[发明专利]基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法

说明书

本发明提供一种基于声波干耦合的岩石全应力‑应变损伤监测系统及方法，属于岩体工程监测技术领域。该监测系统包括小尺寸干耦合点接触式声波换能器和数字化型多功能集成电路板，该方法首先在岩石全应力‑应变试验前，在测试岩石外表面或钻孔内布置干耦合点接触式声波换能器，然后通过超声波脉冲发射控制和自适应调频规避岩石声发射频率段，再标定试样超声波波速，设置采样间隔时间，同步获取多位置多频波形数据，最后对超声波接收波形小波去噪后，进行波形初至时间辨别。本发明实现了岩石全应力‑应变试验过程损伤不均衡发展的全方位检测，实现了各阶段优势频率超声波的传输以及全方位、多方式的岩石损伤程度判别。

技术领域

本发明涉及岩体工程监测技术领域，特别是指一种基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法。

背景技术

地下工程失稳问题是岩石、岩体损伤量累加发展至临界点而导致整体结构丧失承载稳定性的过程。针对岩石损伤的探测和监测技术和方法的研究是解决岩石破坏强度与岩石稳定性的基础。岩石全应力-应变试验对于了解岩石变形、局部破坏到整体破坏全过程特征，深入认识工程岩体变形破坏机制，指导岩体工程设计和施工具有重要作用。因此，基于岩石损伤机理，开展岩石全应力-应变过程损伤探测、监测研究，判别岩石损伤程度对减轻岩石工程具有重要现实意义。

目前，岩石、岩体损伤探测采用超声波测试技术，而损伤监测采用声发射相关技术。虽然均需接收弹性波信号，但波速测量和声发射测量在传感器接触方式、尺寸大小和响应频率上存在区别，试验测试上仍为各自独立系统。中科院杨春和团队发明了一种岩石声波、声发射同步测量的方法及装置，实现岩石试样力学加载过程的声波、声发射同步测量(公开号：CN103954690A)。但其无法应用在岩石试样曲率表面测量，不能对岩石试样全场损伤进行监测，具有单一轴向波速损伤监测的局限性。同时该技术属于超声波和声发射测量系统分离、信号处理系统整合的设计模式，对于声波及声发射信号的区别，通过剔除超声发射的时间段内的声发射信号以获得岩石裂隙自身产生的声发射信号，无特定频率设定功能造成信号区分无法实时化。岩石各个部位损伤扩展速度不一致，单一换能器无法实现对岩石损伤发展的整体监测和分析，需要在试验中建立损伤监测的网络实现对试样整体损伤信息的获取。声发射监测属于被动接收式监测手段，采用涂抹耦合剂的声发射大尺寸接触面换能器对岩石破坏过程中裂隙萌生产生的弹性波信号进行监测。目前声发射试验中需要至少4个换能器进行测试。岩石试验中空间有限，因此传统大尺寸接触面的声发射、声波测试和常规应变测试同时安装在岩石侧壁基本无法实现。声发射算法采用岩石均质性假设，试验中无法对声发射路径上岩石局部损伤进行判别，会造成信号分析误差，目前岩石测损技术多基于固定频率工作，但不同岩性岩石对不同频率的超声波敏感度不同，信号强度受岩性影响较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法。

该系统包括干耦合点接触式声波换能器和数字化型多功能集成电路板，干耦合点接触式声波换能器分为干耦合点接触式声波发射换能器和干耦合点接触式声波接收换能器，干耦合点接触式声波发射换能器和干耦合点接触式声波接收换能器分别设置在岩石试样外表面或岩石试样的钻孔内，数字化型多功能集成电路板连接数字示波器和干耦合点接触式声波发射换能器，数字示波器连接干耦合点接触式声波接收换能器，岩石试样置于岩石力学试验设备中。

其中，干耦合点接触式声波换能器包括球形保护头、PZT压电陶瓷、绝缘卡环、螺纹压板、信号输出端和吸波缓冲材料，干耦合点接触式声波换能器整体为L型结构，PZT压电陶瓷嵌于吸波缓冲材料中，PZT压电陶瓷露出的端部上设置球形保护头，PZT压电陶瓷嵌入吸波缓冲材料的一端通过绝缘卡环固定，且连接信号输出端，信号输出端通过螺纹压板固定。

吸波缓冲材料采用导热硅胶，导热系数＞2w/(m·k)，使用温度范围-50～100℃，声阻抗15×10⁶～18×10⁶kg/m²·s。