一种岩石单轴条件下凯泽效应方向独立性验证装置及方法

1.本发明涉及技术领域，特别是涉及一种岩石单轴条件下凯泽效应方向独立性验证装置及方法。


背景技术：

2.声发射法测量地应力是测量地应力的新兴方法，与传统的测量地应力方法相比，其因可以在室内完成，操作简单，成本低，得到了很大的发展。声发射法利用了岩石的kaiser效应测量地应力。
3.岩石的kaiser效应的定义为岩石在循环荷载作用下，当加载水平不高于上次加载水平时，岩石仅有较少的声发射信号或没有声发射信号，但当荷载达到上一次加载水平时，岩石将出现大量声发射信号。虽然使用声发射法测量地应力的基本原理已经明确，但是由于地下环境的复杂，使用声发射法测量地应力仍有许多问题需要解答，其中最主要，最基础的问题是：kaiser效应是否具有方向独立性(即某一方向上的kaiser效应并不受其他方向上受力情况的影响)。
4.在工程实际中，最大主应力所在的方向是无法确定的，因此取芯的方向也并非每次都是最大主应力方向。这会导致试验中岩石试样的加载方向并不是准确的现场最大主应力的方向，而是与之成某一角度时，这个角度会对试验结果造成怎样的影响，影响范围是涵待验证的。
5.为了求证，学者先从单轴，劈裂，三轴等情况下进行研究分析。对于三轴情况，岩石在低围压下，围压方向的加载会对轴压方向加载产生的声发射kaiser效应产生影响，而在高围压情况下不会出现此情况，对此，有些学者认为三轴情况下声发射kaiser效应不存在，而也有学者表示三轴情况下声发射kaiser效应存在，出现该现象是受到了其他因素的影响，双方各执己见。显然三轴情况更加贴近工程实际但因其影响因素比较复杂，无法对其机理进行很好的解释说明，需要从较为简单的层面进行研究。
6.对于劈裂情况，由于进行劈裂实验时，很好对相应的岩石试件进行偏转角度的加载，很多学者都对其进行了研究。经过研究发现，主流观点表示在两次偏转角度最多到15
°
时，第二次加载过程中检测到的声发射信号会出现kaiser效应，一旦超过了该角度，则而二次加载过程中检测到的声发射信号就不会出现kaiser效应，虽然结果比较明朗，但是进行劈裂试验时，岩石试件本身的应力状态比较复杂，对三轴情况下研究的指导也有限，无法代替最为基础的单轴情况研究，而且也有学者认为劈裂情况下并不存在声发射kaiser效应的方向独立性，因此，劈裂情况下的验证也涵待确定的。
7.对此，研究人员对单轴情况进行了研究，当然，学界也对此情况下持有两种截然相反的观点。支持者采取地验证方法为：先在现场取较大的矩形岩石试件，并对其进行一次单轴压缩，并在此基础上沿不同的角度对大岩石进行取样，在对第二次取样的试件同时进行单轴压缩试验和声发射检测，通过观察沿不同角度取下的试件的声发射现象是否出现kaiser点，以及kaiser点对应应力与初次加载的应力水平之间的关系。
8.传统单轴情况下的验证方法与劈裂情况得出的结果相近，但采用上述方法时存在二次加工对岩石初试件次加载后应力分布影响，以及两次加载存在不可避免的时间间隔等问题，会对测量岩石的声发射信号产生较大的影响，从而影响验证岩石单轴条件下声发射kaiser效应方向独立性的精度与准确性。
9.综上所述，如何高精度地验证单轴情况下岩石kaiser效应是否具有方向独立性，以及存在方向独立性的范围仍是目前使用声发射法测量地应力中的难题。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种岩石单轴条件下凯泽效应方向独立性验证装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现避免因二次加工，两次加载之间的时间间隔等因素对岩石声发射信号检测造成的不利影响，在提高验证精度的同时，降低实验验证的难度及成本。
