[发明专利]一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法

权利要求书

1.一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法，其特征在于所述测量方法的具体步骤是：

步骤1、待测试样和校正试样的制备

将待测试样初坯于105℃条件下烘干12～24h，置于真空抽气桶中，在-0.1MPa条件下静置4～6h；再向所述真空抽气桶中注水至试样高度1/4，以后每隔2h注水一次，依次注水至试样高度1/2、试样高度3/4和试样全部淹没，浸泡48h，取出后拭干表面，得到饱和待测试样；然后在所述饱和待测试样的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在所述饱和试样四个侧面涂一层密封树脂，得到待测试样；

所述待测试样初坯的材质为岩石，待测试样坯体的长×宽×高＝l₀×l₀×h₀；所述待测试样的长×宽×高＝l_s×l_s×h_s；

在校正试样初坯的上端面和下端面分别涂抹一层超声波耦合剂，在校正试样初坯的四个侧面涂一层密封树脂，然后将温度传感器密封在校正试样坯体的一个侧面上，得到校正试样；

所述校正试样初坯的材质为铜、或为铝，所述校正试样初坯的长×宽×高＝l₀×l₀×h₀；

步骤2、低温岩石声波波速与变形测试装置及其温度校正

步骤2.1、低温岩石声波波速与变形测试装置

低温岩石声波波速与变形测试装置由测试平台(1)、4个水平变形测试架(2)、第一LVDT位移传感器(3)、第二平面声波换能器(4)和第一平面声波换能器(5)组成；

测试平台(1)由底座(6)、横梁(9)和两个立柱(10)组成；底座(6)的两个对角处分别设有立柱(10)，两根立柱(10)中心对称设置；两根立柱(10)的上部装有横梁(9)，横梁(9)中间位置处开有第一LVDT位移传感器(3)的安装孔(12)；

底座(6)是由正方形平板和正方形凸台组成的整体，正方形平板的中心线和正方形凸台的中心线为同一条直线，正方形凸台的边长为正方形平板边长的0.4～0.5倍；底座(6)的中心位置处设有盲孔(11)，在盲孔(11)的孔壁沿径向方向设有导线孔(7)，导线孔(7)靠近盲孔(11)底部；正方形平板中心对称地设有4条支架安装槽(8)，每条支架安装槽(8)的中心线与各自对应的正方形平板的边的中垂线重合，每条支架安装槽(8)由外向内呈条形，每条支架安装槽(8)的长度为正方形平板边长的0.20～0.25倍，每条支架安装槽(8)的截面为空心“凸”字状；

4个水平变形测试架(2)均由L型支架(13)和第二LVDT位移传感器(14)组成；L型支架(13)是由支架垂直板和支架水平板构成的整体，所述支架垂直板的正面中心处开有一个位移传感器安装孔(17)，在位移传感器安装孔(17)的孔壁朝外开有位移传感器固定孔(16)；L型支架(13)的位移传感器安装孔(17)装有第二LVDT位移传感器(14)，螺栓通过位移传感器固定孔(16)将第二LVDT位移传感器(14)紧固在位移传感器安装孔(17)内；

所述支架水平板开有支架固定孔(15)；L型支架(13)的支架水平板通过支架固定孔(15)用螺栓固定在底座(6)各自对应的支架安装槽(8)的上平面；横梁(9)的安装孔(12)装有第一LVDT位移传感器(3)，盲孔(11)底部放置有第一平面声波换能器(5)；

低温岩石声波波速与变形测试装置在使用时，第二平面声波换能器(4)放置在校正试样(19)或待测试样(24)的上平面；

步骤2.2、校正试样(19)的安装

对低温岩石声波波速与变形测试装置进行温度校正时，将校正试样(19)放置在第一平面声波换能器(5)的上平面，校正试样(19)的上平面放置有第二平面声波换能器(4)，第一LVDT位移传感器(3)的测量探针延长杆与第二平面声波换能器(4)的上平面相接触；4个第二LVDT位移传感器(14)的测量探针延长杆与校正试样(19)对应的侧面相接触，拧紧第一LVDT位移传感器(3)的固定螺丝和4个第二LVDT位移传感器(14)的固定螺丝；

第一LVDT位移传感器(3)通过电缆与数据信号采集仪(21)的CH1通道相连接，4个第二LVDT位移传感器(14)通过各自的电缆与数据信号采集仪(21)的CH2通道、CH3通道、CH4通道、CH5通道对应连接；第二平面声波换能器(4)通过电缆线与声波检测仪(23)的CH1端口相连接，第一平面声波换能器(5)通过另一根电缆穿过测试平台(1)上的导线孔(7)与声波检测仪(23)的TRANSMIT端口相连接；温度传感器(18)通过导线与温度采集仪(22)相连；

