一种实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置及试验方法

摘要

本发明公开一种实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置及试验方法，实验装置包括试样固定装置、图像采集装置、降雨装置和日照装置；本发明公开的实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置及试验方法，通过试样固定装置可以对试样进行固定，并模拟边坡岩体倾斜状态，通过降雨装置和日照装置的设置可以实现干湿循环的试验条件，并通过设置的图像采集装置实现对试样的状态进行实时采集，实现在干湿循环作用下岩石裂纹演化实时观测，有助于研究干湿循环下岩石裂纹时效演化机理。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石破坏试验技术领域，特别是涉及一种实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置及试验方法。

背景技术

地质资料显示，在我国西南地区二叠系、泥盆系地层中广泛分布着炭质泥岩，该类岩体富含黏土矿物和原生节理、裂隙，具有吸水易软化、崩解等特性。西南地区气候湿热、晴雨反复，开挖暴露的炭质泥岩路堑边坡受干湿循环作用风化崩解形成龟裂型裂纹，随着降雨入渗和热力传导沿坡面裂纹不断深入，裂纹由表及里扩展、连通，常常引发路堑边坡浅层失稳破坏。

因此弄清干湿循环作用下炭质泥岩路堑边坡裂纹扩展时效演化规律，对正确评价路堑边坡稳定性具有重要意义。当前缺乏可实时监测干湿循环过程软岩裂纹扩展的实验装置，为此，研制干湿循环作用下岩石裂纹演化实时观测系统，对揭示干湿循环下炭质泥岩路堑边坡裂纹时效演化机理具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置，包括：

试样固定装置；所述试样固定装置用于模拟不同坡度的边坡岩体空间状态；所述试样固定装置包括试样固定机构和试样调节机构，所述试样固定机构用于对试样进行固定，所述试样调节机构用于调节所述试样的倾斜角度；

图像采集装置；所述图像采集装置用于对试样进行实时监测；

降雨装置和日照装置；所述降雨装置和所述日照装置均与所述试样固定装置对应设置，所述降雨装置用于模拟大气降雨，所述日照装置用于模拟高温日晒。

优选的，还包括试验槽，所述试样固定装置设置在所述试验槽内；所述试样调节机构包括定位杆，所述试验槽底端中部开设有定位孔，所述定位杆滑动连接在所述定位孔内；所述定位孔两侧对称设置有伸缩杆，所述伸缩杆底端与所述试验槽的底板滑动连接；所述伸缩杆顶端铰接有连接板，所述试样固定机构固定连接在所述连接板远离所述伸缩杆的一侧。

优选的，所述试样固定机构包括与所述连接板固定连接的承托板，所述承托板远离所述连接板的一侧设置有四个L型拼接板，四个所述L型拼接板呈矩形布置；所述承托板上沿对角线方向开设有长孔，一所述L型拼接板通过所述长孔固定连接在所述承托板上，一所述L型拼接板滑动连接在所述长孔内，剩余所述L型拼接板与所述承托板板面滑动连接；相邻两所述L型拼接板之间设置有条板，所述条板两端分别与两所述L型拼接板可拆卸连接；所述连接板与所述承托板之间设置有定位件，滑动连接在所述长孔内的所述L型拼接板通过所述定位件限位配合。

优选的，所述定位件包括定位板，所述定位板与所述长孔对应设置；所述连接板靠近所述承托板的一侧开设有定位槽，所述定位板滑动设置在所述定位槽内；滑动连接在所述长孔内的所述L型拼接板底端固定连接有定位盘，所述承托板靠近所述连接板的一侧开设有限位槽，所述限位槽与所述长孔对应设置，所述定位盘滑动连接在所述限位槽内；所述定位盘靠近所述定位板的一侧固定连接有若干个凸棱，所述定位板靠近所述定位盘的一侧开设有若干个凹槽，所述凸棱与所述凹槽相适配，所述定位盘与所述定位板通过所述凸棱、所述凹槽限位配合。

