具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

实施例1，

一种岩土湿、热、力耦合作用的裂隙模拟装置，如图1-3所示，包括试验箱、环境温湿度控制系统及量测系统；

试验箱，用于放置岩土试样并模拟岩土试样的湿度、温度及所受光照环境；

试验箱包括环境模拟箱3，环境模拟箱3的箱壁采用保温结构，环境模拟箱3内部设有试样室19，试样室19的壁面采用隔微波结构，试样室19内部放置有岩土试样。

环境模拟箱3为顶端不封口的箱型结构，箱型结构的顶端可拆卸连接有顶盖16，顶盖16下方的环境模拟箱3内侧壁设置有环形加肋板15，用于支撑顶盖16；环境模拟箱3的底面及四个侧立面均由玻璃、聚苯乙烯泡沫塑料粘结而成的双层结构，作用是保温、保湿。

如图4所示，顶盖16为长66cm、宽36cm、高5cm的不锈钢板与聚苯乙烯泡沫塑料板粘结而成的复合板；顶盖16对应于试样室19的位置设有长7cm宽7cm的矩形缺口21，矩形缺口21处设有长8cm、宽8cm、厚0.5cm的铁皮以盖住试样室19；试验箱顶部左右两侧分别装有直径1cm、高20cm不锈钢材质的圆柱2。

环境模拟箱3的前侧面设有一个长方体缺口21，缺口21高40cm×宽20cm，缺口21沿前后方向的长度是5cm；缺口21的六面围合构成试样室19，试样室19的左、右、后侧壁面采用不锈钢与聚苯乙烯泡沫塑料板组成的复合板，侧相互粘接，复合板厚5cm ，其中内侧 0.5cm厚为不锈钢材质，外侧 4.5cm 厚为聚苯乙烯泡沫塑料。试样室19的前壁面共用环境模拟箱3的前壁面，试样室19的前壁面上安装有玻璃门，玻璃门上安装有铁丝网，便于在试样室19内摆放试样，可透过玻璃观察试验；试样室19的顶部设有不锈钢板，不锈钢板、铁丝网均能够隔微波辐射。试样室19的左右两侧面板高 25cm 、宽 17cm、厚 5cm ，试样室19的底面放置一块海绵，试样室19的侧立面板内侧顶部粘有不锈钢U型卡管，用于控制输水管18出口端的高度。试验箱长80cm、宽50cm、高40cm ；环形加肋板15截面宽 5cm 、高5cm。

模拟岩土试样的湿度：

如图5-6所示，岩土试样的上部安装有上部渗水器22，上部渗水器22包括圆柱状的筒体，高 2cm、直径12cm，筒体的直径与试样直径相同，筒体可采用塑料材质，筒体的底部设有PVC透水膜，PVC透水膜与试样顶部接触，上部渗水器22通过对应的输水管18与马氏瓶12相连，用于维持上部渗水器22中水的高度，连接上部渗水器22的输水管18上安装有自动阀门，用于定时对上部渗水器22输水，模拟地表滞留水；上部渗水器22能够蓄水，水透过PVC透水膜从岩土试样上方向下渗流。

岩土试样的中部安装有中部渗水器，即环形渗水器17，环形渗水器17包括横截面为圆环形的筒体，高2cm、外径16cm、内径12cm，筒体的内径与岩土试样直径相同，筒体的内侧壁设有PVC透水膜，环形渗水器17通过对应的输水管18与马氏瓶12相连，用于维持环形渗水器17中水的高度，进而控制环形渗水器17的渗水程度，环形渗水器17通过PVC透水膜向试样上下方向渗水。

岩土试样的下部安装有下部渗水器23，下部渗水器23包括圆柱状的筒体，高 5cm、直径16cm，岩土试样直径小于筒体的直径，下部渗水器23通过对应的输水管18与马氏瓶12相连，用于维持试样下部的渗水器中水的高度，模拟的地下水水位高度，岩土试样底部安放有透水石8，用来确保岩土试样底部与底层覆水充分接触，下部渗水器23通过透水石8向岩土试样渗水。

马氏瓶12为一个瓶身有挂环的长方体塑料容器，可悬挂在环境模拟箱3外侧圆柱2的强力挂钩上，强力挂钩固定在圆柱2顶部；马氏瓶12的瓶身长 5cm 、宽 5cm 、高 15cm，输水管18的直径 5mm 、长 38 cm，连接三个渗水器的输水管18出口端均设有阀门20。三个渗水器共同作用，用于模拟地下水， PVC 透水膜用于减少岩土试样浸水时土粒剥落造成试样损伤。

