CN109826243B - 一种三水耦合效应下的岩体试验测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的第一方面提供了一种三水耦合效应下的岩体试验测试方法，包括：制作岩体边坡模型步骤、布置测试环境步骤、采集初始数据步骤、模拟测试环境步骤、采集测量数据步骤和数据分析步骤。同时本发明还提供了一种三水耦合效应下的岩体试验测试系统，包括：试验模型箱、测试环境模拟装置和测量数据采集装置。通过对现实环境的再现模拟，并精确调节降水、库水、裂隙水等因素，从而完成三水耦合效应下的岩体强度测试，并在不同工况下采集试验数据，进行多次平行测试，同时由于该测试过程为无损测试，可以用于长期监测模拟、强度反演，是三水耦合效应下岸坡岩体强度定量化研究的有效、可靠的技术手段。

Description

一种三水耦合效应下的岩体试验测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种岩体测试技术，尤其涉及一种三水耦合效应下的岩体试验测试系统及方法。

背景技术

三水（库水、裂隙水、降水）对（岩溶）岸坡岩体强度的影响显著，这在业内已形成共识。本申请中的库水是指河流水体以及自然或人工形成的水库水体的统称，裂隙水是指存在于岩体裂隙中的地下水，降水是指由空中降落到地面上的水汽凝结物，在本申请中特指降雨。但三水耦合作用对岸坡岩体强度具体会影响到何种程度目前仍无定论，其重要原因之一就是现有测试手段无法针对三水耦合条件下岸坡岩体强度的变化过程开展定量化测定。因此发明了一种针对岩体三水效应的试验测试系统及方法，用来测试库水、裂隙水以及降水三水耦合条件下的岩体声波反馈。测试结果可用来验证不同岩体在三水条件下的性状，也可利用该系统开展多种组合工况的平行试验，进而捕捉三水耦合条件下岩体强度变化的动态过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种三水耦合效应下的岩体试验测试系统及方法，用以解决三水耦合条件下岸坡岩体强度的变化过程中进行定量化测定，进而解决三水耦合条件下岸坡岩体强度及其变化规律这一问题。

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种三水耦合效应下的岩体试验测试方法，包括：制作岩体边坡模型步骤，根据边坡原型的坡度、岩石强度、节理密度、节理开合度、填充程度、节理角度及试验设计相似比，采用相似材料制作岩体边坡模型，并进入测试环境布置步骤；布置测试环境步骤，根据模拟岩体岸坡方向设置库水进水口、出水口位置，从而模拟库水水流方向，同时在所述岩体边坡模型设置有两组高功率发射探头与三分量检波器探头，并进入采集初始数据步骤；采集初始数据步骤，采集初始状态下的所述岩体边坡模型的初始波速，并进入模拟测试环境步骤；模拟测试环境步骤，通过降水模拟装置、库水模拟装置、裂隙水模拟装置和联动控制系统模拟测试环境；采集测量数据步骤，采集所述模拟测试环境步骤下的所述岩体边坡模型的波速，并进入数据分析步骤；数据分析步骤，根据所述采集测量数据步骤中测取的波速和所述采集初始数据步骤中测取的初始波速计算。

进一步地，上述三水耦合效应下的岩体试验测试方法中所述岩体边坡模型的两侧均分别设置有一组高功率发射探头与三分量检波器探头；所述采集初始数据步骤中设置在所述岩体边坡模型两侧的两组高功率发射探头与三分量检波器探头分别相向测量所述岩体边坡模型的所述初始波速，并取平均值。

进一步地，上述三水耦合效应下的岩体试验测试方法中所述岩体边坡模型的两侧均分别设置有一组高功率发射探头与三分量检波器探头；所述采集测量数据步骤中设置在所述岩体边坡模型两侧的两组高功率发射探头与三分量检波器探头分别相向测量所述岩体边坡模型的所述波速，并取平均值。