优选的，所述连接板上开设有螺纹孔，所述螺纹孔内螺纹连接有螺纹杆；所述定位板靠近所述连接板的一侧转动连接有连接头，所述连接头与所述螺纹杆固定连接。

优选的，还包括集水槽，所述集水槽固定连接在所述试验槽的底端；所述试验槽底部开设有排水口，所述排水口与所述集水槽连通；所述集水槽内设置有连接管，所述连接管顶端与所述排水口固定连接，所述连接管底端固定连接有过滤器；所述集水槽内设置有水泵，所述水泵通过供水管与所述降雨装置连通。

优选的，所述连接管内设置有封堵板，所述封堵板上开设有过流孔，所述封堵板与所述排水口对应设置，且所述封堵板与所述连接管内壁之间设置有间隙；所述集水槽内设置有横梁，所述横梁固定连接在所述定位杆底端；所述连接管管壁上开设有竖向通孔，所述横梁通过所述竖向通孔与所述封堵板固定连接；所述横梁上固定套设有密封套的一端，所述密封套的另一端与所述连接管外壁固定连接，所述竖向通孔位于所述密封套内。

优选的，所述供水管远离所述水泵的一端固定连接有旋转接头，所述供水管通过所述旋转接头连通有供水横管，所述供水横管通过所述旋转接头与所述供水管转动配合，所述降雨装置和所述日照装置均固定连接在所述供水横管的末端，且所述降雨装置和所述日照装置分别设置在所述供水横管相对的两侧，所述供水横管与所述降雨装置连通。

优选的，所述条板为伸缩板，所述条板两端均固定连接有连接片，所述连接片上开设有螺纹孔，所述L型拼接板两端均开设有螺纹槽，所述条板与所述L型拼接板通过螺栓固定。

一种实时监测岩石裂纹扩展演化试验方法，具体操作流程如下：

S1、将试样放入试样固定机构，通过调节试样固定机构尺寸对试样进行固定；

S2、调节试样调节机构，模拟边坡岩体倾斜状态；

S3、打开图像采集装置，并进行对标、调距操作，对试样进行实时监测；

S4、设置降雨装置流量，打开降雨装置开关模拟降雨，直到达到模拟降雨历时，关闭降雨装置开关；

S5、设置日照装置温度，打开日照装置模拟日照，直到达到模拟日照历时，关闭日照装置开关；

S6、重复S4～S5操作，完成目标试样的干湿循环；

S7、处理不同干湿循环次数的试样照片，对不同干湿循环的试样裂纹照片进行定性和定量分析。

本发明公开了以下技术效果：本发明公开的实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置及试验方法，通过试样固定装置可以对试样进行固定，并模拟边坡岩体倾斜状态，通过降雨装置和日照装置的设置可以实现干湿循环的试验条件，并通过设置的图像采集装置实现对试样的状态进行实时采集，实现在干湿循环作用下岩石裂纹演化实时观测，有助于研究干湿循环下岩石裂纹时效演化机理。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置的结构示意图；

图2为本发明试样固定装置的结构示意图；

图3为本发明承托板的俯视图；

图4为本发明承托板的仰视图；

图5为本发明定位板与定位盘的连接关系示意图；

图6为本发明荷载加载机构与L型拼接板的连接关系示意图；

其中，试样固定装置1、定位杆1-1、伸缩杆1-2、连接板1-3、承托板1-4、L型拼接板1-5、长孔1-6、条板1-7、定位板1-8、定位槽1-9、定位盘1-10、限位槽1-11、凸棱1-12、凹槽1-13、螺纹杆1-14、连接头1-15、连接片1-16、伺服电机1-17、螺纹套筒1-18、螺杆1-19、推板1-20、第一锥齿轮1-21、伸缩板1-22、丝杆1-23、第二锥齿轮1-24、限位挡板1-25、图像采集装置2、降雨装置3、水泵3-1、供水管3-2、旋转接头3-3、供水横管3-4、日照装置4、试验槽5、排水口5-1、集水槽6、连接管6-1、过滤器6-2、封堵板6-3、横梁6-4、密封套6-5。

