專利名稱：一種應(yīng)用于巖石常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射測試的壓頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于巖石常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射測試的壓頭，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當巖石等脆性材料受外力或內(nèi)力作用，由于其本身的彈性形變、裂紋擴展、顆?；频仍斐善洳牧蟽?nèi)局部能量的快速釋放而發(fā)出的瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，稱為聲發(fā)射(Acoustic emission,簡稱AE)。聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)中獲得了廣泛的應(yīng)用。室內(nèi)實驗方面，因巖石的破壞過程是其內(nèi)部裂紋衍生、穩(wěn)定擴展再到非穩(wěn)定擴展的過程，此過程伴隨有聲發(fā)射信號發(fā)生，因此可以通過監(jiān)測聲發(fā)射信號研究巖石的斷裂損傷過程。國內(nèi)外眾多研究者利用聲發(fā)射測試技術(shù)研究了巖石在壓縮過程中聲發(fā)射事件數(shù)、能量的演化規(guī)律與巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線的關(guān)系，并將巖石強度分為起裂強度、損傷強度、峰值強度等。除此之外聲發(fā)射技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于深埋硬巖隧洞和礦山的巖爆及沖擊地壓的預(yù)測預(yù)報中(一般稱為微震監(jiān)測)。隨著我國淺部礦產(chǎn)資源的逐步枯竭以及國家對水電能源、交通等的需求越來越大，礦井的開采深度逐年深部化，水電地下廠房和引水隧洞需要在埋深幾千米的硬巖隧洞中開掘，因此巖爆災(zāi)害越來越突出，由于聲發(fā)射技術(shù)不僅能夠定位潛在震源的位置，還可獲知聲發(fā)射試件的能量大小，所以聲發(fā)射技術(shù)被成功的應(yīng)用于深埋高應(yīng)力地下巖石工程的巖爆(沖擊地壓)的定位和預(yù)測預(yù)報中，有效降低了巖爆造成的損失。常規(guī)三軸實驗是獲得巖石抗剪強度參數(shù)C、供和建立不同巖石力學(xué)模型的基本手段，MTS815電液伺服實驗系統(tǒng)是當今世界上最先進和應(yīng)用最廣的常規(guī)三軸實驗系統(tǒng)，可在高溫、高壓下正常工作。由于聲發(fā)射探頭不能承受高壓力，因此與聲發(fā)射測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于不同巖石的單軸壓縮實驗相比，在常規(guī)三軸實驗中進行的聲發(fā)射測試要少很多，而且不論得到的定位效果還是接收的聲發(fā)射信號都無法令人滿意，主要是以下原因造成的:(I)單軸壓縮試驗中，聲發(fā)射探頭與標準巖石試件通過耦合劑直接接觸，巖石內(nèi)部破裂產(chǎn)生的彈性波經(jīng)巖石傳遞到與之接觸的聲發(fā)射探頭上，信號基本沒有衰減、失真；(2)常規(guī)三軸實驗中，一般的做法是將聲發(fā)射探頭固定在外徑接近30cm的油缸外壁上來接收油缸內(nèi)受壓巖石發(fā)出的信號。為防止油缸內(nèi)液壓油滲入巖石內(nèi)部以及巖石破碎粉末混入油內(nèi)阻塞進出油管，往往需要用橡膠套或膠帶將標準巖石試件與上下壓頭牢牢裹住，因此實驗過程中巖石破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號就需要穿過橡膠套或?qū)訉幽z帶、液壓油、油缸壁三層阻礙才最終傳輸?shù)铰暟l(fā)射傳感器上。此傳輸過程不僅會使聲發(fā)射信號衰減、變?nèi)?，而且會使部分波被屏蔽掉，因此最終聲發(fā)射傳感器接收到的是強度變?nèi)醯摹⑹д娴牟ㄐ?，不是實驗破裂發(fā)出的真實的聲發(fā)射信號。