本發(fā)明涉及巖體劣化涉及的測試，特別是涉及一種模擬水位動態(tài)變化的巖體劣化試驗系統(tǒng)及測試方法。

背景技術(shù)：

1、由于三峽庫區(qū)水位在145～175m之間周期性漲落，形成了垂直落差30m高的消落區(qū)。消落區(qū)內(nèi)巖體所處的水位及其環(huán)境條件(應(yīng)力、溫度、水流沖刷等)呈現(xiàn)周期性變化，從而引發(fā)岸坡巖體的快速劣化，進(jìn)一步誘發(fā)了眾多地質(zhì)災(zāi)害。

2、巖體劣化過程環(huán)境復(fù)雜，其中水位動態(tài)變化、水流沖刷、上覆巖體壓力以及溫度變化導(dǎo)致的干-熱-冷-濕循環(huán)是劣化的主要原因，鑒于上述多種原因，深入研究復(fù)雜環(huán)境下巖體的劣化過程，能夠為采取有效的防治措施提供理論依據(jù)。

3、中國專利申請cn112198055a公開了一種動水-應(yīng)力耦合作用下的巖石劣化模擬裝置及方法，裝置包括動水循環(huán)系統(tǒng)、導(dǎo)流系統(tǒng)和加載系統(tǒng)。可以模擬復(fù)雜動水條件以及應(yīng)力條件對巖體的影響。

4、中國專利申請cn114034629a公開了一種化學(xué)腐蝕環(huán)境下的巖體干濕循環(huán)損傷監(jiān)測系統(tǒng)與方法，裝置包括干濕循環(huán)試驗箱、化學(xué)溶液配置容器、干燥熱源供給箱、配置有損傷度計算程序的上位機(jī)。可以在干濕循環(huán)過程中對巖體的損傷進(jìn)行監(jiān)測。

5、中國專利申請cn111948241a公開了一種模擬消落帶巖體劣化過程的試驗裝置及方法，裝置包括實驗箱、核磁共振信號處理器、流量控制器、空氣加壓加熱系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)、泄流系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?？梢阅M消落帶巖體在不同水位、不同壓力、不同溫度環(huán)境下的巖石力學(xué)性質(zhì)變化。

6、中國專利申請cn108613874a公開了一種三軸加載水巖作用實驗裝置，裝置包括溫度控制系統(tǒng)、水壓控制系統(tǒng)，軸壓控制系統(tǒng)，時間控制系統(tǒng)以及透水墊塊。該裝置可以調(diào)節(jié)和控制飽水過程中的水壓、溫度、軸壓以及飽水時間，從而模擬不同環(huán)境下巖體的行為。

7、現(xiàn)有技術(shù)中，存在的缺陷如下：

8、①缺乏對復(fù)雜環(huán)境條件下(應(yīng)力-水位-水流-溫度)，尤其是動態(tài)水位變化條件下(水位動態(tài)升降、水流沖刷、水壓作用)巖石劣化場景的模擬。

9、②缺乏對巖石劣化過程中損傷程度原位測試的裝置以及方法，現(xiàn)有的測試方法需將巖石取下開展測試，這一過程不可避免會改變其內(nèi)部損傷程度，且無法模擬原位應(yīng)力狀態(tài)下巖體內(nèi)部的損傷情況。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種模擬水位動態(tài)變化的巖體劣化試驗系統(tǒng)及測試方法，以對復(fù)雜環(huán)境條件下(應(yīng)力-水位-水流-溫度)，尤其是動態(tài)水位變化條件下(水位動態(tài)升降、水流沖刷、水壓作用)巖石劣化場景的模擬，實現(xiàn)原位應(yīng)力狀態(tài)下巖體內(nèi)部的損傷情況的模擬。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種模擬水位動態(tài)變化的巖體劣化試驗系統(tǒng)，包括單軸液壓伺服控制子系統(tǒng)、隔水板升降子系統(tǒng)、水流控制子系統(tǒng)、烘干子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)和聲學(xué)子系統(tǒng)；

4、所述單軸液壓伺服控制子系統(tǒng)包括伺服液壓泵和巖心夾持器，所述巖心夾持器用于夾持巖樣，所述巖心夾持器部分嵌入于沖刷水槽中，所述巖樣位于所述沖刷水槽中，所述伺服液壓泵與所述巖心夾持器連接，用于向所述巖樣施加壓力；

5、所述隔水板升降子系統(tǒng)包括隔水板和升降組件；其中，所述隔水板設(shè)置于所述沖刷水槽內(nèi)，將所述沖刷水槽分為飽和區(qū)和干燥區(qū)，所述升降組件與所述隔水板連接，以驅(qū)動所述隔水板在所述沖刷水槽內(nèi)上下活動；

6、所述水流控制子系統(tǒng)包括循環(huán)儲水罐、恒壓恒流水泵、第三止回閥和流量計和第四止回閥；所述循環(huán)儲水罐通過第一管道和第二管道連接所述沖刷水槽，所述第一管道上設(shè)置有恒壓恒流水泵、第三止回閥和流量計，所述第二管道上設(shè)置有所述第四止回閥；

7、所述烘干子系統(tǒng)用于對所述巖樣進(jìn)行烘干；

8、所述溫度控制子系統(tǒng)用于調(diào)控所述沖刷水槽內(nèi)的溫度；

9、所述聲學(xué)子系統(tǒng)通過發(fā)射超聲波脈沖并接收反射回來的p、s波，以測量巖體的動彈性模量，從而實現(xiàn)對巖石劣化過程中損傷程度的實時動態(tài)表征。

