一种岩石直剪声发射试验用可视化剪切装置及其使用方法

本发明属于岩石剪切声发射试验，尤其涉及一种岩石直剪声发射试验用可视化剪切装置及其使用方法。

背景技术：

1、自然界中广泛发育有形态不同、规模各异的岩石结构面包括裂隙、节理、和断层等，这些结构面成为岩体内部力学特性差异的显著界面，极大地影响着岩石的整体和局部稳定性，同时也对边坡、隧道以及地下工程的安全性与稳定性产生深远的影响。特别是在受到外界力学作用(如自然力或人为工程活动)的影响时，沿着这些预先存在的软弱面发生的剪切滑移破坏，常常是引起边坡滑坡、隧道塌陷和地下空间工程事故的根本原因。因此，对岩石结构面进行室内剪切试验研究，并分析岩石剪切破坏的机理和破坏前兆特征，对于评估和保证工程的安全稳定性具有重要意义。

2、岩石剪切声发射试验作为一种有效的岩石力学试验方法，能够模拟并研究结构面在剪切作用下的破坏过程及其对岩体稳定性的影响。通过监测剪切过程中岩石发出的声发射信号，可以实时捕捉岩石内部裂纹的扩展和破坏过程，从而为理解岩石的破坏机理提供了微观尺度上的证据。

3、然而，现有的岩石剪切声发射试验装置多存在一定的局限性，如试验过程中难以直观观察岩石的破坏过程，声发射探头安装固定困难，声发射信号的采集和分析也不够精确，这些不足很大程度上限制了对岩石剪切破坏过程的理解。

4、具体的，现阶段岩石直剪剪切盒主要存在如下不足：

5、(1)常规剪切盒的设计未考虑到对立方体岩石样本进行声发射试验的需求，尤其是缺乏为声发射探头预留的孔位，使得在对立方体试件进行剪切声发射试验时，无法有效安装声发射探头，从而阻碍了对岩石样本内部声发射现象的监测和分析。

6、(2)少数已有文献中公开的声发射剪切盒多由不透明材料制成，实验者无法直接观察岩石在剪切过程中的破坏模式和裂纹发展情况，无法实时监控岩石剪切面上的微观变化，这在一定程度上减弱了试验数据与岩石破坏行为之间联系的直观性和解释能力。

7、(3)声发射探头的固定、布局和灵敏度方面仍存在不足。声发射探头的复杂安装过程增加了操作的难度和技术要求，还可能需要多次调整和测试以确保探头的正确放置，需要较高的专业技能和经验，降低了试验效率；此外，探头的固定和位置布局不够优化可能导致声发射信号的捕捉不充分或者信号失真，影响对岩石破坏过程中声发射特性的准确分析和判断。

8、中国专利(cn114235968a，公开日：2022年03月25日)公开了一种声发射探头固定装置，包括固定外壳和探头调节组件。该装置结构紧凑合理、体积小、质量轻，能够解决声发射探头与岩石试件接触不良的问题，但未提供与该装置配合使用的剪切盒等试验设备，难以从根本上克服声发射探头安装固定困难的缺点，此外也无法实现岩石结构面剪切破坏实时观测的效果。

9、因此，为了克服上述现有岩石直剪剪切盒存在的缺陷，亟需一种准确、高效、直观的岩石直剪声发射试验用可视化剪切盒及其使用方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供一种岩石直剪声发射试验用可视化剪切装置及其使用方法，旨在解决现有技术中观测性限制、声发射探头安装技术限制和声发射信号采集局限的问题。本发明使试验过程中岩石的剪切破坏和裂纹发展过程可直接观察，同时优化声发射探头的安装和信号采集系统，提高声发射数据的准确性和可靠性。此外，本发明设计的剪切盒增强了试验的通用性和实用性，降低了实验成本、提高了实验效率，为岩石力学研究及相关工程应用提供了一种更为有效的工具。

2、一种岩石直剪声发射试验用可视化剪切装置，包括剪切盒主体及其上部的加载系统、声发射探头固定装置和声发射探头限位器，岩石试件置于剪切盒主体内部；加载系统为剪切盒主体提供法向加载和切向加载；声发射探头固定装置将声发射探头与岩石试件和剪切盒主体稳定连接；声发射探头限位器使声发射探头与岩石试件紧密贴合。

3、所述剪切盒主体包括上剪切盒、下剪切盒、透明有机玻璃插板、限位卡板和去噪接头，上剪切盒与下剪切盒上下相对布置，透明有机玻璃插板、限位卡板和去噪接头设置在剪切盒主体上。

4、所述上剪切盒为45#钢，采用线切割方式加工而成的无顶、底的四面盒体，其内腔长宽相等，比立方体岩石试件的边长大1mm，内腔高度比立方体岩石试件边长的一半至少高出2cm；上剪切盒上预留有安装声发射探头的声发射探头安装孔a、安装透明有机玻璃插板的透明有机玻璃插板边槽和透明有机玻璃插板顶底槽、限位块槽a和固定座定位孔；

