一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土力学技术领域，具体而言，尤其涉及一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置及方法。

背景技术

在我国高寒地区蕴藏着大量待开采的矿产资源，保障这些资源安全高效开采的关键问题之一就是清晰的把握高寒特征对边坡岩体的影响作用，维持边坡稳定。矿山滑坡的出现往往是采矿作业使大面积的边坡被揭露出来后，在降雨降雪和大温差同时作用下滑体沿着主控结构面发生不同规模的岩体失稳。因此对于主控结构面的研究十分必要，特别是含软弱充填物的结构面，这种结构面极易在降水、冻融的耦合作用下发生一定规模的失稳滑移，对矿山的人员设备安全构成极大威胁。现有的结构面强度的实验研究往往难以实现温度场、水分场和应力场的耦合作用，故不能真实反映主控结构面在多场条件下的力学行为。因此，亟需提供一种能够实现荷载、水分和冻融条件同时作用下开展软弱结构面损伤行为研究的实验装置和测试方法。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置及方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的方法，包含以下步骤：步骤一，在原位岩体上取若干大块，在实验室条件下将大块切割成立方体试块；步骤二，沿一定角度将立方体试块切割成带有结构面且等大的两部分，然后采用石雕工艺按照原生结构面形态进行结构面雕刻；步骤三，制备好的带结构面的岩石构件在经过24h饱水处理后取出，用纸巾拭干表面的水分，将用于固定声发射传感器的磁吸铁环用胶水对称粘贴于结构面上下的岩石壁面上；步骤四，取岩石试件两部分中的其中一块，采用在岩石构件下方安放垫块的方式使结构面向上且与桌面平行，在该结构面上均匀对称布置测温点，并用胶水粘贴牢固；步骤五，将持有一定水分的断层泥均匀平铺于结构面之上，铺至一半厚度时，将5TE传感器和薄膜压力传感器布设其中，而后再将另一半厚度的断层泥均匀平铺；步骤六，将岩石试件的另一部分结构面向下覆盖于断层泥之上，并确保上下两部分对齐；步骤七，将带有充填物的岩石转移至第二面板上的试件限位槽中，借助预应力夹具给予含软弱结构面岩石稳定持久的预应力；步骤八，将整个装置放入冻融环境箱中，通过环境箱的进出线口连接5TE传感器、薄膜压力传感器、声发射传感器的信号线，连接数据采集设备，开启冻融实验，记录实验过程中的温度、冻胀力、位移、含水率、电导率、介电常数和声发射数据；步骤九，冻融实验完成后，再次借助电动液压泵和千斤顶为装置提供均匀稳定增加的载荷，直至充填物上下岩石发生滑移，该过程的“载荷-位移”数据通过压力传感器和拉绳位移计经采集仪传入电脑，用于实验结果的分析。

进一步地，所述结构面的形成方式为借助岩石雕刻机对原生结构面进行复刻。

进一步地，所述原生结构面的采集通过三维激光扫描获取岩体原位结构面的三维点云数据，再将数据输入雕刻机中，进行原位结构面的复刻。

一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置，用于实现权利要求1-3中任一项所述的方法，所述装置包括从下至上依次设置的第一面板、第二面板、第三面板、第四面板，所述第一面板与第二面板之间设置有千斤顶，岩石试样设置于所述第二面板上表面，所述岩石试样表面的结构面涂有断层泥，薄膜压力传感器和5TE传感器输入端分别布设于所述断层泥内，所述第三面板与第四面板之间设置有压力传感器，所述第三面板左侧固定连接有拉绳位移计，所述第二面板左侧固定连接有拉绳固定环，所述拉绳位移计通过拉绳与所述拉绳固定环连接。

还包括有电动液压泵、数据采集设备，所述电动液压泵输出端与所述千斤顶连接，所述数据采集设备输入端分别与所述薄膜压力传感器、5TE传感器、拉绳位移计连接，薄膜压力传感器、5TE传感器、拉绳位移计通过采集仪将数据录入电脑用于实验结果的分析。

所述第一面板四角处均安装有导杆、刻度尺，所述导杆、刻度尺穿过所述第二面板、第三面板与所述第四面板固定连接。

所述第二面板上表面设有试件限位槽，所述试件限位槽用于放置岩石试样；所述第二面板下表面设有千斤顶限位槽，所述千斤顶限位槽用于与千斤顶升起部分耦合，确保第二面板受力处于几何中心。

