CN103308388A - 岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，包括有岩石三轴试验机、多波分析仪、声发射信号采集仪以及电子计算机；该岩石三轴试验机包括有密封压力室、轴压导杆以及设置于密封压力室内用于夹住岩样的上承压探头和下承压探头；藉此，通过于密封压力室内设置有上承压探头和下承压探头，配合声发射传感器与声发射信号采集仪及电子计算机连接而形成被动声学测试系统，该第二声波换能器及第一声波换能器均与多波分析仪及电子计算机连接而形成主动声学测试系统，以使得声波数据和声发射信号数据均可由电子计算机输出，结构简单，使用方便，成本低，并保证了试验结果的准确度，便于推广到室内岩石三轴试验测试领域。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学试验技术领域，具体涉及一种适用于岩石、地质、物探等工程测试技术领域的岩石三轴试验的组合式声学测试及渗流测试联合系统。
背景技术
在受荷或卸荷作用下，岩石内部局部塑性变形或新裂纹萌生、新旧裂纹扩展的过程中，应变能的瞬时释放而产生弹性波，这些弹性波携带着岩石内部损伤演化过程中的微破裂信息，学者们将之称为声发射信号。声发射测试是一种震源信号不可控，测试系统不发送声信号只接收声信号的被动声测方式。
岩石声波测试是研究岩石动力学性质的重要手段，声波测试是一种人工控制震源，波源信号由声波换能器将电脉冲信号转换为振幅、频率范围可控的弹性波，测试系统既接收又发送信号的主动声测方式。
岩石的渗流性质是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。岩石在三轴受压过程中渗透压和应力相互耦合使渗流性质发生变化，岩石三轴渗流试验是研究岩石在水力耦合作用下力学性质和水理性质的重要手段之一。
目前，声波测试这种主动声学测试常常利用多波分析仪进行，鲜有引入三轴试验系统，在岩石三轴受压过程中监测声波传播特性。声发射监测常常利用单独的声发射测试系统进行监测，结构复杂，成本较高。在岩石三轴测试领域尚无结合主动声波测试、被动声发射监测及渗流测试功能于一体的三轴试验系统，渗流特性测试所用的承压探头也并不具有声学测试的功能。另外，已有的岩石三轴试验机主要在进行声发射的被动声发射监测时，为了防止试验机压力室内的油压损坏传感器压电陶瓷，常常将声发射传感布置在试验机压力室外的上下底座上，但这样布置的结果是传感器离压力腔内的岩石试样距离较远，声发射信号传播到传感器过程中衰减较大，试验结果准确度难以保证。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其不仅能完成传统三轴试验系统所能完成的岩石力学试验和渗透试验等，而且实现了同时进行力学三轴试验、主被动声学测试及渗透测试一体化的多种功能，并解决了传统岩石试验系统单独监测声发射信号所带来的高成本及准确度较差的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，包括有岩石三轴试验机、多波分析仪、声发射信号采集仪以及电子计算机；
该岩石三轴试验机包括有密封压力室、轴压导杆以及设置于密封压力室内用于夹住岩样的上承压探头和下承压探头；该多波分析仪、声发射信号采集仪以及电子计算机位于密封压力室外；
该上承压探头包括有第一主体以及设置于第一主体内的声发射传感器和第一声波换能器，该声发射传感器与声发射信号采集仪及电子计算机连接，该第一声波换能器与多波分析仪及电子计算机连接，该第一主体内设置有对准岩样的第一孔隙水压流体通孔，该第一孔隙水压流体通孔与密封压力室的内部连通；
该下承压探头包括有第二主体以及设置于第二主体内的第二声波换能器，该第二声波换能器与多波分析仪及电子计算机连接，该第二主体内设置有对准岩样的第二孔隙水压流体通孔，该第二孔隙水压流体通孔与密封压力室的内部连通；
该轴压导杆伸入密封压力室内并抵压于上承压探头上。
作为一种优选方案，所述密封压力室包括有底座以及主体盖，该主体盖固定于底座上，该主体盖与底座之接合处的外侧套设有密封圈。