11.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种岩石单轴条件下凯泽效应方向独立性验证装置，包括加载装置和验证装置，所述验证装置包括岩石试样和设置在所述岩石试样顶部及底部的顶验证组件和底验证组件；所述顶验证组件和底验证组件结构相同；所述顶验证组件顶部通过固定组件安装在所述加载装置底部；
12.所述顶验证组件的试验台与所述岩石试样抵接；所述顶验证组件内还设置有角度定位板；所述角度定位板与所述滑动块相啮合；所述滑动块靠近所述岩石试样的一侧与所述试验台固定连接。
13.所述顶验证组件还包括滑动支撑座；所述滑动支撑座顶部开设有扇形的环切槽，所述环切槽内转动设置有所述滑动块；所述滑动块两侧分别对称安装有一所述角度定位板；所述角度定位板上开设有两螺纹孔，所述螺纹孔内设置有用于固定所述滑动块的内六角螺栓；
14.所述角度定位板靠近所述滑动块的一侧形成有锯齿体，所述角度定位板通过所述锯齿体与所述滑动块底部啮合传动。
15.所述角度定位板包括标准的0
°
定位板、非标的1
°
定位板、2
°
定位板、3
°
定位板和4
°
定位板。
16.所述滑动支撑座底部还设置有底板；所述滑动支撑座与所述底板两侧通过所述连接板限位连接；所述底板与所述滑动支撑座的接触侧还开设有滑槽；所述滑槽内安装有呈列排布的若干个滚托。
17.所述滑动支撑座与所述底板两端通过定位条及十字沉头螺丝限位安装。
18.所述固定组件包括连接块，所述连接块固定安装于所述顶验证组件顶部中心；
19.或所述固定组件包括挂板及挡板；所述顶验证组件两侧分别安装有一所述挡板；所述挂板设置有两个，且分别设置于所述挡板顶部；所述挂板及挡板通过固定螺栓安装于所述顶验证组件两侧。
20.所述挡板底部还设置有缓冲弹簧装置。
21.所述滑动块与滑动支承座体内侧面接触端也形成有环状分布的所述锯齿体，每个所述锯齿体对应偏转5
°
，共有18个所述锯齿体，对应90
°
的滑动区间。
22.一种验证方法，包括上述岩石单轴条件下声发射kaiser效应方向独立性的验证装
置，包括以下步骤：
23.1)通过所述固定组件将所述上验证组件安装在所述加载装置的压头上，将所述下验证组件安装在所述加载装置的加载平台上；
24.2)把准备好的所述岩石试件的侧面贴上声发射探头。
25.3)松开所述验证装置固定两所述滑动块的所述角度定位板上的所述内六角螺丝，使滑动块与所述角度定位板对好所述锯齿体，用所述内六角螺栓与所述角度定位板固定所述滑动块。
26.4)并将岩石试件放入两所述试件台中，控制加载装置进行升降，使所述试件台与试件紧密贴合。
27.5)控制所述加载装置的液压源系统，加载到所选岩石种类峰值破坏荷载的30％的应力水平，并保持5分钟，在加载的同时使用声发射仪观测其声发射信号。
28.6)卸载到0mpa后，控制所述加载装置的液压源系统，二次加载到所选种类岩石峰值破坏荷载的50％的应力水平，并保持5分钟，在加载的同时使用声发射仪观测其声发射信号。
29.5)随后卸载，拿下岩石试样，重新调整所述滑动块的旋转固定角度，并用所述内六角螺栓与所述角度定位板固定所述滑动块，重复步骤4。
30.6)控制所述加载装置的液压源系统，加载到所选岩石种类峰值破坏荷载的70％的应力水平，并保持5分钟，在加载的同时使用声发射仪观测其声发射信号，随后卸载。
31.7)观测步骤6中的声发射信号，判断有声发射的振铃总计数是否有明显突增点。
32.本发明公开了以下技术效果：本发明可采取岩石力学实验中最常见的标准试样进行试验，减小了传统验证岩石在单轴压缩情况下声发射kaiser效应方向独立性所需要二次加工试样的经济成本与时间成本；通过该验证装置在小幅度的偏转角度(10
°‑
15
°
