一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置及方法

本发明涉及岩石力学测试，特别涉及一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置及方法。

背景技术：

1、目前，能源资源领域科技创新的重要方向是向地球深部要资源、要空间。在深埋岩体工程中(深部石油、页岩气、金属矿和煤炭等矿物或能源开采，深埋隧道，地下硐室，核废料的深埋处置，油气储藏，水力隧道和电站)和其它岩体工程中(岩质边坡、水利高坝建设等)，岩体受拉应力的作用广泛存在的。忽略节理拉伸强度一方面不能全面理解和认识深部岩体失稳机制，另一方面低估了节理对岩体稳定性的积极作用。节理虽然拉伸强度较低，却容许较大的拉伸变形，在深部软岩体和边坡等具有大变形问题的工程中，节理的存在可能有利于岩体稳定。

2、岩体常常受动荷载的作用，如爆破、地震、金属矿和煤矿开挖扰动等。动荷载通常以应力波的形式传播。很多研究表明，地震波衰减、波速降低主要归因于岩体中节理等不连续面。节理等不连续面会使岩体有效弹性模量显著减小，从而使波速减小。节理等不连续面对波的衰减机制主要包括摩擦、流体流动和散射。由于波速、波幅和波频谱对节理的高敏感性，波常常可以用来探测节理的特征以及判断岩体的完整性。因此节理力学性质以及其与波传播的相互作用是研究不同应力作用下波在岩体中传播规律的基础。

3、但由于缺少有效的进行多场耦合作用下岩石节理拉伸与同步超声波试验的相关设备，目前对节理岩体拉伸破坏机制的研究较少，对高应力-温度-水多场环境下节理岩体拉伸力学特性及其对波传播影响的研究更少。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种简单、可靠地进行同步多场耦合作用下岩石节理直接拉伸与超声波试验方案，解决现有技术中不能同时进行多场耦合作用下岩石节理直接拉伸试验与同步超声波试验等问题，能够建立多场耦合作用下节理拉伸力学特性与波传播特征的直接关联，研究拉应力作用下岩石节理多场耦合特性及节理刚度演化，对岩体工程稳定性、地震波传播等具有重要意义。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，包括依次连接的第一拉伸连接构件、第二拉伸连接构件以及第三拉伸连接构件；

3、所述第一拉伸连接构件的第一端设置有中空圆筒，所述第一拉伸连接构件的第二端与三轴试验机的加载台连接；

4、所述第二拉伸连接构件的第一端设置有中空圆台，所述第二拉伸连接构件的第二端设置有钢球，所述钢球装配于所述中空圆筒内形成球形铰接，所述中空圆台内设置有超声波探头；

5、所述第三拉伸连接构件的第一端与试样的端部连接，且开设有渗透压进出水孔，所述第三拉伸连接构件的第二端与所述中空圆台连接。

6、进一步地，所述中空圆筒为变径设置，所述中空圆筒的出口位置形成有与所述钢球一致的弧面，所述钢球的直径大于所述中空圆筒的出口位置直径。

7、进一步地，所述中空圆筒的一侧敞开设置，用于所述钢球的装配。

8、进一步地，所述钢球与所述中空圆台通过连接杆连为一体。

9、进一步地，所述中空圆台内设置有弹性件，所述弹性件与所述超声波探头弹性连接。

10、进一步地，所述中空圆台的侧壁开设有引线安装孔，所述引线安装孔用于将所述超声波探头的引线引出并与仪器连接。

11、进一步地，所述中空圆筒、所述中空圆台、所述第三拉伸连接构件均设置有多个螺纹孔，所述中空圆筒通过螺纹孔以及螺栓与所述加载台固定，所述中空圆台、所述第三拉伸连接构件的螺纹孔依次对应，以通过螺栓将所述中空圆台与所述第三拉伸连接构件固定。

12、本发明还提供了一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验系统，应用于如前所述的多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，包括渗透压控制模块、围压控制模块、温度控制模块、超声波模块；

13、所述渗透压控制模块通过管路与所述第三拉伸连接构件的渗透压进出水孔连通，用于施加预设的渗透水压；所述围压控制模块与三轴试验机的围压缸内部连接，用于向试样提供预设的围压；所述温度控制模块用于控制所述围压缸内部的温度；所述超声波模块连接所述超声波探头的引线，用于接收所述超声波探头采集的信号。

14、本发明还提供了一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验方法，采用如前所述的多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，以及如前所述的多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验方法，具体包括如下步骤：