5、上剪切盒上设置有限位卡板，分别设置在正面和背面的左上部；

6、所述上剪切盒上设置有去噪接头。

7、所述下剪切盒的结构、形状、尺寸、钢材型号、加工方式与上剪切盒完全一致。

8、所述去噪接头的材质与上剪切盒和下剪切盒一致，为平头台阶形柱体，设置在上剪切盒和下剪切盒正面的右上部，通过焊接固定。

9、所述透明有机玻璃插板固定在剪切盒主体上，透明有机玻璃插板的两个相对的侧边上设置有侧边限位条，顶部设置有顶部限位条；侧边限位条的尺寸略小于上剪切盒和下剪切盒的透明有机玻璃插板边槽，顶部限位条的尺寸略小于上剪切盒和下剪切盒的透明有机玻璃插板顶底槽；所述透明有机玻璃插板上预留有用于安装声发射探头的声发射探头安装孔b和限位块槽b；透明有机玻璃插板材料为甲基丙烯酸甲酯聚合高分子化合物，通过铣削的方式切割而成。

10、所述加载系统包括设置在剪切盒主体顶部的上加载组件和设置在剪切盒主体底部的下加载组件及伺服加载块，上加载组件包括上压块，上压块的顶部设置有上压块滑片，上压块为凸型钢块，凸起尺寸小于上剪切盒的内腔尺寸1mm，上压块的凸起高度大于上剪切盒顶边到声发射探头安装孔a顶边的垂直距离；上压块上安装有工业相机；上压块滑片包括上下布置并连接的滑片上板a和滑片下板a，滑片下板a布置在上压块上；滑片上板a和滑片下板a上开设有对应的滚珠孔和螺栓孔，滑片上板滚珠放置在滚珠孔内，滚珠孔的直径小于滑片上板滚珠的直径；

11、下加载组件包括下压块，下压块固定在下压块固定座上，下压块固定座的底部设置有下压块滑片；下压块为凸型钢块，凸起尺寸小于下剪切盒内腔尺寸1mm，下压块的突起高度等于下剪切盒的顶边到声发射探头安装孔a顶边的垂直距离；下压块滑片的结构、材料与上压块滑片相同，下压块滑片包括上下布置并连接的滑片上板b和滑片下板b，滑片下板b布置在下压块固定座下底面；滑片上板b和滑片下板b上开设有对应的滚珠孔和螺栓孔，滑片下板滚珠放置在滚珠孔内，滚珠孔的直径小于滑片下板滚珠的直径；所述下压块固定座为凹形钢块；

12、所述伺服加载块包括设置在剪切盒主体侧面的切向伺服加载块a和切向伺服加载块b以及设置在上加载组件顶部的法向伺服加载块；切向伺服加载块a和切向伺服加载块b分别固定在上剪切盒和下剪切盒上，位于剪切盒主体相对的两侧；切向伺服加载块b与下剪切盒连接；切向伺服加载块a与上剪切盒连接。

13、所述声发射探头固定装置固定在剪切盒主体开设的声发射探头安装孔a和有机玻璃插板开设的的声发射探头安装孔b内，包括u型橡胶套、探头固定座和探头固定帽，u型橡胶套为u字形中空橡胶管，沿管身开设有用于放置同源线的同源线放置槽；

14、探头固定座为一个整体，由高韧性树脂3d打印而成，包括固定夹、固定板，固定夹设置在固定板正面，u型橡胶套夹持在固定夹内；固定板的背面设置有凸起颗粒，探头固定座通过凸起颗粒固定在剪切盒主体的上剪切盒和下剪切盒上；

15、探头固定帽包括帽体、3个支腿、1个同源线保护头、压片a和弹簧a，压片a和弹簧a固接置于帽体内部，弹簧a设置在压片a与帽体内壁间；3个所述支腿和1个同源线保护头间隔90°均匀排布在帽体侧面；所述支腿包括支腿管、支腿头、弹簧b和压片b，支腿头通过支腿管固定在帽体上，弹簧b固定在支腿头与压片b间；声发射探头的同源线穿过同源线保护头将声发射探头固定在帽体内。

16、所述声发射探头限位器包括限位块、调节钮、限位卡头、弹簧c、弹簧d和压片c，限位块为长方体中空盒，盒体正面开设有调节钮滑动槽，背面开设有压片槽，上、下面开设有卡头伸缩口；限位卡头与调节钮连接，两个所述调节钮滑动连接在调节钮滑动槽内，限位卡头在卡头伸缩口内滑动，限位卡头伸出后嵌入在上剪切盒、下剪切盒的限位块槽a和透明有机玻璃插板的限位块槽b中；弹簧c设置在两个调节钮间；弹簧d设置在压片c与限位块间，弹簧d与弹簧c的伸缩方向垂直；探头限位器通过压片c对探头固定帽产生法向压力。

