一种岩石冻融循环劣化全过程多通道测试设备及测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种结构简单、全过程可视化观察测试过程、测试效率高、测试结果精确可靠的岩石冻融循环劣化全过程多通道测试设备及测试方法。

背景技术

在大型露天矿山的勘察设计阶段，通常要完成相应的岩石力学专项研究来支撑开采设计工作，进一步从安全经济的角度服务矿山建设。其中，岩石力学室内试验是岩石力学专项研究中必不可少的试验研究工作。

对于高海拔寒区的露天矿山，常年面对极端气候带来的影响，冻融循环效应是矿山边坡研究的重点，冻融循环试验研究也成为规范的硬性要求，试验提供准确、高效的岩石力学参数是后续研究的重要基础。

简单的岩石冻融循环试验技术已经较为成熟，大部分试验人员主要按照《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266）的要求进行试验。尽管如此，还有一些测试技术需要进一步改进。目前，较为常见的试验方法是使用自动冻融试验机进行规定次数的冻融试验之后进行力学性能试验，这样的试验只能够反映最后时刻的力学状态及参数，且在封闭的试验机内无法观察到岩石试样的形态变化趋势，对于一些强度较低、抗侵蚀能力较弱的岩石，在规定次数的试验测试未完成时就已经完全崩解，一方面无法得知崩解的过程及时刻，另一方面在冻融循环结束后也无法进行力学实验，这样的试验结果对矿山边坡缺乏实际意义，同时造成人力物力的损失。为此，现有技术中也有通过测量不同冻融循环次数后试样在相同围压相同渗压下的气体渗透率，然后根据自定义的冻融损伤量公式，绘制岩石冻融损伤量随冻融循环次数的变化曲线并进行拟合，根据拟合函数确定任意次冻融循环造成的岩石损伤程度；虽然可以解决目前冻融试验后进行力学性能试验存在的不足，但由于整个冻融测试都需要在压力容器内进行，并需要长时间的保持稳压状态，不仅对于冻融测试装置的密封性能及供气系统的稳定性要求较高，而且岩石试样的气体渗透率装置结构也较为复杂。此外，现有技术中还有通过在冻融实验箱的箱体外设置基于红外热像仪和双图像采集器的试样应变采集系统，并结合箱体内的温度及气压监测装置，从而能模拟不同海拔的环境气压状态，并能获得试样进行冻融循环过程中的温度全尺度变化情况和试样全场变形情况（特别是冻融过程中最容易先破坏的表面）；由于试样应变采集系统需要较为复杂的机器视觉训练过程，且不太完善的训练及环境光照都会造成差之千里的识别错误，因此其需要解决的技术问题还较多，目前仍然处于研究阶段。因此，现阶段急需研究具有结构简单、测试效率高、测试全过程可视化、测试结果精确可靠的岩石冻融循环测试设备。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、全过程可视化观察测试过程、测试效率高、测试结果精确可靠的岩石冻融循环劣化全过程多通道测试设备，还提供了一种岩石冻融循环劣化全过程多通道测试设备的测试方法。

本发明之岩石冻融循环劣化全过程多通道测试设备是这样实现的：包括透明试验盒，所述透明试验盒为密闭容器且底部固定设置有底板，所述底板上设置有多个可承载岩石试样的重力传感器，所述重力传感器的承载面设置有下波速测试极，所述透明试验盒内还设置有可固定在岩石试样上端且与下波速测试极相对的上波速测试极；

所述透明试验盒的内壁上均布有电热管，所述透明试验盒的外部还设置有制冷压缩机，所述透明试验盒的内壁上均布有与制冷压缩机连通的制冷管路，所述透明试验盒还固定设置有温度传感器；

所述透明试验盒外还设置有波速测试仪、重力数据仪及控制器，所述下波速测试极及上波速测试极分别与波速测试仪的信号输入端口连接，所述重力传感器与重力数据仪的信号输入端口连接，所述电热管及制冷压缩机的电源控制端与控制器的控制端口连接，所述温度传感器及波速测试仪、重力数据仪的信号输出端口与控制器的信号输入端口连接。

