CN103487319B

CN103487319B - 一种用于ct三轴试验的压力室

Info

Publication number: CN103487319B
Application number: CN201310471580.8A
Authority: CN
Inventors: 石露; 李小春
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: CN103487319A

Abstract

本发明公开了一种用于CT三轴试验的压力室，压力室筒和压力室上固定法兰以及压力室下固定法兰胶结一起，并通压力室上盖和压力室底座密封，加载活塞安置在压力室上盖上，试样底座安置在压力室底座上，压力室内部加载活塞和试样底座之间置放下压头、试样、上压头，反力架包括固定在压力室上盖上的反力柱，之间的固定通过反力柱锁紧螺母，一种用于CT三轴试验的压力室，其扁千斤顶置于加载活塞和反力架之间，为试样提供轴向加载。该装置结构简单和轻便，解决了装置过重影响旋转台的旋转精度的问题，且在进行CT扫描同时还能够对围压、轴压和试样变形进行采集。

Description

一种用于CT三轴试验的压力室

技术领域

本发明属于CT三轴试验技术领域，更具体涉及一种用于CT三轴试验的压力室，它适用于配合Micro-focusCT用于观察和研究试样在常规三轴压力下力学和渗透特征的细观演化。

背景技术

岩石力学试验的主要目的是模拟自然状态下岩石的力学和渗透等形为特征及其背后的机理。常规三轴试验仪是实验岩石力学领域最常见的设备之一，该试验中试样通常采用圆柱试样，将试样置于压力室中施加量值为σ₃的围压，此外，压力室端部设置一个活塞与试样同心并传递外部作动器的荷载，给试样施加σ₁的轴压载荷，至此岩样所处应力环境为σ₁>σ₂=σ₃，称之为常规三轴应力环境。继续增加σ₁至试样破坏，并测量试样轴向和环向的变形，研究应力和变形之间的关系，即可获得该试样的相应强度和本构形为。除此之外，在试样的两端施加不同的流体压力，亦可研究该试样的渗透形为。

以应力和变形之间的关系研究试样的力学形为，以及利用压差和流量之间的关系研究试样的渗透形为称之为唯像学的研究，属于宏观特征，描述这一宏观特征的规律通常是基于大量试验数据以及相应的前提假设，且这些假设也没有得到确凿的证实。因此，研究这些宏观规律的背后的控制机理，及试样相应的细观特性的变化规律则显得尤为重要。

由于控制试样相应宏观形为的粒径和孔裂隙尺寸小至微米量级，如砂岩和花岗岩等，那么，研究试样细观特征则需要观察该微米结构的变化。微焦计算机X-射线断层扫描（或称Micro-focusCT）技术普遍应用，使得上述观察变成可能。然，不同于常规的CT技术如医用CT扫描方式，Micro-focusCT扫描成像时，X射线管及探测器是固定不动的，由高精度的旋转台转动物体进行CT扫描。因此利用该CT技术进行常规三轴试验过程中细观结构的观察，不仅需要压力室能够被X射线穿透，亦需要该设备尽量的轻，使得旋转台旋转的同时，仍然保持足够精度。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺点，本发明的目的是在于提供了一种用于CT三轴试验的压力室，该装置结构简单和轻便，解决了装置过重影响旋转台的旋转精度的问题，且在进行CT扫描同时还能够对围压、轴压以及试样变形进行采集。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于CT三轴试验的压力室，包括的部件有压力室筒、压力室上固定法兰和压力室下固定法兰、压力室上盖和压力室底座、试样底座、上压头和下压头、加载活塞、反力架、扁千斤顶、位移测量件以及电池式数据采集仪和热收缩套。其连接关系是：压力室筒和压力室上固定法兰以及压力室下固定法兰胶结一起，并通压力室上盖和压力室底座密封，加载活塞安置在压力室上盖上，并可沿其轴心方向移动，试样底座安置在压力室底座上，压力室内部加载活塞和试样底座之间置放下压头、试样、上压头，并由热收缩管进行密封，所述的反力架包括固定在压力室上盖上的第一反力柱、第二反力柱、第三反力柱和第四反力柱，还包括连接在第一反力柱、第二反力柱、第三反力柱和第四反力柱上反力梁，之间的固定分别通过第一反力柱锁紧螺母、第二反力柱锁紧螺母、第三反力柱锁紧螺母和第四反力柱锁紧螺母，其特征在于：一种用于CT三轴试验的压力室，其扁千斤顶置于加载活塞和反力架之间，为试样提供轴向加载。