作为一种优选方案，所述第一主体包括有探头主件以及探头盖，该探头主件的上端面凹设有空腔，该探头盖密封盖住该空腔的开口，前述声发射传感器置于该空腔内，前述第一声波换能器和第一孔隙水压流体通孔均设置于探头主件内。
作为一种优选方案，所述探头盖通过紧固螺栓与探头主件固定连接，该探头盖与探头主件之间夹设有环形橡胶密封圈。
作为一种优选方案，所述探头盖向下凸设有定位部，该定位部伸出空腔内，该探头盖的底面周缘抵于探头主件的顶端面上。
作为一种优选方案，所述探头主件和探头盖均为强度和刚度大的不锈钢材料。
作为一种优选方案，所述探头盖的顶端凹设有对中导槽，该轴压导杆的下端嵌于该对中导槽内。
作为一种优选方案，所述第二主体为强度和刚度大的不锈钢材料。
作为一种优选方案，所述第一主体的下端面以及第二主体的上端面均设置有中心通孔、环向沟槽和径向沟槽，该中心通孔与前述对应的孔隙水压流体通孔连通，该径向沟槽连通于中心通孔和环向沟槽之间。
作为一种优选方案，所述第一主体的下端面以及第二主体的上端面分别对应覆盖有第一透水板和第二透水板。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
一、通过于密封压力室内设置有上承压探头和下承压探头，配合声发射传感器与声发射信号采集仪及电子计算机连接而形成被动声学测试系统，该第二声波换能器及第一声波换能器均与多波分析仪及电子计算机连接而形成主动声学测试系统，以使得声波数据和声发射信号数据均可由电子计算机输出，结构简单，使用方便，成本低，并保证了试验结果的准确度，便于推广到室内岩石三轴试验测试领域。
二、通过于第一主体的下端面以及第二主体的上端面均设置有中心通孔，以使具有一定压力的流体能通过中心通孔进入岩样，达到控制岩样内部孔隙压力和进行渗流测试的目的，并配合设置有环向沟槽、径向沟槽及各透水板以使岩样端面所受孔隙压力分布更加均匀。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：
附图说明
图1是本发明之较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明之较佳实施例中岩石三轴试验机的整体结构剖面图；
图3是本发明之较佳实施例中上承压探头结构剖面图；
图4是本发明之较佳实施例中下承压探头结构剖面图；
图5是本发明之较佳实施例中上、下承压探头与岩样接触端面结构图。
附图标识说明：
10、岩石三轴试验机 11、密封压力室
111、底座 112、主体盖
113、密封圈 12、轴压导杆
13、上承压探头 131、第一主体
132、声发射传感器 133、第一声波换能器
134、信号数据线 135、第一孔隙水压流体通孔
136、第一透水板 14、下承压探头
141、第二主体 142、第二声波换能器
143、第二孔隙水压流体通孔 144、第二透水板
101、探头主件 102、探头盖
103、空腔 104、紧固螺栓
105、环形橡胶密封圈 106、定位部
107、对中导槽 108、中心通孔
109、环向沟槽 110、径向沟槽
20、多波分析仪 30、声发射信号采集仪
40、电子计算机 50、岩样
具体实施方式
请参照图1至图5所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有岩石三轴试验机10、多波分析仪20、声发射信号采集仪30以及电子计算机40。
其中，该岩石三轴试验机10包括有密封压力室11、轴压导杆12以及设置于密封压力室11内用于夹住岩样50的上承压探头13和下承压探头14；该多波分析仪20、声发射信号采集仪30以及电子计算机40位于密封压力室11外。
具体而说，在本实施例中，该密封压力室11包括有底座111以及主体盖112，该主体盖112固定于底座111上，该主体盖112与底座111之接合处的外侧套设有密封圈113，以使得密封压力室11的密封效果更好。
该轴压导杆12伸入密封压力室11内并抵压于上承压探头13上。
