[發(fā)明專利]基于聲波干耦合的巖石全應(yīng)力-應(yīng)變損傷監(jiān)測系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010544416.5
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號(hào): CN112986390A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李遠(yuǎn);劉洋;馬國棟;喬蘭;李慶文;李政;謝海根;張博;蘇考
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué);中交第二公路工程局有限公司
• 主分類號(hào): G01N29/07
• 分類號(hào): G01N29/07;G01N29/14;G01N29/24;G01N29/28;G01N29/42;G01N29/44;G01N29/46
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發(fā)明提供一種基于聲波干耦合的巖石全應(yīng)力?應(yīng)變損傷監(jiān)測系統(tǒng)及方法，屬于巖體工程監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。該監(jiān)測系統(tǒng)包括小尺寸干耦合點(diǎn)接觸式聲波換能器和數(shù)字化型多功能集成電路板，該方法首先在巖石全應(yīng)力?應(yīng)變試驗(yàn)前，在測試巖石外表面或鉆孔內(nèi)布置干耦合點(diǎn)接觸式聲波換能器，然后通過超聲波脈沖發(fā)射控制和自適應(yīng)調(diào)頻規(guī)避巖石聲發(fā)射頻率段，再標(biāo)定試樣超聲波波速，設(shè)置采樣間隔時(shí)間，同步獲取多位置多頻波形數(shù)據(jù)，最后對超聲波接收波形小波去噪后，進(jìn)行波形初至?xí)r間辨別。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了巖石全應(yīng)力?應(yīng)變試驗(yàn)過程損傷不均衡發(fā)展的全方位檢測，實(shí)現(xiàn)了各階段優(yōu)勢頻率超聲波的傳輸以及全方位、多方式的巖石損傷程度判別。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及巖體工程監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于聲波干耦合的巖石全應(yīng)力-應(yīng)變損傷監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

地下工程失穩(wěn)問題是巖石、巖體損傷量累加發(fā)展至臨界點(diǎn)而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)喪失承載穩(wěn)定性的過程。針對巖石損傷的探測和監(jiān)測技術(shù)和方法的研究是解決巖石破壞強(qiáng)度與巖石穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。巖石全應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)對于了解巖石變形、局部破壞到整體破壞全過程特征，深入認(rèn)識(shí)工程巖體變形破壞機(jī)制，指導(dǎo)巖體工程設(shè)計(jì)和施工具有重要作用。因此，基于巖石損傷機(jī)理，開展巖石全應(yīng)力-應(yīng)變過程損傷探測、監(jiān)測研究，判別巖石損傷程度對減輕巖石工程具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前，巖石、巖體損傷探測采用超聲波測試技術(shù)，而損傷監(jiān)測采用聲發(fā)射相關(guān)技術(shù)。雖然均需接收彈性波信號(hào)，但波速測量和聲發(fā)射測量在傳感器接觸方式、尺寸大小和響應(yīng)頻率上存在區(qū)別，試驗(yàn)測試上仍為各自獨(dú)立系統(tǒng)。中科院楊春和團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種巖石聲波、聲發(fā)射同步測量的方法及裝置，實(shí)現(xiàn)巖石試樣力學(xué)加載過程的聲波、聲發(fā)射同步測量(公開號(hào)：CN103954690A)。但其無法應(yīng)用在巖石試樣曲率表面測量，不能對巖石試樣全場損傷進(jìn)行監(jiān)測，具有單一軸向波速損傷監(jiān)測的局限性。同時(shí)該技術(shù)屬于超聲波和聲發(fā)射測量系統(tǒng)分離、信號(hào)處理系統(tǒng)整合的設(shè)計(jì)模式，對于聲波及聲發(fā)射信號(hào)的區(qū)別，通過剔除超聲發(fā)射的時(shí)間段內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)以獲得巖石裂隙自身產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，無特定頻率設(shè)定功能造成信號(hào)區(qū)分無法實(shí)時(shí)化。巖石各個(gè)部位損傷擴(kuò)展速度不一致，單一換能器無法實(shí)現(xiàn)對巖石損傷發(fā)展的整體監(jiān)測和分析，需要在試驗(yàn)中建立損傷監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對試樣整體損傷信息的獲取。聲發(fā)射監(jiān)測屬于被動(dòng)接收式監(jiān)測手段，采用涂抹耦合劑的聲發(fā)射大尺寸接觸面換能器對巖石破壞過程中裂隙萌生產(chǎn)生的彈性波信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測。目前聲發(fā)射試驗(yàn)中需要至少4個(gè)換能器進(jìn)行測試。巖石試驗(yàn)中空間有限，因此傳統(tǒng)大尺寸接觸面的聲發(fā)射、聲波測試和常規(guī)應(yīng)變測試同時(shí)安裝在巖石側(cè)壁基本無法實(shí)現(xiàn)。聲發(fā)射算法采用巖石均質(zhì)性假設(shè)，試驗(yàn)中無法對聲發(fā)射路徑上巖石局部損傷進(jìn)行判別，會(huì)造成信號(hào)分析誤差，目前巖石測損技術(shù)多基于固定頻率工作，但不同巖性巖石對不同頻率的超聲波敏感度不同，信號(hào)強(qiáng)度受巖性影響較大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于聲波干耦合的巖石全應(yīng)力-應(yīng)變損傷監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

該系統(tǒng)包括干耦合點(diǎn)接觸式聲波換能器和數(shù)字化型多功能集成電路板，干耦合點(diǎn)接觸式聲波換能器分為干耦合點(diǎn)接觸式聲波發(fā)射換能器和干耦合點(diǎn)接觸式聲波接收換能器，干耦合點(diǎn)接觸式聲波發(fā)射換能器和干耦合點(diǎn)接觸式聲波接收換能器分別設(shè)置在巖石試樣外表面或巖石試樣的鉆孔內(nèi)，數(shù)字化型多功能集成電路板連接數(shù)字示波器和干耦合點(diǎn)接觸式聲波發(fā)射換能器，數(shù)字示波器連接干耦合點(diǎn)接觸式聲波接收換能器，巖石試樣置于巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備中。

其中，干耦合點(diǎn)接觸式聲波換能器包括球形保護(hù)頭、PZT壓電陶瓷、絕緣卡環(huán)、螺紋壓板、信號(hào)輸出端和吸波緩沖材料，干耦合點(diǎn)接觸式聲波換能器整體為L型結(jié)構(gòu)，PZT壓電陶瓷嵌于吸波緩沖材料中，PZT壓電陶瓷露出的端部上設(shè)置球形保護(hù)頭，PZT壓電陶瓷嵌入吸波緩沖材料的一端通過絕緣卡環(huán)固定，且連接信號(hào)輸出端，信號(hào)輸出端通過螺紋壓板固定。

吸波緩沖材料采用導(dǎo)熱硅膠，導(dǎo)熱系數(shù)＞2w/(m·k)，使用溫度范圍-50～100℃，聲阻抗15×10⁶～18×10⁶kg/m²·s。