一种酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置和方法

1.本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及常温条件下多物理场智能模拟一种酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置和方法。


背景技术：

2.当前环境污染问题日益加重，酸雨天气时有发生，酸雨中富含酸性腐蚀性物质，随着边坡危岩体受酸雨的天然淋蚀和自然风干的干湿交替作用，一方面会对危岩体产生腐蚀作用，促进岩石内部细微孔隙的贯通和裂隙扩展，从而弱化危岩体的力学性质；另一方面，天然酸雨环境下，酸雨淋蚀会对危岩体锁固段以及裂隙、节理、层理等结构面产生冲刷和腐蚀，进一步弱化危岩体锁固段和岩体天然结构面的胶结度和强度，加速危岩体锁固段段和结构面破裂进而诱发危岩体的崩塌失稳。由于酸雨气候的地域性和危岩体潜在危险程度差异性以及天然危岩体锁固段隐蔽性，自然状态下的危岩体是否短期崩塌、崩塌时间都难以预知，难以开展长期、系统的现场试验跟踪研究，相比于室外试验，室内试验容易实现对环境变量和危岩体潜在危险程度(危岩体锁固段长度和特性可控)进行控制，为研究上述问题提供了一种有效的研究途径。
3.目前危岩体试验研究存在下面一些问题：
4.1.酸雨淋蚀、干湿交替诱发危岩体灾变的室内物理模拟装置缺乏；
5.2.用于危岩体灾变孕育机制研究的岩体内部破裂有效监测信息缺乏；
6.3.危岩体锁固段微观裂缝的生成、扩展和贯通过程不清楚；
7.4.针对以上问题，亟待提出一种一种酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置和方法，以解决复杂环境下危岩体灾变孕育模拟和灾变前兆不清难题，揭示危岩体灾变孕育过程和机制。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于本发明提供了一种酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置和方法，通过对现场危岩体三维扫描和3d打印技术，等比例缩小打印危岩体模型构件，并通过以现场危岩体结构面处自然风化产物为主要成分的泥质胶结物对打印的危岩体模型构件进行粘结组装，形成危岩体模型进行淋蚀，淋蚀过程中通过酸雨循环淋蚀系统调节模拟自然条件下的淋蚀强度，淋蚀试验结束后将危岩体模型转移到恒温干燥箱中进行恒温干燥。上述方法在最大程度上还原了危岩体的原始状态，降低了室内试验跟自然状态之间的差异性。
9.酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置，包括淋蚀箱、配液箱、模型载台、酸雨循环淋蚀系统、全程实时监测系统。
10.所述淋蚀箱由箱体和箱盖组成，箱体开口端安装有可拆卸箱盖，箱盖外部通过酸雨循环淋蚀系统连接外侧的配液箱，配液箱配属有溶液no3-离子、so4
2-离子浓度和ph值监测装置即离子计，淋蚀箱箱体内安装有监控系统，所述模型载台放置于淋蚀箱箱体内腔中
间位置。
11.所述模型载台为帕姆板材料一体浇筑的整体性载物装置。
12.所述酸雨循环淋蚀系统由两个循环水泵通过输液管连接淋蚀箱和配液箱两个部分；所述循环水泵其中一个通过淋蚀箱箱盖上的循环淋蚀进液阀门和固定在淋蚀箱箱体内的喷淋管相连，另一个循环水泵通过淋蚀箱箱盖上的循环淋蚀出液阀门连接淋蚀箱和配液箱，淋蚀箱箱盖上循环淋蚀出液阀门内部通过输液管连接到淋蚀箱箱内溶液液面以下，外侧通过输液管连接到配液箱箱内溶液液面以下。
13.所述喷淋管，主要是由雾化喷淋头和输液管组成，所述雾化喷淋头可调节溶液流量及雾化程度。
