一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法
2023-06-25 02:12:21 1
專利名稱：一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法
技術領域：
本發明涉及一種判定巖石共軛損傷強度的方法，尤其是涉及一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法。
背景技術：
隨著水電開發的進一步深入及礦產資源開採深度的進一步增加，深部高應力導致的隧洞或採礦巷道圍巖的應力型破壞現象越來越普遍和嚴重，常誘發重大工程地質災害。 為了評價深埋硬巖及中硬巖(如玄武巖、花崗巖、大理巖等)地下工程中巖體開挖損傷區的大小及控制圍巖的動力開挖響應(如巖爆、片幫破壞等)，需要了解硬巖在高應力作用下的破裂特性。經過40餘年的努力，特別是20世紀90年代以後為滿足在脆性巖體地區修建地下核廢料處理站的需要而開展的研究工作、以及測試技術的發展和應用，人們對脆性巖體的破壞機理和強度特徵有了新的認識在單軸加載的過程中，巖樣彈性階段到裂紋穩定擴展階段過渡的臨界強度稱為巖石的起裂強度(oci，大約為40%的巖石單軸抗壓強度)，裂紋穩定擴展階段到加速擴展階段過渡的臨界強度稱為巖石的共軛損傷強度(或稱裂紋非穩定擴展強度，σ Cd，大約為80%的巖石單軸抗壓強度)。
目前，對巖樣起裂強度和共軛損傷強度通常採用聲發射測試來確定，通過匹配巖樣加載全過程的聲發射監測獲得不同加載階段對應的聲發射事件數或聲發射頻率來判讀這兩個強度指標。但開展巖樣的聲發射監測需要全套的聲發射監測設備，較為昂貴，而且聲發射監測技術對加載試驗機的要求很高，需要平穩的加載，而且加載在設備的本身震動(如高壓油缸活塞往復)和噪聲等都需要進行嚴格的控制，否則很難區別背景噪聲信號和巖樣受載所產生的真正聲發射信號，因此對這兩個指標的確定和判斷存在一定的誤差，而巖石的共軛損傷強度的判讀誤差尤為顯著。發明內容
本發明主要是解決現有技術所存在的技術問題；提供了一種所需的設備簡單，而且對測試條件要求不高的一種採用超聲波判定巖石損傷強度的方法。
本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的 一種採用超聲波判定巖石損傷強度的方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1，在巖樣的中部某橫截面上兩條相互垂直的直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭、第二縱波發射探頭以及第二縱波接收探頭；步驟2，對巖樣進行壓力加載，並在加載過程中，以時間間隔T通過步驟1所固定的縱波探頭分別連續地測試巖樣兩條相互垂直的直徑間巖石聲波速度，直至巖樣破壞；步驟3，整理步驟2完成後的巖樣兩條相互垂直徑向的聲波縱波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向縱波速度顯著降低的軸向應力即為該種巖石的共軛損傷強度。
本發明所採用的技術方案是根據均質巖樣單軸加載大多出現劈裂和剪切破壞的事實，可以判斷均質巖樣在單軸加載的過程中軸向裂紋優先擴展，最後貫通。因此，在巖樣的中部某橫截面上兩條相互垂直的直徑兩端各布置一對縱波探頭(包括發射和接收探頭)， 在巖樣加載過程中，以很短的時間間隔(如1 3s)分別連續地測試巖樣兩條相互垂直的直徑間巖石聲波速度，直至巖樣破壞；試驗完成後整理巖樣兩條相互垂直徑向的聲波縱波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向縱波速度顯著降低的軸向應力即為該種巖石的共軛損傷強度。進行兩條相互垂直的直徑上巖樣的縱波速度測試是為了消除由於巖樣軸向加載時所產生的軸向裂紋的方位導致的誤差，提高判定的精度。
在上述的一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，所述的步驟2中，具體操作步驟如下步驟2. 1，在某一時刻tl啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間Atl到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以Atl即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度vl，記錄下tl、Atl和vl ；步驟2. 2，關閉控制第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭的聲波儀，在某一時刻t2啟動聲波測試儀的測試按鈕，第二縱波發射探頭髮射超聲波，經過時間八t2到達第二縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以八t2即得到這一時刻巖樣第二縱波發射探頭、第二縱波接收探頭巖石的縱波速度v2，記錄下t2、Δ t2和v2 ；步驟2. 3，以時間間隔T重複步驟2. 1至步驟2. 2直至巖樣破壞，獲取到兩條巖樣的軸向荷載與縱波速度間的關係曲線，曲線上聲波縱波速度大幅降低點所對應的荷載即為巖樣的共軛損傷強度。
一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，包括以下步驟步驟1，在巖樣的中部某縱截面上一條直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一橫波發射探頭、第一橫波接收探頭；步驟2，對巖樣進行壓力加載，並在加載過程中，以時間間隔T通過步驟1所固定的橫波探頭分別連續地測試巖樣直徑巖石聲波速度，直至巖樣破壞；步驟3，整理步驟2完成後的巖樣一條徑向的聲波橫波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向橫波速度顯著降低的軸向應力即為該種巖石的共軛損傷強度。
