CN116990337A - 观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置和方法及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土力学试验技术领域，尤其涉及一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置和方法及分析方法。本发明的模型箱底板固定有样品转台，样品转台共有5个；样品转台的布置为两列三排平行放置，其中第二排只放置一个样品转台，用于CT扫描；样品转台的旋转受到计算机模块的控制，配合CT机和三维激光扫描仪进行扫描，控制试件所在的样品转台不旋转。本发明能够在冻融循环试验中全方位观测岩块冻融损伤演化过程，从而尽可能使冻融循环试验得出的结果客观准确。
Description
技术领域
本发明涉及岩土力学试验技术领域，尤其涉及一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置和方法及分析方法。
背景技术
我国永久性和季节性寒区面积约占国土总面积的3/4。冻融环境条件或寒区岩土工程中冻融环境的变化，对岩石稳定性影响是一个不可忽视的因素。我国岩块的冻融损伤现象主要出现在在青海、西藏等高海拔地区。冻融风化作用下的岩石损伤程度，是青藏高原高海拔寒冷地区岩石工程长期安全性考虑的最重要因素之一，岩石的冻融损伤是由于在昼夜或季节性温差较大的地区，岩体由于剧烈的热胀冷缩、冻胀力萌生消散等现象而造成结构的破坏或质量的退化。这种岩石的冻融损伤对我国西部高铁、火车等一些基础设施的建设造成了巨大的挑战。因此，揭示岩体中裂隙的冻融开裂扩展过程，是目前寒区工程研究中亟待解决的关键科学问题之一。
目前，岩石在冻融过程中的观测手段不够充分，冻融的过程对于机器本身的损伤过大，冻融的过程不够精确和自动化。鉴于上述原因，急需提供一种原理科学、结构简单、方便操作、冻融效果好的全方位观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置和方法及分析方法。本发明的模型箱底板固定有样品转台，样品转台共有5个；样品转台的布置为两列三排平行放置，其中第二排只放置一个样品转台，用于CT扫描；样品转台的旋转受到计算机模块的控制，配合CT机和三维激光扫描仪进行扫描，控制试件所在的样品转台不旋转。本发明能够在冻融循环试验中全方位观测岩块冻融损伤演化过程，从而尽可能使冻融循环试验得出的结果客观准确。
本发明的技术方案是：一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，包括模型箱，除面向CT机、摄像机和三维激光扫描仪方向不设置聚氨酯保温层，模型箱外表面的其他部分包裹一层聚氨酯保温层；模型箱的顶部设置水汽收集装置，模型箱底板固定有样品转台，样品转台共有5个；其特征在于：样品转台的布置为两列三排平行放置，其中第二排只放置一个样品转台，用于CT扫描；样品转台的旋转受到计算机模块的控制，配合CT机和三维激光扫描仪进行扫描，控制试件所在的样品转台不旋转；冻融加热系统硬件电路包括中央控制模块、温度收集模块、半导体模块、排气扇和半导体模块控制电路；温度收集模块包括一个环境温度传感器和一个热敏电阻温度传感器；环境温度传感器设置在模型箱左侧上部，热敏电阻温度传感器设置在控制试件内部；环境温度传感器将温度信息传递给中央控制模块；热敏电阻温度传感器将温度信息传递给中央控制模块；中央控制模块根据实时信息判断岩石试件是否制冷/制热完成；半导体模块控制电路控制半导体的开关以及功率大小；排气扇设置在水箱下方；半导体模块安装在水箱一侧，半导体模块包括制冷片、风扇；制冷片均分为两组，一组为制冷模块，一组为制热模块；水箱、下水槽、第二水管、第一水管、自动水阀、水泵构成水循环系统；水箱与半导体模块的冷热交换面接触；