15、s1，试验前，校对第一拉伸连接构件、第二拉伸连接构件、第三拉伸连接构件和结构胶对试验的影响；

16、s2，用高强度环氧树脂结构胶将岩石节理试样的两端分别与上层和下层的第三拉伸连接构件粘合，静置一段时间使结构胶达到设计值；

17、s3，将超声波探头放置在第二拉伸连接构件的弹性件上，再将第二拉伸连接构件与第三拉伸连接构件固定为一体；

18、s4，分别将上层和下层的第一拉伸连接构件与三轴试验机的上加载台、下加载台固定，然后将第二拉伸连接构件的钢球与对应的第一拉伸连接构件装配，形成球形铰接；

19、s5，三轴试验机启动施加预拉力，预拉力保持一段时间，直至拉力传感器读数稳定；

20、s6，通过围压控制模块向围压缸施加测试的围压，测试超声波信号的稳定性，待稳定后施加围压至预设值，保持围压不变；

21、s7，通过渗透压控制模块向岩石节理试样两端同时加水压p1和p2，使p1＝p2，试样处于含水状态；增加水压p2致预设值，形成初始渗透压差p2-p1；

22、s8，岩石节理试样饱和后，通过温度控制模加温至预设值；

23、s9，温度传感器读数稳定后，待试样变形稳定时，按预设的加载速率进行位移加载，直至岩石节理试样破坏，加载过程中使用超声波模同步采集超声波信号；

24、s10，分析数据得到实验结果。

25、本发明的上述方案有如下的有益效果：

26、本发明提供的多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验整体方案，依靠第一拉伸连接构件、第二拉伸连接构件、第三拉伸连接构件等的设置，在进行多场耦合作用下三轴岩石节理试样拉伸试验与同步超声波试验时，仅需配合传统多场耦合三轴试验机即可完成，结构简单、操作便捷、容易实现，且能够保证试验过程中试样轴心受拉，避免偏心力对直接拉伸试验结果的影响，提高多场耦合作用下试验精准性与可靠性；

27、本发明解决了不能同时进行多场耦合作用下岩石节理直接拉伸试验与同步超声波试验等问题，能够建立多场耦合作用下节理拉伸力学特性与波传播特征的直接关联，研究拉应力作用下岩石节理多场耦合特性及节理刚度演化，对岩体工程稳定性、地震波传播等具有重要意义；

28、本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，其特征在于，包括依次连接的第一拉伸连接构件、第二拉伸连接构件以及第三拉伸连接构件；

2.根据权利要求1所述的一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，其特征在于，所述中空圆筒为变径设置，所述中空圆筒的出口位置形成有与所述钢球一致的弧面，所述钢球的直径大于所述中空圆筒的出口位置直径。

3.根据权利要求2所述的一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，其特征在于，所述中空圆筒的一侧敞开设置，用于所述钢球的装配。

4.根据权利要求1所述的一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，其特征在于，所述钢球与所述中空圆台通过连接杆连为一体。

5.根据权利要求1所述的一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，其特征在于，所述中空圆台内设置有弹性件，所述弹性件与所述超声波探头弹性连接。

6.根据权利要求1所述的一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，其特征在于，所述中空圆台的侧壁开设有引线安装孔，所述引线安装孔用于将所述超声波探头的引线引出并与仪器连接。

7.根据权利要求1所述的一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，其特征在于，所述中空圆筒、所述中空圆台、所述第三拉伸连接构件均设置有多个螺纹孔，所述中空圆筒通过螺纹孔以及螺栓与所述加载台固定，所述中空圆台、所述第三拉伸连接构件的螺纹孔依次对应，以通过螺栓将所述中空圆台与所述第三拉伸连接构件固定。

8.一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验系统，应用于如权利要求1-7任意一项所述的多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，其特征在于，包括渗透压控制模块、围压控制模块、温度控制模块、超声波模块；

9.一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验方法，采用如权利要求1-7任意一项所述的多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，以及如权利要求8所述的多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明提供了一种多场耦合岩石节理拉伸与同步超声波试验装置，包括依次连接的第一拉伸连接构件、第二拉伸连接构件以及第三拉伸连接构件；第一拉伸连接构件的第一端设置有中空圆筒，第一拉伸连接构件的第二端与三轴试验机的加载台连接；第二拉伸连接构件的第一端设置有中空圆台，第二拉伸连接构件的第二端设置有钢球，钢球装配于中空圆筒内形成球形铰接，中空圆台内设置有超声波探头；第三拉伸连接构件的第一端与试样的端部连接，且开设有渗透压进出水孔，第三拉伸连接构件的第二端与中空圆台连接。本发明仅需配合传统多场耦合三轴试验机即可完成多场耦合作用下岩石节理拉伸与同步超声波试验，且能够提高试验精准性与可靠性。

技术研发人员：韩东亚,谢智强,孙国君,李凯辉,曹平,刘智振,赵庆雄,林杭,刘涛影
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13