CN110487645A - 适用工业ct扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪及方法，包括装置本体，装置本体底部固定于底座，装置本体顶部设置应变控制装置；装置本体包括竖向设置的有机玻璃外壳，有机玻璃外壳内套设有机玻璃内罩，且有机玻璃外壳与有机玻璃内罩间具有形成真空层的间隙；有机玻璃内罩所包围的空间形成压力室，压力室内具有容置测试样品的试样容置位，试样容置位下方设置加热元件，加热元件与温控设备连接，有机玻璃内罩内侧设置温度传感器，温度传感器与接收器连接。能实现试验样品在不同吸力、不同温度与在不同应力应变条件下暂停加载且同时进行CT扫描，进而得出非饱和土在三轴剪切作用下的微观结构及三相分布的演化规律。

Description

适用工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪及方法

技术领域

本公开属于非饱和土力学研究技术领域，具体涉及一种适用于工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪及方法。

背景技术

工业CT(Computer Tomography)扫描技术(工业计算机断层成像技术)因其无损性的特质从而为分析研究材料内部结构提供了有效的技术手段，并且在各个领域得到了广泛应用。随着该技术的发展，近年来对岩土材料的非侵入性研究变得流行，在非饱和土研究领域产生巨大影响。对于非饱和颗粒材料，X射线断层扫描已被用于研究其微观特征。

目前的工业CT通常是利用X射线穿透试样进行扫描，并辅助以高性能计算机的应用系统实现对试样内部图像的重建。其原理是通过特定的探测器测量X射线穿透试样之后的射线强度，且各个投射方向上各体积单元的衰减系数不同，同时完成射线源、试样、探测器之间的扫描，从而获得重建CT图像所需的完整数据，再按照一定的图像重建算法，即可重建出断面图像。

在使用工业CT扫描技术时，为获得更高的分辨率。由其技术特点可知，一方面应减小射线束焦点大小，但会限制射线的穿透能力；另一方面控制试样的尺寸并确保试样在扫描期间的稳定旋转，但会限制扫描对象的尺寸规格。该类限制在很大程度上影响了对非饱和颗粒材料的微观特性的研究。

传统非饱和土实验设备有两个问题，一是含金属部件，二是对于X射线断层成像技术而言尺寸偏大。金属部件对X射线的穿透性影响较大，且过大的试样尺寸会影响成像的分辨率，进而影响三相微观结构重构时的精确度。采用传统试验设备，都是先采用外部试验，而后再将试验后的非饱和试样从设备中取出，放入工业CT扫描室进行CT扫描。发明人发现，外部试验后在转移土样的过程中会不可避免的对土样产生结构性扰动，进而影响测试结果，测试精度较低，而且三轴试验一旦完成，试验试样的状况是无法调节的。

发明内容

本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪；该三轴试验仪能实现试验样品在不同吸力(不同饱和度)、不同温度与在不同应力应变条件下暂停加载且同时进行CT扫描，进而得出非饱和土在三轴剪切作用下的微观结构及三相分布的演化规律，并在宏观方面通过与测得的应力应变联系，可得出微观结构变化与液体分布演化对其宏观力学性质的影响。

本公开的第一发明目的是提出一种适用于工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

一种适用于工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪，包括装置本体，装置本体底部固定于底座，装置本体顶部设置应变控制装置；

所述装置本体包括竖向设置的有机玻璃外壳，有机玻璃外壳内套设有机玻璃内罩，且有机玻璃外壳与有机玻璃内罩间具有形成真空层的间隙；所述有机玻璃内罩所包围的空间形成压力室，压力室内设有容置测试样品的试样容置位，试样容置位下方设置加热元件，加热元件与温控设备连接，所述有机玻璃内罩内侧设置温度传感器，温度传感器与接收器连接。