本发明之岩石冻融循环劣化全过程多通道测试设备的测试方法是这样实现的，包括以下步骤：

A、岩石试样制备：选取待测地点典型岩层中同一块新鲜完整岩石按规格制备成多个试样，然后烘至恒重并分别称量重量

B、岩石试样安放：将各岩石试样的两端分别套设上密封盖、下密封盖，然后依次平稳放置到透明试验盒内各重力传感器的承载面上；

C、冻融循环测试：各岩石试样安放完成后密闭透明试验盒并向内注水，随后控制器控制电热管及制冷压缩机，使岩石试样在预定低温下冷冻X小时，随后使水温保持在预定温度下融解Y小时以此完成一个冻融循环试验，直至完成预定次数的冻融循环试验或预定数量的岩石试样的冻融质量损失率超过规定值；测试过程中和/或测试完成后控制器分别读取波速测试仪的岩石波速

D、测试数据处理：控制器根据读取的数据计算岩石试样的冻融质量损失率M：

其中：m

本发明的有益效果：

1、本发明通过在透明试验盒内设置重力传感器，并在岩石试样的两端对应设置波速测试极，同时还在透明试验盒内壁设置电热管及制冷管路，不仅能在冻融循环试验中获得各岩石试样的波速变化、质量变化数据，而且透明的试验盒还能实时观测各岩石试样的全场变形情况（特别是冻融过程中表面的破坏），可得知各岩石试样崩解的过程及时刻；通过质量变化数据的自动监测结合对全场变形情况的实时观测，可有效避免传统冻融试验中的大量无效试验，并可根据波速变化数据和实时观测揭示岩石试样随冻融试验次数的劣化趋势，从而达到高效开展岩石冻融循环试验，并为后续研究提供准确、高效的岩石力学参数的目的。

2、本发明通过在透明试验盒内设置多个可承载岩石试样的重力传感器及波速测试极，使得透明试验盒内可同时对多个岩石试样进行测试，从而提高了测试的效率；同时在透明试验盒外设置波速测试仪及重力数据仪进行控制，并进一步设置可控制电热管及制冷管路进行加热、冷冻的控制器，且控制器还能读取波速测试仪及重力数据仪的数据进行计算并自动判断停止测试，因此测试过程可自动进行且可排出人为干扰，从而使得测试结果更加精确可靠。

3、本发明在冻融循环试验中获得各岩石试样的波速变化、质量变化数据，不仅冻融试验及波速变化、质量变化的测量无需苛刻的环境和条件，不仅使得整个装置的结构较为简单，而且测试及测量过程可自动进行，进一步提高了测试结果的精确性和可靠性。

4、本发明通过自动获取各岩石试样的质量变化数据，并且通过人眼实时观测各岩石试样的全场变形情况，从而以精确数据结合人工识别，不仅能得知各岩石试样崩解的过程及时刻，还能进一步以自动计算的冻融质量损失率来精确判断岩石试验是否损坏及测试是否结束，可避免后续继续冻融试验及力学性能试验的浪费，降低了测试的成本。

综上所述，本发明具有结构简单、全过程可视化观察测试过程、测试效率高、测试结果精确可靠的特点。

附图说明

图1为本发明之岩石冻融循环劣化全过程多通道测试设备结构示意图；

图2为图1之透明试验盒俯视放大图；

图3为图2之A-A向剖视图；

图4为图2之B-B向剖切放大图；

图中：1-透明试验盒，101-底板，102-排水口，2-岩石试样，3-重力传感器，4-下波速测试极，5-上波速测试极，6-电热管，7-制冷压缩机，8-制冷管路，9-温度传感器，10-波速测试仪，11-重力数据仪，12-控制器，13-透明窗口，131-进风口，132-出风口，14-搅拌桨叶，15-上密封盖，16-下密封盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

如图1至4所示，本发明之岩石冻融循环劣化全过程多通道测试设备，包括透明试验盒1，所述透明试验盒1为密闭容器且底部固定设置有底板101，所述底板101上设置有多个可承载岩石试样2的重力传感器3，所述重力传感器3的承载面设置有下波速测试极4，所述透明试验盒1内还设置有可固定在岩石试样2上端且与下波速测试极4相对的上波速测试极5；

所述透明试验盒1的内壁上均布有电热管6，所述透明试验盒1的外部还设置有制冷压缩机7，所述透明试验盒1的内壁上均布有与制冷压缩机7连通的制冷管路8，所述透明试验盒1还固定设置有温度传感器9；