进一步地，上述三水耦合效应下的岩体试验测试方法中所述模拟测试环境步骤中还包括：调节模拟测试环境步骤，通过调整所述降水模拟装置、所述库水模拟装置、所述裂隙水模拟装置和所述联动控制系统的参数来模拟不同三水耦合条件下的测试环境。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种三水耦合效应下的岩体试验测试系统，包括：试验模型箱、测试环境模拟装置和测量数据采集装置；其中试验模型箱由第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁依次与底座拼接而成，以及位于所述第三侧壁一侧的所述试验模型箱内设置有岩体边坡模型，所述岩体边坡模型表面具有贯通至内部的岩体裂隙，所述岩体边坡模型坡面边缘与所述第二侧壁、第四侧壁和底座均为密封贴合，所述第二侧壁和第四侧壁中部设置有库水进水口，第二侧壁和第四侧壁下部设置有库水出水口，所述第一侧壁上标记有用于测量库水高度的水位标尺，所述第二侧壁、第四侧壁预留测试窗，所述第三侧壁设有裂隙水注水口，所述底座设置有排水孔；所述测试环境模拟装置包括降水模拟装置、库水模拟装置、裂隙水模拟装置和联动控制系统；其中，所述降水模拟装置设置在所述岩体边坡模型的上方，所述降水模拟装置包括输水管、喷头、用于调节水量大小的自动调压器和自动雨量计；输水管的进水端设置有所述自动调压器，在输水管的进水端设置有所述自动调压器，所述输水管上间隔设置有所述喷头，所述岩体边坡模型顶面设有所述自动雨量计；其中，所述库水模拟装置包括：过水挡板和测速仪，所述过水挡板设置在所述第二侧壁和所述第四侧壁一侧，并分别与所述第二侧壁和所述第四侧壁形成储水槽，所述过水挡板与岩体边坡模型等高，过水挡板上设置有若干个开孔，所述测速仪设置在所述试验模型箱内中部；其中，裂隙水模拟装置包括：注水管、用于调节水压的增压泵、多孔注水针、密封橡胶片，所述密封橡胶片设于岩体边坡模型后壁顶部岩体裂隙处，所述多孔注水针穿过密封橡胶片插入所述岩体裂隙内，所述注水管从试验模型箱的裂隙水注水口穿出；所述联动控制系统用于根据测试所需统一或单独调节降雨量和降雨范围、调节库水水位和库水流速、调节裂隙水量和裂隙水压；所述测量数据采集装置包括：超声波测试仪、高功率发射探头、三分量检波器探头和主控电脑，所述高功率发射探头和所述三分量检波器探头设置在所述岩体边坡模型两侧，所述高功率发射探头和所述三分量检波器探头与所述超声波测试仪电连接，所述超声波测试仪与所述主控电脑电连接。

进一步地，上述三水耦合效应下的岩体试验测试系统中所述测量数据采集装置还包括自动耦合式探头支架，高功率发射探头和三分量检波器探头设置在所述自动耦合式探头支架上，发射探头和检波器接收探头都需要紧密耦合在被测试体表面才能避免发射的超声波的能量耗散，进而得到准确的数据。自动耦合探头支架通过在支架底部设置自动调节液压器，使得在支架顶部的探头可以根据测试需要始终紧密的贴合在被测试体也就是边坡模型的表面，从而保证测试数据的准确性和精度。

进一步地，上述三水耦合效应下的岩体试验测试系统中所述岩体边坡模型的坡面边缘与所述第二侧壁、第四侧壁和底座均为胶性密封或水泥密封。

通过对现实环境的再现模拟，并精确调节降水、库水、裂隙水等因素，从而完成三水耦合效应下的岩体强度测试，并在不同场景下采集试验数据，进行多次平行测试，同时由于该测试过程为无损测试，可以用于长期监测模拟、强度反演，是三水效应下岩体强度定量化研究的有效、可靠的技术手段。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的三水耦合效应下的岩体试验测试系统结构示意图；