具体实施方式

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。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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置，包括试样固定装置1、图像采集装置2、降雨装置3和日照装置4；试样固定装置1用于模拟不同坡度的边坡岩体空间状态；试样固定装置1包括试样固定机构和试样调节机构，试样固定机构用于对试样进行固定，试样调节机构用于调节试样的倾斜角度；图像采集装置2用于对试样进行实时监测，图像采集装置2采用FASTCAM SA1.1高速数字式摄像机系统；降雨装置3和日照装置4均与试样固定装置1对应设置，降雨装置3由多个花洒喷头组成，用于模拟大气降雨，日照装置4采用可调节温度的浴霸，用于模拟高温日晒。

进一步的，实验装置还包括试验槽5，为保证试样的位置始终与降雨装置3和日照装置4对应，且保证试样与试验槽5之间不会发生相对位移，方便对试样的倾斜角度进行调节，将试样固定装置1设置在试验槽5内；试样调节机构包括定位杆1-1，试验槽5底端中部开设有定位孔，定位杆1-1滑动连接在定位孔内；定位孔两侧对称设置有伸缩杆1-2，伸缩杆1-2底端与试验槽5的底板滑动连接；伸缩杆1-2顶端铰接有连接板1-3，试样固定机构固定连接在连接板1-3远离伸缩杆1-2的一侧。

进一步的，为方便对试样进行固定，且满足对不同尺寸的试样进行固定，试样固定机构包括与连接板1-3固定连接的承托板1-4，承托板1-4远离连接板1-3的一侧设置有四个L型拼接板1-5，四个L型拼接板1-5呈矩形布置；承托板1-4上沿对角线方向开设有长孔1-6，一L型拼接板1-5通过长孔1-6固定连接在承托板1-4上，一L型拼接板1-5滑动连接在长孔1-6内，剩余L型拼接板1-5与承托板1-4板面滑动连接；相邻两L型拼接板1-5之间设置有条板1-7，条板1-7为伸缩板1-22，条板1-7两端均固定连接有连接片1-16，连接片1-16上开设有螺纹孔，L型拼接板1-5两端均开设有螺纹槽，条板1-7与L型拼接板1-5通过螺栓固定；连接板1-3与承托板1-4之间设置有定位件，滑动连接在长孔1-6内的L型拼接板1-5通过定位件限位配合。

进一步的，为保证试样固定机构固定试样的稳定性，定位件包括定位板1-8，定位板1-8与长孔1-6对应设置；连接板1-3靠近承托板1-4的一侧开设有定位槽1-9，定位板1-8滑动设置在定位槽1-9内；滑动连接在长孔1-6内的L型拼接板1-5底端固定连接有定位盘1-10，承托板1-4靠近连接板1-3的一侧开设有限位槽1-11，限位槽1-11与长孔1-6对应设置，定位盘1-10滑动连接在限位槽1-11内；定位盘1-10靠近定位板1-8的一侧固定连接有若干个凸棱1-12，定位板1-8靠近定位盘1-10的一侧开设有若干个凹槽1-13，凸棱1-12与凹槽1-13相适配，定位盘1-10与定位板1-8通过凸棱1-12、凹槽1-13限位配合。

进一步的，为方便调节定位板1-8的位置，以便于调节试样固定机构的尺寸，在连接板1-3上开设有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有螺纹杆1-14；定位板1-8靠近连接板1-3的一侧转动连接有连接头1-15，连接头1-15与螺纹杆1-14固定连接。

