[实用新型]一种岩体含冰裂缝网络冻胀扩展过程监测试验系统

说明书

本实用新型提供一种岩体含冰裂缝网络冻胀扩展过程监测试验系统，属于岩土力学技术领域。该系统包括真三轴加载装置、温度控制采集系统、冻胀力采集控制系统和声发射采集系统。真三轴加载装置位于冻融环境箱体内部，由自锁装置固定。温度控制采集系统位于冻融环境箱体右侧，整个温度系统依靠箱体内的温度传感器来监测。冻胀力采集控制系统通过在岩石试件裂隙安装的冻胀力测量传感器，将压力传感器接受的信号转换成电信号输送给电脑终端进行分析。声发射采集系统通过声发射探头收集岩体破裂的声信号输送给终端控制系统。本实用新型能快速并准确地反映低温岩体内冰裂缝的扩展进程及损伤情况，精确地定位岩体破裂范围，为寒区岩体工程建设提供参考。

技术领域

本实用新型涉及岩土力学技术领域，特别是指一种岩体含冰裂缝网络冻胀扩展过程监测试验系统。

背景技术

低温裂隙岩体冻融损伤与破坏一直是寒区岩体工程建设中的关键科学问题。寒区岩体工程建设、地下液化气低温储存以及古建筑文物保护等都涉及到岩体冻融损伤问题，对于裂隙岩体而言，冻融循环下的温度应力与水-冰相变产生的冻胀力反复拉伸裂隙尖端，会引起裂隙扩展、贯通，从而引起围岩断裂，对低温地下工程的稳定性构成了极大威胁。在冻融循环作用下，岩体中的含水裂隙会经历冻胀力的萌生、发展与消散，裂隙冻胀扩展与岩体冻融损伤程度也受到冻胀力的控制，对于饱和低渗透性岩体，裂隙中会产生较大的冻胀力。而裂隙岩体冻融损伤与断裂主要是由于裂隙冻胀力引起裂隙冻胀扩展演化的结果。

诱发岩体冻害的主要因素一方面是裂隙中的水分在低温环境下产生的冻胀作用，另一方面由于工程岩体赋存于地应力环境中，外部荷载会限制裂隙冻胀过程，从而直接影响裂隙冻胀力演化过程与量值大小。裂隙岩体中存在大量随机不连续分布的地质结构面，比如节理、断层等，这些发育程度不同的结构弱面致使其具有明显的各向异性特征，部分结构面受冻胀作用的影响较大，甚至会加速裂缝的扩展演化导致岩体快速损坏，而今国内外对岩体内部各类结构面的研究较多，但缺乏对冰裂缝冻胀过程的研究，如何预防岩体因冰裂缝的冻胀扩展而导致岩体损伤破坏值得深入思考。因此，有效的监测冰裂缝的冻胀扩展过程就具有了重要意义。

真三轴加载试验装置是模拟岩土体在受到荷重的情况下，岩土体内任一小单元所承受的应力状态。一般的真三轴试验常有两种加载方式：三个方向刚性加载、两个方向刚性加载与一个方向柔性加载。试样一般为立方体。试验时对试样各个互相垂直的主应力面分别施加应力，即试样在三个互相垂直面上施加各自独立的三个主应力σ1、σ2、σ3，测定相应的主应变ε1、ε2、ε3和体积变化等。真三轴试验方法测定的结果比常规三轴试验即轴对称三轴试验更能反映真实的本构关系，也更复杂。

声发射简称AE，是指材料在应力作用下因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生瞬态应力波的普遍物理现象，而几乎所有的岩石材料在塑性变形和断裂破坏时都会产生声发射信号。岩石材料在外力作用下产生的声发射信号强度很弱，人耳无法直接捕捉到，需要借助灵敏的电子仪器才能监测。利用仪器检测、分析接收到的声发射信号来研究、推断材料、动态评价结构的完整性称为声发射检测技术。与其它无损检测方法相比，声发射检测技术是一种非常规的动态实时无损检测方法，由于其独特的实时和动态检测性能，可以连续不间断的监测岩体破坏整个过程的内部损伤及变形，而岩石的破坏失效实际上是内部裂纹萌生、扩展直至形成宏观裂纹破坏的过程。因此，岩体受冻胀作用破坏与岩石的声发射现象之间存在着必然的联系。但目前大部分岩石三轴压缩声发射特性实验研究主要是针对单轴和常规三轴声发射特征规律，涉及真三轴条件下岩石破坏过程声发射特征规律的研究成果则相对较少。

因此，本实用新型设计了一种利用声发射系统监测岩体冰裂缝冻胀扩展过程的真三轴加载试验系统及相应的试验方法，包括真三轴加载系统，温度控制系统，声发射采集系统与冻胀力采集控制系统，用以探测低温裂隙岩体在不同温度及不同的冻融循环条件下冻胀损伤与破坏时，岩体内部冰裂缝的扩展变化情况。声发射能精确定位到岩体裂缝变化的范围及破裂信息，提高了岩石在冻胀作用下破裂过程中重构图像的精度，更好的揭示低温裂隙岩体在不同条件下的破裂演化过程。