所述的位移测量件包括线性位移传感器、位移传感器夹具、测点调置螺母和位移传递梁，线性位移传感器由位移传感器夹具固定在反力梁上，位移传递梁固定在加载活塞上用于传递加载活塞的位移，测点调置螺母固定在位移传递梁上，线性位移传感器的测头与测点调置螺母接触，通过调节调制螺母使得线性传感器进入其测定的量程。

所述的压力室筒由X射线可穿透材料加工而成，如聚醚醚酮树脂（PEEK），而后经表面打磨分别与两个压力室固定法兰胶结一起构成压力室的主体，而压力室底座和压力室上盖分别通过锁紧螺栓与两个压力室固定法兰进行固定，且压力室底座和压力室上盖上分别设置了相应的密封圈，由此构成了个密闭空间进行围压的施加。

所述的压力室筒内部的压力室底座之上依次同轴设置有试样底座、下压头、试样、上压头和加载活塞，这些部件和试样由热收缩套密封，防止围压加载流体进行试样或渗透测量管路中；传递试样轴向荷载的加载活塞围定在压力室上盖中，且压力室上盖上设置相应密封圈，因此，加载活塞可在压力室的轴线上移动的同时，仍然保证压力室内部密封。

所述的压力室上盖上固定着加载装置，该加载装置由扁千斤顶（Flatjack）和反力架组成；反力架由四根反力柱和反力梁组成，反力柱直接和压力室上盖螺纹连接，而反力梁则是通过四个锁紧螺母与反力柱固定；扁千斤顶置于反力架和加载活塞之间施加试样的轴向荷载，通过量测其内液体压力即可换算出其加载量值。

所述的位移测量件包括有位移传感器、位移传感器夹具、测点调置螺母和位移传递梁，位移传感器由位移传感器夹具固定在反力梁上，位移传递梁固定在加载活塞上用于传递加载活塞的位移，该位移同时也反应试样的轴向变形。

所述的加载活塞非轴心位置设置有一管路用于控制和加载压力室内围压。

所述的压力室底座、试样底座以及加载活塞轴心位置设置管路可进行试样渗透特性测量，此外，试样上下压头设置均匀的导孔，使得流体压力在试样的上下表面均匀分布。

所述的电池式数据采集仪可对活塞位移、压力室压力、扁千斤顶压力进行数据采集。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

如上所述的一种用于CT三轴试验的压力室，将其放置在高精度旋转台，其试样所处的水平段无任何金属等X射线不能穿透的部件。采用的扁千斤顶其较于常规活塞式液压千斤顶，结构简单并且非常轻便，由于无活塞摩擦其加载精度高并且可由扁千斤顶内液压直接准备换算得扁千斤顶的加载压力，则省去安置载荷传感器从而进一步减轻设备重量，此外，由于扁千斤顶对加载面平行度和光结度要求低，无需球头加载装置，对设备进一步简化，使得设备重量可总体减轻20%以上，由此可大幅度提高下部转台的旋转精度。

如上所述的一种用于CT三轴试验的压力室可以在外部施加压力或孔压而后保持相应压力状态过行CT扫描，获得试样细观状态，并在扫描的同时进行轴压、围压和活塞位移的数据采集。附图4为某砂岩在围压15MPa轴压为0下3mm立方体区域的CT扫描图像及相关处理后的图像，经计算此时孔隙度为16.68%，当轴压加载至80MPa孔隙度为16.10%，此时和轴压为0时孔径分布对比图见附图5，由此可见本装置能够良好地实现三轴压力下的试验的CT扫描。