同时，为保证对试样固定机构的限位效果，使定位板1-8可以相对于连接头1-15有一定的位移，在定位板1-8与连接头1-15之间设置有间隙，该间隙的宽度为凹槽1-13槽宽的一半，使定位板1-8上的凹槽1-13与定位盘1-10上的凸棱1-12即使产生一定的错位，也可以通过定位板1-8的轻微移动，使定位盘1-10上的凸棱1-12完全进入到定位板1-8上的凹槽1-13中，利用定位板1-8对定位盘1-10间隙定位，同时不影响试样固定机构对试样的固定效果。

进一步的，为了便于对试验用水进行回收利用，实验装置还包括集水槽6，集水槽6固定连接在试验槽5的底端；试验槽5底部开设有排水口5-1，排水口5-1与集水槽6连通，在排水口5-1的进口端固定连接有滤网；集水槽6内设置有连接管6-1，连接管6-1顶端与排水口5-1固定连接，连接管6-1底端固定连接有过滤器6-2；集水槽6内设置有水泵3-1，水泵3-1通过供水管3-2与降雨装置3连通。

进一步的，为了减缓模拟降水流入到集水槽6中的速度，一方面提高提高过滤器6-2的过滤效果，避免试样颗粒进入到集水槽6中，堵塞降雨装置3；另一方面通过减缓模拟降水的渗流速度，以实现在试验槽5内可以保留一定的积水，可以模拟试样处于不同的环境条件。在连接管6-1内设置有封堵板6-3，封堵板6-3上开设有过流孔，封堵板6-3与排水口5-1对应设置，且封堵板6-3与连接管6-1内壁之间设置有间隙；集水槽6内设置有横梁6-4，横梁6-4固定连接在定位杆1-1底端；连接管6-1管壁上开设有竖向通孔，横梁6-4通过竖向通孔与封堵板6-3固定连接；横梁6-4上固定套设有密封套6-5的一端，密封套6-5的另一端与连接管6-1外壁固定连接，竖向通孔位于密封套6-5内。

进一步的，在保证降雨装置3和日照装置4对应试样的同时，避免降雨装置3与日照装置4之间的相互影响，且使试样所处的模拟环境更加贴合现实，在供水管3-2远离水泵3-1的一端固定连接有旋转接头3-3，供水管3-2通过旋转接头3-3连通有供水横管3-4，供水横管3-4通过旋转接头3-3与供水管3-2转动配合，降雨装置3和日照装置4均固定连接在供水横管3-4的末端，且降雨装置3和日照装置4分别设置在供水横管3-4相对的两侧，供水横管3-4与降雨装置3连通。

本发明提供的实时监测岩石裂纹扩展演化的实验装置，在使用时，首先通过转动螺纹杆1-14，利用螺纹杆1-14使定位板1-8与定位盘1-10分离，保证定位盘1-10在沿限位槽1-11移动时不受影响，然后试样放置在承托板1-4上四个L型拼接板1-5所围成的空间内，通过调节滑动连接在长孔1-6内的L型拼接板1-5的位置，以及条板1-7的长度，可以改变四个L型拼接板1-5所围成的空间大小，直至L型拼接板1-5和条板1-7与试样接触时停止定位盘1-10的移动，然后通过调节螺纹杆1-14旋入连接板1-3的距离，使定位板1-8与定位盘1-10接触，并利用凸棱1-12和凹槽1-13实现对定位盘1-10的定位，保证L型拼接板1-5和条板1-7对试样的固定效果。试样固定完成后，通过调节两伸缩杆1-2的高度，以及改变伸缩杆1-2在试验槽5内的相对位置，即可实现对试样倾斜角度的调节。在对试样进行角度调节的过程中，根据试验需要，确定是否需要利用封堵板6-3对排水口5-1进行封堵，如需要封堵，则只需要同时调节伸缩杆1-2的高度，利用定位杆1-1带动横梁6-4向上移动，利用横梁6-4带动封堵板6-3移动，即可实现利用封堵板6-3对排水口5-1进行封堵。试样设置完成后，开启水泵3-1，利用水泵3-1将进水槽内的水供给到降水装置，利用降水装置来实现模拟降水的过程，需要模拟日照时，关闭水泵3-1，并转动供水横管3-4，使日照装置4与试样对应即可，这样可以保证降水装置与日照装置4的相对位置不会发生太大变化，更加符合大气降雨与太阳的位置关系。模拟的降水则可以通过试验槽5底部的排水口5-1进入到连接管6-1中，经过滤后进入到集水槽6中重复利用。

