[发明专利]岩石含冰裂隙的冻胀变形扩展实时监测系统及其监测方法

说明书

本发明公开了岩石含冰裂隙的冻胀变形扩展实时监测系统及其监测方法，岩石含冰裂隙的冻胀变形扩展实时监测系统包括CT扫描系统、岩石冻融系统、裂隙变形测量系统和冻胀力测量系统；CT扫描系统包括竖直机架、面阵探测器、X射线发射机、旋转系统和底座；岩石冻融系统包括储水桶、冷冻桶和冷冻循环系统，储水桶位于所述冷冻桶上方，岩石样品置于冷冻桶内，冷冻桶安装在旋转系统上，冷冻循环系统与冷冻桶连接；裂隙变形测量系统和冻胀力测量系统均与岩石样品连接，分别用来测量岩石样品冻结过程中的变形情况和冻胀力变化情况；本发明不仅能够对岩石裂隙的冻胀变形进行测量，还能实时观测冻融循环作用下岩石含冰裂隙的扩展演化细观过程。

技术领域

本发明涉及岩体力学技术领域，尤其涉及岩石含冰裂隙的冻胀变形扩展实时监测系统及其监测方法。

背景技术

在矿山建设及矿产资源开采的过程中，西部高寒地区矿山边坡裂隙岩体由于环境的特殊性，长期面临着复杂的冻融灾害问题。裂隙岩体是一类复杂的岩体，内部一般都由岩石颗粒、胶结材料、微裂纹等组合而成，内部裂纹、节理缺陷直接影响岩体稳定性，在长期的冻融作用下，裂隙岩体中裂隙水不断发生水冰相变，由水冻结成冰时发生9%的体积膨胀产生的冻胀力持续驱动裂隙扩展或者产生新生裂纹，继而引起裂隙的扩展、碎裂，物理力学性质骤降，从而引起围岩断裂。岩石材料冻融损伤的本质，是温度周期正负变化，固体材料内部水不断发生相变和位移，在冰的冻胀力作用下使岩体裂纹尖端产生巨大的力而扩展损伤，反复冻结融化从而产生宏观裂纹，在冻胀破坏作用下，裂隙的演化对寒区工程的稳定性、安全性造成严重的威胁。

为了描述裂纹的形态特征，裂纹相对张开度是常用的指标之一，相对张开度是裂纹张开度与裂纹长度的比值，张开度就是所说的裂纹宽度，裂纹宽度作为描述岩石裂纹重要形态特征，也是研究影响岩石冻胀开裂的重要因素，因此对含冰裂隙扩展过程中变形的监测十分重要。研究表明因水冰相变后体积膨胀产生的冻胀力是驱动裂隙扩展或诱发新生裂隙的根本原因，因此研究冻融循环作用下岩石含冰裂隙的扩展演化机制和冻胀力演化规律，对寒区岩体长期稳定性预测及保障矿山安全开采具有重要意义。

传统冻融试验设置好温度后将试样直接放入恒温箱内进行冻融循环，试验结束后取出进行相应的力学试验，因此无法实现在冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀扩展的实时观测。

在公开号为CN105334240A，名称为一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置中，公开了一种可以连续测试冻胀过程中岩体裂隙的冻胀变形，得出不同冻胀阶段的裂隙变形特征的测试装置，但是该装置仅能实现不同冻结条件下冻胀位移的测量，功能过于匮乏，也无法对岩石冻融过程的内部结构变化进行实时的观测。

目前工业CT扫描技术为研究材料内部结构提供了有效的实验技术手段，工业CT能够利用X 射线穿透物体断面进行旋转扫描并借助高性能计算机系统实现内部图像的重建。因此工业CT扫描技术成为了研究在冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀扩展实时监测的重要手段，而技术关键在于研发与工业CT机配套的含冰裂隙冻胀扩展实时监测系统及方法。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种岩石含冰裂隙的冻胀变形扩展实时监测系统及其监测方法，不仅能够对岩石裂隙的冻胀变形进行测量，还能实时观测冻融循环作用下岩石含冰裂隙的扩展演化细观过程。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

岩石含冰裂隙的冻胀变形扩展实时监测系统，其特征在于：包括CT扫描系统、岩石冻融系统、裂隙变形测量系统和冻胀力测量系统；

所述CT扫描系统包括竖直机架、面阵探测器、X射线发射机、旋转系统和底座，所述底座上对称且相向设置有两个竖直机架，其中一个竖直机架的内侧面滑动连接有面阵探测器，另外一个竖直机架的内侧面滑动连接有X射线发射机；所述旋转系统安装在所述底座上，且位于两个所述竖直机架之间；