图2是根据本发明实施方式中试验模型箱结构示意图；

图3是根据本发明实施方式中降水模拟装置结构示意图；

图4是根据本发明实施方式中库水模拟装置结构示意图；

图5a是根据本发明实施方式中裂隙水模拟装置结构示意图；

图5b是图5a的俯视图；

图5c是图5a的A-A剖面图；

图6是根据本发明实施方式中测量数据采集装置结构示意图。

附图标记：

1000：试验模型箱；

1100：第一侧壁；

1110：水位标尺；

1200：第二侧壁；

1210：测试窗；

1220：库水注水口；

1230：库水出水口；

1300：第三侧壁；

1310：裂隙水注水口；

1400：第四侧壁；

1500：底座；

1510：排水孔；

1600：岩体边坡模型；

2000：测试环境模拟装置；

2100：降水模拟装置；

2110：输水管；

2120：喷头；

2130：自动调压器；

2140：自动雨量计；

2200：库水模拟装置；

2210：过水挡板；

2211：储水槽；

2212：开孔；

2220：测速仪；

2300：裂隙水模拟装置；

2310：注水管；

2320：增压泵；

2330：多孔注水针；

2340：密封橡胶片；

2400：联动控制系统；

3000：测量数据采集装置；

3100：超声波测试仪；

3200：高功率发射探头；

3300：三分量检波器探头；

3400：自动耦合式探头支架；

3500：主控电脑。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参考图1和图2，本发明所示实施例中的岩体三水效应的试验测试系统包括：试验模型箱1000、测试环境模拟装置2000和测量数据采集装置3000；参考图2，所述试验模型箱1000由第一侧壁1100、第二侧壁1200、第三侧壁1300、第四侧壁1400依次与底座1500拼接而成，以及位于所述第三侧壁1300一侧的所述试验模型箱1000内设置有岩体边坡模型1600，所述岩体边坡模型1600表面具有贯通至内部的岩体裂隙，所述边坡模型岩体边坡模型1600坡面边缘与所述第二侧壁1200、第四侧壁1400和底座1500均为密封贴合，例如可以使用胶体在此处胶性密封，也可以通过水泥密封，所述第一侧壁1100上标记有用于测量库水高度的水位标尺1110，所述第二侧壁1200、第四侧壁1400预留测试窗1210，同时在第二侧壁1200和第四侧壁1400中部设置有库水进水口1220，在第二侧壁1200和第四侧壁1400下部设置有库水出水口1230，第三侧壁1300设有裂隙水注水口1310，所述底座1500设置有排水孔1510；在本实施例中，第一侧壁1100、第二侧壁1200、第三侧壁1300、第四侧壁1400和底座1500由聚碳酸酯板制成，试验模型箱1000的尺寸为2m×2m×2m（长×宽×高），当然试验模型箱1000的具体尺寸可以根据实际需要进行相应调整。接着参考图3，测试环境模拟装置2000包括降水模拟装置2100、库水模拟装置2200、裂隙水模拟装置2300和联动控制系统2400；其中，降水模拟装置2100设置在岩体边坡模型1600的上方，降水模拟装置2100包括输水管2110、喷头2120、用于调节水量大小的自动调压器2130和自动雨量计2140；输水管2110的进水端设置有自动调压器2130，输水管2110上间隔设置有喷头2120，输水管2110铺设在试验模型箱1000的上方，使得喷头2120能均匀布置即可，在本实施例中两条输水管2110呈反向S型布置，自动雨量计2140设置在岩体边坡模型1600上方；其中，参考图4，库水模拟装置2200包括：过水挡板2210和测速仪2220，过水挡板2210设置在第二侧壁1200和第四侧壁1400一侧，并分别与第二侧壁1200和第四侧壁1400形成储水槽2211，过水挡板2210与岩体边坡模型1600等高，过水挡板2210上设置有若干个开孔2212，开孔2212在过水挡板2210上按60度梅花排列，在本实施例中，开孔2212的孔径为2cm，孔间隔为5cm，测速仪2220设置在试验模型箱1000中部；参考图5a、图5b和图5c，其中，裂隙水模拟装置2300包括：注水管2310、用于调节水压的增压泵2320、多孔注水针2330、密封橡胶片2340，密封橡胶片2340设于岩体边坡模型后壁顶部岩体裂隙处，多孔注水针2330穿过密封橡胶片2340插入所述岩体裂隙内，所述注水管2310从试验模型箱1000的裂隙水注水口1310穿出；联动控制系统2400用于根据测试所需统一或单独调节降雨量和降雨范围、调节库水水位和库水流速、调节裂隙水量和裂隙水压；接着参考图6，测量数据采集装置3000包括：超声波测试仪3100、高功率发射探头3200、三分量检波器探头3300和主控电脑3500，高功率发射探头3200和三分量检波器探头3300设置在岩体边坡模型1000两侧，高功率发射探头3200和三分量检波器探头3300与超声波测试仪3100电连接，超声波测试仪3100与主控电脑3500电连接。同时为了更好地安装高功率发射探头3200和三分量检波器探头3300，以确保测量精度，还可以通过设置自动耦合式探头支架3400，将高功率发射探头3200和三分量检波器探头3300设置在自动耦合式探头支架3400上，发射探头和检波器接收探头都需要紧密耦合在被测试体表面才能避免发射的超声波的能量耗散，进而得到准确的数据。自动耦合探头支架通过在支架底部设置自动调节液压器，使得在支架顶部的探头可以根据测试需要始终紧密的贴合在被测试体也就是边坡模型的表面，从而保证测试数据的准确性和精度。

