[發明專利]一種巖體含冰裂縫網絡凍脹擴展過程監測試驗系統及方法

在審

• 申請號: 202010097642.3
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111198136A
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發明（設計）人: 王宇;李搏;高少華;馬進強;易雪楓
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18;G01N3/06
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供一種巖體含冰裂縫網絡凍脹擴展過程監測試驗系統及方法，屬于巖土力學技術領域。該系統包括真三軸加載裝置、溫度控制采集系統、凍脹力采集控制系統和聲發射采集系統。真三軸加載裝置位于凍融環境箱體內部，由自鎖裝置固定。溫度控制采集系統位于凍融環境箱體右側，整個溫度系統依靠箱體內的溫度傳感器來監測。凍脹力采集控制系統通過在巖石試件裂隙安裝的凍脹力測量傳感器，將壓力傳感器接受的信號轉換成電信號輸送給電腦終端進行分析。聲發射采集系統通過聲發射探頭收集巖體破裂的聲信號輸送給終端控制系統。本發明能快速并準確地反映低溫巖體內冰裂縫的擴展進程及損傷情況，精確地定位巖體破裂范圍，為寒區巖體工程建設提供參考。

技術領域

本發明涉及巖土力學技術領域，特別是指一種巖體含冰裂縫網絡凍脹擴展過程監測試驗系統及方法。

背景技術

低溫裂隙巖體凍融損傷與破壞一直是寒區巖體工程建設中的關鍵科學問題。寒區巖體工程建設、地下液化氣低溫儲存以及古建筑文物保護等都涉及到巖體凍融損傷問題，對于裂隙巖體而言，凍融循環下的溫度應力與水-冰相變產生的凍脹力反復拉伸裂隙尖端，會引起裂隙擴展、貫通，從而引起圍巖斷裂，對低溫地下工程的穩定性構成了極大威脅。在凍融循環作用下，巖體中的含水裂隙會經歷凍脹力的萌生、發展與消散，裂隙凍脹擴展與巖體凍融損傷程度也受到凍脹力的控制，對于飽和低滲透性巖體，裂隙中會產生較大的凍脹力。而裂隙巖體凍融損傷與斷裂主要是由于裂隙凍脹力引起裂隙凍脹擴展演化的結果。

誘發巖體凍害的主要因素一方面是裂隙中的水分在低溫環境下產生的凍脹作用，另一方面由于工程巖體賦存于地應力環境中，外部荷載會限制裂隙凍脹過程，從而直接影響裂隙凍脹力演化過程與量值大小。裂隙巖體中存在大量隨機不連續分布的地質結構面，比如節理、斷層等，這些發育程度不同的結構弱面致使其具有明顯的各向異性特征，部分結構面受凍脹作用的影響較大，甚至會加速裂縫的擴展演化導致巖體快速損壞，而今國內外對巖體內部各類結構面的研究較多，但缺乏對冰裂縫凍脹過程的研究，如何預防巖體因冰裂縫的凍脹擴展而導致巖體損傷破壞值得深入思考。因此，有效的監測冰裂縫的凍脹擴展過程就具有了重要意義。

真三軸加載試驗裝置是模擬巖土體在受到荷重的情況下，巖土體內任一小單元所承受的應力狀態。一般的真三軸試驗常有兩種加載方式：三個方向剛性加載、兩個方向剛性加載與一個方向柔性加載。試樣一般為立方體。試驗時對試樣各個互相垂直的主應力面分別施加應力，即試樣在三個互相垂直面上施加各自獨立的三個主應力σ1、σ2、σ3，測定相應的主應變ε1、ε2、ε3和體積變化等。真三軸試驗方法測定的結果比常規三軸試驗即軸對稱三軸試驗更能反映真實的本構關系，也更復雜。

聲發射簡稱AE，是指材料在應力作用下因裂縫擴展、塑性變形或相變等引起應變能快速釋放而產生瞬態應力波的普遍物理現象，而幾乎所有的巖石材料在塑性變形和斷裂破壞時都會產生聲發射信號。巖石材料在外力作用下產生的聲發射信號強度很弱，人耳無法直接捕捉到，需要藉助靈敏的電子儀器才能監測。利用儀器檢測、分析接收到的聲發射信號來研究、推斷材料、動態評價結構的完整性稱為聲發射檢測技術。與其它無損檢測方法相比，聲發射檢測技術是一種非常規的動態實時無損檢測方法，由于其獨特的實時和動態檢測性能，可以連續不間斷的監測巖體破壞整個過程的內部損傷及變形，而巖石的破壞失效實際上是內部裂紋萌生、擴展直至形成宏觀裂紋破壞的過程。因此，巖體受凍脹作用破壞與巖石的聲發射現象之間存在著必然的聯系。但目前大部分巖石三軸壓縮聲發射特性實驗研究主要是針對單軸和常規三軸聲發射特征規律，涉及真三軸條件下巖石破壞過程聲發射特征規律的研究成果則相對較少。

因此，本發明設計了一種利用聲發射系統監測巖體冰裂縫凍脹擴展過程的真三軸加載試驗系統及相應的試驗方法，包括真三軸加載系統，溫度控制系統，聲發射采集系統與凍脹力采集控制系統，用以探測低溫裂隙巖體在不同溫度及不同的凍融循環條件下凍脹損傷與破壞時，巖體內部冰裂縫的擴展變化情況。聲發射能精確定位到巖體裂縫變化的范圍及破裂信息，提高了巖石在凍脹作用下破裂過程中重構圖像的精度，更好的揭示低溫裂隙巖體在不同條件下的破裂演化過程。