如图3所示，该上承压探头13呈T字形，该上承压探头13包括有第一主体131以及设置于第一主体131内的声发射传感器132和第一声波换能器133；该声发射传感器132和第一声波换能器133均为压电陶瓷制成，该声发射传感器132能接收岩样50受荷后内部裂纹萌生、扩展所释放的瞬态弹性波信号，该声发射传感器132通过信号数据线134与声发射信号采集仪30及电子计算机40连接而形成被动声学测试系统，该第一主体131内设置有对准岩样50的第一孔隙水压流体通孔135，该第一孔隙水压流体通孔135与密封压力室11的内部连通；在本实施例中，该第一主体131包括有探头主件101以及探头盖102，该探头主件101的上端面凹设有空腔103，该探头盖102密封盖住该空腔103的开口，前述声发射传感器132置于该空腔103内，前述第一声波换能器133和第一孔隙水压流体通孔135均设置于探头主件101内；并且，该探头盖102通过紧固螺栓104与探头主件101固定连接，该探头盖102与探头主件101之间夹设有环形橡胶密封圈105，以使得空腔103与外界之间形成更好的密封；以及，该探头盖102向下凸设有定位部106，该定位部106伸出空腔103内实现定位，以使得探头盖102更好地固定在探头主件101上，该探头盖102的底面周缘抵于探头主件101的顶端面上，该探头盖102的顶端凹设有对中导槽107，该轴压导杆12的下端嵌于该对中导槽107内；此外，该探头主件101和探头盖102均为强度和刚度大的不锈钢材料，以使得上承压探头13可以承受较大的负荷而不会损坏。
如图4所示，该下承压探头14呈倒T字形，该下承压探头14包括有第二主体141以及设置于第二主体141内的第二声波换能器142；该第二声波换能器142由压电陶瓷制成，该第二声波换能器142能够接收到由上承压探头13激发而穿过岩样50的声波信号，该第二声波换能器142以及前述的第一声波换能器133均与多波分析仪20及电子计算机40连接而形成主动声学测试系统，该第二主体141内设置有对准岩样50的第二孔隙水压流体通孔143，该第二孔隙水压流体通孔143与密封压力室11的内部连通；并且，该第二主体141为强度和刚度大的不锈钢材料，以使得下承压探头14可以承受较大的负荷而不会损坏。
此外，该第一主体131的下端面以及第二主体141的上端面均设置有中心通孔108、环向沟槽109和径向沟槽110，该中心通孔108与前述对应的孔隙水压流体通孔连通，该径向沟槽110连通于中心通孔108和环向沟槽109之间；并且，第一主体131的下端面以及第二主体141的上端面分别对应覆盖有第一透水板136和第二透水板144，以使岩样50端面所受孔隙压力分布均匀。
详述本实施例的工作过程如下：
步骤一、组装上承压探头
在声发射传感器132的表面涂抹凡士林，然后将声发射传感器132轻轻放入空腔103内，使其耦合良好并用胶水固定于空腔103的内壁；接着，将环形橡胶密封圈105放置与探头主件101的顶端面，对正盖下探头盖102并使用紧固螺栓104将探头盖102与探头主件101固定连接，使得声发射传感器132密封于空腔103内。
步骤二、岩样装配
将制备完成的岩样50平整置于下承压探头14的顶端面上，并用于黑色胶布缠绕岩样50而将接触面密封，以防止围压过高接触面处热缩管压裂。运用同样的方法在岩样50芯上端缠绕黑色胶布防止上承压探头13压力过高，胶布密封后用聚四氟乙烯热缩管将岩样50套牢，并用热吹风固紧，使岩样50内的渗透压与密封压力室11中的油压隔离。安装轴向应变计和径向应变计，连接各应变计和换能器的数据线及孔隙水压导管于底座111的孔槽上。
步骤三、三轴试验
安装就绪后，放下主体盖112并用密封圈113密封。接着按三轴试验的步骤对密封压力室11注油，施加轴压、孔隙压力、围压至试验设定值，并同步激发声波，收集声发射信号及声波信号，记录流体单位时间内通过岩样端面的流量。