下水槽放置在模型箱底部，水泵位于下水槽中；下水槽和水箱之间用第一水管链接；水流由水泵从下水槽中抽水至水箱，再从水箱中流入下水槽；模型箱整体放在下水槽上；第三水管、水表，喷水头构成降雨系统；第三水管与第二水管相连；第三水管通过水表与喷水头连接；温度收集模块、图像采集装置、冻胀力采集装置构成信息监测系统，环境温度传感器与计算机模块连接，热敏电阻温度传感器与采集卡连接；图像采集装置包括CT机、三维激光扫描仪和摄像机，CT机设置在模型箱外部，三维激光扫描仪放置在模型箱右侧，摄像机放置在模型箱右侧；CT机、摄像机、三维激光扫描仪、采集卡均通过数据线与计算机模块连接；冻胀力采集装置包括电阻式压力传感器和采集卡，电阻式压力传感器为多个，间隔分布在控制试件上，多个电阻式压力传感器分别通过数据线与采集卡相连接。
根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：模型箱为由透明PET材料构成的长方体状容器，模型箱前端设置有密封门，密封门上有把手。
根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：水汽收集装置由透明塑料组成，水汽收集装置底部和侧面有镂空的孔洞。
根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：还包括声光报警模块，声光报警模块安装在模型箱外部。
根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：制冷片为TEC-12706单级半导体制冷片。
根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：下水槽中设置液位探测器，当水位低于下水槽高度的三分之一时，向计算机模块发出信号。
根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：第一水管穿出下水槽延伸后穿回下水槽，延伸部分装有自动水阀和过滤装置。
根据如上所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：模型箱底板右侧孔洞的上方固定铁丝网。
本发明还公开了一种观测岩块冻融损伤演化过程的分析方法：其特征在于：
a.将岩石试件主要划分为4个部分：A.岩石试件顶端、B.岩石试件顶端与侧面交汇处、C.岩石侧面中部、D.岩石侧面底部
b.根据需求，在四个部分内沿着风化程度最高的地方划分剖面线，
c.利用三维激光扫描仪，提取剖面线的起伏线进行分析；
d.将每条剖面线均分为若干个点；
e.以风化前的坐标作为基点，用基点的坐标减去现在剖面线上对应点的坐标，得出剖面线上各点的相对风化深度，以每条剖面线上的点为横坐标，各点的相对风化深度为纵坐标，整合成一条凹凸不平的相对风化深度线图；
f.根据相对风化深度线图得到：在相同冻融循环程度下，岩石试件在不同位置上的风化程度；在不同冻融循环程度下，相同部分相同剖面线的风化程度变化程度。
本发明还公开了一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
1.人工制作岩石试件；同时制备一个与岩石试件相同的控制试件，内置热敏电阻温度传感器和多个电阻式压力传感器；
2.将多个岩石试件和控制试件置于的恒温箱中烘干，采用真空饱和仪对岩样进行0.1MPa条件下的强制饱水；
3.将岩石试件、控制试件置于样品转台中；
4.设置制冷和制热温度、冻融循环次数、降雨系统流量大小；
5.从下水槽的开口处注水，同时开启水泵，让水流从下水槽中运至水箱，再从水箱中流向下水槽；然后当下水槽中的水位达到下水7高度的四分之三处后，停止注水；
6.打开电源，半导体模块开始工作；
