本發(fā)明屬于巖體力學(xué)與地質(zhì)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巖石特性測試系統(tǒng)及其巖石損傷演化測試方法。

背景技術(shù)：

工程巖石內(nèi)部往往含有大量的細(xì)微裂隙與微孔洞，同時(shí)，巖石受荷時(shí)損失破裂過程往往是細(xì)觀損傷擴(kuò)張、演化的過程，宏觀上表現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的階段性。巖石類固體材料損傷演化機(jī)制的研究發(fā)展極為緩慢，一是缺乏可靠的細(xì)觀損傷量化方法，二是巖石類材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和宏觀力學(xué)行為的離散性。

巖石微觀光學(xué)試驗(yàn)機(jī)的研制有效促進(jìn)了細(xì)觀損傷的量化研究，通過對(duì)巖石在受荷過程中表觀損傷演化的定量描述，探討了表觀損傷量與宏觀力學(xué)特性的關(guān)系，但是此類方法僅能觀測巖石表面的損傷演化過程，不能反映內(nèi)部破裂機(jī)制。同時(shí)，隨著類巖石材料的發(fā)展，透明類高脆性巖石材料在損傷演化中的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的巖石光學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)透明巖石材料的幾何形狀要求較高，即試樣不宜做成常規(guī)三軸圓柱形試樣，因?yàn)閳A柱形透明試樣不利于長焦相機(jī)拍照觀測。即使是ct技術(shù)的引入，由于其研究費(fèi)用較高，適用性也受到了限制。

巖石波動(dòng)測試主要是通過超聲波測試技術(shù)并基于巖石波速和衰減系數(shù)來分析巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征，既有研究成果主要集中在對(duì)巖石在不受載環(huán)境下的力學(xué)測試，對(duì)于巖石在受荷狀態(tài)(特別是附加應(yīng)力，如水壓力、溫度應(yīng)力等)下的研究非常少，由于外荷載(附加應(yīng)力)進(jìn)一步加劇了巖石的損傷破裂，因此建立聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)變相關(guān)性的量化模型顯得尤為重要，這也是利用波動(dòng)測試研究巖石損傷演化的基礎(chǔ)。

電阻率是表征巖石導(dǎo)電性能的重要參數(shù)之一，巖石在損傷破裂的過程中，其內(nèi)部孔隙裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展、貫通等都會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性質(zhì)發(fā)生變化，繼而我們能夠通過巖石電阻率的變化反推其力學(xué)性質(zhì)的改變。同樣受荷狀態(tài)下電阻率測試研究成果較少，且電阻率測試可以彌補(bǔ)聲波法對(duì)巖石破裂瞬間不敏感的缺陷，特別適用于周期性飽水巖石、凍融循環(huán)巖石損傷演化的研究。

終上所述，依據(jù)表觀損傷量、聲發(fā)射及電阻率特性等在巖石加載破裂過程中不同的響應(yīng)規(guī)律，基于巖樣內(nèi)、外部破裂損傷機(jī)制的區(qū)別和互補(bǔ)性，引入綜合損傷變量概念，構(gòu)建基于光學(xué)-聲發(fā)射-電阻率特性耦合的巖石損傷演化測試方法非常重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石內(nèi)、外部損傷破裂全過程的全程觀測，克服傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣形狀的限制，降低研究費(fèi)用同時(shí)提高可信度的巖石特性測試系統(tǒng)及其巖石損傷演化測試方法。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種巖石特性測試系統(tǒng)，包括由巖石伺服試驗(yàn)系統(tǒng)、顯微鏡、相機(jī)和圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成的巖石微觀光學(xué)試驗(yàn)機(jī)，所述巖石微觀光學(xué)試驗(yàn)機(jī)上放置有完全飽和試樣，所述巖石伺服試驗(yàn)系統(tǒng)通過加載壓板與完全飽和試樣連接，所述完全飽和試樣表面設(shè)置有聲發(fā)射測試系統(tǒng)和電阻率測試系統(tǒng)，所述聲發(fā)射測試系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器和聲發(fā)射信息采集系統(tǒng)，所述電阻率測試系統(tǒng)包括電阻率傳感器和電阻率采集系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，所述完全飽和試樣與加載壓板之間設(shè)置有絕緣材料。

