一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统及方法与流程

1.本发明属于岩体力学技术领域，具体涉及一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统及方法。


背景技术：

2.随着我国经济的发展，西部高海拔高寒地区的基础建设也与日俱增，如青藏铁路、青藏公路、川藏铁路的修建，而低温冻胀会对寒区岩体工程造成不可逆转的危害。岩体中分布有大量的原生裂隙，在低温条件下，岩体原生裂隙中的水会冻结成冰，体积膨胀约为9％，对裂隙产生挤压，促使原生裂隙进一步扩展，对岩体工程的安全稳定造成威胁。
3.目前，对低温条件下岩石裂隙冻胀力的监测方法可以分为间接测量法和直接测量法两类，间接测量法包括光弹法和裂缝变形监测法，间接测量法需要通过一些假设去反算出冻胀力的值，试验测试精度较差，误差也难以控制。而直接测量法需要使用单点式测量传感器进行测量，无法实现对整个裂隙面冻胀力实时监测，且由于单点式测量传感器布置在裂隙面的位置不同，所测的冻胀力也会不同，而对冻融条件下岩石裂隙温度的监测也多为单点式监测，并且温度测点与冻胀力测点不在统一位置，因此两者无法一一对应起来。
4.公开号为cn112067636a、名称为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的专利提供了一种对冻融条件下岩石裂隙扩展变形的监测方法，其对ct扫描系统进行了改造并加上了冻融装置，通过ct试验机来监测冻融过程中岩石裂隙的扩展情况，然而ct试验机较为精密，改造难度大，试验价格昂贵，而且当试样的尺寸过大时，ct试验机发出的射线很难穿透试样，无法进行监测。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统及方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统，包括：
7.冻融箱，用于冻融岩石样本；所述岩石样本放置于所述冻融箱内部，所述岩石样本表面具有岩石裂隙；
8.温度压力传感器，用于监测冻融过程中所述岩石裂隙的温度变化和压力变化；所述温度压力传感器设置于所述岩石裂隙处；
9.裂隙计，用于监测冻融过程中所述岩石裂隙的张开度变化；所述裂隙计设置于所述岩石裂隙处；
10.裂纹扩展计，用于监测冻融过程中所述岩石裂隙的尖端扩展变化；所述裂纹扩展计设置于所述岩石裂隙处；
11.数据处理装置，用于处理各零件的监测数据；所述数据处理装置设置于所述冻融箱外部，且分别与所述温度压力传感器、所述裂隙计和所述裂纹扩展计连接。
12.优选地，所述数据处理装置包括：第一数据采集线、第一数据采集器和第一数据处理器，其中，所述第一数据采集器和所述第一数据处理器均设置于所述冻融箱外部，所述第一数据采集线的第一端穿过所述冻融箱并与所述温度压力传感器连接，所述第一数据采集线的第二端与所述第一数据采集器连接，所述第一数据采集器与所述第一数据处理器连接。
13.优选地，所述冻融箱上设置有第一通孔，所述第一数据采集线通过所述第一通孔，所述第一通孔中设置有第一弹性橡胶塞，所述第一弹性橡胶塞包裹所述第一数据采集线并封堵所述第一通孔。
14.优选地，所述数据处理装置包括：第二数据采集线、第三数据采集线、第二数据采集器、第三数据采集器和第二数据处理器，其中，所述第二数据采集器、所述第三数据采集器和所述第二数据处理器均设置于所述冻融箱外部，所述第二数据采集线的第一端穿过所述冻融箱并与所述裂隙计连接，所述第三数据采集线的第一端穿过所述冻融箱并与所述裂纹扩展计连接，所述第二数据采集线的第二端与所述第二数据采集器连接，所述第三数据采集线的第二端与所述第三数据采集器连接，所述第二数据采集器和所述第三数据采集器均与所述第二数据处理器连接。
15.优选地，所述冻融箱上设置有第二通孔和第三通孔，所述第二数据采集线通过所述第二通孔，所述第三数据采集线通过所述第三通孔，所述第二通孔中设置有第二弹性橡胶塞，所述第二弹性橡胶塞包裹所述第二数据采集线并封堵所述第二通孔，所述第三通孔中设置有第三弹性橡胶塞，所述第三弹性橡胶塞包裹所述第三数据采集线并封堵所述第三通孔。
16.优选地，所述温度压力传感器布置在所述岩石裂隙的一侧，所述温度压力传感器的尺寸与所述岩石裂隙的尺寸相匹配。
17.优选地，所述温度压力传感器具有温度检测点和压力检测点，所述温度检测点和所述压力检测点的位置重合，且二者检测频率相同
18.优选地，所述裂隙计横跨所述岩石裂隙布置，所述裂隙计的两端对应插入所述岩石裂隙两端的安装孔中，所述安装孔中密封设置有环氧树脂密封，所述裂隙计的两端对应插入所述环氧树脂中。
19.优选地，所述裂纹扩展计紧密粘贴于所述岩石样本表面，所述岩石裂隙的两个尖端位置均布置有所述裂纹扩展计。
20.本发明还提供了一种冻融条件下岩石裂隙实时监测方法，基于如上述中任一所述的冻融条件下岩石裂隙实时监测系统实现，所述方法包括步骤：
21.对岩石样本进行预处理并在其表面形成岩石裂隙；
