[0001] 本发明涉及岩土工程试验技术领域， 特别是涉及一种多场耦合作用下岩石损伤 演化超声波监测装置。

背景技术

[0002] 多场耦合条件下岩石的破坏行为研究是岩石力 学领域最前沿的课题之一， 是核 废料地下储存、 地下能源储存、 二氧化碳地下储存、 地热开发、 石油开采等众 多岩石工程的基础性研究课题， 具有十分重要的科学意义和实际应用价值。 在 众多岩土工程中， 岩石总是处于一定的地应力、 地温、 湿度的共同作用下， 而 地下水气中含有的各种化学物质也将对岩石进 行腐蚀， 对岩石材料的破坏有很 大影响。 温度对岩石的影响， 主要是通过其热力学性质体现， 温度的变化会在 岩石内部产生很大的应力， 进而影响其力学性质； 湿度的长时间作用， 将会对 岩石的各种强度参数造成不同程度的劣化， 另一方面， 岩石强度参数的劣化， 也将导致湿度场发生变化。 因此有必要开展岩石在多场耦合下的力学特性 试验 ， 分析岩石在多场耦合条件下的长期稳定问题。

发明概述

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0003] 本发明的目的在于提供一种多场耦合作用下岩 石损伤演化超声波监测装置， 实 现对岩石材料在不同应力、 不同湿度、 不同温度、 不同化学溶液单独或共同作 用下损伤演化规律的测试。

[0004] 本发明提供一种多场耦合作用下岩石损伤演化 超声波监测装置， 多场耦合作用 下岩石损伤演化超声波监测装置包括应力加载 单元、 水气发生单元、 水气循环 单元和计算机； 应力加载单元包括支撑架、 透明密闭罩、 上压头底座、 下压头 底座、 伸缩油缸、 岩石试件和油压泵， 支撑架周围罩设透明密闭罩， 支撑架的 上端设置上压头底座， 上压头底座上设置有刚性上压头， 支撑架的下端设置伸 缩油缸， 伸缩油缸的伸缩端上设置下压头底座， 下压头底座上设置有刚性下压 头， 刚性上压头的下表面设置有超声波发射探头， 刚性下压头的上表面设置有 超声波接收探头， 刚性上压头和刚性下压头之间设置岩石试件， 油压泵经油压 管路连接伸缩油缸， 油压管路上设置有数显油压表， 透明密闭罩内的上方设置 有第一数显温度计和第一数显湿度计； 水气发生单元包括透明溶液瓶， 透明溶 液瓶内填充有化学溶液， 透明溶液瓶内的底部设置有冒泡加热器， 透明溶液瓶 内的上方设置有第二数显温度计和第二数显湿 度计； 水气循环单元包括进气管 路和回气管路， 进气管路的一端连接透明溶液瓶， 进气管路的另一端连接透明 密闭罩， 进气管路上设置有第一空气泵和进气阀门， 回气管路的一端连接透明 溶液瓶， 回气管路的另一端连接透明密闭罩， 回气管路上设置有第二空气泵和 回气阀门； 计算机分别信号连接超声波发射探头、 超声波接收探头、 油压泵、 第一数显温度计、 第一数显湿度计、 冒泡加热器、 第二数显温度计和第二数显 湿度计。

[0005] 进一步的， 冒泡加热器中设置有加热器、 风机和若干个吹气管， 风机连接有进 风管路和送风管路， 进风管路的末端位于化学溶液液面上方， 风机经送风管路 连接若干个吹气管， 计算机分别信号连接加热器和风机。

[0006] 进一步的， 进气管路的另一端连接透明密闭罩的下端， 回气管路的另一端连接 透明密闭罩的上端。

[0007] 进一步的， 超声波发射探头内嵌于刚性上压头的下表面， 超声波接收探头内嵌 于刚性下压头的上表面。

[0008] 进一步的， 透明密闭罩由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料制成 ， 透明密闭罩的下端 设置装配口， 透明密闭罩经装配口可拆卸连接下压头底座。

[0009] 进一步的， 透明溶液瓶由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料制成 。

[0010] 进一步的， 进气管路、 回气管路均由透明耐腐蚀耐高温材料制成。

[0011] 进一步的， 透明溶液瓶上方的两侧分别设置有进气连接管 和回气连接管， 进气 连接管连接进气管路的一端， 回气连接管连接回气管路的一端。

发明的有益效果 有益效果

[0012] 与现有技术相比， 本发明的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波 监测装置具有 以下特点和优点：

[0013] 本发明的多场耦合作用下岩石损伤演化超声波 监测装置， 通过计算机控制应力 加载单元对岩石试件应力加载； 通过计算机控制水气发生单元产生设定湿度、 温度的水气， 通过水气循环单元实现对岩石试件不同湿度、 温度变化的影响； 通过更换不同化学溶液实现不同化学溶液对岩 石试件的作用； 在不同应力、 不 同湿度、 不同温度、 不同化学溶液稱合作用岩石试件的同时， 对岩石试件进行 超声波监测试验， 以定量研究岩石受应力、 湿度、 温度以及化学腐蚀单独或共 同作用下的长期稳定性问题。