進(jìn)一步的，所述聲發(fā)射信息采集系統(tǒng)與電阻率采集系統(tǒng)均為高速敏感性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，所述聲發(fā)射傳感器與電阻率傳感器均為防水傳感器。

進(jìn)一步的，所述聲發(fā)射傳感器通過醫(yī)用聲波粘合劑與完全飽和試樣進(jìn)行粘結(jié)。

一種如上所述的運(yùn)用巖石特性測試系統(tǒng)的巖石損傷演化測試方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：在現(xiàn)有的巖石微觀光學(xué)試驗(yàn)機(jī)上與聲發(fā)射測試系統(tǒng)和電阻率測試系統(tǒng)并聯(lián)構(gòu)建成巖石微觀光學(xué)-聲發(fā)射-電阻率特性耦合測試系統(tǒng)；

步驟二：制備完全飽和試樣，采用煮沸法充分飽水后置于巖石微觀光學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，然后布設(shè)聲發(fā)射測試系統(tǒng)、電阻率測試系統(tǒng)形成巖石特性測試系統(tǒng)，最后通過標(biāo)定測試通道正常后開始單軸壓縮試驗(yàn)；

步驟三：通過步驟二中的巖石特性測試系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)觀測巖石在受載條件下的波電場參數(shù)與應(yīng)變的相關(guān)性；

步驟四：首先借助損傷力學(xué)理論分別建立基于表觀損傷度、聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)及電阻率的巖石損傷變量與應(yīng)變的關(guān)系，然后定量描述巖石在受荷條件下各加載階段表觀及內(nèi)部損傷；

步驟五：基于表現(xiàn)損傷度、聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)及電阻率的巖石損傷變量在各個(gè)破壞階段的差異性與互補(bǔ)性，通過引入綜合損傷變量概念，在單軸壓縮損傷演化的各個(gè)階段采用不同的損傷變量描述巖石損傷演化過程。

進(jìn)一步的，所述步驟二中的完全飽和試樣為直徑500mm高度100mm的圓柱型，試樣制備過程中應(yīng)采用拋光機(jī)器對(duì)試樣上下表面進(jìn)行修平處理，采用電子數(shù)字游標(biāo)卡尺對(duì)試樣尺寸維度進(jìn)行精確量測。

進(jìn)一步的，所述步驟二中在制備完全飽和試樣之前需要對(duì)試樣進(jìn)行三次加荷-卸荷行為，加荷范圍是0～3.5mpa。

進(jìn)一步的，所述步驟三中觀測巖石在受載條件下的波電場參數(shù)與應(yīng)變的相關(guān)性的具體步驟為：首先記錄軸向加載情況下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，然后統(tǒng)計(jì)表現(xiàn)裂紋發(fā)展情況，引入表現(xiàn)裂損度，得到表現(xiàn)損傷度-應(yīng)變關(guān)系曲線，再通過實(shí)測各加載階段的振鈴計(jì)數(shù)，繪制聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)-應(yīng)變關(guān)系曲線，最后根據(jù)電阻率測試系統(tǒng)記錄各個(gè)時(shí)刻的電阻率值最終得出電阻率-應(yīng)變關(guān)系曲線；

進(jìn)一步的，所述步驟五中表現(xiàn)損傷度、聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)及電阻率的巖石損傷變量的描述形式具體為：

表觀損傷度的巖石損傷變量db描述形式為其中：l為表觀裂隙面的最小間距，v巖石單元的體積，n為巖樣表面裂隙統(tǒng)計(jì)總數(shù)，aⁱ為第i條裂隙的面積，nⁱ為第i條裂隙的法線方向矢量；

聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)的損傷變量ds描述形式為ds＝(1-σr/σp)(ci/cu)，其中：σr為殘余強(qiáng)度，σp為峰值強(qiáng)度，ci為巖石損傷演化過程中任意時(shí)刻的累積振鈴計(jì)數(shù)，cu為巖石達(dá)到損傷臨界強(qiáng)度時(shí)的累積振鈴計(jì)數(shù)；