22.将温度压力传感器设置于所述岩石裂隙处；
23.将裂隙计设置于所述岩石裂隙处；
24.将裂纹扩展计设置于所述岩石裂隙处；
25.将所述岩石样本放入冻融箱；
26.将所述数温度压力传感器、所述裂隙计和所述裂纹扩展计与所述冻融箱外部的据处理装置连接；
27.设置所述冻融箱的工作参数；
28.实时监测所述据处理装置的数据。
29.本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本技术提供的一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统及方法，可以清楚地知道岩石裂隙内任意一点的冻胀力以及温度的变化情况，还能便捷经济地监测岩石裂隙尖端的扩展及变形情况，并且可以对尺寸较大的试样进行试验；可以探测冻融条件下岩石裂隙空间内冻胀力、温度的实时演化规律，以及裂隙尖端的扩展及变形情况，具有结构简单，试验操作简单，成本低的优点。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
31.图1是本发明实施例提供的一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统的示意图；
32.图2是本发明实施例提供的一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统的示意图；
33.图3是本发明实施例提供的一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统的侧视示意图；
34.图4是本发明实施例提供的一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统的俯视示意图。
具体实施方式
35.下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
36.在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
37.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
38.如图1-4，在本技术实施例中，本发明提供了一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统，包括：
39.冻融箱1，用于冻融岩石样本6；所述岩石样本6放置于所述冻融箱1内部，所述岩石样本6表面具有岩石裂隙；
40.温度压力传感器2，用于监测冻融过程中所述岩石裂隙的温度变化和压力变化；所述温度压力传感器2设置于所述岩石裂隙处；
41.裂隙计3，用于监测冻融过程中所述岩石裂隙的张开度变化；所述裂隙计3设置于所述岩石裂隙处；
42.裂纹扩展计4，用于监测冻融过程中所述岩石裂隙的尖端扩展变化；所述裂纹扩展计4设置于所述岩石裂隙处；
43.数据处理装置5，用于处理各零件的监测数据；所述数据处理装置5设置于所述冻融箱1外部，且分别与所述温度压力传感器2、所述裂隙计3和所述裂纹扩展计4连接。
44.在本技术实施例中，当使用本技术提供的冻融条件下岩石裂隙实时监测系统时，首先对岩石样本6进行预处理并在其表面形成岩石裂隙，然后将温度压力传感器2设置于所述岩石裂隙处，将裂隙计3设置于所述岩石裂隙处，将裂纹扩展计4设置于所述岩石裂隙处，此时完成了岩石样本6上各检测零件的布置，接着将所述岩石样本6放入冻融箱1，并将所述数温度压力传感器2、所述裂隙计3和所述裂纹扩展计4与所述冻融箱1外部的据处理装置连接，然后根据需要设置所述冻融箱1的工作参数，并实时监测所述据处理装置的数据，比如设置的冻融箱1冻结温度、融化温度、冻结时长、融化时长，然后通过数据处理装置5监测冻融过程中的岩石裂隙内的冻胀力、温度、裂隙的扩展和张开位移的情况。
45.在本技术实施例中，所述数据处理装置5包括：第一数据采集线51、第一数据采集器52和第一数据处理器53，其中，所述第一数据采集器52和所述第一数据处理器53均设置于所述冻融箱1外部，所述第一数据采集线51的第一端穿过所述冻融箱1并与所述温度压力传感器2连接，所述第一数据采集线51的第二端与所述第一数据采集器52连接，所述第一数据采集器52与所述第一数据处理器53连接。
46.在本技术实施例中，第一数据采集器52与第一数据处理器53(比如电脑)相连，第一数据采集器52将温度压力传感器2(比如薄膜温度压力传感器2)采集的数据传输到第一数据处理器53对数据进行存储和处理，最终可以得到岩石裂隙所在平面(岩石裂隙面)的冻胀力及温度变化的实时云图、整个岩石裂隙面上平均冻胀力、平均温度、最大冻胀力、最低温度的实时变化曲线，以及岩石裂隙面上任意一点位置的冻胀力和温度的实时变化曲线。通过对岩石裂隙面的最大冻胀力及最低温度的位置坐标进行记录，便可以得到冻融过程中冻胀力及最低温度空间位置的变化信息。
