一种富冰土体可视化监测实验系统及其实验方法技术方案

本发明专利技术提供一种富冰土体可视化监测实验系统及其实验方法，该系统包括实验加载仓、加压组件、温控循环器、渗流组件、围压组件以及监测器；实验加载仓包括安装座、两半壳体以及加压杆，两半壳体合拢安装于安装座上；两半壳体上端形成加压孔；安装座上设有下渗流座，加压杆下端设有上渗流座；待测样品安装于下渗流座上；待测样品为预埋有探测光纤的冻土块；探测光纤从光纤安装孔内穿出与监测器相连。本发明专利技术的有益效果为：该系统可研究冰水相变下的土体温度

【技术实现步骤摘要】
一种富冰土体可视化监测实验系统及其实验方法


[0001]本专利技术涉及冻土实验
，具体为一种富冰土体可视化监测实验系统及其实验方法。

技术介绍

[0002]川藏铁路沿线地质环境极其复杂，线路途经区域的昼夜和季节温差巨大，这种高寒环境使得存储在岩土体内部的地下水存在着固体冰和液体水两种形态，并在赋存环境温度的波动下发生动态相变过程，从而引起土体温度
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渗流
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应力多场特征量的不断演化发展。川藏铁路沿线的地质灾害大多与降雨和环境温度动态变化密切相关。在降雨和温升作用下，区域地表水和地下水活跃，使得地质体内部赋存不同形式的冰体发生消融，冰体的消融不仅会显著改变区域渗流场和温度场，对岩土体的结构和强度也会造成显著改变，从而影响地质体结构的应力场和变形场发生改变。因此，在水动力条件和温升环境下，赋存冰的岩土体内部发生着复杂的温度
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渗流
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应力多场耦合动态演化过程。
[0003]针对上述复杂情况，常规的实验装置和实验方法难以满足川藏铁路沿线的岩土体在复杂环境下的多场耦合实验需求。考虑到川藏铁路沿线特殊的地质环境和气候条件，相关岩土体(如冻土、冰碛物等)的物理力学特性实验不可避免地要考虑冰水相变过程的影响。如何协同控制实验过程中的温度
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渗流
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应力多场条件，并对不同部位点的温度、渗流量和渗透压力、结构演化和应力变形、含冰量等多场特征参量进行监测，对于正确合理评估川藏铁路沿线岩土体的工程地质特性研究至关重要，对于川藏铁路沿线地质灾害成因机制和预测防控也具有重要意义。
[0004]综上所述，为了保障川藏铁路沿线的顺利施工和安全运行，迫切需要研究川藏铁路沿线岩土体在温度
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渗流
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应力多场耦合条件下的物理力学特性。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，针对国内外缺乏相关实验设备的现状，本专利技术提供一种富冰土体可视化监测实验系统，该系统可研究冰水相变下的土体温度
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渗流
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应力多场观测实验系统，并利用光学监测方法可同步监测渗流实验中土体应力
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应变变化、实时三维结构变形、土体内部温度以及结构监测对现实情况进行了一种比较精确的还原，保证了实验数据的准确性和可靠性。一种富冰土体可视化监测实验系统，包括实验加载仓、加压组件、温控循环器、渗流组件、围压组件以及监测器；
[0006]实验加载仓包括安装座、两半壳体、以及加压杆，加压杆上设有渗流液排出孔和光纤安装孔；
[0007]两半壳体合拢安装于安装座上；两半壳体上端形成加压孔；安装座上设有下渗流座，加压杆下端设有上渗流座；待测样品安装于下渗流座上；待测样品为预埋有探测光纤的冻土块；探测光纤从光纤安装孔内穿出与监测器相连；
[0008]渗流组件与所述下渗流座和所述渗流液排出孔相连，渗流液排出孔与所述上渗流
座连通；所述渗流组件用于向下渗流座内输入渗流液，回收从渗流液排出孔流出的渗流液，并控制渗流液渗流压力；
[0009]两半壳体内壁固定有控温管，温控管穿过半壳体与温控循环器相连，温控管内设有温控介质，温控循环器控制温控介质温度并使其在温控管内循环流动，以控制实验加载仓内温度；
[0010]两半壳体上分别设有围压孔，两围压孔分别通过围压液输入管和围压液排出管与围压组件相连，所述围压组件用于向实验加载仓内注入围压液，并控制围压液压力；
[0011]所述安装座上设有检测架，检测架位于实验加载仓内，所述检测架上设有高速摄像机、红外温度传感器以及扫描雷达；高速摄像机、红外温度传感器以及扫描雷达均与监测器相连，所述扫描雷达用于实时扫描待测样品表面形变，使监测器对待测样品进行三维建模；
[0012]高速摄像机用于实时高速拍摄待测样品状态变化的图像，以分析待测样实时变形；红外温度传感器用于感测待测样品温度；所述探测光纤用于感测待测样品内部形变以及待测样品内部温度。
