CN107084876A - 一种ct实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统 - Google Patents
一种ct实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，包括稳定整体结构的主机框架、用于进行高温下剪切和渗流试验的测试室、由油压控制的剪切加载装置、控制试件温度与围压的温压伺服控制系统、由旋转杆带动下法兰旋转底座旋转的旋转装置和用于得到试件内部三维图像的CT扫描装置；所述主机框架包括底座和反力架，所述旋转装置固定于所述底座上，所述测试室固定于所述旋转装置上，所述反力架固定于所述测试室上，所述反力架上放置剪切加载装置和温压伺服控制系统。本发明有效地解决岩石试件围压和温度控制的问题，并实现在高温、渗流和剪切试验过程中通过CT装置得到试件内部的三维扫描图像。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程领域，涉及一种岩石高温、渗流、剪切耦合试验系统，具体来说一种CT实时三维扫描高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统。
背景技术
近年来在如高放射性核废料的地质处置、二氧化碳的地下封存等国家重大岩土工程项目中出现了一些复杂的科学技术问题，迫切要求岩土工程工作者对复杂耦合环境下岩石的力学和工程性质进行更深入的研究以找到合理的工程技术方案。而温度、渗流、应力耦合问题是其中的核心问题之一，急需构建相应的岩石试验系统和测试方法来准确的评估岩石的多场耦合特性。剪切破坏是岩体破坏的一种常见形式，是工程长期稳定性评估中的一个关键因素，在多场耦合测试中考虑剪切的作用十分重要。目前大量的测量技术只能得到试件表面的变形破坏特征，而CT扫描技术则可以对试件内部的结构变化进行全方位监测，从微观的角度了解岩石的变形破坏机理，从而更深入的理解岩石的多场耦合特性。目前对轴压和围压作用下的岩石耦合特性测试方法已较为成熟，但如何在耦合环境中考虑剪切的作用并应用于CT扫描则还面临着极大的困难。
发明内容
为了克服已有技术无法实现高温、渗流和剪切情况下的耦合环境中的剪切作用的不足，本发明提供了一种CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，有效地解决岩石试件围压和温度控制的问题，并实现在高温、渗流和剪切试验过程中通过CT装置得到试件内部的三维扫描图像。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，包括稳定整体结构的主机框架、用于进行高温下剪切和渗流试验的测试室、由油压控制的剪切加载装置、用于控制试件温度与围压的温压伺服控制系统、由旋转杆带动下法兰旋转底座旋转的旋转装置和用于得到试件内部三维图像的CT扫描装置；
所述的主机框架包括底座和反力架，所述旋转装置固定于所述底座上，所述测试室固定于所述旋转装置上，所述反力架固定于所述测试室上，所述反力架上放置剪切加载装置和温压伺服控制系统；
所述的测试室包括围压室、剪切室和渗流装置，所述围压室位于剪切室的外部，所述剪切室内放置岩石试件，所述岩石试件半部的上端与剪切加载装置的动作端接触，所述渗流装置包括水箱、进水孔和出水口，水箱中的水通过进水孔流入岩石试件，经过出水口流出并连接到测量装置；油箱通过进油管和出油管与围压室连接从而形成一个调温循环系统，向所述围压室内注入高温高压的油对岩石试件进行加温的同时提供围压；
所述的CT扫描装置包括射线源和探测器，所述测试室两侧分别布置所述射线源和探测器。
进一步，所述围压室包括上法兰盖板、下法兰旋转底座、围压筒、高强螺栓；所述围压筒由碳纤维材料制成，镶嵌在上下两块法兰盖板中，上法兰盖板和反力架下底板通过高强螺栓固定，下法兰盖板和下法兰旋转底座通过高强螺栓固定。
再进一步，所述剪切室包括热收缩套、碳纤维试件卡座、垫块、位移传感器以及压头，竖向千斤顶压头下连接半圆柱体形压块，所述半圆柱体形压块下连接碳纤维卡座，试件的左半部置于所述碳纤维卡座内，所述压块穿过所述上法兰盖板，对试件的左半部加载剪切力，穿过盖板的位置由密封圈密封，所述碳纤维卡座底部连接位移传感器用于测量剪切位移；试件的右半部上下各有一个垫块，其中下部垫块固定，上部垫块由螺栓连接在上法兰盖板上，旋转螺栓可将垫块压在试件上，起到固定试件右半部的作用；包裹试件的热收缩套，其上部从上法兰盖板处伸出，并通过高强螺栓固定，热收缩套下部闭合并与下法兰盖板通过垫板连接，连接部设置O型密封圈防漏。