7.在冻融循环全过程，通过温度收集模块实时控制试件内部温度和模型箱内部温，将监测的内部温度数据反馈给计算机模块，每一次冻融循环结束时，摄像机和三维激光扫描仪采集试样数据，并将监测数据反馈给计算机模块；冻胀力采集装置记录水分相变产生的冻胀力，并将监测数据反馈给计算机模块；
8.三维激光扫描仪扫描岩石试件的三维数据并完整地采集到计算机模块中，重构出目标的三维点云模型；将所采集的三维点云数据进行计量、分析、模拟展示监测，分析岩石试件在不同冻融循环次数后，表面细观结构损伤的扩展演化规律；扩展演化规律按照权利要求9所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的分析方法进行分析；
9.对岩石试件进行扫描，得到不同层位的CT图像；
10.对CT图像进行处理：
a.CT图像化处理：基于CT图像采用计盒维数来表征岩石孔隙结构的分形维数，建立孔隙分形维数均值与冻融次数的关系图和岩石孔隙率与孔隙分形维数的关系图；
b.CT数字化处理：利用密度损伤量增量分析岩石损伤的细观过程，并建立密度损伤量增量与冻融循环次数之间的关系图；
c.CT三维化处理：在图像二值化的基础上进行数字岩心三维可视化。
附图说明
图1是本发明提供的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置整体结构示意图。
图2是图1中的观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置的硬件电路示意图。
图3是图1中的模型箱立体示意图(去除密封门)。
图4是图1中的水汽收集装置示意图。
图5是图1中的模型箱横截面示意图(去除模型箱顶部)。
图中：模型箱1、把手2、水汽收集装置3、样品转台4、岩石试件5、第一水管6、下水槽7、CT机8、摄像机9、三维激光扫描仪10、电源11、中央控制模块12、温度收集模块13、环境温度传感器14、半导体模块15、控制试件16、计算机模块17、排气扇18、热敏电阻温度传感器19、水箱20、声光报警模块21、第二水管22、水泵23、第三水管24、水表25、喷水头26、半导体模块控制电路27、风扇28、自动水阀29、电阻式压力传感器30、采集卡31、过滤装置32、铁丝网33、液位探测器34。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1、图3和图4所示，本发明的模型箱1为由透明PET材料构成的长方体状容器，本发明使用透明PET制作模型箱1并在其外部包裹一层聚氨酯保温层，不影响CT成像质量，且保温性良好。模型箱1外表面的侧面下部一圈为无遮挡视线的透明部分。模型箱1外表面的其他部分包裹一层聚氨酯保温层，即面向CT机8、摄像机9和三维激光扫描仪10方向不设置聚氨酯保温层，使聚氨酯保温层不影响到CT机8、摄像机9和三维激光扫描仪10的视野。模型箱1前端上半不透明部分设置有可自由开关的密封门，密封门上有把手2；模型箱1的顶部设置一个水汽收集装置3，水汽收集装置3由透明塑料组成，水汽收集装置3底部和侧面有镂空的孔洞，底部铺设一张薄纸巾，高分子吸水树脂放在纸巾上。本发明使用高分子吸水树脂，可以有效地吸收模型箱1内的水汽，防止模型箱1内空气湿度过高。
模型箱1底板固定有样品转台4，样品转台共有5个；样品转台的布置为两列三排平行放置。其中第二排只放置一个样品转台4，用于CT扫描。样品转台4的旋转受到计算机模块17的控制，配合CT机8和三维激光扫描仪进行扫描，控制试件16所在的样品转台4不旋转。
本发明模型箱1的密封门采用扣合挤压密封条，提高密封效果。
如图2所示，本发明的冻融加热系统硬件电路包括电源11、中央控制模块12、温度收集模块13、半导体模块15、排气扇18、声光报警模块21和半导体模块控制电路27。温度收集模块13包括一个环境温度传感器14和一个热敏电阻温度传感器19。环境温度传感器14设置在模型箱1左侧上部，热敏电阻温度传感器19设置在控制试件16内部。环境温度传感器14将温度信息传递给中央控制模块12。热敏电阻温度传感器19将温度信息传递给中央控制模块12。中央控制模块12根据其传递的实时信息判断岩石试件5是否制冷/制热完成。
