监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备及方法

本发明涉及岩土力学，特别是一种监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备及方法。

背景技术：

1、高寒地区由于极大的昼夜温差和季节温差，岩石工程冻融灾害问题尤为突出。在昼夜或季节性冻融循环作用下，工程岩体内部水冰相变和水分迁移现象频繁交替发生，导致工程岩体的物理力学特性发生显著劣化，极易诱发岩质边坡的冻融剥蚀、滑塌甚至滑坡，极大地威胁着高寒地区岩石工程的安全稳定性。因此，发展一种能自动定量评估岩石的冻融损伤程度的冻融试验装置及方法具有重要意义。

2、在冻融循环作用下，工程岩体中的饱水裂隙会经历冻胀力“萌生-发展-消散”的反复作用，进而引起岩体内部裂隙逐渐扩展、贯通。冻胀压力是岩体冻胀开裂及冻融损伤的核心驱动力，然而裂隙中冻胀力的大小及其演化机制一直存在争议，尚缺乏有效的试验测试方法。因此，发展一种能够实时精准测定含冰裂隙冻胀压力的试验装置与方法是至关重要的。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备及方法，本发明操作简单、全程自动化，且能够实时监测含冰裂隙冻胀压力和定量评估冻融损伤。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备，包括总控制分析系统、可视冻融环境箱体、含冰裂隙冻胀压力监测系统、温度采集系统、岩石损伤检测系统和水位控制系统，所述总控制分析系统用于控制整个冻融试验过程并对所有数据集成分析；所述可视冻融环境箱体包括不锈钢箱体、设于所述不锈钢箱体内的不锈钢试样架、设于所述不锈钢箱体顶部的双层隔热玻璃盖板和设于不锈钢箱体底部的加热制冷组件，可视冻融环境箱体用于对放置的岩石试样进行冻融循环处理；所述含冰裂隙冻胀压力监测系统通过设于可视冻融环境箱体内部的分布式薄膜压力传感器来实时监测冻融过程中含冰裂隙的冻胀压力；所述温度采集系统通过安装于可视冻融环境箱体内部的温度传感器实时采集冻融过程中可视冻融环境箱体各处的温度信号；岩石损伤检测系统通过称重仪将系列质量数据传输至总控制分析系统中定量分析试样的冻融损伤程度；所述水位控制系统包括储水室和设于所述储水室内的水位传感器，用于控制可视冻融环境箱体内部的补水与回水水位。

3、作为本发明的进一步改进，所述总控制分析系统包括参数控制模块、压力数据分析模块、温度曲线显示模块、损伤数据分析模块和水位控制模块；其中：

4、所述参数控制模块用于预先设定冻融循环相关参数，并与所述加热制冷组件的电源控制端连接，控制加热制冷组件的工作；

5、所述压力数据分析模块与含冰裂隙冻胀压力监测系统的信号输出端口连接，用于实时显示含冰裂隙冻胀压力随着时间的演化曲线；

6、温度曲线显示模块与温度采集系统的端口连接，用于实时显示可视冻融环境箱体内部各个控制点位的温度曲线；

7、所述损伤数据分析模块与岩石损伤检测系统中的称重仪的信号输出端口连接，用于采集岩石试样的干燥质量mdry和饱水质量msat，并基于此自动计算岩石试样的孔隙率n、质量损失率m以及损伤变量s；

8、所述水位控制模块与水位控制系统的控制端口连接，当水位控制模块切换为气冻水融冻融模式时，水位控制系统会处于开启状态，即在融解过程中储水室中的水在加热后会被抽取至可视冻融环境箱体中，反之，当水位控制模块切换为气冻气融冻融模式时，水位控制系统则处于关闭状态，从而根据需要设定气冻水融或气冻气融两种冻融模式。

9、作为本发明的进一步改进，孔隙率n的计算如下：

10、

11、式中，msat为饱水岩石质量，mdry为干燥岩石质量，ρw为水的密度，v为岩石试样的体积；

12、质量损失率m的计算以试样的干燥质量表征：

13、

14、式中，m1为冻融循环前干燥岩石试样的质量，m2为冻融循环后干燥岩石试样的质量；

15、基于试样孔隙率n表征的冻融损伤变量s：

16、

17、式中，si为i次冻融循环后岩石试样的损伤变量；ni和n0分别是i次冻融循环后岩石试样的孔隙率和未经历过冻融循环的岩石试样的孔隙率。

18、作为本发明的进一步改进，所述不锈钢试样架分为上中下三层，放置于可视冻融环境箱体中部，由立柱和隔板组成，隔板为镂空隔板，以便于在气冻水融的模式下水的流通。

19、作为本发明的进一步改进，所述加热制冷组件由加热机和制冷压缩机组成，所述加热机用于加热储水室内部的水达到指定融水温度，所述制冷压缩机用于降低冻融室内的温度至指定冻结温度；所述加热制冷组件与总控制分析系统的参数控制模块连接，根据设定冻融循环相关参数来控制加热机和制冷压缩机工作。

20、作为本发明的进一步改进，所述分布式薄膜压力位于密封袋中，且安装在被测岩石试样表面，密封袋粘贴于岩石试样的裂隙表面，将感应区域接收到的压力信号转换为电信号并通过杜邦线传输至含冰裂隙冻胀压力监测系统中，岩石试样的裂隙底部设有防水隔热材料。