作为进一步的技术方案，所述试样容置位对应于测试样品底部和顶部均设置透水石，顶部的透水石与孔隙气压力孔道连接，底部的透水石与孔隙水压力孔道连接。

作为进一步的技术方案，所述顶部的透水石顶部为第一有机玻璃体，底部的透水石底部为第二有机玻璃体。

作为进一步的技术方案，所述加热元件为电热丝，电热丝缠绕设置于第二有机玻璃体外侧。

作为进一步的技术方案，所述第一有机玻璃体顶部为有机玻璃顶盖，第二有机玻璃体底部为有机玻璃底盖。

作为进一步的技术方案，所述有机玻璃顶盖顶部与应变控制装置的加载端相连接，应变控制装置的加载端外侧设置浸入式力传感器，浸入式力传感器与接收器连接。

作为进一步的技术方案，所述压力室底部与围压施加装置连接。

作为进一步的技术方案，所述有机玻璃外壳和有机玻璃内罩均为圆柱形筒状结构，有机玻璃外壳和有机玻璃内罩的直径对应于试样容置位处最小。

本公开的第二发明目的提出一种采用如上所述的非饱和土三轴试验仪的试验方法，包括以下步骤：

将如上所述的非饱和土三轴试验仪放置于工业CT扫描室的旋转台，工业CT的X光射线源对准测试样品，在不同吸力、不同温度与在不同围压条件下对测试样品进行轴向应变加载，在不同应变阶段暂停加载并同时进行CT扫描；将旋转台进行360°旋转，进行不同角度的扫描得出切片化的灰度图像，通过分析图像与试验过程得出非饱和土在剪切作用下的微观结构、三相分布以及各相交界面的演化规律。

本公开的第三发明目的提出一种采用如上所述的非饱和土三轴试验仪的试验方法，包括以下步骤：

将已制备好的测试样品放置在试样容置位，将耐高温的有机玻璃顶盖与耐高温的有机玻璃底盖分别固定并用O形圈紧箍密封，防止水的渗入；

使用真空泵通过孔隙水压力孔道对测试样品施加真空，并保持孔隙气压力通道关闭，该操作可在组装不同部件时保持测试样品的垂直状态，同时也有利于试样的饱和过程；

而后通过压力室对测试样品施加围压，打开孔隙水压力孔道以允许水流入压力室使测试样品饱和，并将孔隙气压力孔道向大气开放；

待测试样品饱和后，施加相应的孔隙气压力与孔隙水压力；

将非饱和土三轴试验仪固定于工业CT扫描室的旋转台，进行应变加载，并在不同的应变阶段暂停加载后进行CT扫描；

将旋转台进行360°旋转，进行不同角度的扫描得出切片化的灰度图像，通过分析图像与试验过程得出非饱和土在剪切作用下的微观结构、三相分布以及各相交界面的演化规律。

本公开的有益效果为：

1、本公开的三轴试验仪，由其有机玻璃外壳和有机玻璃内罩均为透明有机玻璃材质制成，其可直接置于工业CT扫描室内进行试验，在试验过程中不同阶段停止加载后即可进行CT扫描，可即时获得非饱和土在三轴剪切作用下的图像，而无需加载后转移试样再扫描，提高了整个测试的精度。

2、本公开中的三轴试验仪相对于传统非饱和土三轴试验仪，添加了温度场控制与应力应变控制，可以对温度-应力-变形相耦合的方向进行研究，能够满足试验多方面的、综合性的需求。

3、本公开的三轴试验仪，克服现有传统非饱和土三轴试验的局限和不足，并将其与工业CT扫描技术结合，对不同温度条件下非饱和土微观性质机理的研究提供新思路。

4、本公开的三轴试验仪，在工业CT功率一定的条件下应用时，可以提升CT扫描图像的分辨率。

5、本公开的三轴试验仪，相较于传统非饱和土三轴试验仪尺寸减小很多，易于搬运，可以重复使用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为适用于工业CT扫描的非饱和土三轴试验仪结构示意图；

图2为工业CT扫描系统工作的示意图；

图中，01—步进电机，02—温度传感器线缆，03—有机玻璃顶盖，04—温度传感器，05—测试样品，06—电热丝，07—真空层，08—有机玻璃底盖，09—围压孔道，10—孔隙水压力孔道，11—底座，12—孔隙气压力孔道，13—有机玻璃内罩，14—有机玻璃外壳，15—透水石，16—硅胶导管，17—压力室，18—浸入式力传感器，19—力传感器线缆，20—第一有机玻璃体，21—第二有机玻璃体；

a1—顶部螺栓，a2—顶部螺栓，b1—底部螺栓，b2—底部螺栓；

c1—控制阀门，c2—控制阀门，c3—控制阀门；

1a—X光射线源，1b—扫描试样，1c—旋转台，1d—X光射线接收器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术所介绍的，发明人发现，现有三轴试验仪外部试验后在转移土样的过程中会不可避免的对土样产生结构性扰动，进而影响测试结果，测试精度较低，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪，该试验仪适用于工业CT扫描，还可以结合非饱和三轴试验。

本申请提供了一种适用于工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪，包括装置本体，装置本体底部固定于底座，装置本体顶部设置应变控制装置；