本发明的设计重点在于：首先，通过于密封压力室内设置有上承压探头和下承压探头，配合声发射传感器与声发射信号采集仪及电子计算机连接而形成被动声学测试系统，该第二声波换能器及第一声波换能器均与多波分析仪及电子计算机连接而形成主动声学测试系统，以使得声波数据和声发射信号数据均可由电子计算机输出，结构简单，使用方便，成本低，并保证了试验结果的准确度，便于推广到室内岩石三轴试验测试领域。其次，通过于第一主体的下端面以及第二主体的上端面均设置有中心通孔，以使具有一定压力的流体能通过中心通孔进入岩样，达到控制岩样内部孔隙压力和进行渗流测试的目的，并配合设置有环向沟槽、径向沟槽及各透水板以使岩样端面所受孔隙压力分布更加均匀。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：包括有岩石三轴试验机、多波分析仪、声发射信号采集仪以及电子计算机；
该岩石三轴试验机包括有密封压力室、轴压导杆以及设置于密封压力室内用于夹住岩样的上承压探头和下承压探头；该多波分析仪、声发射信号采集仪以及电子计算机位于密封压力室外；
该上承压探头包括有第一主体以及设置于第一主体内的声发射传感器和第一声波换能器，该声发射传感器与声发射信号采集仪及电子计算机连接，该第一声波换能器与多波分析仪及电子计算机连接，该第一主体内设置有对准岩样的第一孔隙水压流体通孔，该第一孔隙水压流体通孔与密封压力室的内部连通；
该下承压探头包括有第二主体以及设置于第二主体内的第二声波换能器，该第二声波换能器与多波分析仪及电子计算机连接，该第二主体内设置有对准岩样的第二孔隙水压流体通孔，该第二孔隙水压流体通孔与密封压力室的内部连通；
该轴压导杆伸入密封压力室内并抵压于上承压探头上。
2.根据权利要求1所述的岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：所述密封压力室包括有底座以及主体盖，该主体盖固定于底座上，该主体盖与底座之接合处的外侧套设有密封圈。
3.根据权利要求1所述的岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：所述第一主体包括有探头主件以及探头盖，该探头主件的上端面凹设有空腔，该探头盖密封盖住该空腔的开口，前述声发射传感器置于该空腔内，前述第一声波换能器和第一孔隙水压流体通孔均设置于探头主件内。
4.根据权利要求3所述的岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：所述探头盖通过紧固螺栓与探头主件固定连接，该探头盖与探头主件之间夹设有环形橡胶密封圈。
5.根据权利要求3所述的岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：所述探头盖向下凸设有定位部，该定位部伸出空腔内，该探头盖的底面周缘抵于探头主件的顶端面上。
6.根据权利要求3所述的岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：所述探头主件和探头盖均为强度和刚度大的不锈钢材料。
7.根据权利要求3所述的岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：所述探头盖的顶端凹设有对中导槽，该轴压导杆的下端嵌于该对中导槽内。
8.根据权利要求1所述的岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：所述第二主体为强度和刚度大的不锈钢材料。
9.根据权利要求1所述的岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：所述第一主体的下端面以及第二主体的上端面均设置有中心通孔、环向沟槽和径向沟槽，该中心通孔与前述对应的孔隙水压流体通孔连通，该径向沟槽连通于中心通孔和环向沟槽之间。
10.根据权利要求1或9所述的岩石三轴试验的主被动组合式声学测试及渗流测试联合系统，其特征在于：所述第一主体的下端面以及第二主体的上端面分别对应覆盖有第一透水板和第二透水板。
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