控制试件16为岩石试件5各个指标相同的岩样，用于提供岩石试件5的岩心温度和冻涨力信息。半导体模块控制电路27控制半导体的开关以及功率大小。
排气扇18设置在水箱20下方，其开启与关闭由中央控制模块12控制。当排气扇18处于关闭状态时，排气扇18不与外界交换气体。声光报警模块21安装在模型箱1外部，用于设备故障报警
中央控制模块12主要实现的功能如下：1、收集环境温度传感器14和热敏电阻温度传感器19的温度信息，并传递给计算机模块17。2、切换制冷/加热模式，当控制试件16岩心的温度达到预设的制冷/制热完成温度时，表明模型制冷/制热完成，向计算机模块17发出制冷/制热完成的信号，收到计算机模块17发出的开启制热/制冷信号后，开启半导体模块15的制热/制冷模块。3、控制排气扇18的开启与关闭。当模型箱1内制冷/制热完成时，打开排气扇18，排出模型箱1内的冷/热空气，一段时间后关闭排气扇18。排气扇18可以减少冻融转换所需时间以及减少模型箱1内的空气湿度。4、控制半导体模块控制电路27，从而间接控制半导体的开关以及功率大小。5、判断是否发生故障，如发生故障控制声光报警模块21报警。
本发明的半导体模块15包括制冷片、风扇28。制冷片均分为两组，一组为制冷模块，一组为制热模块，分别负责制冷和制热，半导体模块15安装在水箱20一侧，当需要制冷时，制冷模块和风扇28工作，制热模块不工作；当需要制热时，制热模块和风扇28工作，制冷模块不工作。这样风扇28可将制冷片产生的冷气或热气快速均匀的扩散至整个模型箱1，使岩石试件5受冷/受热均匀，减少实验时间。本发明的制冷片可以选择易于选购的TEC-12706单级半导体制冷片，额定电压为DC12V。电源设计为直流24V供电。
如图1所示，本发明的水箱20、下水槽7、第二水管22、第一水管6、自动水阀29、过滤装置32、铁丝网33和水泵23构成水循环系统。水箱20与半导体模块15的冷热交换面接触，接触处用导热硅胶紧密固结。下水槽7放置在模型箱1底部，水泵23位于下水槽7中。下水槽7侧部有开口设计。下水槽7和水箱20之间用第一水管6链接。水流由水泵23从下水槽7中抽水至水箱20，再从水箱20中流入下水槽7。下水槽7中设置液位探测器34，当水位低于下水槽7高度的三分之一时，向计算机模块17发出信号，当水位过低时，可从下水槽7开口处注水。
模型箱1底板右侧开有孔洞，孔洞外密接第一水管6，第一水管6穿出下水槽7延伸一定长度后穿回下水槽7，延伸部分上装有自动水阀29和过滤装置32；模型箱1整体放在下水槽7上。
如图3所示，本发明的过滤装置32为长方体塑料盒，顶部可以打开，塑料盒内装有过滤棉。过滤装置可以收集在冻融循环中产生的碎屑，防止堵塞水管，同时还可方便更换过滤棉。
如图3所示，模型箱1底板右侧孔洞的上方固定有铁丝网33，防止较大的岩石颗粒进入过滤装置32中堵塞水管。自动水阀29受到计算机模块17的控制。当降雨系统关闭时，计算机模块17控制自动水阀29开启；当无水流通过时，自动水阀29自动关闭
本发明的水箱20可由铝合金制成，质量轻，导热性良好，下水槽7由透明材料制成，可以随时观测到水位变化。下水槽7最好预留的空间应足够大。
如图3所示，本发明的第三水管24、水表25，喷水头26构成降雨系统。第三水管24与第二水管22相连，第三水管24通过水表25与喷水头26连接。水表25可精确控制流量以及控制开关。水表25由计算机模块17控制。喷水头26为板状，喷水头26可完全覆盖5个旋转转台，喷水头可模拟1mm/h-50mm/h。降雨系统可模拟自然情况下的降雨，以及冰雪融化。