所述透明试验盒1外还设置有波速测试仪10、重力数据仪11及控制器12，所述下波速测试极4及上波速测试极5分别与波速测试仪10的信号输入端口连接，所述重力传感器3与重力数据仪11的信号输入端口连接，所述电热管6及制冷压缩机7的电源控制端与控制器12的控制端口连接，所述温度传感器9及波速测试仪10、重力数据仪11的信号输出端口与控制器12的信号输入端口连接。

如图2和3所示，所述透明试验盒1至少顶盖及一个侧壁设置有可观察到所有测试岩石试样2的透明窗口13，所述电热管6及制冷管路8至少交错地均布在透明试验盒1的非透明侧壁上；所述重力传感器3的承载面不大于岩石试样2的底面。

所述透明试验盒1的底板101和/或侧壁上设置有搅拌桨叶14，所述搅拌桨叶14的搅拌轴与透明试验盒1外部的搅拌电动机的电机轴连接，所述搅拌电动机的电源控制端与控制器12的控制端口连接。

如图2和4所示，所述岩石试样2的上下两端分别固定套设有上密封盖15、下密封盖16，所述下波速测试极4及上波速测试极5分别对应设置在下密封盖16、上密封盖15内。

所述上密封盖15及下密封盖16为带有突沿的橡胶盖且与岩石试样2紧配合。

如图2所示，所述透明试验盒1的顶盖或侧壁上部设置有注水口且底板101或侧壁下部设置有排水口102。

所述控制器12在测试过程中和/或测试完成后分别读取波速测试仪10的岩石波速

其中：

所述控制器12控制完成预定次数的冻融循环试验，或者监测到预定数量的岩石试样2的冻融质量损失率超过规定值则结束冻融循环试验。

所述透明窗口13上设置有空心玻璃，所述空心玻璃的一侧沿边长设置有若干进风口131且对应侧设置有若干出风口132，所述进风口131与送风系统的管路连通。

所述控制器12为PLC、工控机或PC机。

本发明之岩石冻融循环劣化全过程多通道测试设备的测试方法，包括以下步骤：

A、岩石试样制备：选取待测地点典型岩层中同一块新鲜完整岩石按规格制备成多个试样，然后烘至恒重并分别称量重量

B、岩石试样安放：将各岩石试样2的两端分别套设上密封盖15、下密封盖16，然后依次平稳放置到透明试验盒1内各重力传感器3的承载面上；

C、冻融循环测试：各岩石试样2安放完成后密闭透明试验盒1并向内注水，随后控制器12控制电热管6及制冷压缩机7，使岩石试样2在预定低温下冷冻X小时，随后使水温保持在预定温度下融解Y小时以此完成一个冻融循环试验，直至完成预定次数的冻融循环试验或预定数量的岩石试样2的冻融质量损失率超过规定值；测试过程中和/或测试完成后控制器12分别读取波速测试仪10的岩石波速

D、测试数据处理：控制器12根据读取的数据计算岩石试样2的冻融质量损失率

其中：

所述测试数据处理步骤中，控制器12根据读取的岩石波速

所述岩石试样制备中，新鲜完整岩石顺着原岩层方向加工成Ф50×100mm的尺寸。

所述冻融循环测试步骤中，岩石试样2的冻融质量损失率

所述冻融循环测试中X和/或Y的取值范围为2~6。

实施例1

如图1至4所示，岩石试样的冻融测试过程如下：

1、选取待测地点典型岩层中同一块新鲜完整岩石，顺着原岩层方向加工成Ф50×100mm的多个试样，然后放置在105℃的烘箱内烘至恒重并分别称量重量

2、将10个岩石试样2的两端分别套设上密封盖15、下密封盖16，然后依次平稳放置到透明试验盒1内各重力传感器3的承载面上。

3、各岩石试样2安放完成后密闭透明试验盒1并向内注水，随后PC机（即控制器12）根据预设程序控制冷压缩机7工作，使岩石试样2在-20±2℃温度下冻4h，然后控制电热管6工作使水温保持在20±2℃下融解4h，完成一个冻融循环试验；依次完成约25次冻融循环试验，或者当预定数量（如5个及以上）的岩石试样2的冻融质量损失率

4、控制器12根据读取的数据计算岩石试样2的冻融质量损失率

其中：

控制器12根据读取的岩石波速

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。