電阻率的巖石損傷變量dd描述形式為dd＝(1-σr/σp)[(n0-ni)/(n0-nu)]，其中：σr為殘余強(qiáng)度，σp為峰值強(qiáng)度，n0為巖石試樣初始狀態(tài)的孔隙度，ni為巖石在損傷演化過程中任意時(shí)刻的孔隙度，nu為巖石試驗(yàn)在破壞時(shí)的孔隙度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明簡單可靠、經(jīng)濟(jì)效益高。克服了傳統(tǒng)光學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)透明巖石材料試樣幾何形狀的限制，研究費(fèi)用低于ct技術(shù)。

2、試驗(yàn)了巖石內(nèi)、外部損傷破裂過程的全程觀測，克服了其他試驗(yàn)方法僅研究內(nèi)部損傷或者表面損傷破裂的限制，是一種內(nèi)、外部耦合試驗(yàn)方法。

3、本發(fā)明彌補(bǔ)了波動(dòng)測試單方面對(duì)巖石破裂瞬間敏感性不足的缺陷，依據(jù)表觀損傷量、聲發(fā)射及電阻率特性等在巖石加載破裂過程中不同的響應(yīng)規(guī)律，基于巖樣內(nèi)、外部破裂損傷機(jī)制的區(qū)別和互補(bǔ)性，引入綜合損傷變量概念，構(gòu)建三因素耦合的細(xì)觀損傷測試方法，可信度高。

4、本發(fā)明可用于工程巖石內(nèi)、外部損傷破裂機(jī)制與演化規(guī)律綜合研究，可為地下工程、邊坡工程與引水隧洞工程等領(lǐng)域巖石損傷破壞機(jī)制與工程長效穩(wěn)定性研究提供可靠的方法支撐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的總體流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

如圖2所示，本發(fā)明所述的巖石損傷演化測試方法依次按如下步驟進(jìn)行：

(1)構(gòu)建巖石微觀光學(xué)-聲發(fā)射-電阻率特性耦合測試系統(tǒng)，在既有微觀光學(xué)試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)上，并聯(lián)pci-8巖石聲發(fā)射測試系統(tǒng)與v8巖石電阻率測試系統(tǒng)，所述聲發(fā)射測試系統(tǒng)與電阻率測試系統(tǒng)，均為高速敏感性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可量測巖石破裂瞬間的聲發(fā)射參數(shù)、電阻率等變化情況，聲發(fā)射測試系統(tǒng)的工作頻率約為22khz～220khz，電阻率測試系統(tǒng)的工作頻率約為1.0khz～2.4mhz。

(2)室內(nèi)鉆取高100mm，直徑50mm花崗巖巖芯樣，試樣兩端采用拋光機(jī)器對(duì)試樣上下表面進(jìn)行修平處理，采用電子數(shù)字游標(biāo)卡尺對(duì)試樣尺寸維度進(jìn)行精確量測。通過物理力學(xué)試驗(yàn)可知該試樣密度為2732kg/m³，楊氏模量為56.63gpa，泊松比為0.21，抗拉強(qiáng)度為10.59mpa，抗壓強(qiáng)度為160.27mpa；該試樣長度為9.97mm，直徑為54.74mm。

(3)為保證該人工鉆取試樣與原位工程巖體有相似的力學(xué)行為，對(duì)該試樣進(jìn)行三次加荷-卸荷行為，加荷范圍是0～3.5mpa。上述的加荷-卸荷行為可保證試樣內(nèi)部產(chǎn)生一定的孔隙與裂隙，巖樣表面生成一定量的微裂紋，其工程力學(xué)行為將類似于原位工程巖體。

(4)如圖1所示，將制備好的試樣用煮沸法充分飽水，獲得完全飽和巖樣2，將完全飽和巖樣2置于巖石微觀光學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，將6～8個(gè)聲發(fā)射傳感器3貼在試樣表面，采用試樣表面微鉆孔技術(shù)布設(shè)呈正交分布4排電阻率傳感器4，標(biāo)定所有測試通道的數(shù)據(jù)正常后，開始單軸壓縮試驗(yàn)。所述聲發(fā)射傳感器3是使用醫(yī)用的聲波粘合劑粘結(jié)在試樣表面，用以排除探頭和被測試樣之間的空氣，使聲波能有效的穿入被測試樣到達(dá)有效監(jiān)測的目的；所述聲發(fā)射傳感器3與電阻率傳感器4均為防水傳感器；所述巖石試樣2與加載壓板1間預(yù)設(shè)絕緣材料，如絕緣塑料，防止電流通過加載壓板1影響測試效果。

