观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置和方法及分析方法

本发明涉及岩土力学试验，尤其涉及一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置和方法及分析方法。

背景技术：

1、我国永久性和季节性寒区面积约占国土总面积的3/4。冻融环境条件或寒区岩土工程中冻融环境的变化，对岩石稳定性影响是一个不可忽视的因素。我国岩块的冻融损伤现象主要出现在在青海、西藏等高海拔地区。冻融风化作用下的岩石损伤程度，是青藏高原高海拔寒冷地区岩石工程长期安全性考虑的最重要因素之一，岩石的冻融损伤是由于在昼夜或季节性温差较大的地区，岩体由于剧烈的热胀冷缩、冻胀力萌生消散等现象而造成结构的破坏或质量的退化。这种岩石的冻融损伤对我国西部高铁、火车等一些基础设施的建设造成了巨大的挑战。因此，揭示岩体中裂隙的冻融开裂扩展过程，是目前寒区工程研究中亟待解决的关键科学问题之一。

2、目前，岩石在冻融过程中的观测手段不够充分，冻融的过程对于机器本身的损伤过大，冻融的过程不够精确和自动化。鉴于上述原因，急需提供一种原理科学、结构简单、方便操作、冻融效果好的全方位观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置和方法及分析方法。本发明的模型箱底板固定有样品转台，样品转台共有5个；样品转台的布置为两列三排平行放置，其中第二排只放置一个样品转台，用于ct扫描；样品转台的旋转受到计算机模块的控制，配合ct机和三维激光扫描仪进行扫描，控制试件所在的样品转台不旋转。本发明能够在冻融循环试验中全方位观测岩块冻融损伤演化过程，从而尽可能使冻融循环试验得出的结果客观准确。

2、本发明的技术方案是：一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，包括模型箱，除面向ct机、摄像机和三维激光扫描仪方向不设置聚氨酯保温层，模型箱外表面的其他部分包裹一层聚氨酯保温层；模型箱的顶部设置水汽收集装置，模型箱底板固定有样品转台，样品转台共有5个；其特征在于：样品转台的布置为两列三排平行放置，其中第二排只放置一个样品转台，用于ct扫描；样品转台的旋转受到计算机模块的控制，配合ct机和三维激光扫描仪进行扫描，控制试件所在的样品转台不旋转；冻融加热系统硬件电路包括中央控制模块、温度收集模块、半导体模块、排气扇和半导体模块控制电路；温度收集模块包括一个环境温度传感器和一个热敏电阻温度传感器；环境温度传感器设置在模型箱左侧上部，热敏电阻温度传感器设置在控制试件内部；环境温度传感器将温度信息传递给中央控制模块；热敏电阻温度传感器将温度信息传递给中央控制模块；中央控制模块根据实时信息判断岩石试件是否制冷/制热完成；半导体模块控制电路控制半导体的开关以及功率大小；排气扇设置在水箱下方；半导体模块安装在水箱一侧，半导体模块包括制冷片、风扇；制冷片均分为两组，一组为制冷模块，一组为制热模块；水箱、下水槽、第二水管、第一水管、自动水阀、水泵构成水循环系统；水箱与半导体模块的冷热交换面接触；下水槽放置在模型箱底部，水泵位于下水槽中；下水槽和水箱之间用第一水管链接；水流由水泵从下水槽中抽水至水箱，再从水箱中流入下水槽；模型箱整体放在下水槽上；第三水管、水表，喷水头构成降雨系统；第三水管与第二水管相连；第三水管通过水表与喷水头连接；温度收集模块、图像采集装置、冻胀力采集装置构成信息监测系统，环境温度传感器与计算机模块连接，热敏电阻温度传感器与采集卡连接；图像采集装置包括ct机、三维激光扫描仪和摄像机，ct机设置在模型箱外部，三维激光扫描仪放置在模型箱右侧，摄像机放置在模型箱右侧；ct机、摄像机、三维激光扫描仪、采集卡均通过数据线与计算机模块连接；冻胀力采集装置包括电阻式压力传感器和采集卡，电阻式压力传感器为多个，间隔分布在控制试件上，多个电阻式压力传感器分别通过数据线与采集卡相连接。