步骤2.3、低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正

低温岩石声波波速与变形测试装置的温度校正的步骤是：

S1、先将安装校正试样(19)后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱(20)中；设置高低温试验箱(20)冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃，降温速率为0.8～1℃/min，升温速率为0.8～1℃/min，冻结时长为n，融化时长为n，n为360～390的整数，单位为min；

S2、查询所用校正试样(19)材料的线膨胀系数α；开启温度采集仪(22)与数据信号采集仪(21)，分别设置温度采集仪(22)与数据信号采集仪(21)的采集间隔为1min/次；冻融开始前，读取温度采集仪(22)的初始温度T_j0，将数据信号采集仪(21)的各通道初始位移置零；

S3、冻融时刻为t₁，读取温度采集仪(22)的温度T_j1，读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L_1-1、L_1-2、……、L_1-5，计算校正试样(19)的高度方向理论位移h_j1＝α×(T_j1-T_j0)×h₀，计算数据信号采集仪(21)的CH1通道对应的测量误差β_1-1＝h_j1-L_1-1，计算校正试样(19)的4个侧面方向理论位移之和l_j1＝2α×(T_j1-T_j0)×l₀，计算数据信号采集仪(21)的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和

S4、冻融时刻为t₂，读取温度采集仪(22)的温度T_j2，读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L_2-1、L_2-2、……、L_2-5，计算校正试样(19)的高度方向理论位移h_j2＝α×(T_j2-T_j0)×h₀，计算数据信号采集仪(21)的CH1通道对应的测量误差β_2-1＝h_j2-L_2-1，计算校正试样(19)的4个侧面方向理论位移之和l_j2＝2α×(T_j2-T_j0)×l₀，计算数据信号采集仪(21)的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和

以此类推；

S5、冻融时刻为t_i，读取温度采集仪(22)温度T_ji，读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L_i-1、L_i-2、……、L_i-5，计算校正试样(19)的高度方向理论位移h_ji＝α×(T_ji-T_j0)×h₀，计算数据信号采集仪(21)的CH1通道对应的测量误差β_i-1＝h_ji-L_i-1，计算校正试样(19)的4个侧面方向理论位移之和l_ji＝2α×(T_ji-T_j0)×l₀，计算数据信号采集仪(21)的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和

以此类推；

S6、冻融时刻为t_2n，读取温度采集仪(22)温度T_j2n，读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移L_2n-1、L_2n-2、……、L_2n-5，计算校正试样(19)的高度方向理论位移h_j2n＝α×(T_j2n-T_j0)×h₀，计算数据信号采集仪(21)的CH1通道对应的测量误差β_2n-1＝h_j2n-L_2n-1，计算校正试样(19)的4个侧面方向理论位移之和l_j2n＝2α×(T_j2n-T_j0)×l₀，计算数据信号采集仪(21)的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差之和测试结束，关闭高低温试验箱(20)、数据信号采集仪(21)与声波检测仪(23)。

k表示数据信号采集仪(21)的通道序号，k为2,3,4,5；

i表示冻融时刻，i为1,2,3,……2n，n为360～390的整数，单位为min；

步骤3、低温岩石声波波速与变形测试装置的测试方法

步骤3.1、安装待测试样(24)

将待测试样(24)放置在第一平面声波换能器(5)的上平面，待测试样(24)的上平面放置有第二平面声波换能器(4)，第一LVDT位移传感器(3)的测量探针延长杆与第二平面声波换能器(4)的上平面相接触；4个第二LVDT位移传感器(14)的测量探针延长杆与待测试样(24)对应的侧面相接触，拧紧第一LVDT位移传感器(3)的固定螺丝和4个第二LVDT位移传感器(14)的固定螺丝；

第一LVDT位移传感器(3)通过电缆与数据信号采集仪(21)的CH1通道相连接，4个第二LVDT位移传感器(14)通过各自的电缆与数据信号采集仪(21)的CH2通道、CH3通道、CH4通道、CH5通道对应连接；第二平面声波换能器(4)通过电缆线与声波检测仪(23)的CH1端口相连接，第一平面声波换能器(5)通过另一根电缆穿过测试平台(1)上的导线孔(7)与声波检测仪(23)的TRANSMIT端口相连接；