模拟岩土试样的温度：

加热板6通过隔热胶粘贴于环境模拟箱3后壁内侧，垂直距离环境模拟箱3底部10cm ，用于为环境模拟箱3、试样室19加热，满足试验所需温度。

加热板6为硅橡胶加热器，由镍铬合金电热丝和硅橡胶高温绝缘层组成。硅橡胶高温绝缘层是由硅橡胶与玻璃纤维布复合而成的薄片状（标准厚度为1.5mm)，硅橡胶加热器具有很好的柔软性，具有发热快、温度均匀、热效率高、强度高、使用方便、安全的特点。加热板6长 20cm 、宽 10cm ，两个加热板6相距 12cm，环境模拟箱3的内侧壁安装有多个微型风扇5，微型风扇5垂直距环境模拟箱3地板 15cm；扇叶朝向试样室后面板中轴线的方向，将热空气吹向距加热板6较远的位置，使环境模拟箱3加热更加均匀；加热板6配合微型电风扇5使环境模拟箱3加热更迅速、均匀，能较好的控制、维持环境模拟箱3的温度。

模拟岩土试样的光照：

试样室19上方 15cm 处安装有聚光灯14，聚光灯14与升降杆13的下端固定连接，升降杆13用于调节聚光灯14高度，进而控制光照强度；可伸缩金属管通过可转动的金属接口1与圆柱2固定连接，用于调节聚光灯14水平位置；竖向的升降杆13由长 5cm 、内径 1cm铝合金管及长为 2cm、内径为 0.95cm 的螺纹套环组成，一个螺纹套环配套一个竖向铝合金管，铝合金竖向伸缩管上端与水平伸缩管焊接，水平伸缩管1-1采用铝合金金属管。如图7，金属接口1通过转动轴1-2固定在环境模拟箱3内侧，水平伸缩管1-1通过固定结构1-3与转动轴1-2固定连接，固定结构1-3可以采用螺栓结构，可转动的金属接口1采用铝合金材质。直接转动与金属接口1相连的水平伸缩管1-1，即可调整角度，由于灯头与竖向的升降杆13相连接，人工调节后即可固定位置。

模拟岩土试样的围压：

岩土试样外随试样高度变化包裹有不同层数的橡皮膜10，用于模拟岩土试样所受围压。

环境温湿度控制系统，用于控制湿度、温度；温度传感器竖向等距离安放在试样室19后壁内侧，通过热传导感应监测试样室19内的温度，温度传感器间距为 2 cm，最顶部的温度传感器距离环形加肋板 7cm ，用于采集岩土试样不同位置的温度数据，温度传感器通过导线4与环境模拟箱3外的显示屏连接，可读取并显示各温度传感器所测量的温度数据。

温度传感器通过导线4和温控器11电连接，温控器11与加热板6电连接，用于根据温度传感器所测量的温度控制加热板6开启加热或停止加热，温控器11安装于环境模拟箱3外部，温控器11距离环境模拟箱3顶面5cm；通过环境模拟箱3模拟地下相对稳定的温度，试样室19侧壁的聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数0.033—0.044W／(m·℃)，够将环境模拟箱3的温度传导至试样室19内，聚苯乙烯泡沫塑料安全使用温度-150～70℃。

量测系统包括温度传感器、微波加热装置9、高敏高速的红外成像仪7，红外成像仪7的型号为testo865/875，温度敏感度高、像素好、感热范围适中、价格适中。

温度传感器，用于监测岩土试样的温度；

微波加热装置9，用于微波加热岩土试样内部的水；

微波加热装置9安装于试样室19侧壁内部，安装微波加热装置9的试样室19侧壁无不锈钢板，使微波能传递至试样室19内，用以快速升高岩土试样内部水的温度，微波加热装置9距环境模拟箱3底部15cm；微波加热装置9长12cm、宽3cm，微波加热装置9通过数据收集控制线连接计算机。

红外成像仪7，用于记录微波加热全过程中岩土试样内部水的形态及变化，即得岩土试样内部裂隙的形态及变化。

如图3所示，两个红外成像仪7镶嵌于试样室19左侧与后侧壁，用于从两个方向观察裂隙，使观察结果更立体。红外成像仪7距环境模拟箱3底部18cm，用以观测试样内部裂隙。红外成像仪7长6cm、宽3cm，红外成像仪7通过数据收集控制线与计算机连接。