下面接着讲述一种三水耦合效应下的岩体试验测试方法，具体包括如下步骤：

制作岩体边坡模型步骤，根据岩体边坡模型的坡度、岩石强度、节理密度、节理开合度、填充程度、节理角度及实验设计相似比，采用相似材料制作岩体边坡模型，并进入测试环境布置步骤；

布置测试环境步骤，根据模拟岩体岸坡方向设置库水进水口、出水口位置，从而模拟库水水流方向，同时在所述岩体边坡模型设置有两组高功率发射探头与三分量检波器探头，并进入采集初始数据步骤；

采集初始数据步骤，采集初始状态下的所述岩体边坡模型的初始波速，并进入模拟测试环境步骤；具体地，在岩体边坡模型的两侧均分别设置有一组高功率发射探头与三分量检波器探头；通过设置在岩体边坡模型两侧的两组高功率发射探头与三分量检波器探头分别相向测量岩体边坡模型的初始波速，并取平均值。

模拟测试环境步骤，通过降水模拟装置、库水模拟装置、裂隙水模拟装置和联动控制系统模拟测试环境；为了更好的模拟不同真实情形下的试验结果，此步骤还可以包括：调节模拟测试环境步骤，通过调整降水模拟装置、库水模拟装置、裂隙水模拟装置和联动控制系统的参数来模拟不同三水耦合条件下的测试环境。

采集测量数据步骤，采集所述模拟测试环境步骤下的所述岩体边坡模型的波速，并进入数据分析步骤；具体地，岩体边坡模型的两侧均分别设置有一组高功率发射探头与三分量检波器探头；通过设置在岩体边坡模型两侧的两组高功率发射探头与三分量检波器探头分别相向测量岩体边坡模型的波速，并取平均值。本申请中的波速是指由高功率发射探头发出由三分量检波器接受到的超声波在岩体边坡模型中的传播速度。

数据分析步骤，根据所述采集测量数据步骤中测取的波速和所述采集初始数据步骤中测取的初始波速计算。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种三水耦合效应下的岩体试验测试系统，其特征在于，包括：

试验模型箱、测试环境模拟装置和测量数据采集装置；

所述试验模型箱由第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁依次与底座拼接而成，以及位于所述第三侧壁一侧的所述试验模型箱内设置有岩体边坡模型，所述岩体边坡模型表面具有贯通至内部的岩体裂隙，所述岩体边坡模型的坡面边缘与所述第二侧壁、第四侧壁和底座均为胶性密封或水泥密封贴合，所述第二侧壁和第四侧壁中部设置有库水进水口，第二侧壁和第四侧壁下部设置有库水出水口，所述第一侧壁上标记有用于测量库水高度的水位标尺，所述第二侧壁、第四侧壁预留测试窗，所述第三侧壁设有裂隙水注水口，所述底座设置有排水孔；

