本發(fā)明涉及巖體動(dòng)力學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種間接測(cè)量粗糙結(jié)構(gòu)面動(dòng)態(tài)剛度的裝置。

背景技術(shù)：

當(dāng)?shù)卣鸹虻叵卤瓢l(fā)生時(shí)，其產(chǎn)生的能量部分以應(yīng)力波的形式傳播到周圍巖體中。自然界巖體中通常存在著大量的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，當(dāng)應(yīng)力波在傳播過程中遇到這些結(jié)構(gòu)面時(shí)，其幅值發(fā)生衰減，相位改變，頻率降低。應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)面處的傳播規(guī)律通常受控于結(jié)構(gòu)面的動(dòng)態(tài)變形特征，而這種動(dòng)態(tài)變形特征通常由結(jié)構(gòu)面的動(dòng)態(tài)剛度來刻畫。因此，結(jié)構(gòu)面動(dòng)態(tài)剛度的有效測(cè)量對(duì)于建立應(yīng)力波在巖體中傳播分析模型，并應(yīng)用于巖體地震地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和評(píng)價(jià)具有重要的意義。

巖體試件室內(nèi)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)是測(cè)試粗糙結(jié)構(gòu)面動(dòng)態(tài)剛度的重要途徑。由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)直接利用傳統(tǒng)的分離式霍普金森桿(shpb)測(cè)試粗糙結(jié)構(gòu)面在動(dòng)力作用下的受力與變形通常比較復(fù)雜，且同一粗糙結(jié)構(gòu)面多次測(cè)量的結(jié)果重復(fù)性差，因此間接測(cè)量是首選的實(shí)驗(yàn)方法。

粗糙結(jié)構(gòu)面的動(dòng)態(tài)剛度通常與其所處的應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)面的吻合程度有關(guān)。由于目前尚沒有用于間接測(cè)量粗糙結(jié)構(gòu)面的裝置，因此迫切發(fā)展一種能同時(shí)考慮粗糙結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力狀態(tài)和吻合程度的間接測(cè)量結(jié)構(gòu)面動(dòng)態(tài)剛度的裝置及其測(cè)試方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種間接測(cè)量粗糙結(jié)構(gòu)面動(dòng)態(tài)剛度的裝置，利用該裝置及其測(cè)試方法能夠測(cè)量粗糙結(jié)構(gòu)面在不同應(yīng)力狀態(tài)下和不同吻合系數(shù)下的動(dòng)態(tài)剛度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種間接測(cè)量粗糙結(jié)構(gòu)面動(dòng)態(tài)剛度的裝置，包括反力加載框架、巖樣約束裝置和超聲波測(cè)試系統(tǒng)，所述反力加載框架包括橫梁、立柱、橫梁反力軸、千斤頂加載軸、液壓千斤頂、液壓表、加壓手柄和基座，巖樣約束套筒包括金屬筒和螺栓，超聲波測(cè)試系統(tǒng)包括發(fā)射換能器、接收換能器和超聲波測(cè)試儀，所述立柱分別與橫梁和基座通過螺帽連接，所述液壓千斤頂放置在基座的中心位置，二者通過兩端的螺栓連接；液壓表安裝在液壓千斤頂?shù)囊粋?cè)，液壓千斤頂上頂面安裝有千斤頂加載軸，金屬筒上部分外表面加工有一周測(cè)量上半部分巖樣旋轉(zhuǎn)角度的凹槽刻度標(biāo)尺，刻度均勻分布，主刻度間隔20°；金屬筒下部分加工四個(gè)對(duì)稱分布的螺紋孔，通過擰緊螺栓可有效固定下半部分巖樣；發(fā)射換能器抵接橫梁反力軸和上半部分巖樣，接收換能器抵接千斤頂加載軸和下半部分巖樣；橫梁反力軸、發(fā)射換能器、上半部分巖樣、下半部分巖樣、接收換能器和千斤頂加載軸的軸線重合，以保證加載過程中的穩(wěn)定性。通過連續(xù)按壓加壓手柄使千斤頂加載軸向上移動(dòng)，對(duì)巖樣施加法向力，從而實(shí)現(xiàn)粗糙結(jié)構(gòu)面的不同應(yīng)力狀態(tài)，壓力的數(shù)值由液壓表記錄。