47.在本技术实施例中，所述冻融箱1上设置有第一通孔，所述第一数据采集线51通过所述第一通孔，所述第一通孔中设置有第一弹性橡胶塞，所述第一弹性橡胶塞包裹所述第一数据采集线51并封堵所述第一通孔。
48.在本技术实施例中，第一通孔允许第一数据采集线51进入冻融箱1，第一弹性橡胶塞可以防止外界环境温度影响冻融箱1内的检测环境。
49.在本技术实施例中，所述数据处理装置5包括：第二数据采集线54、第三数据采集线55、第二数据采集器56、第三数据采集器57和第二数据处理器58，其中，所述第二数据采集器56、所述第三数据采集器57和所述第二数据处理器58均设置于所述冻融箱1外部，所述第二数据采集线54的第一端穿过所述冻融箱1并与所述裂隙计3连接，所述第三数据采集线55的第一端穿过所述冻融箱1并与所述裂纹扩展计4连接，所述第二数据采集线54的第二端与所述第二数据采集器56连接，所述第三数据采集线55的第二端与所述第三数据采集器57连接，所述第二数据采集器56和所述第三数据采集器57均与所述第二数据处理器58连接。
50.在本技术实施例中，裂隙计3可以测量冻融过程中岩石裂隙张开度的变化，其工作原理是：岩石裂缝的张开度发生变化时会引起裂隙计3中电位器移动端电阻变化，阻值的变化量反映了岩石裂缝的变形值，阻值的增加或减小则表明了裂缝变形的方向。裂隙计3与第二数据采集器56相连，第二数据采集器56与第二数据处理器58(比如电脑)相连，第二数据处理器58中安装相应的裂隙变形监测软件，可以对裂隙计3的采集数据进行分析。
51.在本技术实施例中，裂纹扩展计4是一种以玻璃丝为基底、其上覆盖有等间距卡玛铜敏感丝栅的检测零件，其工作原理为：当岩石裂隙在冻胀力作用下发生扩展时，丝栅发生断裂，裂纹扩展计4的总电阻值能相应的变化，从而可以计算出裂隙扩展的长度和扩展速度。裂纹扩展计4与第三数据采集器57相连，第三数据采集器57与第二数据处理器58(比如电脑)相连，第二数据处理器58中安装相应的裂隙扩展监测软件，可以对裂纹扩展计4的采集数据进行分析。
52.在本技术实施例中，由于裂纹扩展计4的工作原理也是通过采集电阻值的变化来反映裂隙的扩展情况，与裂隙计3相同，因此二者可以共用一个第二数据处理器58，也可以共用一个数据采集器，也即第二数据采集器56和第三数据采集器57可以为同一个。
53.在本技术实施例中，所述冻融箱1上设置有第二通孔和第三通孔，所述第二数据采集线54通过所述第二通孔，所述第三数据采集线55通过所述第三通孔，所述第二通孔中设置有第二弹性橡胶塞，所述第二弹性橡胶塞包裹所述第二数据采集线54并封堵所述第二通孔，所述第三通孔中设置有第三弹性橡胶塞，所述第三弹性橡胶塞包裹所述第三数据采集线55并封堵所述第三通孔。
54.在本技术实施例中，第二通孔允许第二数据采集线54进入冻融箱1，第三通孔允许第三数据采集线55进入冻融箱1，第二弹性橡胶塞和第三弹性橡胶塞可以防止外界环境温度影响冻融箱1内的检测环境。
55.在本技术实施例中，所述温度压力传感器2布置在所述岩石裂隙的一侧，所述温度压力传感器2的尺寸与所述岩石裂隙的尺寸相匹配。
56.在本技术实施例中，将温度压力传感器2布置在岩石裂隙的一侧，其大小与岩石裂隙面的尺寸相匹配，保证岩石裂隙面上的每一个位置都能被监测。
57.在本技术实施例中，所述温度压力传感器2具有温度检测点和压力检测点，所述温度检测点和所述压力检测点的位置重合，且二者检测频率相同
58.在本技术实施例中，温度压力传感器2整个面是由一系列的测点组成的，其中温度检测点和压力检测点重合可以保证一点上既能测到压力，又能测到温度。
59.在本技术实施例中，所述裂隙计3横跨所述岩石裂隙布置，所述裂隙计3的两端对应插入所述岩石裂隙两端的安装孔中，所述安装孔中密封设置有环氧树脂密封，所述裂隙计3的两端对应插入所述环氧树脂中。
60.在本技术实施例中，裂隙计3的安装需要在岩石样本6表面打两个安装孔，安装孔的深度和直径与选择的裂隙计3的规格有关。将裂隙计3两端插入安装孔内，并用环氧树脂密封固定即可。
61.在本技术实施例中，所述裂纹扩展计4紧密粘贴于所述岩石样本6表面，所述岩石裂隙的两个尖端位置均布置有所述裂纹扩展计4。
62.在本技术实施例中，为提高监测准确度，需要将裂纹扩展计4紧密粘贴于岩石表面安装，使其与岩石裂隙尖端紧密相邻。由于岩石裂隙有两个尖端，不能确定在冻胀力作用下岩石裂隙会从哪一端扩展，因此应在裂隙的两个尖端位置均布置裂纹扩展计4。
63.本技术提供的一种冻融条件下岩石裂隙实时监测系统及方法，可以清楚地知道岩石裂隙内任意一点的冻胀力以及温度的变化情况，还能便捷经济地监测岩石裂隙尖端的扩展及变形情况，并且可以对尺寸较大的试样进行试验；可以探测冻融条件下岩石裂隙空间
内冻胀力、温度的实时演化规律，以及裂隙尖端的扩展及变形情况，具有结构简单，试验操作简单，成本低的优点。
64.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
65.总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。