[0014] 结合附图阅读本发明的具体实施方式后， 本发明的特点和优点将变得更加清楚 对附图的简要说明

附图说明

[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中 的技术方案， 下面将对实施例或 5见有技术描述中所需要使用的附图作简单地� �绍， 显而易见地， 下面描述中的 附图是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性 劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0016] 图 1为本发明实施例多场耦合作用下岩石损伤演� �超声波监测装置的结构示意 图；

[0017] 其中， 1、 计算机， 2、 岩石试件， 3、 进气阀门， 4、 进气管路， 5、 第一空气 泵， 6、 油压泵， 7、 数显油压表， 8、 进气连接管， 9、 第二数显温度计， 10、 第二数显湿度计， 11、 冒泡加热器， 12、 回气连接管， 13、 第一数显温度计， 1 4、 第一数显湿度计， 15、 透明密闭罩， 16、 上压头底座， 17、 刚性上压头， 18 、 刚性下压头， 19、 伸缩油缸， 20、 油压管路， 21、 超声波发射探头， 22、 超 声波接收探头， 23、 回气阀门， 24、 第二空气泵， 25、 回气管路， 26、 透明溶 液瓶， 27、 下压头底座。

发明实施例 本发明的实施方式

[0018] 如图 1所示， 本实施例提供一种多场耦合作用下岩石损伤演 化超声波监测装置 ， 包括应力加载单元、 水气发生单元、 水气循环单元和计算机 1等。

[0019] 应力加载单元包括支撑架、 透明密闭罩 15、 上压头底座 16、 下压头底座 27、 伸 缩油缸 19、 岩石试件 2和油压泵 6等。 支撑架上方的周围罩设透明密闭罩 15 , 透 明密闭罩 15由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料制成， 透明密闭罩 15的下端设置装配 口， 透明密闭罩 15经装配口可拆卸连接下压头底座 27。 支撑架的上端装配上压 头底座 16 , 上压头底座 16上装配刚性上压头 17。 支撑架的下端设置伸缩油缸 19 ， 伸缩油缸 19的伸缩端上装配下压头底座 27 , 下压头底座 27上装配刚性下压头 1 8。 刚性上压头 17的下表面内嵌有超声波发射探头 21， 刚性下压头 18的上表面内 嵌有超声波接收探头 22, 刚性上压头 17和刚性下压头 18之间用于夹持岩石试件 2 。 油压泵 6经油压管路 20连接伸缩油缸 19 , 油压管路 20上设置有数显油压表 7。 透明密闭罩 15内的上方设置有第一数显温度计 13和第一数显湿度计 14。

[0020] 水气发生单元包括透明溶液瓶 26， 透明溶液瓶 26由透明耐腐蚀耐高温玻璃材料 制成。 透明溶液瓶 26内填充有化学溶液， 透明溶液瓶 26内的底部设置有冒泡加 热器 11， 冒泡加热器 11中设置有加热器、 风机和若干个吹气管， 风机连接有进 风管路和送风管路， 进风管路的末端位于化学溶液液面上方， 风机经送风管路 连接若干个吹气管。 透明溶液瓶 26内的上方设置有第二数显温度计 9和第二数显 湿度计 10。

[0021] 水气循环单元包括进气管路 4和回气管路 25 , 进气管路 4、 回气管路 25均由透明 耐腐蚀耐高温材料制成。 透明溶液瓶 26的上方的两侧分别设置有进气连接管 8和 回气连接管 12, 进气管路 4的一端经进气连接管 8连接透明溶液瓶 26 , 进气管路 4 的另一端连接透明密闭罩 15的下端， 进气管路 4上设置有第一空气泵 5和进气阀 门 3 , 回气管路 25的一端经回气连接管 12连接透明溶液瓶 26 , 回气管路 25的另一 端连接透明密闭罩 15的上端， 回气管路 25上设置有第二空气泵 24和回气阀门 23

[0022] 计算机 1分别经信号电缆信号连接超声波发射探头 21、 超声波接收探头 22、 油 压泵 6、 第一数显温度计 13、 第一数显湿度计 14、 冒泡加热器 11中的加热器及风 机、 第二数显温度计 9和第二数显湿度计 10。

[0023] 本实施例的多场耦合作用下岩石损伤演化超声 波监测装置， 其使用过程如下： [0024] ( 1) 利用取芯钻具获取地下岩芯试样， 选取完好、 无损且原始内部结构完整 的岩芯试样， 加工成标准圆柱形岩石试件 2, 将岩石试件 2夹持在刚性上压头 17 和刚性下压头 18之间。