如图2所示，温度收集模块13、图像采集装置、冻胀力采集装置构成信息监测系统，温度收集模块13包括环境温度传感器14和热敏电阻温度传感器19。环境温度传感器14通过蓝牙与计算机模块17无线连接，热敏电阻温度传感器19与采集卡31相连接。图像采集装置包括CT机8、三维激光扫描仪10和摄像机9。CT机8设置在模型箱1外部，CT机8可监测岩石试件5内部裂隙变化。三维激光扫描仪10放置在模型箱1右侧，三维激光扫描仪10可对岩石试件5进行三维建模，研究岩石试件5表面形态变化。摄像机9放置在模型箱1右侧，记录岩石试件5的变化过程。CT机8、摄像机9、三维激光扫描仪10、采集卡31均通过数据线与计算机模块17连接。
冻胀力采集装置包括电阻式压力传感器30和采集卡31，电阻式压力传感器30为多个，间隔分布在控制试件16上，多个电阻式压力传感器30分别通过数据线与采集卡31相连接。在冻融处理过程中，冻胀力采集装置可记录水分相变产生的冻胀力。
本发明的计算机模块17实现以下功能：1.接收通过键盘输入的制冷和制热完成温度、冻融循环次数、降雨系统的流量大小；2.控制制冷和制热模式的转换。当计算机模块17收到中央控制模块12发送的制冷/制热完成的信号时，计算机模块17向中央控制模块12发送关闭制冷/制热系统的指令以及开启制热/制冷系统的指令；3.记录冻融循环次数，当循环次数达到预设值后停止冻融系统；4.控制降雨系统水表25的开启、关闭以及流量大小；5.收集温度收集模块13、图像采集装置的信息、冻胀力采集装置并综合显示；6.控制样品转台的旋转；7.控制自动水阀29的开启；8.控制中央控制系统12开启声光报警器。
当出现以下情况时，当发生以下情况时，计算机模块17给中央控制模块12发送指令，控制声光报警模块21,并在计算机模块17上显示异常原因：a.当冻融循环达到设置值时，显示“冻融循环已结束”；b.当收到液位探测器34发出的信号时，显示“水位过低”；c.当热敏电阻温度传感器19采集到的温度信息长时间达不到设置的制冷和制热的完成温度，且环境温度传感器14采集到的温度显示正常时，显示“高精度热敏电阻温度传感器异常”；d.当热敏电阻温度传感器19采集到的温度信息长时间达不到设置的制冷和制热的完成温度，且环境温度传感器14采集到的温度显示异常时，显示“半导体装置异常”。
本发明还公开了一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验方法：
1.人工制作岩石试件5，岩石试件5为长方体，尺寸为50mm×50mm×100mm，试件内部含有结构面，岩石表面分布有裂缝，裂纹数量最好较多，比如每块岩石试件5裂纹数量大于50条。同时制备一个与岩石试件5相同的控制试件16，内置有热敏电阻温度传感器19和多个电阻式压力传感器30；
2.将多个岩石试件5和控制试件16置于(105±1)℃的恒温箱中烘干24h，然后采用真空饱和仪对岩样进行0.1MPa条件下的强制饱水；
3.将岩石试件5、控制试件16置于样品转台4中；
4.通过键盘输入制冷和制热完成温度C1＝－25℃、C2＝+25℃、冻融循环次数n＝40、降雨系统流量大小V＝20mm/h；
5.从下水槽7的开口处注水，同时开启水泵23，让水流从下水槽7中运至水箱20，再从水箱20中流向下水槽7。然后当下水槽7中的水位达到下水槽7高度的四分之三处后，停止注水。
6.打开电源，半导体模块15开始工作。
按控制试件16岩心的温度来控制冻融循环时间，当岩心温度由+25℃降低到－25℃后再重新升温到+25℃为一个冻融循环。
半导体模块15首先开始制冷，当控制试件16岩心的温度降低到－25℃时，中央控制模块12向计算机模块17发送制冷完成的信号，开启排气扇18并在一定时间后关闭；同时计算机模块17向中央控制模块12发送启动制热的信号。当控制试件16岩心的温度升高到+25℃时，中央控制模块12向计算机模块17发送制热完成的信号，开启排气扇18并在一定时间后关闭；同时计算机模块17向中央控制模块12发送启动制冷的信号，直至达到设定循环次数。