还包括有声发射传感器，所述声发射传感器输入端通过磁铁铁环与所述岩石试件水平中心区域连接。

所述千斤顶的压力范围为0～50t，所述薄膜压力传感器的量程为1001bs，5TE传感器的电导率测量范围0～23dS/m、温度测量范围-40～60℃，拉绳位移计量程均0～50t。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明简单便携，增加装置和数据采集设备的通道数量便于在有限的冻融箱中同时进行多组结构面的冻融实验，大大提高实验效率；同时，该测试方法兼顾了冻融作用、预应力作用和渗流作用三场耦合条件下的软弱充填物的响应行为，能够获得温度场、水分场和应力场的同步变化规律，同时借助声发射手段监测多场条件下微破裂的发生，为揭示热水力耦合作用下的软弱结构面强度损伤特征提供良好的数据基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，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他的附图。

图1为本发明提供的一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置主视图；

图2为本发明提供的一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置左视图；

图3为本发明提供的一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置俯视图；

图4为本发明提供的一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置结构面及测温点布置位置俯视图；

图5为本发明提供的一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置的5TE传感器和薄膜压力传感器布置位置图(俯视)；

图6为本发明提供的一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置的第二面板俯视图；

图7为本发明提供的一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置的第二面板主视图。

图中：1、第四面板双螺母；2、第四面板；3、第四面板单螺母；4、第三面板；5、第三面板单螺母；6、导杆；7、第二面板；8、第二面板双螺母；9、第一面板；10、千斤顶；11、电动液压泵；12、拉绳固定环；13、拉绳；14、拉绳位移计；15、采集仪；16、数据采集电脑；17、压力传感器；18、磁吸铁环；19、5TE传感器；20、断层泥；21、岩石试件；22、刻度尺；23、薄膜压力传感器；24、测温点；25、结构面；26、千斤顶限位槽；27、导杆孔；28、试件限位槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1～7所示，本发明提供了一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的方法，包含以下步骤：步骤一，在原位岩体上取若干大块，在实验室条件下将大块切割成立方体试块；步骤二，沿一定角度将立方体试块切割成带有结构面且等大的两部分，然后采用石雕工艺按照原生结构面形态进行结构面雕刻；步骤三，制备好的带结构面的岩石构件21在经过24h饱水处理后取出，用纸巾拭干表面的水分，将用于固定声发射传感器的磁吸铁环18用胶水对称粘贴于结构面25上下的岩石壁面上；步骤四，取岩石试件21两部分中的其中一块，采用在岩石构件21下方安放垫块的方式使结构面25向上且与桌面平行，在该结构面25上均匀对称布置测温点24，并用胶水粘贴牢固；步骤五，将持有一定水分的断层泥20均匀平铺于结构面25之上，铺至一半厚度时，将5TE传感器19和薄膜压力传感器23布设其中，而后再将另一半厚度的断层泥20均匀平铺；步骤六，将岩石试件21的另一部分结构面向下覆盖于断层泥20之上，并确保上下两部分对齐；步骤七，将带有充填物的岩石转移至第二面板7上的试件限位槽28中，借助预应力夹具给予含软弱结构面岩石稳定持久的预应力；步骤八，将整个装置放入冻融环境箱中，通过环境箱的进出线口连接5TE传感器19、薄膜压力传感器23、声发射传感器的信号线，连接数据采集设备，开启冻融实验，记录实验过程中的温度、冻胀力、位移、含水率、电导率、介电常数和声发射数据；步骤九，冻融实验完成后，再次借助电动液压泵11和千斤顶10为装置提供均匀稳定增加的载荷，直至充填物上下岩石发生滑移，该过程的“载荷-位移”数据通过压力传感器17和拉绳位移计14经采集仪15传入电脑16，用于实验结果的分析。