14.所述全程实时监测系统主要由视频监控系统、声发射监测系统、微型钢筋计、微型裂缝计和离子计组成；所述视频监控组的摄像头分别安装于危岩体模型的正视方向、侧视方向和等轴视方向，用以监控危岩体模型的危岩体锁固段、危岩体和危岩体模型整体；所述声发射监测系统所含声发射传感器，分布于危岩体模型的右上方、右下方和危岩体锁固段所在位置处，用以监测危岩体模型内部微观破坏产生的声信号；所述微型钢筋计埋设于危岩体模型内部，横跨模型危岩体主控结构面两侧，用以监测危岩体崩塌过程中产生的裂缝力；所述微型裂缝计固定于危岩体模型上端部，横跨模型危岩体主控结构面两侧，用以监测危岩体崩塌过程中产生的裂缝开度；所述离子计配属于配液箱，用以调配淋蚀溶液以及监测淋蚀溶液的ph值和溶液no3-离子、so4
2-离子浓度。
15.酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
16.步骤1，淋蚀试验开始前，对危岩体模型的预埋监测器，即微型钢筋计和微型裂缝计进行预埋安装，之后使用以现场危岩体结构面处自然风化产物为主要成分的泥质胶结物对打印的危岩体模型构件进行粘结组装，形成危岩体模型，危岩体模型组装结束后，按照预定位置连接固定声发射传感器；
17.步骤2，将处理好的危岩体模型放置于模型载台上，之后将模型载台连同危岩体模型置于淋蚀箱箱体内部中间位置，并对危岩体模型位置进行调整，调整危岩体模型时需要保证危岩体模型的正面和侧面对准视频监控组的正视方向和侧视方向的监控摄像头，以保证监控效果；
18.步骤3，危岩体模型放置完成后，利用离子计在配液箱内调配淋蚀溶液，使淋蚀溶液的no3-离子、so4
2-离子浓度和ph值达到试验方案的目标值，保证离子计始终处于开启状态，用以记录淋蚀过程中淋蚀溶液的离子浓度的变化数据，之后检查循环水泵和输液管之间的连接，并确保配液箱内的输液管处于配液箱箱内液体的液面以下，之后连接淋蚀箱箱盖上的循环淋蚀进液阀和淋蚀箱箱体内的喷淋管，同时调整处于淋蚀箱箱体内和循环淋蚀出液阀连接的输液管，使输液管处于淋蚀箱底部；
19.步骤4，连通电源，开启与淋蚀箱箱盖上的循环淋蚀进液阀连接的循环水泵进行预淋蚀，淋蚀箱箱内液体液面超过箱内和循环淋蚀出液阀连接的输液管；
20.步骤5，开启监控摄像头和声发射装置，从宏观和微观两个方面，对淋蚀过程中的危岩体模型的破坏过程进行监控，设置淋蚀时间和淋蚀强度，开启与淋蚀箱箱盖上的循环淋蚀出液阀连接的循环水泵进行循环淋蚀；
21.步骤6，达到预定淋蚀时间后，关闭与循环淋蚀进液阀连接的循环水泵，保持与循
环淋蚀出液阀连接的循环水泵继续工作，排出淋蚀箱内的积存溶液；之后拆除声发射传感器，取出危岩体模型，静置沥干危岩体模型表面的残留淋蚀溶液，完毕后拷贝视频监控系统的摄像头内部监控数据、声发射监测系统的监测数据、微型钢筋计监测数据、微型裂缝计监测数据和淋蚀过程中离子记记录的溶液离子浓度变化数据；将放置在淋蚀箱内的载物台从淋蚀箱内拿出，然后将剩余残液溶液从淋蚀箱内倒出清理，淋蚀试验结束；
22.步骤7，将危岩体模型，转至恒温干燥箱中进行恒温干燥处理，然后重复上述步骤1～6，进行下一次淋蚀试验；
23.步骤8，重复上述步骤1～7，进行n次酸雨淋蚀和干燥，直至危岩体发生破坏；
24.步骤9，设置不同淋蚀溶液的no3-离子、so4
2-离子浓度、ph、淋蚀强度以及淋蚀时间，重复上述步骤1～8。
25.本发明的有益效果主要表现在：
26.1.本发明试验装置具有危岩体灾变过程模拟的特点，能模拟不同淋蚀强度的酸雨淋蚀作用下危岩体灾变的演化过程；
27.2.本发明试验装置，在危岩体模型上布置有声发射装置，可以收集试验试件在淋蚀过程中产生的声信号，可以收集危岩体灾变孕育过程中的有效信息，以便试验结束后的试验分析；
28.3.本发明试验装置，加设了高清摄像装置对试验试件试验过程中，危岩体锁固段的微观裂缝的生成、扩展和贯通过程进行实施全程监测；
29.4.所述装置主要为帕姆板制造以便于试验的观测，试验试件的主体采用对三维扫描和3d打印技术现场危岩体等比例缩小制作，危岩体锁固段采用的胶结物是以现场风化产物为主要成分的泥质胶结物，以提高试验环境与原生环境的相似度。
附图说明
30.图1本发明酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置主视图；