在上述的一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，所述的步驟2中，具體操作步驟如下步驟2. 1，在某一時刻tl啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間Atl到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以Atl即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度vl，記錄下tl、Atl和vl ；步驟2. 3，以時間間隔T重複步驟2. 1直至巖樣破壞，獲取到一條巖樣的軸向荷載與橫波速度間的關係曲線，曲線上聲波橫波速度大幅降低點所對應的荷載即為巖樣的共軛損傷強度。
一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟1，在巖樣的中部某橫截面上兩條相互垂直的直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭、第二縱波發射探頭以及第二縱波接收探頭；在巖樣的中部某縱截面上一條直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一橫波發射探頭、第一橫波接收探頭；步驟2，對巖樣進行壓力加載，並在加載過程中，以時間間隔T通過步驟1所固定的縱波探頭和橫波探頭分別連續地測試巖樣兩條相互垂直的直徑之間以及一條縱向直徑的巖石聲波速度，直至巖樣破壞；步驟3，整理步驟2完成後的巖樣兩條相互垂直徑向的聲波縱波速度以及一條徑向的聲波橫波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向縱波速度顯著降低的軸向應力和對應徑向橫波速度顯著降低的軸向應力同為該種巖石的共軛損傷強度。
在上述的一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，其特徵在於，所述的步驟2中，具體操作步驟如下步驟2. 1，在某一時刻tl啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間Atl到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以Atl即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度vl，記錄下tl、Atl和vl ；步驟2. 2，關閉控制第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭的聲波儀，在某一時刻t2啟動聲波測試儀的測試按鈕，第二縱波發射探頭髮射超聲波，經過時間八t2到達第二縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以八t2即得到這一時刻巖樣第二縱波發射探頭、第二縱波接收探頭巖石的縱波速度v2，記錄下t2、Δ t2和v2 ；步驟2. 3，在某一時刻t3啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間At3到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以At3即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度v3，記錄下t3、Δ t3和v3 ；步驟2. 4，以時間間隔T重複步驟2. 1至步驟2. 3直至巖樣破壞，獲取到一條巖樣的軸向荷載與橫波速度間的關係曲線，兩條巖樣的軸向荷載與縱波速度間的關係曲線，曲線上聲波縱波速度大幅降低點所對應的荷載和曲線上聲波橫波速度大幅降低點所對應的荷載同為巖樣的共軛損傷強度。
因此，本發明具有如下優點所需的設備簡單，而且對測試條件要求不高(環境噪聲、試驗機振動等的影響均不大)。
附圖1是本發明的實施例1的結構原理示意圖； 附圖2是本發明的實施例2的結構原理示意圖； 附圖3是本發明的實施例3的結構原理示意圖。
具體實施方式
下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
實施例1 一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，包括以下步驟 步驟1，在巖樣的中部某橫截面上兩條相互垂直的直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭、第二縱波發射探頭以及第二縱波接收探頭；步驟2，對巖樣進行壓力加載，並在加載過程中，以時間間隔T通過步驟1所固定的縱波探頭分別連續地測試巖樣兩條相互垂直的直徑間巖石聲波速度，直至巖樣破壞；這裡，T取 1 3s，步驟2的具體操作步驟如下步驟2. 1，在某一時刻tl啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波，經過時間Atl到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以Atl即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度vl，記錄下tl、Atl和vl ；步驟2. 2，關閉控制第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭的聲波儀，在某一時刻t2啟動聲波測試儀的測試按鈕，第二縱波發射探頭髮射超聲波，經過時間八t2到達第二縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以八t2即得到這一時刻巖樣第二縱波發射探頭、第二縱波接收探頭巖石的縱波速度v2，記錄下t2、Δ t2和v2 ；步驟2. 3，以時間間隔T重複步驟2. 1至步驟2. 2直至巖樣破壞，獲取到兩條巖樣的軸向荷載與縱波速度間的關係曲線，曲線上聲波縱波速度大幅降低點所對應的荷載即為巖樣的共軛損傷強度。
步驟3，整理步驟2完成後的巖樣兩條相互垂直徑向的聲波縱波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向縱波速度顯著降低的軸向應力即為該種巖石的共軛損傷強度。