優(yōu)選地，所述發(fā)射換能器和接收換能器均由圓柱形高強(qiáng)度合金鋼外殼、壓電陶瓷片、底面蓋板組成；兩個(gè)換能器的壓電陶瓷片的自振頻率相同，放置在圓柱形外殼端部的圓柱形凹槽里面，然后通過底面蓋板密封；圓柱形外殼內(nèi)部加工有引線倒出孔，側(cè)壁加工有引線導(dǎo)出端子，圓柱形外殼的另一端面也加工有圓柱形凹槽；凹槽的內(nèi)徑略大于橫梁反力軸和千斤頂加載軸的直徑；測(cè)試時(shí)，橫梁反力軸和千斤頂加載軸插入到兩個(gè)換能器的凹槽中，以保證換能器、巖樣和套筒整體在加載過程中的穩(wěn)定性；發(fā)射換能器和接收換能器的內(nèi)部加工有引線倒出孔，側(cè)壁加工有引線導(dǎo)出端子。

優(yōu)選地，所述橫梁、立柱、橫梁反力軸和基座均由高強(qiáng)度合金鋼加工而成。

優(yōu)選地，所述橫梁為以正方形為底面的長方體，其兩端附近加工有兩個(gè)對(duì)稱分布的穿透圓柱孔，其中部與橫梁反力軸焊接；橫梁反力軸為短圓柱體，其底面直徑與橫梁的寬度相同；所述立柱的數(shù)量為兩根，均為圓柱體，其主體直徑與橫梁的寬度相同，其兩端處加工成螺紋結(jié)構(gòu)，螺紋段的直接略小于橫梁兩端圓柱孔的直徑；基座兩側(cè)對(duì)稱加工兩個(gè)穿透的圓柱孔，其直徑與橫梁兩端圓柱孔的直徑相同；基座上兩圓柱孔間的距離與橫梁兩端圓柱孔間的距離相同；

優(yōu)選地，所述立柱與橫梁和基座之間通過螺帽連接，在基座的兩立柱之間加工有對(duì)稱分布的兩小圓柱形穿透螺紋孔，其中心與立柱處的大圓柱形螺紋孔的中心保持在同一條直線上，基座和液壓千斤頂通過設(shè)定在兩個(gè)小圓柱形螺紋孔的螺栓連接。

優(yōu)選地，所述金屬筒由高強(qiáng)度合金鋼加工而成，其厚度為1-2cm，其高度為待測(cè)巖體試件高度的2/3，其內(nèi)徑略大于待測(cè)巖體試件的直徑；金屬筒下端附近加工有四個(gè)對(duì)稱分布的圓柱形穿透螺紋孔。測(cè)試時(shí)將含有粗糙結(jié)構(gòu)面的巖體試件放入巖樣約束套筒中，保證金屬筒兩端露出樣品的長度基本相等，通過扭動(dòng)螺栓抵緊固定巖樣下半部分，而上半部分可自由旋轉(zhuǎn)而得到不同的結(jié)構(gòu)面吻合系數(shù)。

本發(fā)明專利具有以下有益效果：

通過液壓千斤頂對(duì)巖體試件進(jìn)行加載，可使粗糙結(jié)構(gòu)面處于不同的應(yīng)力狀態(tài)，通過旋轉(zhuǎn)上半部分巖樣可以得到粗糙結(jié)構(gòu)面的不同吻合度，從而可實(shí)現(xiàn)同時(shí)考慮粗糙結(jié)構(gòu)面在同不同應(yīng)力狀態(tài)、不同吻合程度條件下動(dòng)態(tài)剛度的測(cè)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例裝置總體布局結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中金屬筒、巖樣與螺栓的連接結(jié)構(gòu)的斜視圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中金屬筒、巖樣與螺栓的連接結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中金屬筒、巖樣與螺栓的連接結(jié)構(gòu)的豎向剖面圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中金屬筒、巖樣與螺栓的連接結(jié)構(gòu)的橫向剖面圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中超聲波換能器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中利用窗函數(shù)分離疊加波原理示意圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中fft計(jì)算分離后波的中心頻率。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例中完全吻合情況下的粗糙結(jié)構(gòu)面。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例中不完全吻合情況下的粗糙結(jié)構(gòu)面。