3、根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：模型箱为由透明pet材料构成的长方体状容器，模型箱前端设置有密封门，密封门上有把手。

4、根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：水汽收集装置由透明塑料组成，水汽收集装置底部和侧面有镂空的孔洞。

5、根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：还包括声光报警模块，声光报警模块安装在模型箱外部。

6、根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：制冷片为tec-12706单级半导体制冷片。

7、根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：下水槽中设置液位探测器，当水位低于下水槽高度的三分之一时，向计算机模块发出信号。

8、根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：第一水管穿出下水槽延伸后穿回下水槽，延伸部分装有自动水阀和过滤装置。

9、根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：模型箱底板右侧孔洞的上方固定铁丝网。

10、本发明还公开了一种观测岩块冻融损伤演化过程的分析方法：其特征在于：

11、a.将岩石试件主要划分为4个部分：a.岩石试件顶端、b.岩石试件顶端与侧面交汇处、c.岩石侧面中部、d.岩石侧面底部

12、b.根据需求，在四个部分内沿着风化程度最高的地方划分剖面线，

13、c.利用三维激光扫描仪，提取剖面线的起伏线进行分析；

14、d.将每条剖面线均分为若干个点；

15、e.以风化前的坐标作为基点，用基点的坐标减去现在剖面线上对应点的坐标，得出剖面线上各点的相对风化深度，以每条剖面线上的点为横坐标，各点的相对风化深度为纵坐标，整合成一条凹凸不平的相对风化深度线图；

16、f.根据相对风化深度线图得到：在相同冻融循环程度下，岩石试件在不同位置上的风化程度；在不同冻融循环程度下，相同部分相同剖面线的风化程度变化程度。

17、本发明还公开了一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

18、1.人工制作岩石试件；同时制备一个与岩石试件相同的控制试件，内置热敏电阻温度传感器和多个电阻式压力传感器；

19、2.将多个岩石试件和控制试件置于的恒温箱中烘干，采用真空饱和仪对岩样进行0.1mpa条件下的强制饱水；

20、3.将岩石试件、控制试件置于样品转台中；

21、4.设置制冷和制热温度、冻融循环次数、降雨系统流量大小；

22、5.从下水槽的开口处注水，同时开启水泵，让水流从下水槽中运至水箱，再从水箱中流向下水槽；然后当下水槽中的水位达到下水7高度的四分之三处后，停止注水；

23、6.打开电源，半导体模块开始工作；

24、7.在冻融循环全过程，通过温度收集模块实时控制试件内部温度和模型箱内部温，将监测的内部温度数据反馈给计算机模块，每一次冻融循环结束时，摄像机和三维激光扫描仪采集试样数据，并将监测数据反馈给计算机模块；冻胀力采集装置记录水分相变产生的冻胀力，并将监测数据反馈给计算机模块；

25、8.三维激光扫描仪扫描岩石试件的三维数据并完整地采集到计算机模块中，重构出目标的三维点云模型；将所采集的三维点云数据进行计量、分析、模拟展示监测，分析岩石试件在不同冻融循环次数后，表面细观结构损伤的扩展演化规律；扩展演化规律按照权利要求9所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的分析方法进行分析；

26、9.对岩石试件进行扫描，得到不同层位的ct图像；

27、10.对ct图像进行处理：

28、a.ct图像化处理：基于ct图像采用计盒维数来表征岩石孔隙结构的分形维数，建立孔隙分形维数均值与冻融次数的关系图和岩石孔隙率与孔隙分形维数的关系图；

29、b.ct数字化处理：利用密度损伤量增量分析岩石损伤的细观过程，并建立密度损伤量增量与冻融循环次数之间的关系图；

30、c.ct三维化处理：在图像二值化的基础上进行数字岩心三维可视化。