所述的温压伺服控制系统包括油温传感器、压力传感器、油泵、油箱、加热器和温压伺服控制器，所述温压伺服控制器能控制油箱中的加热器来调整油箱中的油温，所述油箱通过进油管和出油管与围压室连接从而形成一个调温循环系统，向所述围压室内注入高温高压的油对岩石试件进行加温的同时提供围压；油温传感器、压力传感器能将温度、压力数据传输给温压伺服控制器，实时温度和围压的同时控制。
所述的旋转装置包括下法兰旋转底座、旋转杆和步进电机，所述下法兰旋转底座通过旋转杆与步进电机连接，所述步进电机带动旋转杆旋转，从而使下法兰旋转底座以及底座以上的部分发生转动，得到试件360°的扫描图像。
本发明的有益效果主要表现在：
1)实现在高温和渗流耦合环境下的剪切试验，真实地模拟深部地下岩体所处的多场耦合环境；
2)温压伺服控制装置能同时控制围压和温度，从而避免在测试室侧壁设置电热丝，便于得到高精度的CT扫描图像；
3)采用碳纤维复合材料制作测试室侧壁，在保证强度的同时，不影响CT扫描的效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的碳纤维试件卡座详图；
图3是本发明的A-A截面图；
其中，1-油泵；2-油箱；3-水箱；4-加热器；5-进水管；6-出油管；7-温压伺服控制器；8-进油孔；9-千斤顶压头；10-压块；11-围压筒；12-位移传感器；13-金属套筒；14-油温传感器；15-热收缩套；16-密封圈；17-进油管；18-加载伺服控制器；19-反力架；20-千斤顶；21-上法兰盖板；22-高强螺栓；23-上部垫块；24-碳纤维试件卡座；25-试件；26-下部垫块；27-压力传感器；28-垫板；29-下法兰盖板；30-出水口；31-下法兰旋转底座；32-旋转杆；33-步进电机；34-底座；35-出油孔；36-螺栓；37-卡座螺栓；38-进水孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，包括稳定整体结构的主机框架、用于进行高温下剪切和渗流试验的测试室、由油压控制的剪切加载装置、控制试件温度与围压的温压伺服控制系统、由旋转杆带动下法兰旋转底座旋转的旋转装置和用于得到试件内部三维图像的CT扫描装置。
所述的主机框架，包括底座34和反力架19。反力架19上放置加载装置20、伺服控制系统7和18、水箱3和油箱2；反力架19通过高强螺栓22与测试室相接，保证测试室的整体稳定性，并把测试室置于与底座34相固定的旋转装置上，使测试室能360°被CT照射。
所述的测试室包括围压室、剪切室和渗流装置，围压室包括碳纤维材料制作的围压筒11、上法兰盖板21、下法兰旋转底座31以及高强螺栓22，其连接关系为：所述围压筒11由碳纤维材料制成，镶嵌在上下两块法兰盖板中，上法兰盖板21和反力架19下底板通过高强螺栓22固定，下法兰盖板29和下法兰旋转底座31通过高强螺栓22固定；剪切室包括热收缩套15、碳纤维试件卡座24、上部垫块23、下部垫块26、位移传感器12以及千斤顶压头9，所述千斤顶压头9压头下连接半圆形压块10，半圆形压块10侧面涂有特氟龙材料，以此减少与上部垫块23之间的摩擦力，半圆形压块10穿过上法兰盖板21，穿过盖板的位置由密封圈16密封，对试件25的左半部加载剪切力。半圆形压块10与碳纤维试件卡座24之间使用耐高温高强胶水连接，碳纤维试件卡座24下端可让凹槽型金属套筒13嵌入，金属套筒13嵌入热收缩套15和垫板28之间的夹层中，并能竖直向下移动，金属套筒13通过卡座螺栓37与碳纤维试件卡座24固定。碳纤维试件卡座24底部有一洞口，使位移传感器12能接触到试件。在进行实验时，首先将试件25放入碳纤维试件卡座24中，试件25为圆柱体试件，然后用热吹风机使热收缩套15紧贴试件25，热收缩套15其上部从上法兰盖板21处伸出，并通过高强螺栓22固定，其下部伸入垫板28并通过螺栓36与下法兰旋转底座31固定，在热收缩套15设置密封圈16防漏。对试件25的左侧进行竖向剪切，最大剪切位移为试件长度的1/10；左半部试件下侧设置位移传感器12，位移传感器12放置在垫板28上，用于测量剪切位移，试件的右半部有下部垫块26、上部垫块23，下部垫块26通过螺栓26与垫板28固定，上部垫块23由螺栓连接在上法兰盖板21上，旋转螺栓可将垫块压在试件上，起到固定试件24右半部的作用。渗流试验中，水箱3中的水流入进水管5通过进水孔38渗入岩石试件25，水从垫板28上的出水口30流出，连接到测量装置，可以进行渗流试验分析。水箱3上预留与外部加压装置连接的接口，可进行不同水压条件下的渗流试验。