)情况下，可以实现岩石试样在偏转角度后的近似单轴压缩，极大缩减了传统验证方法无法避免的两次加载之间时间间隔，以及岩石试样二次加工对声发射信号检测的影响，增强了验证岩石在单轴压缩情况下声发射kaiser效应方向独立性的准确性，以及提高了单轴压缩情况下声发射kaiser效应方向独立性的存在范围的精度。
附图说明
33.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为整体结构主视图；
35.图2为整体结构侧视图；
36.图3为角度定位板结构正视图；
37.图4为角度定位板结构俯视图；
38.图5为滑动支承座结构俯视图；
39.图6为滑动支承座结构正视图；
40.图7为滑动支承座结构侧视图；
41.图8为试样台及滑动块结构俯视图；
42.图9为试样台及滑动块结构正视图；
43.图10为试样台及滑动块结构侧视图；
44.其中，1-连接板、2-底板、3-定位条、4-滚托、5-滑动支承座、6-角度定位板、7-滑动块、8-试件台、9-岩石试样、10-缓冲弹簧装置、11-十字沉头螺丝、12-内六角螺栓、13-挡板、14-固定螺栓、15-挂板、16-连接块、17-定位孔。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
47.本发明提供一种岩石单轴条件下凯泽效应方向独立性验证装置，包括加载装置和验证装置，验证装置包括岩石试样9和设置在岩石试样9顶部及底部的顶验证组件和底验证组件；顶验证组件和底验证组件结构相同；顶验证组件顶部通过固定组件安装在加载装置底部；
48.顶验证组件的试验台8与岩石试样9抵接；顶验证组件内还设置有角度定位板6；角度定位板6与滑动块7相啮合；滑动块7靠近岩石试样9的一侧与试验台8固定连接。
49.顶验证组件还包括滑动支撑座5；滑动支撑座5顶部开设有扇形的环切槽，环切槽内转动设置有滑动块7；滑动块7两侧分别对称安装有一角度定位板6；角度定位板6上开设有两螺纹孔，螺纹孔内设置有用于固定滑动块7的内六角螺栓12；
50.角度定位板6靠近滑动块7的一侧形成有锯齿体，角度定位板6通过锯齿体与滑动块7底部啮合传动。
51.角度定位板6包括标准的0
°
定位板、非标的1
°
定位板、2
°
定位板、3
°
定位板和4
°
定位板。
52.滑动支撑座5底部还设置有底板2；滑动支撑座5与底板2两侧通过连接板1限位连接；底板2与滑动支撑座5的接触侧还开设有滑槽；滑槽内安装有呈列排布的若干个滚托4。
53.滑动支撑座5与底板2两端通过定位条3及十字沉头螺丝11限位安装。
54.固定组件包括连接块16，连接块16固定安装于顶验证组件顶部中心；或固定组件包括挂板15及挡板13；顶验证组件两侧分别安装有一挡板13；挂板15设置有两个，且分别设置于挡板13顶部；挂板15及挡板13通过固定螺栓14安装于顶验证组件两侧。
55.在本实施例中，连接块16及挂板15两种连接方式适用于不同的试验机类型。
56.挡板13底部还设置有缓冲弹簧装置10。
57.滑动块7与滑动支承座体5内侧面接触端也形成有环状分布的锯齿体，每个锯齿体对应偏转5
°
，共有18个锯齿体，对应90
°
的滑动区间。
58.一种验证方法，包括上述岩石单轴条件下声发射kaiser效应方向独立性的验证装置，包括以下步骤：
59.1)通过固定组件将上验证组件安装在加载装置的压头上，将下验证组件安装在加载装置的加载平台上；
60.2)把准备好的岩石试件的侧面贴上声发射探头。
61.3)松开验证装置固定两滑动块的角度定位板上的内六角螺丝，使滑动块与角度定位板对好锯齿体，用内六角螺栓与角度定位板固定滑动块。
62.4)并将岩石试件放入两试件台中，控制加载装置进行升降，使试件台与试件紧密贴合。