所述装置本体包括竖向设置的有机玻璃外壳，有机玻璃外壳内套设有机玻璃内罩，且有机玻璃外壳与有机玻璃内罩间具有形成真空层的间隙；所述有机玻璃内罩所包围的空间形成压力室，压力室内具有容置测试样品的试样容置位，试样容置位下方设置加热元件，加热元件与温控设备连接，所述有机玻璃内罩内侧设置温度传感器，温度传感器与接收器连接。

实施例1

下面结合附图1-附图2对本实施例公开的三轴试验仪做进一步的说明；

参照附图1所示，适用于工业CT扫描的温控非饱和土三轴试验仪，该试验仪包含金属底座11、围压孔道09(直径2-4mm)、孔隙水压力孔道10(直径2-4mm)、孔隙气压力孔道12(直径2-4mm)、下部耐高温有机玻璃底盖08(直径50mm)、中部耐高温的有机玻璃外壳14与耐高温的有机玻璃内罩13、压力室17、可对温度场保温的真空层07、电热丝06、可监测试样所处温度场温度的温度传感器04、上部有机玻璃顶盖03、可监测试样所受轴向应力的浸入式力传感器18、顶部可将电脉冲信号转化为位移变形的步进电机01，步进电机由金属支架支撑并通过螺栓连接在有机玻璃外壳14上。

金属底座11通过底部螺栓b1、底部螺栓b2与装置本体部分的有机玻璃外壳14相连，装置本体部分通过顶部螺栓a1、顶部螺栓a2与步进电机01的金属支架相连。

有机玻璃内罩13套设于有机玻璃外壳14内部，有机玻璃内罩13和有机玻璃外壳14之间具有间隙形成真空层07，用真空隔热原理对试样所处温度场起保温作用；有机玻璃内罩13所包围的空间形成压力室17，压力室17内下部设置有机玻璃底盖08，上部设置有机玻璃顶盖03，有机玻璃顶盖03和有机玻璃底盖08之间具有可以放置测试样品05的试样容置位，测试样品05顶部和底部均设置透水石15，顶部的透水石15顶部为第一有机玻璃体20，底部的透水石15底部为第二有机玻璃体21，有机玻璃顶盖03设置于第一有机玻璃体20顶部，有机玻璃底盖08设置于第二有机玻璃体21底部，有机玻璃底盖08底部固定于底座11，有机玻璃顶盖03顶部与步进电机01的加载端(也即其输出轴)连接；试样容置位的测试样品05外围没有其他结构阻挡，直接与压力室17腔体接触，通过围压施加装置经由压力室17向其充水施加围压。有机玻璃顶盖03、有机玻璃底盖08的直径均大于试样容置位直径(10mm)。

有机玻璃外壳14和有机玻璃内罩13均为筒状结构，二者的直径对应于试样容置位处最小，即有机玻璃外壳14和有机玻璃内罩13中部更靠近试样容置位，由此可使得CT扫描射线的穿透性更好，CT扫描的成像更为精准。有机玻璃外壳直径(尺寸最小处外径60mm，内径50mm)大于有机玻璃内罩直径(尺寸最小处外径45mm，内径35mm)，有机玻璃外壳能够保护装置本体，并且如果在工业CT功率一定的条件下，扫描该试样时成像分辨率会更高。

孔隙气压力孔道12通过硅胶导管16连接进入装置本体的压力室17并与顶部的透水石15连通，孔隙水压力孔道10也由硅胶导管连接进入装置本体并与底部的透水石15连通，上述硅胶导管16的尺寸为外径6mm内径4mm；围压孔道09通入压力室17，与压力室17底部连通，孔隙气压力孔道12、孔隙水压力孔道10、围压孔道09直径均为4mm，孔隙气压力孔道12上设置控制阀门c3、孔隙水压力孔道10上设置控制阀门c2、围压孔道09上设置控制阀门c1。

测试样品05为直径为10mm高度为20mm的非饱和土试样，试样尺寸小于传统设备，适于CT扫描系统，有利于获得较好分辨率以探究试样的微观结构。

由有机玻璃外壳14、有机玻璃内罩13、有机玻璃顶盖03、有机玻璃底盖08均由有机玻璃这种透明材质制成，工业CT扫描的X光射线源可直接透过对测试样品进行成像。因有机玻璃能较好的使X射线穿透，从而保证该装置在进行CT扫描时试样图像的分辨率不受影响，还可以保证该设备具有一定强度。设备整体外观为圆柱体，每一部分直径与高度各不相同。