縱波測試過程可採用人工記錄，也可採用聲波儀的自動記錄功能進行自動判讀和記錄。若採用後者，則測試完後需要人工逐一檢查聲波測試數據，防止出現誤讀。
實施例2:一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，包括以下步驟 步驟1，在巖樣的中部某縱截面上一條直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一橫波發射探頭、第一橫波接收探頭；步驟2，對巖樣進行壓力加載，並在加載過程中，以時間間隔T通過步驟1所固定的橫波探頭分別連續地測試巖樣直徑巖石聲波速度，直至巖樣破壞；這裡，T取1 3s，具體操作步驟如下步驟2. 1，在某一時刻tl啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間Atl到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以Atl即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度vl，記錄下tl、Atl和vl ；步驟2. 3，以時間間隔T重複步驟2. 1直至巖樣破壞，獲取到一條巖樣的軸向荷載與橫波速度間的關係曲線，曲線上聲波橫波速度大幅降低點所對應的荷載即為巖樣的共軛損傷強度。
步驟3，整理步驟2完成後的巖樣一條徑向的聲波橫波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向橫波速度顯著降低的軸向應力即為該種巖石的共軛損傷強度。
實施例3 一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，包括以下步驟 步驟1，在巖樣的中部某橫截面上兩條相互垂直的直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭、第二縱波發射探頭以及第二縱波接收探頭；在巖樣的中部某縱截面上一條直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一橫波發射探頭、第一橫波接收探頭；步驟2，對巖樣進行壓力加載，並在加載過程中，以時間間隔T通過步驟1所固定的縱波探頭和橫波探頭分別連續地測試巖樣兩條相互垂直的直徑之間以及一條縱向直徑的巖石聲波速度，直至巖樣破壞；這裡，T取1 3s，具體操作步驟如下步驟2. 1，在某一時刻tl啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間Atl到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以Atl即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度vl，記錄下tl、Atl和vl ；步驟2. 2，關閉控制第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭的聲波儀，在某一時刻t2啟動聲波測試儀的測試按鈕，第二縱波發射探頭髮射超聲波，經過時間八t2到達第二縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以八t2即得到這一時刻巖樣第二縱波發射探頭、第二縱波接收探頭巖石的縱波速度v2，記錄下t2、Δ t2和v2 ；步驟2. 3，在某一時刻t3啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間At3到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以At3即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度v3，記錄下t3、Δ t3和v3 ；步驟2. 4，以時間間隔T重複步驟2. 1至步驟2. 3直至巖樣破壞，獲取到一條巖樣的軸向荷載與橫波速度間的關係曲線，兩條巖樣的軸向荷載與縱波速度間的關係曲線，曲線上聲波縱波速度大幅降低點所對應的荷載和曲線上聲波橫波速度大幅降低點所對應的荷載同為巖樣的共軛損傷強度。
步驟3，整理步驟2完成後的巖樣兩條相互垂直徑向的聲波縱波速度以及一條徑向的聲波橫波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向縱波速度顯著降低的軸向應力和對應徑向橫波速度顯著降低的軸向應力同為該種巖石的共軛損傷強度。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。
權利要求
1.一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟1，在巖樣的中部某橫截面上兩條相互垂直的直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭、第二縱波發射探頭以及第二縱波接收探頭；步驟2，對巖樣進行壓力加載，並在加載過程中，以時間間隔T通過步驟1所固定的縱波探頭分別連續地測試巖樣兩條相互垂直的直徑間巖石聲波速度，直至巖樣破壞；步驟3，整理步驟2完成後的巖樣兩條相互垂直徑向的聲波縱波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向縱波速度顯著降低的軸向應力即為該種巖石的共軛損傷強度。