31.图2本发明酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置
ⅰ‑ⅰ
剖视图；
32.图3本发明酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置酸雨循环淋蚀系统箱外详图；
33.图4本发明酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置喷淋管详图；
34.图5本发明酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置危岩体模型前视图；
35.图6本发明酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置危岩体模型俯视图；
36.1-淋蚀箱，101-淋蚀箱箱盖，102-淋蚀箱箱体，2-配液箱，3-离子计，4-循环淋蚀出液阀，401-循环淋蚀出液阀进液口,402-循环淋蚀出液阀出液口，5-循环淋蚀进液阀，501-循环淋蚀进液阀进液口，502-循环淋蚀进液阀出液口，6-输液管，7-视频监控系统，701-等轴视摄像头，702-侧视摄像头，703-正视摄像头，8-喷淋管，801-喷淋管进液管，802-雾化喷淋头，9-声发射监测系统，10-模型载台，11-危岩体模型，1101-危岩体，1102-危岩体主控结构面，1103-模型层理，1104-微型裂缝计，1105-微型钢筋计，12-循环进水泵，1201-循环进水泵进液口，1202-循环进水泵出液口，13-循环出水泵，1301-循环出水泵进液口，1302-循环出水泵出液口。具体实施案例
37.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
38.如图1至图3所示，酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置，包括淋蚀箱1、配液箱2、模型载台10、酸雨循环淋蚀系统、全程实时监测系统；所述淋蚀箱1由箱体102和箱盖101组成，箱体102开口端安装有可拆卸箱盖101，箱盖101上通过酸雨循环淋蚀系统连接外侧的配液箱2，配液箱2配属有溶液no3-离子、so4
2-离子浓度和ph值监测装置即离子计12，淋蚀箱箱体102内安装有视频监控系统7，所述模型载台10放置于淋蚀箱箱体102内腔中间位置，淋蚀箱的尺寸为长度500mm
×
宽度500mm
×
高度500mm，采用帕姆板材料制成，模型载台10的长宽高尺寸为300mm
×
300mm
×
200mm，采用帕姆板材料制成；本发明通过对现场危岩体三维扫描和3d打印技术，等比例缩小打印危岩体模型11的各部位构件，并通过以现场风化产物为主要成分的泥质胶结物，对模型构件进行粘结组装，淋蚀过程中通过酸雨循环淋蚀系统调节模拟自然条件下的淋蚀强度。上述方法在最大程度上还原了危岩体的原始状态，降低了室内试验跟自然状态之间的差异性。
39.所述酸雨循环淋蚀系统包括配液箱2、循环进水泵12、循环出水泵13、循环淋蚀出液阀4、循环淋蚀进液阀5、输液管6、喷淋管8，所述输液管6为连接酸雨循环淋蚀系统各构件之间的输液管道；所述输液管6和喷淋管8均采用pvc材质；所述喷淋管8处于淋蚀箱箱体102内部靠近箱口位置，环形固定于箱体2的箱壁上，通过喷淋管进液管801连接循环淋蚀进液阀出液口502处于箱盖101内部的快速接头上，箱盖102外部循环淋蚀进液阀5通过输液管6连接到循环进水泵出液口1202上，经过循环进水泵进液口1201连接深入到配液箱2内的输液管6；循环出水泵13的循环出水泵进液口1301通过输液管6连接到循环淋蚀出液阀出液口402，循环淋蚀出液阀进液口401与深入到淋蚀箱箱体102底部的输液管6连接，循环出水泵13的循环出水泵出液口1302连接到深入到配液箱2内的输液管6。
40.所述模型载台10为帕姆板材料一体浇筑的整体性载物装置。
41.所述喷淋管8，主要是由雾化喷淋头802和输液管6组成，所述雾化喷淋头可调节溶液流量及雾化程度，并通过喷淋管进液管与循环淋蚀进液阀出液口502连接。