其中，围压孔道09与围压施加装置连接，通过围压孔道09向测试样品05施加围压；孔隙气压力孔道12与孔隙气压力加载装置连接，通过孔隙气压力孔道12向测试样品05施加孔隙气压力；孔隙水压力孔道10与孔隙水压力加载装置连接，通过孔隙水压力孔道10向测试样品05施加孔隙水压力；步进电机01即为本三轴试验仪的应变控制装置，通过步进电机01将电脉冲信号转化为位移变形进而控制测试样品的应变。围压施加装置、孔隙气压力加载装置、孔隙水压力加载装置均采用非饱和土力学研究领域现有技术，在此不再赘述。

电热丝06是本设备的加热元件，其与温控设备连接，电热丝06缠绕在耐高温第二有机玻璃体21外侧，对压力室17内充满的水进行加热，电热丝06的绝缘等要求根据具体情况调整即可，具体绝缘操作采用现有技术即可；温度传感器04置于压力室17内，设置于有机玻璃内罩13内侧壁，温度传感器04顶部通过温度传感器线缆02与接收器连接，接收器与温控设备连接，通过电热丝06和温度传感器04的设置，可实现对整个试验仪的温控，控制试样所处温度场的温度；浸入式力传感器18置于试样容置位上方步进电机01的加载端外侧，浸入式力传感器18也可置于压力室17内部其他位置，浸入式力传感器18顶部通过力传感器线缆19与接收器连接，接收器与控制器连接，将其数据进行记录处理；采用浸入式力传感器，可减小轴向应力的测量误差(活塞摩擦作用)，使测量更加精确。温度传感器04、浸入式力传感器18与接收器、控制器之间的信号传输与控制采用现有技术，在此不再赘述。

如图2所示，该微型温控非饱和土三轴试验仪配合工业CT扫描系统进行工作时，将按上述流程组装好的装置安放在工业CT的旋转台1c上，并将工业CT的X光射线源1a对准装置有机玻璃本体部分的扫描试样1b，而后施加三轴路径荷载，并可在不同吸力(不同饱和度)、不同温度与在不同应力应变条件下暂停加载并且同时进行CT扫描，X光射线源1a发出的射线穿透试样，X光射线接收器1d接收穿透后后的射线。旋转台进行360°旋转，可进行不同角度的扫描得出切片化的灰度图像。由于X射线对于试样中各相物质的穿透率不同，因此各相物质所呈现的灰度值不同，扫描完成后可得到不同灰度值的图像，再辅助以高性能计算机的应用系统对试样内部图像的重建。最终通过分析图像与试验过程可以得出非饱和颗粒材料在三轴剪切作用下的微观结构、三相分布以及各相交界面的演化规律。

本公开的适用于工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪，可控制试样的饱和状态与吸力的值大小，可以进行脱湿和吸湿循环过程。该装置体积较小，有利于在工业CT的旋转台上进行工作，通过施加三轴路径荷载，并可在不同吸力(不同饱和度)、不同温度与在不同应力应变条件下暂停加载且同时进行CT扫描，能够得出非饱和土在三轴剪切作用下的微观结构、三相分布以及各相交界面的演化规律，提升CT扫描图像的分辨率，实现工业CT扫描技术与非饱和土三轴试验的结合，能够提升试验的效率，满足试验多方面的、综合性的需求。

本实施例中所述的测试样品05为岩土类试样，也可以为其他类型的非饱和颗粒试样。本实施例以岩土类试样为例进行试验，具体说明本公开所提供的试验仪器的具体试验方法。

具体的，选取一定量符合条件的土样或其他颗粒材料，在圆柱形(直径10mm)的乳胶膜中制备测试样品05，测试样品直径为10毫米，长度为20毫米。且测试样品上下各放置一块直径同为10mm的透水石15。模具填满后，将其置于试样容置位，将耐高温的有机玻璃顶盖03与耐高温的有机玻璃底盖08分别固定并用O形圈紧箍密封，防止水的渗入。在移除圆柱形模具之前，使用真空泵通过孔隙水压力孔道10在测试样品中施加真空，保持孔隙气压力孔道12关闭。该操作可在组装不同部件时保持样品垂直，同时也有利于试样的饱和过程。