21、作为本发明的进一步改进，所述岩石损伤检测系统包括干燥室和饱水室；所述干燥室包括传输履带和称重仪，传输履带用于将指定次数冻融循环后的岩石试样从冻融室运输到损伤检测系统的干燥室，称重仪用于实时称重在干燥室内干燥的冻融试样的质量；所述饱水室包括传输履带和饱水区域组成，传输履带用于将干燥后的岩石试样从干燥室运输到饱水室，饱水区域用于待不同冻融循环次数后的冻融岩石试样干燥后根据规范进行饱水处理。

22、本发明还提供一种监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验方法，其特征在于，采用如上所述的监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备；所述的方法包括以下步骤：

23、①在操作系统上设定冻融循环相关参数和是否进行含冰裂隙冻胀压力监测和冻融损伤检测；

24、②将待测试样放入冻融室试样架上；

25、③若要进行含冰裂隙冻胀压力监测，则在冻融循环试验开始前将分布式薄膜压力传感器安装在待测试样表面上；

26、④若要进行冻融损伤检测，则将试样放置在传输履带上；

27、⑤根据设定冻融循环试验方案，开展岩石的冻融循环试验、含冰裂隙冻胀压力监测和冻融损伤检测试验。

28、本发明的有益效果是：

29、本发明具有设备结构简单、全程自动化、操作难度低、检测结果可靠、实用性强的特点，能够实时并准确地监测含冰裂隙岩石内冻胀压力演化过程，双参数定量表征岩石冻融损伤，为岩石冻融劣化研究提供有效数据支持。

技术特征：

1.一种监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，包括总控制分析系统、可视冻融环境箱体、含冰裂隙冻胀压力监测系统、温度采集系统、岩石损伤检测系统和水位控制系统；所述总控制分析系统用于控制整个冻融试验过程并对所有数据集成分析；所述可视冻融环境箱体包括不锈钢箱体、设于所述不锈钢箱体内的不锈钢试样架、设于所述不锈钢箱体顶部的双层隔热玻璃盖板和设于不锈钢箱体底部的加热制冷组件，可视冻融环境箱体用于对放置的岩石试样进行冻融循环处理；所述含冰裂隙冻胀压力监测系统通过设于可视冻融环境箱体内部的分布式薄膜压力传感器来实时监测冻融过程中含冰裂隙的冻胀压力；所述温度采集系统通过安装于可视冻融环境箱体内部的温度传感器实时采集冻融过程中可视冻融环境箱体各处的温度信号；岩石损伤检测系统通过称重仪将系列质量数据传输至总控制分析系统中定量分析试样的冻融损伤程度；所述水位控制系统包括储水室和设于所述储水室内的水位传感器，用于控制可视冻融环境箱体内部的补水与回水水位。

2.根据权利要求1所述的监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述总控制分析系统包括参数控制模块、压力数据分析模块、温度曲线显示模块、损伤数据分析模块和水位控制模块；其中：

3.根据权利要求2所述的监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，孔隙率n的计算如下：

4.根据权利要求1所述的监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述不锈钢试样架分为上中下三层，放置于可视冻融环境箱体中部，由立柱和隔板组成，隔板为镂空隔板，以便于在气冻水融的模式下水的流通。

5.根据权利要求1所述的监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述加热制冷组件由加热机和制冷压缩机组成，所述加热机用于加热储水室内部的水达到指定融水温度，所述制冷压缩机用于降低冻融室内的温度至指定冻结温度；所述加热制冷组件与总控制分析系统的参数控制模块连接，根据设定冻融循环相关参数来控制加热机和制冷压缩机工作。

6.根据权利要求1所述的监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述分布式薄膜压力位于密封袋中，且安装在被测岩石试样表面，密封袋粘贴于岩石试样的裂隙表面，将感应区域接收到的压力信号转换为电信号并通过杜邦线传输至含冰裂隙冻胀压力监测系统中，岩石试样的裂隙底部设有防水隔热材料。

7.根据权利要求1所述的监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述岩石损伤检测系统包括干燥室和饱水室；所述干燥室包括传输履带和称重仪，传输履带用于将指定次数冻融循环后的岩石试样从冻融室运输到损伤检测系统的干燥室，称重仪用于实时称重在干燥室内干燥的冻融试样的质量；所述饱水室包括传输履带和饱水区域组成，传输履带用于将干燥后的岩石试样从干燥室运输到饱水室，饱水区域用于待不同冻融循环次数后的冻融岩石试样干燥后根据规范进行饱水处理。

8.一种监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备；所述的方法包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验设备，包括：总控制分析系统用于控制整个冻融试验过程并对所有数据集成分析；可视冻融环境箱体用于对放置的岩石试样进行冻融循环处理；含冰裂隙冻胀压力监测系统用于实时监测冻融过程中含冰裂隙的冻胀压力；温度采集系统用于实时采集冻融过程中可视冻融环境箱体各处的温度信号；岩石损伤检测系统用于将系列质量数据传输至总控制分析系统中定量分析试样的冻融损伤程度；水位控制系统用于控制可视冻融环境箱体内部的补水与回水水位；本发明还公开了一种监测冻胀压力和冻融损伤的岩石冻融循环试验方法，本发明操作简单、全程自动化，且能够实时监测含冰裂隙冻胀压力和定量评估冻融损伤。

技术研发人员：刘燚,戴峰,刘新颖,张琪
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15