[0013]进一步地，所述待测样品外包裹有透明的橡胶膜，所述橡胶膜上、下端分别套于所述上渗流座和所述下渗流，所述橡胶膜上、下端均被锁紧箍固定。
[0014]进一步地，所述待测样品上下端均设有透水石，两所述透水石均位于所述橡胶膜内。
[0015]进一步地，该系统还包括箱体，所述实验加载仓设置于箱体上，所述加压组件包括加压横梁、两传力柱、两液压换向器和两液压泵，两液压换向器均固定于箱体上，且分别位于实验加载仓两侧，两液压泵分别与两所述液压换向器相连，两传力柱分别可升降地设置于两所述液压换向器上，所述加压横梁两端分别固定连接于两所述传力柱上端，所述加压杆上端连接于所述加压横梁上；所述液压换向器用于在液压泵驱动下带动传力柱升降，从而带动加压杆对待测样品加压。
[0016]进一步地，所述高速摄像机、红外温度传感器以及扫描雷达数量仅为两个，两扫描雷达分别位于待测样品两侧，两红外温度传感器分别位于待测样品两侧。
[0017]进一步地，所述检测架数量包括多个，其中一检测架上还设有一环形的安装架，两所述高速摄像机分别位于安装架两端。
[0018]进一步地，所述检测架上还分布有多个白光光源，所述白光光源用于照亮所述待测样品。
[0019]进一步地，所述检测架中部还设有一光栅光源，所述光栅光源在待测样品表面照射出光栅光线，所述光栅光源位于两速摄像机的中部。
[0020]进一步地，所述下渗流座和上渗流座上均设有压力传感器以及渗透压力传感器。
[0021]本专利技术还提供一种富冰土体可视化监测实验方法：该方法使用上述的富冰土体可视化监测实验系统，该方法包括如下步骤：
[0022]S1:制作待测样品，在待测样品制样过程中探测光纤设置为将U型，预埋在土体中，探测光纤端部延伸出待测样品。
[0023]S2:将在待测样品两端放置透水石；用透明的橡胶膜包裹待测样品以及透水石；将待测样品内的探测光纤从加压杆上的光纤安装孔穿出，连接于监测器上；通过锁紧箍将橡
胶膜固定在上渗流座和下渗流座上；
[0024]S3:开启监测器，检测器实时检测实验加载仓内温度并拍摄、扫描待测试样状态；
[0025]S4:开启温控循环器，将实验加载仓内温度降低至实验温度；
[0026]S5:开启围压组件，通过围压液输入管向实验加载仓内注满温度低于试验设置温度的，并使实验加载仓内围压液压力达到预定值以及围压液温度达到设定值；
[0027]S6:开启加压组件，加压组件通过加压杆对待测试样进行缓慢加压，直至加压杆加压位移达到设定值或待测试样被加载破坏，即完成试样块的温度
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渗流
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应力耦合实验。
[0028]本专利技术一种富冰土体可视化监测实验系统及其实验方法的有益效果为：
[0029]该实验系统内设有上、下渗流座，其中上渗流座设置于加压杆上，加压杆可在对待测样品进行轴线加压的同时向待测样品上下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富冰土体可视化监测实验系统，其特征在于：包括实验加载仓、加压组件、温控循环器、渗流组件、围压组件以及监测器；实验加载仓包括安装座、两半壳体、以及加压杆，加压杆上设有渗流液排出孔和光纤安装孔；两半壳体合拢安装于安装座上；两半壳体上端形成加压孔；安装座上设有下渗流座，加压杆下端设有上渗流座；待测样品安装于下渗流座上；待测样品为预埋有探测光纤的冻土块；探测光纤从光纤安装孔内穿出与监测器相连；渗流组件与所述下渗流座和所述渗流液排出孔相连，渗流液排出孔与所述上渗流座连通；所述渗流组件用于向下渗流座内输入渗流液，回收从渗流液排出孔流出的渗流液，并控制渗流液渗流压力；两半壳体内壁固定有控温管，温控管穿过半壳体与温控循环器相连，温控管内设有温控介质，温控循环器控制温控介质温度并使其在温控管内循环流动，以控制实验加载仓内温度；两半壳体上分别设有围压孔，两围压孔分别通过围压液输入管和围压液排出管与围压组件相连，所述围压组件用于向实验加载仓内注入围压液，并控制围压液压力；所述安装座上设有检测架，检测架位于实验加载仓内，所述检测架上设有高速摄像机、红外温度传感器以及扫描雷达；高速摄像机、红外温度传感器以及扫描雷达均与监测器相连，所述扫描雷达用于实时扫描待测样品表面形变，使监测器对待测样品进行三维建模；高速摄像机用于实时拍摄待测样品状态变化图像，以分析待测样实时变形；红外温度传感器用于感测待测样品温度；所述探测光纤用于感测待测样品内部形变以及待测样品内部温度。2.根据权利要求1所述的一种富冰土体可视化监测实验系统，其特征在于：所述待测样品外包裹有透明的橡胶膜，所述橡胶膜上、下端分别套于所述上渗流座和所述下渗流，所述橡胶膜上、下端均被锁紧箍固定。3.根据权利要求2所述的一种富冰土体可视化监测实验系统，其特征在于：所述待测样品上下端均设有透水石，两所述透水石均位于所述橡胶膜内。4.根据权利要求1所述的一种富冰土体可视化监测实验系统，其特征在于：该系统还包括箱体，所述实验加载仓设置于箱体上，所述加压组件包括加压横梁、两传力柱、两液压换向器和两液压泵，两液压换向器均固定于箱体上，且分别位于实验加载仓两侧，两液压泵分别与两所述液压换向器相连，两传力柱分别可升降地设置于两所述液压换向器上，所述加压横梁两...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳俊，周佳庆，李长冬，刘洪斌，唐辉明，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：