[0025] (2) 在岩石试件 2上下两侧的超声波发射探头 21、 超声波接收探头 22通过信号 电缆与计算机 1实现数据相连， 用来实时记录由超声波发射探头 21发射超声波到 超声波接收探头 22接收超声波的时间， 并保存相关数据进行后期的处理与分析

[0026] (3) 将透明密闭罩 15内上方的第一数显温度计 13和第一数显湿度计 14通过信 号电缆与计算机 1数据相连， 试验人员可通过透明密闭罩 15查看第一数显温度计 13和第一数显湿度计 14的读数， 确定透明密闭罩 15内的温度和湿度。 将透明密 闭罩 15罩设在支撑架上， 密闭罩 15下方的装配口连接下压头底座 27 , 以使支撑 架周围形成密闭空间， 将油压泵 66和数显油压表 7通过油压管路 20接在伸缩油缸 19的底部， 将进气管路 4和回气管路 25连接在透明密闭罩 15上。

[0027] (4) 将冒泡加热器 11通过信号电缆与计算机 1数据连接， 将透明溶液瓶 26上方 的第二数显温度计 9和第二数显湿度计 10通过信号电缆与计算机 1数据连接， 进 气管路 4和回气管路 25分别经进气连接管 8和回气连接管 12连接透明溶液瓶 26。

[0028] (5) 进入计算机 1程序控制器的控制界面， 设定超声波发射探头 21发射超声波

， 从超声波发射探头 21发射超声波到超声波接收探头 22接收到超生波的时间记 为

A 4

岩石试件 2的长度为 L， 因此可以根据

L

v, - -—

" 紅. 计算得到初始未开始应力加载试验前的超声波 在岩石试件 2中的传播的波速 [0029] (6) 进入计算机 1程序控制器的控制界面， 设定透明溶液瓶 26的湿度值以及温 度值， 计算机 1控制冒泡加热器 11并根据第二数显温度计 9和第二数显湿度计 10 使溶液瓶 26达到试验要求的湿度和温度时， 打开回气阀门 23、 进气阀门 3和第一 空气泵 5和第二空气泵 24， 由第一空气泵 5将混有一定温度和湿度的水气 (混合 有化学试剂颗粒) 压入透明密闭罩 15 , 由第二空气泵 24将透明密闭罩 15内的水 气抽走以使水气形成循环。 试验人员可通过透明溶液瓶 26查看第二数显温度计 9 和第二数显湿度计 10的读数， 确定透明溶液瓶 26内的温度和湿度。 水气由进气 管路 4经透明密闭罩 15的下方进入透明密闭罩 15并逐渐在透明密闭罩 15内上升从 透明密闭罩 15的上方流出进入回气管路 25 , 使水气充满整个透明密闭罩 15， 以 使岩石试件 2被水气包裹。 计算机 1根据第一数显温度计 13和第一数显湿度计 14 监测透明密闭罩 15内的温度和湿度， 计算机 1进而再调节控制冒泡加热器 11， 使 透明溶液瓶 26与透明密闭罩 15的湿度值以及温度值接近。

[0030] (7) 通过计算机 1程序控制器的控制界面， 启动油压泵 6并根据数显油压表 7控 制伸缩油缸 19施加设定压力， 对岩石试件 2进行单轴压缩以进行应力加载试验， 通过计算机 1记录超声波发射探头 21和超声波接收探头 22的发射和接收的时间， 从超声波发射探头 21发射超声波到超声波接收探头 22接收到超生波的时间为

A t _' 岩石试件 2的长度为 L， 因此可以根据

， 计算得到岩石试件 2单轴压缩过程中的超声波的波速

。 保持预定应力不变， 每隔时间

AT

， 测定一次时间超声波波速， 记为 定义损伤变量

v0

， 由应力-湿度-温度-化学耦合作用下的试验得到 一系列的不同时刻下的损伤变 量的值

K )

， 通过数据拟合得到损伤演化方程

D = fit)

。 本实施例的多场耦合作用下岩石损伤演化超声 波监测装置， 通过计算机 1控制 应力加载单元对岩石试件 2进行应力加载试验； 通过计算机 1控制水气发生单元 产生设定湿度、 温度的水气， 通过水气循环单元实现对岩石试件 2不同湿度、 温 度变化的影响； 通过更换透明溶液瓶 26中不同化学溶液实现不同化学溶液对岩 石试件 2的作用； 在不同应力、 不同湿度、 不同温度、 不同化学溶液稱合作用岩 石试件 2的同时， 对岩石试件 2进行超声波监测试验， 以定量研究岩石受应力、 湿度、 温度以及化学腐蚀单独或共同作用下的长期稳 定性问题。

[0031] 当然， 上述说明并非是对本发明的限制， 本发明也并不仅限于上述举例， 本技 术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做 出的变化、 改型、 添加或替换， 也应属于本发明的保护范围。