針對上述問題，中國專利公布號CN102305829A，公布日2012.1.4，發(fā)明名稱“巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)”，該申請案公布了通過在連接巖石試件的底部壓頭內(nèi)部開一空腔，將聲發(fā)射探頭放入內(nèi)部，實驗時油可流入空腔，進入探頭內(nèi)部，使探頭上的壓電陶瓷元件內(nèi)外等壓，與探頭相連的信號線通過預(yù)留通道穿出三軸室外。雖然作者將聲發(fā)射接收探頭置于三軸室內(nèi)，理論上避免了聲發(fā)射信號的衰減和被屏蔽，但仍存在如下問題:(I)聲發(fā)射探頭與巖石試件仍然不是直接接觸，中間隔著厚厚的承壓圓柱，探頭與巖樣距離越遠，信號衰減越厲害；(2)聲發(fā)射探頭的壓電陶瓷浸沒在油中，其震動頻率、工作性能等都會受到油介質(zhì)的影響；(3)聲發(fā)射探頭的壓電陶瓷非常脆弱，不能承受高的壓力，因此對于圍壓大于IOMPa的常規(guī)三軸試驗這種聲發(fā)射測試裝置都不能應(yīng)用。(4)該改進的聲發(fā)射測試裝置只能進行一般的聲發(fā)射檢測，無法對破裂面進行定位，因為定位至少需要四個合理布置的聲發(fā)射探頭。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述巖石常規(guī)三軸試驗中聲發(fā)射測試所存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于巖石常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射測試的壓頭，不僅可以最大程度的降低信號的衰減，聲發(fā)射探頭的壓電陶瓷也不用承受很大的壓力，而且還能對巖樣破裂面定位。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:—種應(yīng)用于巖石常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射測試的壓頭，包括巖石MTS常規(guī)三軸壓縮試驗機上的上壓頭，下壓頭，在所述的上壓頭的下端面和下壓頭的上端面分別開有圓形槽，圓形槽底部對稱開有兩個垂直的安裝孔，安裝孔底部開有垂直導(dǎo)線孔，上壓頭和下壓頭的側(cè)壁上開有水平導(dǎo)線孔，垂直導(dǎo)線孔與水平導(dǎo)線孔連通。安裝孔底部設(shè)置有彈簧。在圓形槽上設(shè)有與圓形槽形狀相同、大小相等的蓋板。圓形槽與壓頭同心圓布置。對稱布置的安裝孔以圓形槽的圓心為對稱中心。由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:(I)本發(fā)明采用在上下壓頭內(nèi)開安裝孔，可以將聲發(fā)射探頭置于其中，解決了巖石常規(guī)三軸實驗中無法將聲發(fā)射探頭安裝在三軸室內(nèi)的難題；(2)設(shè)置在安裝孔內(nèi)的彈簧可以使聲發(fā)射探頭與蓋板緊密接觸，保證接收到完整的聲發(fā)射信號；(3)聲發(fā)射探頭與巖樣之間僅隔了一塊蓋板，可以最大限度減小聲發(fā)射信號長距離傳輸和多介質(zhì)(橡膠套或?qū)訉幽z帶、液壓油、油缸壁)的傳遞造成的信號衰減、失真；(4)由于巖樣和上下壓頭被膠帶、薄膜、膠帶層層緊密纏繞，可以避免油滲入巖樣和壓頭內(nèi)的安裝孔里，因此既可以避免聲發(fā)射傳感器的壓電陶瓷在液壓油中浸泡導(dǎo)致的頻率、工作性能受影響，又可避免壓電陶瓷承受高壓力而失效的問題。(5)將分別設(shè)置有兩個安裝孔的上壓頭和下壓頭進行合理的布置(只要不共面即可，如十字形布置方式)不僅可以接受到常規(guī)的聲發(fā)射信號，還可以對巖石的破裂位置進行定位。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2為圖1的俯視圖