在冻融循环过程中水流由水泵23从下水槽7中抽水至水箱20，水箱20中的水与半导体制冷片的冷/热交换面进行热量交换，再从水箱20中流入下水槽7，以保证半导体模块15能够持续工作。采用这样的方式，能够确保在试验过程中，模型箱1温度能够快速而均用的变换，确保多块岩石试件5和控制试件16的温度变化一致，提高试验的精度。
本发明在冻融循环过程中，根据需要开启或关闭降雨系统的水表25，并可调节流量大小，从而提高测试的准确性。
7.在冻融循环全过程，通过温度收集块13实时控制试件16内部温度和模型箱1内部温，由于控制试件16所处的环境与岩石试件5一样，所以控制试件16的温度变化认为与监测岩石试件5一致，这样为测试提供了准确可靠的依据。并将监测的内部温度数据反馈给计算机模块17，每一次冻融循环结束时，摄像机9和三维激光扫描仪10采集试样数据，并将监测数据反馈给计算机模块17；冻胀力采集装置记录水分相变产生的冻胀力，并将监测数据反馈给计算机模块17。
8.三维激光扫描仪10扫描岩石试件的三维数据并完整地采集到计算机模块17中，快速重构出目标的三维点云模型。将所采集的三维点云数据进行计量、分析、模拟展示监测等，分析岩石试件5在不同冻融循环次数后，表面细观结构损伤的扩展演化规律。
a.将岩石试件主要划分为4个部分：A.岩石试件顶端、B.岩石试件顶端与侧面交汇处、C.岩石侧面中部、D.岩石侧面底部
b.根据需求，在这四个部分内，沿着风化程度最高的地方划分剖面线，
c.利用三维激光扫描仪，提取剖面线的起伏线进行分析
d.按照需求，将每条剖面线均分为若干个点
e.以风化前的坐标作为基点，用基点的坐标减去现在剖面线上对应点的坐标，就可以得出剖面线上各点的相对风化深度，以每条剖面线上的点为横坐标，各点的相对风化深度为纵坐标，然后整合成一条凹凸不平的相对风化深度线图。
f.根据相对风化深度线图可以得到：在相同冻融循环程度下，岩石试件在不同位置上的风化程度；在不同冻融循环程度下，相同部分相同剖面线的风化程度变化程度。
这种演化规律的好处在于：
1.观测方法简单，实验数据易于获得。方法中所提及的相对风化深度可以由计算机运算得出，实验设备只需要三维激光扫描仪。研究人员只需要根据需求划分好剖面线即可，不需要接触岩石试件。
2.可以把岩石表面微小的损伤放大，将图像信息转化为数表信息，使研究人员更直观的比较出，在冻融循环过程中，岩石试件表面不同部位的相对风化程度。同时也可以用每个点的相对风化深度来体现这一点的风化程度，数值越大，代表风化程度越小；数值越低，代表风化程度越小。
3.根据需要，后续也可以计算出岩石试件表面全部的相对风化深度，并根据实际情况，将相对风化深度按照数值大小划分为不同的范围，每种范围用一种颜色代表。利用这种方法，在计算机中给岩石试件模型涂上对应的颜色，从宏观角度上体现岩石试件的风化演化规律。
9.实验扫描层数预设为1000层。在冻融次数达到n＝5，10，15、20、25、30、35、40时，对岩石试件5进行扫描，得到不同层位的CT图像；
10.对CT图像进行处理：
a.CT图像化处理：
利用数学分析工具MATLAB对CT扫描图像进行剪裁、中值滤波、二值化处理、处理得到易观察的CT图像。处理后的CT图像的灰度变化更加明显，白色代表岩石颗粒，黑色代表岩石孔隙和背景，岩石颗粒与孔隙黑白分明，极大地提高了原始CT图像的直观性。
基于最大类间方差法对不同冻融循环次数下不同截面的孔隙率进行计算，同时计算不同冻融次数下的孔隙率均值，建立在不同的冻融循环次数下，不同的截面与孔隙率的关系图。
基于CT图像采用计盒维数来表征岩石孔隙结构的分形维数，同时建立孔隙分形维数均值与冻融次数的关系图和岩石孔隙率与孔隙分形维数的关系图。着孔隙率的增大,孔隙结构的分形维数也变大.而且在孔隙率相同的情况下,孔隙结构的分形维数也不尽相同,孔隙结构越复杂，其分形维数越大。
b.CT数字化处理：