所述的剪切加载装置，包括伺服控制的竖向千斤顶20。千斤顶压头9在加载伺服控制器18的控制下通过半圆形压块10对试件25产生剪切力。
所述的温压伺服控制系统，包括油温传感器14、压力传感器27、油泵1、油箱2、加热器4和温压伺服控制器7。温压伺服控制器7能控制油箱2中的加热器4来调整油箱2中的油温，油泵1能将油抽出注入围压室，油箱2通过进油管17和出油管6与围压室连接从而形成一个调温循环系统，围压室内注入高温高压的油对岩石试件25进行加温的同时提供围压；油温传感器14、压力传感器27能将温度、压力数据传输给温压伺服控制器14，温压伺服控制器14通过控制加热器4和油泵1来调整注油的温度和流速，达到温度和围压的同时控制的目的。
所述的旋转装置，包括下法兰旋转底座31、旋转杆32、步进电机33。旋转杆32与下法兰旋转底座31相连接，步进电机31安装在底座34中，能控制旋转杆32旋转，从而使下法兰旋转底座31及其以上部分发生转动，得到试件360°的扫描图像，根据需要可调整旋转的速度来得到精确的图像。
所述的CT扫描装置，包括探测器和射线源，射线源产生放射线穿过所述测试室，利用油和碳纤维材料极好的可穿透性，对360°旋转的试件进行扫描后，能得到试件内部的高清三维图像。
Claims (5)
1.一种CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，其特征在于：包括稳定整体结构的主机框架、用于进行高温下剪切和渗流试验的测试室、由油压控制的剪切加载装置、用于控制试件温度与围压的温压伺服控制系统、由旋转杆带动下法兰旋转底座旋转的旋转装置和用于得到试件内部三维图像的CT扫描装置；
所述的主机框架包括底座和反力架，所述旋转装置固定于所述底座上，所述测试室固定于所述旋转装置上，所述反力架固定于所述测试室上，所述反力架上放置剪切加载装置和温压伺服控制系统；
所述的测试室包括围压室、剪切室和渗流装置，所述围压室位于剪切室的外部，所述剪切室内放置岩石试件，所述岩石试件半部的上端与剪切加载装置的动作端接触，所述渗流装置包括水箱、进水孔和出水口，水箱中的水通过进水孔流入岩石试件，经过出水口流出并连接到测量装置；油箱通过进油管和出油管与围压室连接从而形成一个调温循环系统，向所述围压室内注入高温高压的油对岩石试件进行加温的同时提供围压；
所述的CT扫描装置包括射线源和探测器，所述测试室两侧分别布置所述射线源和探测器。
2.如权利要求1所述的CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，其特征在于：所述围压室包括上法兰盖板、下法兰旋转底座、围压筒、高强螺栓；所述围压筒由碳纤维材料制成，镶嵌在上下两块法兰盖板中，上法兰盖板和反力架下底板通过高强螺栓固定，下法兰盖板和下法兰旋转底座通过高强螺栓固定。
3.如权利要求1或2所述的CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，其特征在于：所述剪切室包括热收缩套、碳纤维试件卡座、垫块、位移传感器以及压头，竖向千斤顶压头下连接半圆柱体形压块，上述半圆柱体形压块下连接碳纤维卡座，试件的左半部置于上述碳纤维卡座内，上述压块穿过上述上法兰盖板，对试件的左半部加载剪切力，穿过盖板的位置由密封圈密封，上述碳纤维卡座底部连接位移传感器用于测量剪切位移；试件的右半部上下各有一个垫块，其中下部垫块固定，上部垫块由螺栓连接在上法兰盖板上，旋转螺栓可将垫块压在试件上，起到固定试件右半部的作用；包裹试件的热收缩套，其上部从上法兰盖板处伸出，并通过高强螺栓固定，热收缩套下部闭合并与下法兰盖板通过垫板连接，连接部设置O型密封圈防漏。
4.如权利要求1或2所述的CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，其特征在于：所述的温压伺服控制系统包括油温传感器、压力传感器、油泵、油箱、加热器和温压伺服控制器，所述温压伺服控制器能控制油箱中的加热器来调整油箱中的油温，所述油箱通过进油管和出油管与围压室连接从而形成一个调温循环系统，向所述围压室内注入高温高压的油对岩石试件进行加温的同时提供围压；油温传感器、压力传感器能将温度、压力数据传输给温压伺服控制器。
5.如权利要求1或2所述的CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，其特征在于：所述的旋转装置包括下法兰旋转底座、旋转杆和步进电机，所述下法兰旋转底座通过旋转杆与步进电机连接，所述步进电机带动旋转杆旋转。
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