进一步的，为实现对试样施加应力荷载，在承托板1-4上设置有荷载加载机构，荷载加载机构包括对称设置在长孔1-6两侧的荷载加载部，两荷载加载部垂直设置；荷载加载部包括固定连接在承托板1-4上伺服电机1-17，伺服电机1-17的输出轴上固定连接有螺纹套筒1-18，螺纹套筒1-18内螺纹连接有螺杆1-19，螺杆1-19末端固定连接有推板1-20，推板1-20与一L型拼接板1-5抵接，该L型拼接板1-5未与长孔1-6对应设置；且在推板1-20与该L型拼接板1-5之间设置有压力传感器；螺纹套筒1-18外壁上固定套设有第一锥齿轮1-21，滑动连接在在长孔1-6内的L型拼接板1-5靠近伺服电机1-17的一侧固定连接有伸缩板1-22的活动端，伸缩板1-22的固定端穿设有丝杆1-23，丝杆1-23与伸缩板1-22螺纹配合；丝杆1-23靠近第一锥齿轮1-21的一端固定连接有第二锥齿轮1-24，第一锥齿轮1-21与第二锥齿轮1-24啮合；丝杆1-23两端均滑动套设有限位挡板1-25，限位挡板1-25底端固定连接在承托板1-4上。

在使用时，将试样放置在承托板1-4上四个L型拼接板1-5所围成的空间内，启动伺服电机1-17，利用伺服电机1-17带动螺纹套筒1-18转动，由于在螺杆1-19末端设置有推板1-20，在推板1-20和螺纹套筒1-18的共同作用下螺杆1-19自身无法进行转动，因此利用螺纹套筒1-18的转动可以使螺纹套筒1-18内的螺杆1-19旋出，进而推动该L型拼接板1-5向固定在长孔1-6内的L型拼接板1-5方向移动，此时伸缩板1-22进行伸长；在伸缩板1-22伸长的同时，螺纹套筒1-18在转动时会带动第一锥齿轮1-21转动，利用第一锥齿轮1-21可以带动第二锥齿轮1-24转动，利用第二锥齿轮1-24带动丝杆1-23转动，进而在丝杆1-23的作用下使伸缩板1-22向伺服电机1-17的方向移动；通过同时进行启动两个伺服电机1-17，即可实现对四个L型拼接板1-5所围成的空间大小进行调节，同时对试样施加应力荷载，通过压力传感器可以确定所施加荷载的大小，待所施加的荷载达到要求后，再利用定位板1-8进行定位即可。

本发明提供的实时监测岩石裂纹扩展演化试验方法，具体操作流程如下：

S1、将试样放入试样固定机构，通过调节试样固定机构尺寸对试样进行固定；

S2、调节试样调节机构，模拟边坡岩体倾斜状态；

S3、打开图像采集装置2，并进行对标、调距操作，对试样进行实时监测；

S4、设置降雨装置3流量，打开降雨装置3开关模拟降雨，直到达到模拟降雨历时，关闭降雨装置3开关；

S5、设置日照装置4温度，打开日照装置4模拟日照，直到达到模拟日照历时，关闭日照装置4开关；

S6、重复S4～S5操作，完成目标试样的干湿循环；

S7、处理不同干湿循环次数的试样照片，对不同干湿循环的试样裂纹照片进行定性和定量分析。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。