17、一种岩石直剪声发射试验，采用上述的一种岩石直剪声发射试验用可视化剪切装置，具体包括以下步骤：

18、s1：制备岩石试件备用；

19、s2：将下压块固定在下压块固定座中，并与下压块滑片连接，将透明有机玻璃插板插入到下剪切盒中，将插入透明有机玻璃插板的下剪切盒放置在下压块上，完成剪切盒主体下半部分的安装；然后将岩石试件至于剪切盒主体下半部分；

20、s3：将透明有机玻璃插板插入到上剪切盒中，将插入透明有机玻璃插板的上剪切盒放置在下剪切盒上部，放置过程中不要触碰到岩石试件；

21、s4：将声发射探头放入到探头固定帽中并固定好，同源线经同源线保护头从探头固定帽中引出；在声发射探头与岩石试件连接处涂抹凡士林或黄油耦合剂；同时按住探头固定帽的支腿使支腿收缩，将探头固定帽通过上剪切盒、下剪切盒和透明有机玻璃插板预留的声发射探头安装孔a和声发射探头安装孔b安装固定，使声发射探头与岩石试件和剪切盒主体稳定连接；将从声发射探头安装孔a和声发射探头安装孔b引出的两根相邻的同源线放置到u型橡胶套中并固定，将u型橡胶套固定在探头固定座上，并将探头固定座通过固定座定位孔固定在上剪切盒和下剪切盒上，使探头固定座底部的凸起颗粒嵌入上剪切盒和下剪切盒预留的固定座定位孔中，防止试验过程中探头固定座产生移动；

22、s5：按住声发射探头限位器的调节钮使限位卡头收缩到限位块内，将探头限位器分别放置到声发射探头安装孔a和声发射探头安装孔b处；松开调节钮，使限位卡头嵌入限位块槽a和限位块槽b中；探头限位器内侧通过压片c对探头固定帽产生法向压力，使声发射探头与岩石试件紧密贴合；

23、s6：采用铜导线将声发射剪切盒主体上的去噪接头与声发射仪连接进行声发射采集信号的去噪，保证声发射信号采集效果；将剪切盒主体上引出的同源线经信号放大器与声发射仪连接；通过敲击岩石试件观察各通道采集信号的状态，判断声发射探头是否准确安装；若某通道采集信号失常，则需要重新安装该通道的声发射探头；

24、s7：依次安装限位卡板；将上压块与上压块滑片连接后置于插入透明有机玻璃插板后的上剪切盒上部；在剪切仪旁边架设工业级高速摄影相机，通过调节三脚架保证工业级高速摄影相机的镜头与剪切盒主体的中心线保持在同一水平高度，完成试验前的所有准备工作；

25、s8：采用剪切仪计算机控制伺服油源，通过法向伺服加载块对岩石试件施加额定法向荷载；当岩石试件上半部分为由透明有机玻璃3d打印而成的类岩石材料时，通过蓝牙打开工业相机；保持切向伺服加载块b不动，同时启动切向伺服加载块a和声发射仪，通过切向伺服加载块a施加切向荷载，试验过程中声发射仪和工业级高速摄影相机和剪切仪的主机全程记录试验过程和试验数据，直到试验结束；

26、s9：整理所得试验数据，分析岩石结构面剪切破坏机理。

27、本发明的有益效果是：

28、(1)本发明剪切盒主体的正面和背面均设置为透明有机玻璃插板，增强了试验过程的可视化，使得试验过程中岩石的剪切破坏和裂纹发展过程可直接观察，极大地提升了试验数据和试验信息的可视化分析能力。这种直观的观测手段不仅便于识别和记录岩石在受力过程中的破坏模式，也为进一步为理论分析和模型验证提供了可靠的试验依据。

29、(2)本发明通过设置声发射探头固定装置和声发射探头限位器，确保了试验过程中声发射探头的稳定、高效安装。同时，本发明在剪切盒主体上设置有16个声发射探头安装孔，实验人员可以根据实验需求自行调声发射探头布设的位置和数量，可自行优化声发射探头的布局，有效提高了声发射信号的采集质量和精度，能够保证试验过程中准确捕捉和分析岩石剪切过程中的微观破坏事件，对理解岩石破坏机理的声发射特性具有重要意义。

30、(3)本发明简化了声发射探头的安装流程，减少了试验准备时间，同时减轻了试验操作的技术难度，提高了试验效率。此外，通过优化试验装置的设计，本发明的剪切盒安装简便，有机玻璃插板、声发射探头固定装置和声发射探头限位器等都可以重复使用，显著降低了试验成本，减少人力物力和财力的支出。

31、(4)本发明在剪切盒主体上设置了去噪接头，可以大幅减低声发射信号采集的噪声，保证声发射采集的精度。上压块滑片和下压块滑片可以有效减少剪切试验过程中的摩擦阻力，提高试验中获取剪切应力和剪切位移的精度。此外，上压块滑片和下压块滑片的设置使剪切盒不再需要人工搬运，降低了传统剪切盒人工搬运容易砸伤实验人员的风险。