63.5)控制加载装置的液压源系统，加载到所选岩石种类峰值破坏荷载的30％的应力水平，并保持5分钟，在加载的同时使用声发射仪观测其声发射信号。
64.6)卸载到0mpa后，控制加载装置的液压源系统，二次加载到所选种类岩石峰值破坏荷载的50％的应力水平，并保持5分钟，在加载的同时使用声发射仪观测其声发射信号。
65.5)随后卸载，拿下岩石试样，重新调整滑动块的旋转固定角度，并用内六角螺栓与角度定位板固定滑动块，重复步骤4。
66.6)控制加载装置的液压源系统，加载到所选岩石种类峰值破坏荷载的70％的应力水平，并保持5分钟，在加载的同时使用声发射仪观测其声发射信号，随后卸载。
67.7)观测步骤6中的声发射信号，判断有声发射的振铃总计数是否有明显突增点。
68.在本发明的一个实施例中，若上验证装置可以与连接块16固定，可以不使用挂板15，但大多数情况，加载装置的上压头无对应组件，需要通过挂板15固定在压头的侧壁，从而挂住上验证装置的底板1。
69.在本发明的一个实施例中，滑动块7上锯齿体的最高精度为5
°
，故设置有可替换的角度定位板；
70.进一步的，在验证过程中，通过手工操作将滑动块7上方的锯齿体与滑动支撑座5上的锯齿体调节啮合，使其稳定，从而测试同一试件不同角度下的荷载值。
71.进一步的，角度定位板6包括一对标准的角度定位板6，以及四对偏转角度分别为1
°
、2
°
、3
°
、4
°
的非标准角度定位板6。作为优选地，每对定位板由两个规格完全相同的定位板组成，每个定位板的主体由一个长边被切割了一个圆弧的矩形金属板构成。作为优选地，每个标准定位板内侧的正中部位焊接有一个环扇形平台以及平台上5个每个对应偏转5
°
的锯齿体，角度定位板6两侧各有一个供螺栓通过的小孔，外侧的左下角有“0
°”
的标注。作为优选地，四对偏转角度分别为1
°
、2
°
、3
°
、4
°
的非标准角度定位板6内侧的正中部位均焊接有一个环扇形平台但偏转角度不同角度定位板6在内侧平台上的锯齿布置不同，他们外侧的左下角分别有“1
°
、2
°
、3
°
，4
°”
的标注。作为优选地，偏转角度不同角度定位板6在内侧平台上的只有4个每个对应偏转5
°
的啮齿体，其是取标准角度定位板6上的环扇形锯齿分别沿环扇形的圆心向左偏转对应角度，并只保留完整锯齿体得到，具体结构请参考附图3。
72.不同的1
°
、2
°
、3
°
、4
°
的角度定位板6分别用于测定当偏转角为1
°
、2
°
、3
°
、4
°
时的荷载值。
73.作为优选地，滑动支承座5的前侧有让角度定位板6上锯齿体通过的环扇形切槽，正中心有对齐刻度的竖线以及竖线两侧与定位板上小孔对应的螺栓孔。作为优选地，滑动块7外部为圆弧形滑块，滑动块7与滑动支承座5内侧面接触端布置有环状分布的锯齿体，每个锯齿体对应偏转5
°
，共有18个锯齿体，对应90
°
。
74.在本发明的一个实施例中，试件台8一侧形成有凸起挡板，用于对岩石试样9的限位。
75.作为优选地，滑动块7上的试件台8上的加载面与凸起挡板侧相互垂直，其外侧的前部为与滑动支承座5锯齿体导轨边缘处对应的突出圆弧体，与试件台8相连的突出圆弧部分与锯齿体之间有“u”形槽间隔开来。在突出圆弧上标注刻度，以加载面水平时为0
°
，加载面两侧每旋转10
°
进行一次标注，加载面较长，与其垂直的挡板设置的较短，仅起到防止岩石试样9滑落的作用。
76.进一步的，可以在不同种类的加载装置上的压头上套用，具有较高的适配性。该装置能做法更加进精确的角度调节，在变化小角度时，试验机所施加的铅锤向的荷载在平行于岩石试件方向上的分力相较于垂直于岩石试件的分力较小，同时，平行于岩石试件方向上的分力与装置组件之间的摩擦力会被上下部分的滚托组件的滚动作用抵消，达到更加精确的应力控制，以及更加精确且便捷的变角度加载。