42.所述全程实时监测系统主要由视频监控系统7、声发射监测系统9、微型钢筋计1105、微型裂缝计1104和离子计3组成。所述视频监控组7的摄像头包括固定在危岩体模型的正视方向的正视摄像头703、侧视方向的侧视摄像头702和等轴视方向的等轴视摄像头701，用以监控危岩体模型11的危岩体锁固段、危岩体和模型整体；所述声发射监测系统9所含声发射传感器，分布于危岩体模型11的右上方、右下方和危岩体锁固段所在位置处，用以监测危岩体模型11内部微观破坏产生的声信号；所述微型钢筋计1105埋设于危岩体模型内部，横跨危岩体主控结构面1102两侧，用以监测危岩体崩塌过程中产生的裂缝力；所述微型裂缝计1104固定于危岩体模型上端部，横跨危岩体主控结构面1102两侧，用以监测危岩体崩塌过程中产生的裂缝开度；所述离子计3配属于配液箱2，用以调配淋蚀溶液以及监测淋蚀溶液的ph值和溶液no3-离子、so4
2-离子浓度。
43.酸雨干湿交替下危岩体灾变孕育物理模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
44.步骤1，淋蚀试验开始前，对危岩体模型11的预埋监测器，即微型钢筋计1105和微型裂缝计1104进行预埋安装，之后使用以现场危岩体结构面处自然风化产物为主要成分的泥质胶结物对打印的危岩体模型构件进行粘结组装，形成危岩体模型11，危岩体模型11组装结束后，按照预定位置连接固定声发射监测系统9的声发射传感器；
45.步骤2，将处理好的危岩体模型11放置于模型载台10上，之后将模型载台10连同危岩体模型11置于淋蚀箱箱体102内部中间位置，并对危岩体模型11位置进行调整，调整危岩体模型11时需要保证危岩体模型的正面和侧面对准视频监控组7的正视摄像头703和侧视摄像头702的监控摄像头，以保证监控效果；
46.步骤3，危岩体模型11放置完成后，利用离子计3在配液箱2内调配淋蚀溶液，使淋蚀溶液no3-离子、so4
2-离子浓度达到0.001mol/l和ph值达到3，保证离子计3始终处于开启状态，用以记录淋蚀过程中淋蚀溶液的离子浓度的变化数据，之后检查循环进水泵12、循环出水泵13、循环淋蚀出液阀4、循环淋蚀进液阀5、输液管6、喷淋管8之间的连接，并确保配液箱2内的输液管6处于配液箱2箱内液体的液面以下，之后连接淋蚀箱箱盖101上的循环淋蚀进液阀5和淋蚀箱箱体102内的喷淋管8，同时调整处于淋蚀箱箱体102内和循环淋蚀出液阀4连接的输液管6，使输液管6处于淋蚀箱箱体1底部；
47.步骤4，连通电源，开启与淋蚀箱箱盖101上的循环淋蚀进液阀5连接的循环进水泵12进行预淋蚀，淋蚀箱1箱内液体液面超过箱内输液管6；
48.步骤5，开启视频监控系统7和声发射监测系统9，从宏观和微观两个方面，对淋蚀过程中的危岩体模型11的破坏过程进行监控，设置淋蚀时间为1d和淋蚀强度为1l/min，开启与淋蚀箱箱盖上101的循环淋蚀出液阀4连接的循环水泵13进行循环淋蚀；
49.步骤6，达到预定淋蚀时间后，关闭与循环淋蚀进液阀5连接的循环进水泵12，保持与循环淋蚀出液阀4连接的循环出水泵13继续工作，排出淋蚀箱箱体102内的积存溶液；之后拆除声发射监测系统9的声发射传感器，取出危岩体模型11，静置沥干危岩体模型11表面的残留淋蚀溶液，完毕后拷贝视频监控系统7的摄像头内部监控数据、声发射监测系统9的监测数据、微型钢筋计1105监测数据、微型裂缝计1104监测数据和淋蚀过程中离子记3记录的溶液离子浓度变化数据；将放置在淋蚀箱箱体102内的载物台10从淋蚀箱箱体102内取出，然后对淋蚀箱箱体102内的剩余残液溶液进行清理，淋蚀试验结束；
50.步骤7，将取出的危岩体模型11，转至恒温干燥箱中进行35℃恒温干燥处理，然后重复上述步骤1～6，进行下一次淋蚀试验；
51.步骤8，重复上述步骤1～7，进行n次酸雨淋蚀和干燥，直至危岩体1101发生破坏；
52.步骤9，设置淋蚀溶液的no3-离子、so4
2-离子浓度为0.0001、ph为4、淋蚀强度1l/min以及淋蚀时间1d，重复上述步骤1～8。