步骤3.2、测试与数据初处理

S1、先将安装待测试样(24)后的低温岩石声波波速与变形测试装置进行恒温，再置于高低温试验箱(20)中，设置高低温试验箱(20)冻融参数：冻融循环温度为20℃～-20℃，降温速率为0.8～1℃/min，升温速率为0.8～1℃/min，冻结时长为n，融化时长为n；n为360～390的整数，单位为min；

S2、开启数据信号采集仪(21)与声波检测仪(23)，分别设置数据信号采集仪(21)与声波检测仪(23)的采集间隔为1min/次；冻融开始前，将数据信号采集仪(21)的各通道初始位移置零，将待测试样(24)高度h_s输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)初始波速v₀；

S3、冻融时刻为t₁，依次读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……、CH5通道对应的位移C_1-1、C_1-2、……、C_1-5，校正后的CH1通道对应的位移R_1-1＝C_1-1+β_1-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应位移之和待测试样(24)的高度方向应变待测试样(24)的侧向应变将待测试样(24)的高度h_d1＝R_1-1+h_s输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)的波速v₁；

S4、冻融时刻为t₂，依次读取数据信号采集仪(21)上CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C_2-1、C_2-2、……C_2-5；校正后的CH1通道对应的位移数据为R_2-1＝C_2-1+β_2-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和待测试样(24)的高度方向应变待测试样(24)的侧向应变将待测试样(24)的高度h_d2＝R_2-1+h_s输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)的波速v₂；

以此类推；

S5、冻融时刻为t_i，依次读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C_i-1、C_i-2、……C_i-5，校正后的CH1通道的位移R_i-1＝C_i-1+β_i-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和待测试样(24)的高度方向应变待测试样(24)的侧向应变将待测试样(24)的高度h_di＝R_i-1+h_s输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)波速v_i；

以此类推；

S6、冻融时刻为t_2n，依次读取数据信号采集仪(21)的CH1、CH2、……CH5通道对应的位移C_2n-1、C_2n-2、……C_2n-5，校正后的CH1通道的位移R_2n-1＝C_2n-1+β_2n-1，校正后的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的位移之和待测试样(24)的高度方向应变待测试样(24)的侧向应变将待测试样(24)的高度h_d2n＝R_2n-1+h_s输入到声波检测仪(23)中，读取待测试样(24)波速v_2n；

测试结束，关闭高低温试验箱(20)、数据信号采集仪(21)与声波检测仪(23)；

在S3～S₆中：

β_1-1表示冻融时刻t₁时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β_1-1＝h_j1-L_1-1，

β_2-1表示冻融时刻t₂时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β_2-1＝h_j2-L_2-1，

β_i-1表示冻融时刻t_i时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β_i-1＝h_ji-L_i-1，

β_2n-1表示冻融时刻t_2n时计算所得的CH1通道对应的测量误差，β_2n-1＝h_j2n-L_2n-1，

表示冻融时刻t₁时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，

表示冻融时刻t₂时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，

表示冻融时刻t_i时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，

表示冻融时刻t_2n时计算所得的CH2、CH3、CH4、CH5通道对应的测量误差和，

L_1-1表示数据信号采集仪(21)的CH1通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t₁的位移，

L_2-1表示数据信号采集仪(21)的CH1通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t₂的位移，

L_i-1表示数据信号采集仪(21)的CH1通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t_i的位移，

L_2n-1表示数据信号采集仪(21)的CH1通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t_2n的位移，

L_1-k表示数据信号采集仪(21)的CHK通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t₁的位移，

L_2-k表示数据信号采集仪(21)的CHK通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t₂的位移，

L_i-k表示数据信号采集仪(21)的CHK通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t_i的位移，

L_2n-k表示数据信号采集仪(21)的CHK通道监测的校正试样(19)在冻融时刻t_2n的位移，

h_j1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t₁高度方向的理论位移，

h_j2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t₂高度方向的理论位移，

h_ji表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t_i高度方向的理论位移，

h_j2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t_2n高度方向的理论位移

l_j1表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t₁侧向的理论位移，

l_j2表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t₂侧向的理论位移，

l_ji表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t_i侧向的理论位移，

l_j2n表示通过线膨胀系数α计算的校正试样(19)在冻融时刻t_2n侧向的理论位移，

k表示数据信号采集仪(21)的通道序号，k为2,3,4,5，

i表示冻融时刻，i为1,2,3,……2n，n为360～390的整数，单位为min；

步骤3.3、数据后处理

根据所测待测试样(24)不同时刻的波速v_i、高度方向应变εh_di和侧向应变εl_di，即可得到待测试样(24)冻融循环过程中时间-波速图和时间-应变图；

步骤2.3和步骤3.2中所述恒温是指在20～25℃条件下放置30～60min。