77.在本发明的一个实施例中，顶验证组件及底验证组件互相远离一侧中心还开设有定位孔17；两定位孔17可以固定整个装置在试验机加载平台上的位置，当装置上下部分和岩石试件紧密接触时，装置上部分可以通过滑动自动找平对中。
78.在本发明的一个实施例中，本发明还提供了一种验证单轴压缩下的声发射kaiser效应的方向独立性的方法，其中单轴压缩下的声发射kaiser效应的方向独立性组件为实施例一中所述的试验组件，在此不再作赘述。
79.如验证红砂岩岩石在偏转14
°
时情况下是否存在单轴压缩下的声发射kaiser效应的方向独立性。
80.使用所述试验组件进行验证的具体包括：
81.通过两侧的挂板15与螺栓将上试验组件固定在加载instron1346装置的压头上，将下试验组件对应放在instron1346加载装置的加载平台上，调节加载装置，使装置上上试验组件和下试验组件之间的距离能放入红砂岩岩石试件。
82.2)把准备好的红砂岩岩石试件的侧面贴上声发射探头。
83.3)松开装置上，下部分中固定滑动块7的角度定位板6上的内六角螺丝12，使装置两滑动块6上的试件台8水平，对好锯齿，用内六角螺栓12与标准的0
°
角度定位板6固定好滑动块7。
84.4)将岩石试件放入验证装置中，控制加载装置instron1346进行升降，使验证装置与试件紧密贴合。
85.5)控制instron1346加载装置的液压源系统，加载到该种红砂岩峰值破坏荷载的30％的应力水平，并保持5分钟，在加载的同时使用声发射仪观测其声发射信号。
86.6)控制instron1346，卸载到0mpa后，控制加载装置的液压源系统，加载到所选岩石种类峰值破坏荷载的50％的应力水平，并保持5分钟，在加载的同时使用pci-2声发射仪中的声发射检测软件观测其声发射信号。
87.5)随后卸载，拿下岩石试样，重新调整滑动块7的左旋转14
°
，并用内六角螺栓与偏转4
°
角度定位板固定好滑动块7，重复步骤4。
88.6)控制instron1346的液压源系统，加载到所选岩石种类峰值破坏荷载的70％的应力水平，在加载的同时使用pci-2声发射仪观测其声发射信号，随后卸载。
89.7)观测步骤6中的声发射信号，看是否有声发射的振铃总计数是否有明显突增点。
90.若有，则观察此点对应的荷载值与第二次加载中的峰值荷载之间的关系。
91.fr＝f
ae
/f
max
92.称fr为菲丽希蒂比值，其表征了声发射kaiser效应的显著程度，当
93.fr＝0.9～1.1时，表明声发射kaiser效应显著。
94.声发射振铃总计数突增点的出现表明第一次的加载对第二次偏转角度的加载产生了影响，若此时满足fr＝0.9-1.1，则对于进行实验的红砂岩，在偏转14
°
时不存在声发射kaiser效应的方向独立性；若声发射振铃总计数突增点不存在，或者出现声发射振铃总计数突增点但不满足fr＝0.9-1.1，则表明在偏转14
°
时存在声发射kaiser效应的方向独立性。
95.本发明提供的用于一种单轴压缩条件下声发射kaiser效应方向独立性验证的新方法，为声发射法测量地应力研究提供理论指导。
96.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
97.在本实施例中体现了相比与现有技术的改进点为对岩石试件的要求较低，不需要取较大的矩形岩石试样进行初次加载，使用常见的标准圆柱形试样岩石试样即可进行试验，节约了试验成本。不需要对初次加载大试样进行加工取小试样，避免了二次加工对试验的影响提高试验精度，降低了两次加载的时间间隔，缩短试验的总体进程，并有效减少了加载时间间隔对声发射信号的影响。
98.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。