10、進(jìn)一步地，所述巖心夾持器包括液壓缸、導(dǎo)軌、加載柱和壓板；所述伺服液壓泵與所述液壓缸連接，所述液壓缸與所述加載柱連接，所述加載柱連接所述壓板，所述沖刷水槽安裝于所述導(dǎo)軌上。

11、進(jìn)一步地，所述升降組件包括絲桿、螺母、連動桿和硅膠密封條；所述隔水板、絲桿和螺母均設(shè)置為兩個，所述連動桿通過齒輪結(jié)構(gòu)與兩個絲桿相連接，使其同步旋轉(zhuǎn)，所述絲桿上裝配所述螺母，當(dāng)絲桿旋轉(zhuǎn)時，螺紋與螺母的嚙合作用推動絲桿上下移動，從而帶動隔水板沿垂直方向移動，實現(xiàn)對水位動態(tài)變化的模擬，在所述絲桿與所述沖刷水槽以及所述隔水板與所述沖刷水槽的接觸位置分別安裝一個所述硅膠密封條。

12、進(jìn)一步地，所述烘干子系統(tǒng)包括熱風(fēng)機(jī)和廢液收集器，所述熱風(fēng)機(jī)通過管道連接進(jìn)氣口，以將恒溫橫流的氣體通過進(jìn)氣口送入沖刷水槽中，對所述巖樣進(jìn)行加熱或干燥，氣體與所述巖樣充分接觸后，通過排風(fēng)口經(jīng)管道進(jìn)入所述廢液收集器；連接所述熱風(fēng)機(jī)和廢液收集器的管道上分別配備有第一止回閥和第二止回閥。

13、進(jìn)一步地，所述溫度控制子系統(tǒng)包括控溫元件和測溫計，所述測溫計設(shè)置于所述沖刷水槽內(nèi)，所述測溫計與所述控溫元件電連接。

14、進(jìn)一步地，所述聲學(xué)子系統(tǒng)包括第一超聲波探頭、第二超聲波探頭和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)；其中，所述第一超聲波探頭和第二超聲波探頭設(shè)置于所述巖樣的兩端，且所述第一超聲波探頭和第二超聲波探頭均連接所述數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)用于控制所述第一超聲波探頭和第二超聲波探頭發(fā)射超聲波脈沖并接收反射回來的p、s波，以測量巖體的動彈性模量，從而實現(xiàn)對巖石劣化過程中損傷程度的實時動態(tài)表征。

15、第二方面，本發(fā)明提供一種模擬水位動態(tài)變化的巖體劣化試驗方法，基于第一方面所述的模擬水位動態(tài)變化的巖體劣化試驗系統(tǒng)，所述方法包括：

16、步驟1，提前開啟控溫元件，將循環(huán)儲水罐中的液體加熱到額定溫度，將完全烘干后的巖樣安裝于巖心夾持器內(nèi)，并將巖心夾持器放置于沖刷水槽中；

17、步驟2，開啟伺服液壓泵，對巖樣施加設(shè)定的軸壓；

18、步驟3，打開第一超聲波探頭和第二超聲波探頭，發(fā)射脈沖信號并接受反射回來的p、s波，通過記錄傳播時間得到p、s波在巖體中傳播的速度，從而獲得巖石的無損動彈性模量；

19、步驟4，轉(zhuǎn)動連動桿，通過絲桿調(diào)整隔水板的位置，將隔水板降于巖樣底部；

20、步驟5，打開恒壓恒流水泵，將恒溫恒壓和/或恒流的液體通過進(jìn)液口送入沖刷水槽下部的飽和區(qū)；打開熱風(fēng)機(jī)，將恒溫的氣體通過進(jìn)氣口送入沖刷水槽上部的烘干區(qū)；

21、步驟6，待沖刷水槽中氣體、液體速率穩(wěn)定后，控制連動桿，將隔水板以額定速率抬升至巖樣頂部，再以同樣額定速率下降；

22、步驟7，待隔水板重新回到巖樣底部時，排掉沖刷水槽內(nèi)殘余液體，打開熱風(fēng)機(jī)并設(shè)置烘干溫度，將樣品烘干24小時，重復(fù)步驟3測試巖石的損傷動彈性模量en；

23、步驟8，重復(fù)步驟5至7，以獲得不同循環(huán)次數(shù)下巖樣的損傷特征，從而揭示巖樣的劣化規(guī)律。

24、進(jìn)一步地，步驟3與步驟7中，通過如下公式獲得動彈性模量：

25、

26、式中，ei為動彈性模量，其中i＝0或n，n＞0，代表第i個水位動態(tài)循環(huán)，i＝0時，e0為無損彈性模量，i＝n時，en為第n個水位動態(tài)循環(huán)下的損傷彈性模量，ρ為巖樣的密度，vpi、vsi分別為第i個水位動態(tài)循環(huán)下p、s波在巖石中的傳播速率。

27、進(jìn)一步地，根據(jù)無損動彈性模量e0和損傷動彈性模量en確定損傷變量，如下公式所示：

28、

29、式中，d為損傷變量。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

31、1、能夠模擬環(huán)境應(yīng)力、溫度、水流及水位變化對巖石劣化過程的影響。

32、2、通過超聲波探頭可以實現(xiàn)對巖樣損傷變量的原位無損測量。

33、3、通過升降隔水板將飽和系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)分離，能夠更貼合實際環(huán)境，并實現(xiàn)了對水位變化全過程的模擬。