所述结构面25的形成方式为借助岩石雕刻机对原生结构面进行复刻。

所述原生结构面的采集通过三维激光扫描获取岩体原位结构面的三维点云数据，再将数据输入雕刻机中，进行原位结构面的复刻。

一种对含充填物结构面开展热水力耦合测试的装置，用于实现权利要求1-3中任一项所述的方法，所述装置包括从下至上依次设置的第一面板9、第二面板7、第三面板4、第四面板2，所述第一面板9与第二面板7之间设置有千斤顶10，岩石试样21设置于所述第二面板7上表面，所述岩石试样21表面的结构面25涂有断层泥20，薄膜压力传感器23和5TE传感器19输入端分别连接于所述断层泥20内，所述第三面板4与第四面板2之间设置有压力传感器17，所述第三面板3左侧固定连接有拉绳位移计14，所述第二面板7左侧固定连接有拉绳固定环12，所述拉绳位移计14通过拉绳13与所述拉绳固定环14连接，拉绳位移计12作为移动端，拉绳固定环14作为固定端，在固定端和可移动端之间，采用拉绳13作为连接材料，当受力施加在移动端时，拉绳13会发生伸长或缩短，这个变化会被转换成一个电信号输出，进而实现对岩石构件21位移的测量。

所述断层泥20制备方法为：称取现场取回并干燥的断层泥20于不锈钢托盘中，根据欲设置的含水率计算所需去离子水量(如下式1)，然后均匀的将去离子水喷洒在土样之上，搅拌均匀后装入不锈钢托盘中，并用保鲜膜进行密封。在试验前取一部分进行含水率测试，符合目标含水率±1％才能用于实验。

m

ω为土样所要求的含水率(％)。

还包括有电动液压泵11、数据采集设备，所述电动液压泵输出端与所述千斤顶连接，所述数据采集设备输入端分别与所述薄膜压力传感器23、5TE传感器19、拉绳位移计14连接。所述数据采集设备包括采集仪15、电脑16，压力传感器17和拉绳位移计14经采集仪15将数据传入电脑16，用于实验结果的分析。

所述第一面板9四角处均安装有导杆6、刻度尺22，所述导杆6、刻度尺22穿过所述第二面板7、第三面板4与所述第四面板2固定连接。

所述刻度尺22通过刻度线相对关系来确定面板在四个位置的位移一致，从而使作用于岩石构件21上的压力均匀，避免偏心加载。

所述第二面板7上表面设有试件限位槽28，所述试件限位槽28用于放置岩石试样21；所述第二面板7下表面设有千斤顶限位槽26，所述千斤顶限位槽26用于与千斤顶10升起部分耦合，确保第二面7板受力处于几何中心。

所述第二面板7下表面的第二面板双螺母8和第四面板1上表面的第四面板双螺母1均为双螺母组合通过对两个螺母反向加力锁紧，避免面板在实验过程中发生位移影响预应力的稳定，起到位移约束的作用；第三面板3下表面的第三面板单螺母5、第四面板2下表面的第四面板单螺母1均为单螺母，主要在未施加预应力时起到托住面板的作用，在预应力加载过程中第三面板单螺母5、第四面板单螺母3均不受力，这样一来即可确保岩石构件21中的预应力与压力传感器17显示值一致。

还包括有声发射传感器，所述声发射传感器输入端通过磁铁铁环18与所述岩石试件21水平中心区域连接，距离结构面2510mm处。

所述千斤顶的压力范围为0～50t，所述薄膜压力传感器的量程为1001bs，5TE传感器的电导率测量范围0～23dS/m、温度测量范围-40～60℃，拉绳位移计量程均0～50t。

本发明的使用方法为：在带有软弱充填物的岩石置于第二面板7上后，调松限制第三面板4的第三面板单螺母5使第三面板4自由放于岩石构件21上表面，拧紧限制第四面板2的第四面板双螺母1，限制第四面板2位移。此时，通过电动液压泵11使千斤顶10支撑起第二面板7、岩石试件21、第三面板4和压力传感器17，压力传感器17的示数升高、拉绳位移计14示数降低，直至达到欲施加荷载停止加载；将第二面板7下方的第二面板双螺母8通过反向扭转锁紧的方法托起第二面板7、第三面板4、第四面板2和岩石构件21，此时预应力成功施加；千斤顶10卸载，取出千斤顶10。

将整个装置置于冻融试验箱中，通过试验箱的进出线口将5TE传感器、薄膜压力传感器23和声发射传感器的信号线与数据采集设备连接，开始冻融循环，并记录各数据。

进一步地，冻融循环结束后，继续使用千斤顶10为岩石试件21加载，直至岩石试件21夹持断层泥20上下的两部分岩石发生较大的位移错动时，停止加载，实验结束。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。