圖3為本發(fā)明工作狀態(tài)示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。見附圖—種應(yīng)用于巖石常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射測試的壓頭，包括巖石MTS常規(guī)三軸壓縮試驗機上的上壓頭1，下壓頭2，在所述的上壓頭I的下端面和下壓頭2的上端面分別開有圓形槽3，圓形槽3底部對稱開有兩個垂直的安裝孔4，安裝孔4底部開有垂直導(dǎo)線孔5，上壓頭I和下壓頭2的側(cè)壁上開有水平導(dǎo)線孔6，垂直導(dǎo)線孔5與水平導(dǎo)線孔6連通。安裝孔4底部設(shè)置有彈簧7。在圓形槽3上設(shè)有與圓形槽3形狀相同、直徑相等的蓋板8，蓋板8的厚度與圓形槽3的深度相等。圓形槽3與壓頭同心圓布置。對稱布置的安裝孔4以圓形槽3的圓心為對稱中心。試驗前將聲發(fā)射傳感器9置于安裝孔4中，并置于彈簧7上，聲發(fā)射傳感器9的導(dǎo)線11先從導(dǎo)線孔5中引出，聲發(fā)射傳感器9的導(dǎo)線11 一端連接三軸室外的前置放大器。之后將圓柱形蓋板8嵌入圓形槽3中，聲發(fā)射傳感器9的壓電陶瓷片10在彈簧7的彈力作用下與蓋板8密切接觸而不會受很大壓力，將標準巖石試件12對正安放在安裝好聲發(fā)射傳感器9的下壓頭2上，用膠帶將下壓頭2和標準巖石試件12纏緊密。同樣的方法安裝上壓頭1，上壓頭I兩個聲發(fā)射傳感器9圓心的連線與下壓頭2中兩個聲發(fā)射傳感器9中心的連線呈十字形布置，便于定位聲發(fā)射試件，然后用膠`帶纏好上壓頭I和標準巖石試件12，之后用膠帶將上壓頭1，下壓頭2和標準巖石試件12再纏一圈，纏完后在上壓頭1，下壓頭2和標準巖石試件12上再套一層桶狀薄膜，并用熱吹風(fēng)機吹至其收縮與纏入的膠帶緊密接觸。最后再纏I 2圈膠帶，保證油缸內(nèi)的液壓油不滲入到標準巖石試件12和上壓頭I及下壓頭2中。將纏好的標準巖石試件12，上壓頭I及下壓頭2置于MTS三軸壓力室內(nèi)，開始試驗。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于巖石常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射測試的壓頭，包括巖石MTS常規(guī)三軸壓縮試驗機上的上壓頭(1)，下壓頭(2)，其特征在于:在所述的上壓頭(I)的下端面和下壓頭(2)的上端面分別開有圓形槽(3)，圓形槽(3)底部對稱開有兩個垂直的安裝孔(4)，安裝孔(4)底部開有垂直導(dǎo)線孔(5)，上壓頭(I)和下壓頭(2)的側(cè)壁上開有水平導(dǎo)線孔(6)，垂直導(dǎo)線孔(5)與水平導(dǎo)線孔(6)連通。安裝孔(4)底部設(shè)置有彈簧(7)。在圓形槽(3)上設(shè)有與圓形槽(3)形狀相同、大小相等的蓋板(8)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于巖石常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射測試的壓頭，其特征在于:圓形槽(3)與壓頭同心圓布置。
3.如權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于巖石常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射測試的壓頭，其特征在于:對稱布置的安裝孔(4)以圓形槽(3)的圓心為對稱中心。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于巖石常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射測試的壓頭，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。包括巖石MTS常規(guī)三軸壓縮試驗機上的上壓頭，下壓頭，在所述的上壓頭的下端面和下壓頭的上端面分別開有圓形槽，圓形槽底部對稱開有兩個垂直的安裝孔，安裝孔底部開有垂直導(dǎo)線孔，上壓頭和下壓頭的側(cè)壁上開有水平導(dǎo)線孔，垂直導(dǎo)線孔與水平導(dǎo)線孔連通。安裝孔底部設(shè)置有彈簧。在圓形槽上設(shè)有與圓形槽形狀相同、大小相等的蓋板。本發(fā)明可最大限度降低聲發(fā)射信號的衰減、失真，避免聲發(fā)射傳感器浸泡在液壓油中，可進行高圍壓的聲發(fā)射測試并可對巖石破裂面定位。
文檔編號G01N3/02GK103149081SQ20131003991
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者周輝, 孟凡震, 徐榮超, 盧景景, 劉繼光, 楊凡杰 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所