测试样品05外围是压力室，压力室通过围压孔道09与围压施加装置连接，可对三轴试验装置内施加不同围压。

装置组装完成后，通过围压施加装置通过围压孔道09对测试样品施加一定的围压。然后孔隙水压力孔道10关闭并连接到水容器，打开孔隙水压力孔道10以允许水流入压力室17使测试样品05饱和，将孔隙气压力孔道12向大气开放。在水饱和后，通过孔隙气压力孔道12施加孔隙气压力，通过孔隙水压力孔道10施加孔隙水压力(利用轴平移技术，气压与水压的差值及为基质吸力)。

将微型三轴试验仪固定微焦点X射线断层摄影室中的旋转台1c上，进行CT扫描。当轴向载荷停止时，在不同的应变阶段进行扫描，将轴向活塞保持在固定位置，并且应令加载速度足够慢以保持完全排水的条件。

得到不同灰度值的图像后，再辅助以高性能计算机的应用系统对试样内部图像的重建。按每像素平剖的灰度值图像可集合生成三维数值矩阵，通过基于Matlab编写的程序可将该矩阵分离为三相，得出各相交面形态及面积。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用工业CT扫描的微型温控非饱和土三轴试验仪，其特征是，包括装置本体，装置本体底部固定于底座，装置本体顶部设置应变控制装置；

所述装置本体包括竖向设置的有机玻璃外壳，有机玻璃外壳内套设有机玻璃内罩，且有机玻璃外壳与有机玻璃内罩间具有形成真空层的间隙；所述有机玻璃内罩所包围的空间形成压力室，压力室内设有放置测试样品的试样容置位，试样容置位下方设置加热元件，加热元件与温控设备连接，所述有机玻璃内罩内侧设置温度传感器，温度传感器与接收器连接。

2.如权利要求1所述的非饱和土三轴试验仪，其特征是，所述试样容置位对应于测试样品底部和顶部均设置透水石，顶部的透水石与孔隙气压力孔道连接，底部的透水石与孔隙水压力孔道连接。

3.如权利要求2所述的非饱和土三轴试验仪，其特征是，所述顶部的透水石顶部设置第一有机玻璃体，底部的透水石底部设置第二有机玻璃体。

4.如权利要求3所述的非饱和土三轴试验仪，其特征是，所述加热元件为电热丝，电热丝缠绕设置于第二有机玻璃体外侧。

5.如权利要求3所述的非饱和土三轴试验仪，其特征是，所述第一有机玻璃体顶部设置有机玻璃顶盖，第二有机玻璃体底部设置有机玻璃底盖。

6.如权利要求5所述的非饱和土三轴试验仪，其特征是，所述有机玻璃顶盖顶部与应变控制装置的加载端相连接，应变控制装置的加载端外侧设置浸入式力传感器，浸入式力传感器与接收器连接。

7.如权利要求1所述的非饱和土三轴试验仪，其特征是，所述压力室底部与围压施加装置连接。

8.如权利要求1所述的非饱和土三轴试验仪，其特征是，所述有机玻璃外壳和有机玻璃内罩均为筒状结构，有机玻璃外壳和有机玻璃内罩的直径对应于试样容置位处最小。

9.一种采用如权利要求1-8任一项所述的非饱和土三轴试验仪的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

将非饱和土三轴试验仪放置于工业CT扫描室的旋转台，工业CT的X光射线源对准测试样品，在不同吸力、不同温度与在不同围压条件下对测试样品进行轴向应变加载，在不同应变阶段暂停加载并同时进行CT扫描；将旋转台进行360°旋转，进行不同角度的扫描得出切片化的灰度图像，通过分析图像与试验过程得出非饱和土在剪切作用下的微观结构、三相分布以及各相交界面的演化规律。

10.一种采用如权利要求1-8任一项所述的非饱和土三轴试验仪的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

将已制备好的测试样品放置在试样容置位，将有机玻璃顶盖与有机玻璃底盖分别固定并用O形圈紧箍密封；

使用真空泵通过孔隙水压力孔道对测试样品施加真空，并保持孔隙气压力通道关闭；

而后通过压力室对测试样品施加围压，打开孔隙水压力孔道以允许水流入压力室使测试样品饱和，并将孔隙气压力孔道向大气开放；

待测试样品饱和后，施加相应的孔隙气压力与孔隙水压力；

将非饱和土三轴试验仪固定于工业CT扫描室的旋转台，进行应变加载，并在不同的应变阶段暂停加载后进行CT扫描；

将旋转台进行360°旋转，进行不同角度的扫描得出切片化的灰度图像，通过分析图像与试验过程得出非饱和土在剪切作用下的微观结构、三相分布以及各相交界面的演化规律。