所述测试环境模拟装置包括降水模拟装置、库水模拟装置、裂隙水模拟装置和联动控制系统；

其中，所述降水模拟装置设置在所述岩体边坡模型的上方，所述降水模拟装置包括输水管、喷头、用于调节水量大小的自动调压器和自动雨量计；在输水管的进水端设置有所述自动调压器，所述输水管上间隔设置有所述喷头，铺设在试验模型箱的上方，所述岩体边坡模型顶面设有所述自动雨量计；

其中，所述库水模拟装置包括：过水挡板和测速仪，所述过水挡板设置在所述第二侧壁和所述第四侧壁一侧，并分别与所述第二侧壁和所述第四侧壁形成储水槽，所述过水挡板上设置有若干个开孔，所述测速仪设置在所述试验模型箱内中部；

其中，裂隙水模拟装置包括：注水管、用于调节水压的增压泵、多孔注水针、密封橡胶片，所述密封橡胶片设于岩体边坡模型后壁顶部岩体裂隙处，所述多孔注水针通过注水管与所述增压泵连通，所述多孔注水针穿过密封橡胶片插入所述岩体裂隙内，所述注水管从所述试验模型箱的所述裂隙水注水口穿出；

所述联动控制系统用于根据测试所需统一或单独调节降雨量和降雨范围、调节库水水位和库水流速、调节裂隙水量和裂隙水压；

所述测量数据采集装置包括：超声波测试仪、高功率发射探头、三分量检波器探头和主控电脑，岩体边坡模型设置有两组高功率发射探头与三分量检波器探头，所述两组高功率发射探头和三分量检波器探头分别设置在所述岩体边坡模型两侧，所述高功率发射探头和所述三分量检波器探头与所述超声波测试仪电连接，所述超声波测试仪与所述主控电脑电连接。

2.根据权利要求1所述的三水耦合效应下的岩体试验测试系统，其特征在于：

所述测量数据采集装置还包括自动耦合式探头支架，高功率发射探头和三分量检波器探头设置在所述自动耦合式探头支架上。

3.一种基于权利要求1所述的三水耦合效应下的岩体试验测试系统的测试方法，其特征在于，包括：

制作岩体边坡模型步骤，岩体边坡模型的坡面边缘与模型试验箱密封贴合，并进入测试环境布置步骤；

布置测试环境步骤，根据模拟岩体岸坡方向设置库水进水口、出水口位置，从而模拟库水水流方向，同时在所述岩体边坡模型设置有两组高功率发射探头与三分量检波器探头用于平行测试，并进入采集初始数据步骤；

所述两组高功率发射探头和三分量检波器探头分别设置在所述岩体边坡模型两侧；

采集初始数据步骤，采集初始状态下的所述岩体边坡模型的初始波速，并进入模拟测试环境步骤；

所述采集初始数据步骤中设置在所述岩体边坡模型两侧的两组高功率发射探头与三分量检波器探头分别相向测量所述岩体边坡模型的所述初始波速，并取平均值；

模拟测试环境步骤，通过降水模拟装置、库水模拟装置、裂隙水模拟装置和联动控制系统模拟测试环境；

采集测量数据步骤，采集所述模拟测试环境步骤下的所述岩体边坡模型的波速，并进入数据分析步骤；

所述采集测量数据步骤中设置在所述岩体边坡模型两侧的两组高功率发射探头与三分量检波器探头分别相向测量所述岩体边坡模型的所述波速，并取平均值；

数据分析步骤，根据所述采集测量数据步骤中测取的波速和所述采集初始数据步骤中测取的初始波速计算。

4.根据权利要求3所述的基于三水耦合效应下的岩体试验测试系统的测试方法，其特征在于：

所述模拟测试环境步骤中还包括：

调节模拟测试环境步骤，通过调整所述降水模拟装置、所述库水模拟装置、所述裂隙水模拟装置和所述联动控制系统的参数来模拟不同三水耦合条件下的测试环境。