实施例2，

一种地表岩土湿、热、力耦合作用的裂隙模拟试验方法，具体按照以下步骤进行：

S1：检查各部分仪器是否完整可用，并保证箱体内部干燥、整洁，用马克笔将岩土试样画分为等高的十层，按照试验方案给岩土试样的每层套上不同层数的橡皮膜10，用防水胶将三个渗水器分别安装于直径12cm、高20cm 的柱状岩土式样的上部、中部、下部位置，使中部的环形渗水器17内侧紧贴于岩土试样表面，下部的渗水器放入试样室19的正下方，在试样室19的底部中心处放置直径12cm、高2cm的透水石8，岩土试样放至透水石8上，用胶水将试样室19的孔隙部分粘合，保证试验时试样室19不会渗水，盖上顶盖16、玻璃门，并拉上顶盖16的缺口21中的不锈钢板，隔绝热量传导，降低外界环境对岩土试样的影响。

S2：关闭马氏瓶12的输水管18出口处的阀门20，打开入水阀门，向马氏瓶12内注满水，然后将马氏瓶12悬挂在强力挂钩上，将马氏瓶12上的输水管18穿过试样室19侧立面的不锈钢U型卡管，用于固定、调节输水管18的位置，根据试验要求调节输水管18出口端位置，使输水管18出水口与对应渗水器顶部处于同一水平面，先给渗水器注水，再打开对应输水管18上的阀门20，并设定上部渗水器22对应的输水管18上的自动阀门的开关时间，上部渗水器22模拟雨后造成的地表滞留水，下部渗水器23与中部渗水器保持打开，模拟地下水。

由于岩土试样内部的水分渗透以及上方的水分蒸发，会导致岩土试样顶部临空面的水位下降，在大气压力作用下马氏瓶12中的水会自动维持岩土试样顶部临空面上的水位高度。或者收起顶盖16的缺口21中的不锈钢板，按照试验方案设定的时间打开/关闭聚光灯14，根据试验方案要求调节聚光灯14的高度，调节聚光灯14照射在岩土试样上的面积和岩土试样所受的模拟阳光强度。上部渗水器22打开模拟地表滞留水（即雨天）时，达到雨天的光照即可，无需增强光照，模拟强光照（晴天）时无地表滞留水。

打开聚光灯14，

S3：接通电源，打开环境模拟箱内的微型风扇5、加热板6和试验箱外的温控器11，根据试验计划，调节温控器11的设定温度，使加热板6、微型风扇5工作，维持环境模拟箱3内恒温。

S4：打开与微波加热装置9、红外成像仪7连接的计算机，打开微波加热装置9，设置频率为420—445MHz，低于该频率水与岩土温度不明显，高于该频率易造成岩土试样温度过高，超过试验设定温度，同时打开红外成像仪7，记录加热全过程中岩土试样内部裂隙形态，并保存于计算机，在试验不同阶段重复此操作。

由于微波加热以加热水分子的方式加热岩土试样，故在30s短暂加热过程中，岩土试样中水与土产生温差，水充满了岩土试样的裂隙，红外成像仪通过岩土试样中温度不同的水与土能够得到岩土试样内部裂隙形态及变化规律。由于高敏高速的红外成像仪7在加热过程中一直在拍摄土体，固在加热后在电脑中观察各加热时段时试样热成像，并选取最佳加热时间时成像图片。实施例采用粉砂质岩土试样，0-15s时，基本未观测到温差；15-26s时，出现温差，但温差较小，成像不明显；26-30s时，出现较明显温差，裂隙成像较为清楚；32s后，岩土试样的土体温度上升，温差下降，裂隙成像清晰度下降。仅通过高敏高速的红外成像仪7只能得到整个试样的温度分布，只能观察到试样形状。

将试样室内的岩土试样取出，重新调整岩土试样的种类，重复上述步骤，能够进行另一种岩土试样的试验。

若岩土试样的裂隙中气泡较多，由于空气比热容较土体较小，固会导致气泡较多部分温度介于水与土体之间，导致此部分裂隙成像稍微较水体填充部分不明显。实施例中岩土试样整体被橡皮膜10包裹，并设置上中下三部分渗水，用于保证裂隙被水体充满，减少裂隙中的气泡，提高裂隙的成像效果，提高试验的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。