具體實(shí)施

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1-圖6所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種間接測(cè)量粗糙結(jié)構(gòu)面動(dòng)態(tài)剛度的裝置，其特征在于，包括反力加載框架、巖樣約束裝置和超聲波測(cè)試系統(tǒng)，所述反力加載框架包括橫梁1、立柱2、橫梁反力軸3、千斤頂加載軸10、液壓千斤頂11、液壓表12、加壓手柄13和基座14，巖樣約束套筒包括金屬筒6和螺栓7，超聲波測(cè)試系統(tǒng)包括發(fā)射換能器4、接收換能器9和超聲波測(cè)試儀15，所述立柱2分別與橫梁1和基座14通過螺帽連接，所述液壓千斤頂11放置在基座14的中心位置，二者通過兩端的螺栓連接；液壓表12安裝在液壓千斤頂11的一側(cè)，液壓千斤頂11上頂面安裝有千斤頂加載軸10，金屬筒6上部分外表面加工有一周測(cè)量上半部分巖樣5旋轉(zhuǎn)角度的凹槽刻度標(biāo)尺，刻度均勻分布，主刻度間隔20°；金屬筒6下部分加工四個(gè)對(duì)稱分布的螺紋孔，通過擰緊螺栓7可有效固定下半部分巖樣8；發(fā)射換能器4抵接橫梁反力軸3和上半部分巖樣5，接收換能器抵接9千斤頂加載軸10和下半部分巖樣8；橫梁反力軸3、發(fā)射換能器4、上半部分巖樣5、下半部分巖樣8、接收換能器9和千斤頂加載軸9的軸線重合，以保證加載過程中的穩(wěn)定性。通過連續(xù)按壓加壓手柄13使千斤頂加載軸10向上移動(dòng)，對(duì)巖樣施加法向力，從而實(shí)現(xiàn)粗糙結(jié)構(gòu)面的不同應(yīng)力狀態(tài)，壓力的數(shù)值由液壓表12記錄。

所述發(fā)射換能器4和接收換能器9均由圓柱形高強(qiáng)度合金鋼外殼、壓電陶瓷片、底面蓋板組成；兩個(gè)換能器的壓電陶瓷片的自振頻率相同，放置在圓柱形外殼端部的圓柱形凹槽里面，然后通過底面蓋板密封；圓柱形外殼內(nèi)部加工有引線倒出孔，側(cè)壁加工有引線導(dǎo)出端子，圓柱形外殼端部的另一端面也加工有圓柱形凹槽；凹槽的內(nèi)徑略大于橫梁反力軸和千斤頂加載軸10的直徑；測(cè)試時(shí)，橫梁反力軸3和千斤頂加載軸10插入到兩個(gè)換能器的凹槽中，以保證換能器、巖樣和套筒整體在加載過程中的穩(wěn)定性；發(fā)射換能器4和接收換能器9的內(nèi)部加工有引線倒出孔，側(cè)壁加工有引線導(dǎo)出端子。

所述橫梁1、立柱2、橫梁反力軸3和基座14均由高強(qiáng)度合金鋼加工而成。

所述橫梁1為以正方形為底面的長方體，其兩端附近加工有兩個(gè)對(duì)稱分布的穿透圓柱孔，其中部與橫梁反力軸3焊接；橫梁反力軸3為短圓柱體，其底面直徑與橫梁1的寬度相同；所述立柱2的數(shù)量為兩根，均為圓柱體，其主體直徑與橫梁1的寬度相同，其兩端處加工成螺紋結(jié)構(gòu)，螺紋段的直接略小于橫梁1兩端圓柱孔的直徑；基座4兩側(cè)對(duì)稱加工兩個(gè)穿透的圓柱孔，其直徑與橫梁1兩端圓柱孔的直徑相同；基座4上兩圓柱孔間的距離與橫梁1兩端圓柱孔間的距離相同；