附图说明

图1为一种用于CT三轴试验的压力室正视图；

图2为图1所示一种用于CT三轴试验的压力室正视图A-A’截面图；

图3为一种用于CT三轴试验的压力室仰视图；

图4为一种用于CT三轴试验的压力室俯视图；

图5为一种砂岩15MPa围压0轴压下的CT扫描图像示意图；

图6为一种砂岩15MPa围压0和80MPa轴压下孔径分布对比示意图。

其中：1、压力室筒；2-1、压力室上围定法兰；2-2、压力室上围定法兰；3-1、压力室上盖；3-2、压力室底座；上盖锁紧螺栓包括（4-1、第一上盖锁紧螺栓；4-2、第二上盖锁紧螺栓；4-3、第三上盖锁紧螺栓；4-4、第四上盖锁紧螺栓）；底座锁紧螺栓（5-1、第一底座锁紧螺栓；5-2、第二底座锁紧螺栓；5-3、第三底座锁紧螺栓）；6、试样底座；7-1、上压头；7-2、下压头；8、试样；9、加载活塞；反力架包括（10-1、第一反力柱；10-2、第二反力柱；10-3、第三反力柱；10-4、第四反力柱；12、反力梁；13-1、第一反力柱锁紧螺母；13-2、第二反力柱锁紧螺母；13-3、第三反力柱锁紧螺母；13-4、第四反力柱锁紧螺母）；11、扁千斤顶（符合设计载荷和尺寸的任一种型号均可，如：FAGIOLI公司扁千斤顶ModelNo.12）；位移测量件{14-1、线性位移传感器（符合设计量程的任一种型号均可，如：ASensors公司马克罗CD-375-100型LVDT）；14-2、位移传感器夹具；14-3、测点调置螺母；14-4、位移传递梁}；15电池式数据采集仪（任何一种型号均可，如：UEI公司UEILOGGER300，采用24V电池供电）；16、热收缩套。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图对本发明的具体实施方式作过一步详细描述。

如图1、图2、图3和图4所示，一种用于CT三轴试验的压力室，包由压力室筒1、压力室上固定法兰2-1和压力室下固定法兰2-2、压力室上盖3-1和压力室底座3-2、试样底座6、上压头7-1和下压头7-2、加载活塞9、反力架、扁千斤顶11、位移测量件以及电池式数据采集仪15、热收缩套16组成；其连接关系是：压力室筒1两端分别和压力室上固定法兰2-1以及压力室下固定法兰2-2胶结一起，并通压力室上盖3-1和压力室底座密封3-2，加载活塞9安置在压力室上盖3-1上，并可沿其轴心方向移动，试样底座6安置在压力室底座3-2上，压力室内部加载活塞9和试样底座6之间置放上压头7-1、试样8、下压头7-2，并由热收缩管16进行密封，所述的反力架包括固定在压力室上盖3-1上的第一反力柱10-1、第二反力柱10-2、第三反力柱10-3和第四反力柱10-4，还包括连接在第一反力柱10-1、第二反力柱10-2、第三反力柱10-3和第四反力柱10-4上反力梁12，之间的固定分别通过第一反力柱锁紧螺母13-1、第二反力柱锁紧螺母13-2、第三反力柱锁紧螺母13-3和第四反力柱锁紧螺母13-4，其特征在于：一种用于CT三轴试验的压力室，其扁千斤顶11置于加载活塞9和反力架之间，为试样8提供轴向加载。

如图1和图2所示，所述的上盖锁紧螺栓包括第一上盖锁紧螺栓4-1、第二上盖锁紧螺栓4-2、第三上盖锁紧螺栓4-3、第四上盖锁紧螺栓4-4，用于固定压力室上盖3-1和压力室上固定法兰2-1，并由压力室上盖3-1上设置的相应密封圈进行密封。

如图1和图3所示，所述的底座锁紧螺栓包括第一底座锁紧螺栓5-1、第二底座锁紧螺栓5-2和第三底座锁紧螺栓5-3，用于固定压力室底座3-2和压力室下固定法兰2-2，并由压力室底座3-2上安置的相应密封圈进行密封。

所述的试样底座6密封固定于压力室底座3-2之上，压力室内试样底座6之上分别为下压头7-2、试样8、上压头7-1以及加载活塞9，以上部件依次同轴放置并由热收缩套16进行密封；所述的加载活塞9位于压力上盖3-1之中，并可沿其轴线方向移动，传递荷载施加试样8的轴向载荷，加载活塞9与压力上盖之间3-1通过压力室上盖3-1相应的密封圈进行密封；所述的加载活塞9的轴部、试样底座6轴部以及压力室底座3-2的轴部设置管路，可以进行不同压力条件下试样8的渗透系数测量，上压头7-1和下压头7-2除使得荷载均匀传递至试样8上外，其上设置均匀的导流孔亦使得渗透测量流体均匀流至试样8的上下表面。