利用密度损伤量增量(ΔD)分析岩石损伤的细观过程，并建立ΔD与冻融循环次数之间的关系图。岩石密度损伤增量不仅可以反映岩石损伤程度，而且可以描述岩石损伤演化过程。据ΔD公式，将CT数的变化用密度损伤增量表示，使CT数变化的物理意义明确起来，并且将损伤定量化；
c.CT三维化处理：
在图像二值化的基础上进行数字岩心三维可视化。三维数字岩心可以将岩心样品内部的微观孔隙空间真实、直观地反映出来，孔隙空间三维可视化可以用于研究岩石内部孔隙空间的展布特征，分析岩石试件在不同冻融循环次数后，内部细观结构损伤的扩展演化规律。
本发明对CT图像进行处理中的好处是：
1.本发明中岩石试件内不设置任何监测装置，可以保证岩石试件在扫描过程中不会受其他实验仪器的影响，从而使图像更加准确、清楚；
2.本发明中，岩石试件可以在模型箱内部进行CT扫描，不需要拿出模型箱。这样可以避免一些可能的碰撞、温度变化和水分蒸发等等对实验结果的影响，使图像更加接近真实情况。
Claims (10)
1.一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，包括模型箱，除面向CT机、摄像机和三维激光扫描仪方向不设置聚氨酯保温层，模型箱外表面的其他部分包裹一层聚氨酯保温层；模型箱的顶部设置水汽收集装置，模型箱底板固定有样品转台，样品转台共有5个；其特征在于：样品转台的布置为两列三排平行放置，其中第二排只放置一个样品转台，用于CT扫描；样品转台的旋转受到计算机模块的控制，配合CT机和三维激光扫描仪进行扫描，控制试件所在的样品转台不旋转；冻融加热系统硬件电路包括中央控制模块、温度收集模块、半导体模块、排气扇和半导体模块控制电路；温度收集模块包括一个环境温度传感器和一个热敏电阻温度传感器；环境温度传感器设置在模型箱左侧上部，热敏电阻温度传感器设置在控制试件内部；环境温度传感器将温度信息传递给中央控制模块；热敏电阻温度传感器将温度信息传递给中央控制模块；中央控制模块根据实时信息判断岩石试件是否制冷/制热完成；半导体模块控制电路控制半导体的开关以及功率大小；排气扇设置在水箱下方；半导体模块安装在水箱一侧，半导体模块包括制冷片、风扇；制冷片均分为两组，一组为制冷模块，一组为制热模块；水箱、下水槽、第二水管、第一水管、自动水阀、水泵构成水循环系统；水箱与半导体模块的冷热交换面接触；下水槽放置在模型箱底部，水泵位于下水槽中；下水槽和水箱之间用第一水管链接；水流由水泵从下水槽中抽水至水箱，再从水箱中流入下水槽；模型箱整体放在下水槽上；第三水管、水表，喷水头构成降雨系统；第三水管与第二水管相连；第三水管通过水表与喷水头连接；温度收集模块、图像采集装置、冻胀力采集装置构成信息监测系统，环境温度传感器与计算机模块连接，热敏电阻温度传感器与采集卡连接；图像采集装置包括CT机、三维激光扫描仪和摄像机，CT机设置在模型箱外部，三维激光扫描仪放置在模型箱右侧，摄像机放置在模型箱右侧；CT机、摄像机、三维激光扫描仪、采集卡均通过数据线与计算机模块连接；冻胀力采集装置包括电阻式压力传感器和采集卡，电阻式压力传感器为多个，间隔分布在控制试件上，多个电阻式压力传感器分别通过数据线与采集卡相连接。
2.权利要求1所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：模型箱为由透明PET材料构成的长方体状容器，模型箱前端设置有密封门，密封门上有把手。
3.权利要求1所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：水汽收集装置由透明塑料组成，水汽收集装置底部和侧面有镂空的孔洞。
4.权利要求1所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：还包括声光报警模块，声光报警模块安装在模型箱外部。
5.权利要求1所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：制冷片为TEC-12706单级半导体制冷片。