所述立柱2與橫梁1和基座14之間通過螺帽連接，在，基座14的兩立柱2之間加工有對(duì)稱分布的兩小圓柱形穿透螺紋孔，其中心與立柱2處的大圓柱形螺紋孔的中心保持在同一條直線上，基座14和液壓千斤頂11通過設(shè)定在兩個(gè)小圓柱形螺紋孔的螺栓連接。

所述金屬筒6由高強(qiáng)度合金鋼加工而成，其厚度為1-2cm，其高度為待測(cè)巖體試件高度的2/3，其內(nèi)徑略大于待測(cè)巖體試件的直徑；金屬筒6下端附近加工有四個(gè)對(duì)稱分布的圓柱形穿透螺紋孔。如說明書附圖4-圖5所示，測(cè)試時(shí)將含有粗糙結(jié)構(gòu)面的巖體試件放入巖樣約束套筒中，保證金屬筒6兩端露出樣品的長度基本相等，通過扭動(dòng)螺栓7抵緊固定巖樣下半部分，而上半部分可自由旋轉(zhuǎn)而得到不同的結(jié)構(gòu)面吻合系數(shù)。

測(cè)試方法

利用本發(fā)明間接測(cè)試粗糙結(jié)構(gòu)面動(dòng)態(tài)剛度的原理為根據(jù)超聲波通過結(jié)構(gòu)面后的透射系數(shù)來反算出粗糙結(jié)構(gòu)面的動(dòng)態(tài)剛度。應(yīng)力波通過線彈性結(jié)構(gòu)面的透射系數(shù)可以表達(dá)為

式中z＝ρc為巖石的阻抗，ρ為巖石密度，c巖石的波速，ω＝2πf為入射超聲波的角頻率，f為入射波的頻率。

由(1)式可以得到動(dòng)態(tài)剛度的表達(dá)式為

從(2)式可以看出只要測(cè)得了入射波的中心頻率、巖石的波阻抗和超聲波通過粗糙結(jié)構(gòu)面的透射系數(shù)，就可以反計(jì)算出其動(dòng)態(tài)剛度。其中透射系數(shù)定義為超聲波垂直通過含單條粗糙結(jié)構(gòu)面巖體試件后的幅值與超聲波通過相同長度完整巖樣后的幅值之比。

使用本發(fā)明間接測(cè)試粗糙結(jié)構(gòu)面的步驟如下：

s1按如說明書附圖1所示的將反力加載框架的各個(gè)部件安裝完畢。

s2將完整巖樣放入金屬筒6中，保持兩端露出樣品的長度基本相等。在巖樣的端部涂抹一層真空脂，以保證和換能器之間具有良好的耦合性，然后通過螺栓7將完整巖樣固定。

s3將橫梁反力軸3和千斤頂加載軸10分別插入發(fā)射換能器4和接收換能器9端部的圓柱形凹槽中。將固定了巖樣的金屬筒6放置在兩個(gè)換能器中間，通過千斤頂對(duì)試件施加預(yù)定的法向壓力。結(jié)構(gòu)面的法向壓力可由下式計(jì)算