2.根據權利要求1所述的一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，其特徵在於，所述的步驟2中，具體操作步驟如下步驟2. 1，在某一時刻tl啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間Atl到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以Atl即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度vl，記錄下tl、Atl和vl ；步驟2. 2，關閉控制第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭的聲波儀，在某一時刻t2啟動聲波測試儀的測試按鈕，第二縱波發射探頭髮射超聲波，經過時間八t2到達第二縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以八t2即得到這一時刻巖樣第二縱波發射探頭、第二縱波接收探頭巖石的縱波速度v2，記錄下t2、Δ t2和v2 ；步驟2. 3，以時間間隔T重複步驟2. 1至步驟2. 2直至巖樣破壞，獲取到兩條巖樣的軸向荷載與縱波速度間的關係曲線，曲線上聲波縱波速度大幅降低點所對應的荷載即為巖樣的共軛損傷強度。
3.一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟1，在巖樣的中部某縱截面上一條直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一橫波發射探頭、第一橫波接收探頭；步驟2，對巖樣進行壓力加載，並在加載過程中，以時間間隔T通過步驟1所固定的橫波探頭分別連續地測試巖樣直徑巖石聲波速度，直至巖樣破壞；步驟3，整理步驟2完成後的巖樣一條徑向的聲波橫波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向橫波速度顯著降低的軸向應力即為該種巖石的共軛損傷強度。
4.根據權利要求3所述的一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，其特徵在於，所述的步驟2中，具體操作步驟如下步驟2. 1，在某一時刻tl啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間Atl到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以Atl即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度vl，記錄下tl、Atl和vl ；步驟2. 3，以時間間隔T重複步驟2. 1直至巖樣破壞，獲取到一條巖樣的軸向荷載與橫波速度間的關係曲線，曲線上聲波橫波速度大幅降低點所對應的荷載即為巖樣的共軛損傷強度。
5.一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟1，在巖樣的中部某橫截面上兩條相互垂直的直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭、第二縱波發射探頭以及第二縱波接收探頭；在巖樣的中部某縱截面上一條直徑兩端各固定一對縱波探頭，即第一橫波發射探頭、第一橫波接收探頭；步驟2，對巖樣進行壓力加載，並在加載過程中，以時間間隔T通過步驟1所固定的縱波探頭和橫波探頭分別連續地測試巖樣兩條相互垂直的直徑之間以及一條縱向直徑的巖石聲波速度，直至巖樣破壞；步驟3，整理步驟2完成後的巖樣兩條相互垂直徑向的聲波縱波速度以及一條徑向的聲波橫波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向縱波速度顯著降低的軸向應力和對應徑向橫波速度顯著降低的軸向應力同為該種巖石的共軛損傷強度。
6.根據權利要求5所述的一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，其特徵在於，所述的步驟2中，具體操作步驟如下步驟2. 1，在某一時刻tl啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間Atl到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以Atl即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度vl，記錄下tl、Atl和vl ；步驟2. 2，關閉控制第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭的聲波儀，在某一時刻t2啟動聲波測試儀的測試按鈕，第二縱波發射探頭髮射超聲波，經過時間八t2到達第二縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以八t2即得到這一時刻巖樣第二縱波發射探頭、第二縱波接收探頭巖石的縱波速度v2，記錄下t2、Δ t2和v2 ；步驟2. 3，在某一時刻t3啟動聲波測試儀的測試按鈕，第一縱波發射探頭髮射超聲波， 經過時間At3到達第一縱波接收探頭，用巖樣的直徑d除以At3即得到這一時刻巖樣第一縱波發射探頭、第一縱波接收探頭巖石的縱波速度v3，記錄下t3、Δ t3和v3 ；步驟2. 4，以時間間隔T重複步驟2. 1至步驟2. 3直至巖樣破壞，獲取到一條巖樣的軸向荷載與橫波速度間的關係曲線，兩條巖樣的軸向荷載與縱波速度間的關係曲線，曲線上聲波縱波速度大幅降低點所對應的荷載和曲線上聲波橫波速度大幅降低點所對應的荷載同為巖樣的共軛損傷強度。
全文摘要
本發明涉及一種採用超聲波判定巖石共軛損傷強度的方法，具體操作在巖樣的中部某橫截面上兩條相互垂直的直徑兩端各布置一對縱波探頭，在巖樣加載過程中，以很短的時間間隔(如1～3s)分別連續地測試巖樣兩條相互垂直的直徑間巖石聲波速度，直至巖樣破壞；試驗完成後整理巖樣兩條相互垂直徑向的聲波縱波速度隨巖樣軸向應力的變化過程，對應徑向縱波速度顯著降低的軸向應力即為該種巖石的共軛損傷強度。進行兩條相互垂直的直徑上巖樣的縱波速度測試是為了消除由於巖樣軸向加載時所產生的軸向裂紋的方位導致的誤差，提高判定的精度。
文檔編號G01N29/07GK102519784SQ20111042128
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者嚴鵬, 盧文波, 周創兵, 姜清輝, 陳明 申請人:武漢大學