(5)單軸壓縮試驗(yàn)采用軸向位移加載控制，加載速率控制在0.006mm/min，巖石電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)可自動(dòng)記錄軸向加載情況下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線；巖石微觀光學(xué)測試系統(tǒng)通過長距離顯微鏡5及ccd長焦相機(jī)6對(duì)不同加載階段的巖石表面自動(dòng)拍照，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)統(tǒng)計(jì)各應(yīng)變條件下的試樣表面有效裂紋長度lcr(ε)與極限荷載條件下的表面有效裂紋長度引入表觀損傷度得到表觀損傷度-應(yīng)變關(guān)系曲線；聲發(fā)射測試系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄各加載階段試樣的振鈴計(jì)數(shù)、內(nèi)部事件、幅值等特征參數(shù)，用于繪制聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)-應(yīng)變關(guān)系曲線；電阻率測試系統(tǒng)可根據(jù)試樣兩側(cè)電位差與通過試樣的電流量等，記錄各個(gè)時(shí)刻的電阻率值，進(jìn)而得到電阻率-應(yīng)變關(guān)系曲線。

(6)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線類比，單軸壓縮各階段表觀損傷度、振鈴計(jì)數(shù)及電阻率對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)程度不同，借助損傷力學(xué)理論分別建立基于表觀損傷度、振鈴計(jì)數(shù)及電阻率的巖石損傷變量與應(yīng)變的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)巖石在受荷條件下各加載階段表觀及內(nèi)部損傷的定量描述。

(7)基于表觀損傷度的巖石損傷變量db描述形式為其中：l為表觀裂隙面的最小間距，v巖石單元的體積，n為巖樣表面裂隙統(tǒng)計(jì)總數(shù)，ai為第i條裂隙的面積，nⁱ為第i條裂隙的法線方向矢量；基于聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)的損傷變量ds描述形式為ds＝(1-σr/σp)(ci/cu)，其中：σr為殘余強(qiáng)度，σp為峰值強(qiáng)度，ci為巖石損傷演化過程中任意時(shí)刻的累積振鈴計(jì)數(shù)，cu為巖石達(dá)到損傷臨界強(qiáng)度時(shí)的累積振鈴計(jì)數(shù)；基于電阻率的巖石損傷變量dd描述形式為dd＝(1-σr/σp)[(n0-ni)/(n0-nu)]，其中：σr為殘余強(qiáng)度，σp為峰值強(qiáng)度，n0為巖石試樣初始狀態(tài)的孔隙度，ni為巖石在損傷演化過程中任意時(shí)刻的孔隙度，nu為巖石試驗(yàn)在破壞時(shí)的孔隙度。

(8)基于表觀損傷度、振鈴計(jì)數(shù)及電阻率的巖石損傷變量在各個(gè)破壞階段的變化不盡相同，表現(xiàn)出明顯的差異性，但是三者間亦表現(xiàn)出明顯的互補(bǔ)性，通過引入綜合損傷變量概念，在單軸壓縮損傷演化的各個(gè)階段采用不同的損傷變量進(jìn)行描述，可更加準(zhǔn)確的表征巖石損傷演化過程。

所述巖石損傷演化測試方法適用于周期性飽水巖石、凍融循環(huán)巖石損傷演化的研究；所述巖石材料可為花崗巖、砂巖等原位巖樣，也可以為用透明樹脂材料、水泥砂漿等人工配制的類巖石材料；所述巖石尺寸與幾何形狀可按照試驗(yàn)方案需求加工為圓柱形試樣、立方體試樣及棱柱體試樣等；當(dāng)巖石試樣為人工配制試樣時(shí)，可對(duì)試樣預(yù)制裂隙，基于本發(fā)明所述的研究方法開展預(yù)制裂隙類巖石材料損傷演化方面的研究。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例子而已，并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的原則之內(nèi)，所作的等同替換，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明未作詳細(xì)闡述的內(nèi)容屬于本專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)人員公知的已有技術(shù)。