所述的扁千斤顶11，其上设置两个接口和阀门（图中未示出），用于加压和排气，在排气口设置一个三通（图中未示出），其一通接上压力计（图中未示出），用于测量扁千斤顶11加载油压，并由电池式数据采仪15采集数据，由测量的压力可以直接换算出扁千斤11所施加的荷载。

所述的加载活塞9上还设置管路，其接口处设置三通（图中未示出）、阀门（图中未示出）和压力计（图中未示出）再由电池式数据采仪15采集压力室围压。

所述的位移测量件包括线性位移传感器14-1、位移传感器夹具14-2、测点调置螺母14-3和位移传递梁14-4，线性位移传感器14-1由位移传感器夹具14-2固定在反力梁12上，位移传递梁14-4固定在加载活塞9上用于传递加载活塞9的位移，测点调置螺母14-3固定在位移传递梁14-4上，线性位移传感器14-1的测头与测点调置螺母14-3接触，通过调节测点调置螺母14-3使得线性传感器14-1进入其测定的量程范围内。

所述的压力室筒1由X射线可穿透材料加工而成，如聚醚醚酮树脂（PEEK），而后经表面打磨分别与压力室上固定法兰2-1和压力室下固定法兰2-2胶结一起。

如上所述的一种用于CT三轴试验的压力室，将其放置在高精度旋转台（图中未示出），其试样8所处的水平段无任何X射线不能穿透的金属部件，因此可以在外部施加压力或孔压而后保持相应压力过行CT扫描，观察试样9的细观状态，并在扫描的同时进行轴压、围压和加载活塞9位移的数据采集。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种用于CT三轴试验的压力室，包括压力室筒(1)、压力室上固定法兰(2-1)、压力室下固定法兰(2-2)、试样底座(6)、上压头(7-1)、下压头(7-2)、加载活塞(9)、反力架、扁千斤顶(11)、位移测量件以及电池式数据采集仪(15)、热收缩套(16)，压力室筒(1)为X射线可穿透材料且表面打磨,压力室筒(1)两端分别与压力室上固定法兰(2-1)和压力室下固定法兰(2-2)胶结一起，并通过压力室上盖(3-1)和压力室底座(3-2)密封，加载活塞(9)安置在压力室上盖(3-1)上，试样底座(6)安置在压力室底座(3-2)上，压力室内部加载活塞(9)和试样底座(6)之间置放上压头(7-1)、试样(8)、下压头(7-2)，并由热收缩管(16)进行密封，所述的反力架包括固定在压力室上盖(3-1)上的第一反力柱(10-1)、第二反力柱(10-2)、第三反力柱(10-3)和第四反力柱(10-4)，还包括连接在第一反力柱(10-1)、第二反力柱(10-2)、第三反力柱(10-3)和第四反力柱(10-4)上反力梁(12)，之间的固定分别通过第一反力柱锁紧螺母(13-1)、第二反力柱锁紧螺母(13-2)、第三反力柱锁紧螺母(13-3)和第四反力柱锁紧螺母(13-4)，其特征在于：一种用于CT三轴试验的压力室，其扁千斤顶(11)置于加载活塞(9)和反力架之间，为试样(8)提供轴向加载。

2.根据权利要求1所述的一种用于CT三轴试验的压力室，其特征在于：所述的扁千斤顶(11)，其上设置两个接口和阀门，在排气口设置一个三通并上压力计由电池式数据采集仪(15)采集数据。

3.根据权利要求1所述的一种用于CT三轴试验的压力室，其特征在于：所述的加载活塞(9)上还设置管路，其接口处设置三通、阀门和压力计再由电池式数据采集仪(15)采集压力室围压。

4.根据权利要求1所述的一种用于CT三轴试验的压力室，其特征在于：所述的位移测量件包括线性位移传感器(14-1)、位移传感器夹具(14-2)、测点调置螺母(14-3)和位移传递梁(14-4)，线性位移传感器(14-1)由位移传感器夹具(14-2)固定在反力梁(12)上，位移传递梁(14-4)固定在加载活塞(9)上用于传递加载活塞(9)的位移，测点调置螺母(14-3)固定在位移传递梁(14-4)上，线性位移传感器(14-1)的测头与测点调置螺母(14-3)接触。