式中d1和d2分別為千斤頂和巖樣的直徑，p為千斤頂壓力表的讀數(shù)。

s4超聲波測(cè)試儀給發(fā)射換能器4一個(gè)激勵(lì)電壓信號(hào)，引起其壓電陶瓷片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)通過試件后波幅值、頻率等發(fā)生改變，到達(dá)接收換能器9，引起其壓電陶瓷片產(chǎn)生電壓信號(hào)。

s5超聲波測(cè)試儀記錄并保存下接收到的電壓信號(hào)，導(dǎo)出信號(hào)記錄用于計(jì)算入射波的中心頻率和幅值。由于測(cè)試過程中試件的長度較短，由接收換能器接收到的透射波形為的初至波和在界面處多次反射形成的不同到時(shí)的后至波的疊加。為了獲得真實(shí)入射波的幅值，應(yīng)該對(duì)通過完整巖樣試件后的透射波進(jìn)行疊加波的分離以消除后至波的影響。采用1/4周期余弦窗函數(shù)法來進(jìn)行疊加波的分離，如說明書附圖7具體的實(shí)施步驟為：a從起振點(diǎn)開始選取一段固定時(shí)間間隔的波形通常為一周期波形作為待處理信號(hào)；b在這一時(shí)間內(nèi)構(gòu)造幅值為1的1/4周期的余弦函數(shù)作為窗函數(shù)；c將窗函數(shù)和待處理信號(hào)進(jìn)行相乘即可得到初始的入射波信號(hào)。由分離后的波形可以得到初始入射波的幅值a0，通過如說明書附件圖8所示快速傅里葉分析fft可得到初始入射波的頻率f，從而可計(jì)算得到角頻率ω。

s6將完整巖樣換成含單條粗糙結(jié)構(gòu)面的巖體試件，保持實(shí)驗(yàn)條件不變，重復(fù)s2-s5，得到超聲波通過單條粗糙結(jié)構(gòu)面后的透射波幅值a1。值得注意的是此時(shí)選取的信號(hào)長度與完整試樣時(shí)相同。由此可以計(jì)算得到透射系數(shù)

根據(jù)得到的透射系數(shù)t、波阻抗z和角頻率ω，通過式(2)可以計(jì)算出粗糙結(jié)構(gòu)面的動(dòng)態(tài)剛度。

s7、通過三點(diǎn)彎或者直拉實(shí)驗(yàn)得到粗糙結(jié)構(gòu)面，如說明書附圖9將粗糙結(jié)構(gòu)面按破裂面完全拼合得到吻合系數(shù)為1的粗糙結(jié)構(gòu)面試件，并在側(cè)面畫一條與軸線平行的基準(zhǔn)線。然后采用說明書附圖10所示的方法，將含完全吻合的粗糙結(jié)構(gòu)面的試件放入金屬筒5中，通過四個(gè)螺栓固定下半部分巖樣8。通過使上半部分巖樣5旋轉(zhuǎn)角度10°、20°、30°…360°，可得到不同吻合系數(shù)的粗糙結(jié)構(gòu)面。

實(shí)施例

為了更加詳細(xì)的介紹本發(fā)明間接測(cè)試結(jié)構(gòu)面動(dòng)態(tài)剛度的測(cè)試方法，下面介紹一個(gè)具體的實(shí)施例。試件由錦屏i級(jí)水電站的壩基大理巖加工而成，測(cè)得巖石的縱波速度為vp＝5100m/s，密度為ρ＝2600kg/m³,可計(jì)算得到巖石材料的p-波阻抗z＝1.326×10⁷kg/(m²s)。采用的超聲波探頭的激發(fā)頻率為70khz。首先進(jìn)行超聲波通過完整巖樣的測(cè)試，按圖7和圖8的方法將記錄的波形進(jìn)行處理得到入射波的幅值a0＝0.886v，中心頻率f＝68khz,可計(jì)算出角頻率ω＝1.36×10⁵rad/s。然后對(duì)如附圖7所示的含單條結(jié)構(gòu)面的試件施加1mpa、2mpa和3mpa的法向壓力，并按圖7和圖8的方法將記錄的波形進(jìn)行處理。測(cè)得三種工況下的透射波的幅值分別為0.655v、0.718v和0.766v，由此可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的透射系數(shù)分別為0.74、0.81和0.86。根據(jù)(2)式，可以算出1mpa、2mpa和3mpa下結(jié)構(gòu)面的動(dòng)態(tài)法向剛度kn分別等于3420gpa/m、4580gpa/m和5720gpa/m。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。