油压，即可继续进行高围压条件下的冲击试验。

本发明通过在改变围压的同时对试块进行声发射测试，能够实现对冲击荷载作用后岩体在高围压卸载过程中的破坏模式的研究，为科学计算和工程应用提供相关材料动力学参数。并且，该装置解决了在高围压循环冲击试验中，传感器装卸不便及易被围压和冲击荷载损坏的问题，有效模拟了爆破冲击和围压卸荷的交替作用，更精确地模拟岩石材料的实际工作状态，获得更适用的岩石材料动力学参数。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。