6.权利要求1所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：下水槽中设置液位探测器，当水位低于下水槽高度的三分之一时，向计算机模块发出信号。
7.权利要求1所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：第一水管穿出下水槽延伸后穿回下水槽，延伸部分装有自动水阀和过滤装置。
8.权利要求1所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：模型箱底板右侧孔洞的上方固定铁丝网。
9.一种观测岩块冻融损伤演化过程的分析方法：其特征在于：
a.将岩石试件主要划分为4个部分：A.岩石试件顶端、B.岩石试件顶端与侧面交汇处、C.岩石侧面中部、D.岩石侧面底部
b.根据需求，在四个部分内沿着风化程度最高的地方划分剖面线，
c.利用三维激光扫描仪，提取剖面线的起伏线进行分析；
d.将每条剖面线均分为若干个点；
e.以风化前的坐标作为基点，用基点的坐标减去现在剖面线上对应点的坐标，得出剖面线上各点的相对风化深度，以每条剖面线上的点为横坐标，各点的相对风化深度为纵坐标，整合成一条凹凸不平的相对风化深度线图；
f.根据相对风化深度线图得到：在相同冻融循环程度下，岩石试件在不同位置上的风化程度；在不同冻融循环程度下，相同部分相同剖面线的风化程度变化程度。
10.一种观测岩块冻融损伤演化过程的试验方法，采用权利要求1的观测岩块冻融损伤演化过程的试验装置，其特征在于：包括以下步骤：
1.人工制作岩石试件；同时制备一个与岩石试件相同的控制试件，内置热敏电阻温度传感器和多个电阻式压力传感器；
2.将多个岩石试件和控制试件置于的恒温箱中烘干，采用真空饱和仪对岩样进行0.1MPa条件下的强制饱水；
3.将岩石试件、控制试件置于样品转台中；
4.设置制冷和制热温度、冻融循环次数、降雨系统流量大小；
5.从下水槽的开口处注水，同时开启水泵，让水流从下水槽中运至水箱，再从水箱中流向下水槽；然后当下水槽中的水位达到下水7高度的四分之三处后，停止注水；
6.打开电源，半导体模块开始工作；
7.在冻融循环全过程，通过温度收集模块实时控制试件内部温度和模型箱内部温，将监测的内部温度数据反馈给计算机模块，每一次冻融循环结束时，摄像机和三维激光扫描仪采集试样数据，并将监测数据反馈给计算机模块；冻胀力采集装置记录水分相变产生的冻胀力，并将监测数据反馈给计算机模块；
8.三维激光扫描仪扫描岩石试件的三维数据并完整地采集到计算机模块中，重构出目标的三维点云模型；将所采集的三维点云数据进行计量、分析、模拟展示监测，分析岩石试件在不同冻融循环次数后，表面细观结构损伤的扩展演化规律；扩展演化规律按照权利要求9所述的一种观测岩块冻融损伤演化过程的分析方法进行分析；
9.对岩石试件进行扫描，得到不同层位的CT图像；
10.对CT图像进行处理：
a.CT图像化处理：基于CT图像采用计盒维数来表征岩石孔隙结构的分形维数，建立孔隙分形维数均值与冻融次数的关系图和岩石孔隙率与孔隙分形维数的关系图；
b.CT数字化处理：利用密度损伤量增量分析岩石损伤的细观过程，并建立密度损伤量增量与冻融循环次数之间的关系图；
c.CT三维化处理：在图像二值化的基础上进行数字岩心三维可视化。
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|---|---|---|---|---|
| CN117607397A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-02-27 | 长江大学 | 一种高位岩崩冻融循环物理模型试验方法及系统 |
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