CN113049396B - 一种适用于ct三维重建的有压冻结三轴试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统及方法，本系统包括承压设备、轴压加载装置、控温系统以及外接设备；其能够制取不同冻结压力、冻结速率下满足三轴实验规范的标准圆柱形冰或冻土试样，在围压和孔隙水压力可控的条件下开展原位三轴压缩试验以及温度场的测试；最重要的是，本发明能够在保持试样三轴应力状态恒定的条件下进行CT三维重建。
Description
技术领域
本发明涉及冰力学与冻土力学研究领域，具体涉及一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统及方法。
背景技术
目前我国东部新建、拟建煤矿立井多数要穿越400至600米的深厚表土层，深部土自重应力高于十兆帕；大量的深井人工冻结现场实测数据证明，在此高应力条件下形成的深土冻土，其力学特性明显有别于浅部冻土；但是目前针对深土冻土的力学试验手段和测试方法仍不完善，对其力学本质的认识也十分有限。随着计算机断层扫描技术和图像处理技术的日益完善，可以借助其观察冻土在三轴压力作用下的颗粒破碎、裂隙发育甚至冰包裹体破裂等现象，进而探讨其强度机理。这就要求研制出能与CT机配合使用的有压冻结三轴试验系统。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统及方法，其能够满足工业CT对于试验系统的严苛要求，在配合CT机进行三维重建时，无需外接任何管路，也无需供电，适用于多种类型的CT机。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，包括承压设备、轴压加载装置、控温系统以及外接设备；
所述承压设备包括底座，所述底座上端设有支撑台，所述支撑台上端设有用于嵌套试样模的凸型台，所述凸型台上方设有上法兰，所述上法兰与支撑台之间螺栓连接有压力腔外壳，所述压力腔外壳的内壁与上法兰、支撑台之间形成有压力腔；所述上法兰上开有连通压力腔的出油孔；所述上法兰中心贯穿有加载杆，所述加载杆下端伸入压力腔内并嵌套在试样模上端，所述加载杆上端螺纹连接有保压圆盘和杆帽；所述上法兰与保压圆盘上开有相互适配的用于连接保压螺栓的若干保压螺纹孔；
所述轴压加载装置包括设在杆帽上方的电动机，所述电动机通过若干反力杆螺纹连接在上法兰上；所述电动机的加载输出端与杆帽之间压紧有荷重传感器；
所述控温系统包括螺旋缠绕在底座外壁上的冻结管、包裹在自底座至加载杆上所有裸露部位的保温毡以及若干制冷盒，所述底座、支撑台以及凸型台内设有上下贯通的测温孔，所述底座上还设有两个分别连通压力腔的注水孔和注油孔，所述加载杆内设有贯通的水压孔，水压孔上端经杆帽引出后连通管路并设有阀门；
所述外接设备包括与注水孔连通的水压力体积控制器、与注油孔连通的油压力体积控制器、与冻结管连通的冷浴系统以及解调仪。
优选地，所述凸型台下端柱体外壁与压力腔外壳内壁适配并设有第一密封圈；所述上法兰为倒置T字型，其下端柱体外壁与压力腔外壳内壁适配并设有第二密封圈。
优选地，所述杆帽、保压圆盘与加载杆之间分别设有第三密封圈。
优选地，所述底座外壁上开有供冻结管嵌入的螺旋槽孔。
优选地，所述的压力腔外壳材质选用聚醚醚酮，其外径与上法兰、支撑台外径相同，设支撑台外径D1，凸型台最大外径D2，则压力腔外壳厚度＝(D1-D2)/2。
优选地，所述底座上还设有连通压力腔的备用测试孔。
优选地，所述注水孔、注油孔、水压孔、出油孔、测温孔以及备用测试孔的孔径均为加载杆外径的四分之一。
优选地，所述注水孔和测温孔连通，注水孔和测温孔的共同端与试样模内的试样连通；测温孔底端为双层沉头孔设计并且设有内螺纹。
本发明还提供一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验方法，具体包括以下步骤：
S1、组装承压设备
在凸型台上均匀涂抹密封胶并依次套入试样膜和两条橡皮筋；在加载杆底端侧面均匀涂抹密封胶后插入试样膜；使用预先准备的橡皮筋分别箍紧试样膜上、下两端，将压力腔外壳、上法兰以及保压圆盘依次穿过加载杆后利用螺栓将三者紧固，将杆帽拧入加载杆上端；
S2、连接外接设备
将底座上的注水孔与水压力体积控制器连接，注油孔与油压力体积控制器连接；将冻结管和冷浴系统连接，通过反力杆和上法兰上的反力杆螺纹孔将上法兰和电动机连接在一起，在电动机和杆帽中间放置荷重传感器，启动水压力体积控制器，缓慢向试样膜内注水，直到杆帽有水冒出后关闭注水孔，将水压力体积控制器与水压孔连接，设定冻结时的水压力值并维持恒定，启动油压力体积控制器缓慢向压力腔内注入液压油，直到出油孔有油冒出则暂停油压力体积控制器工作并将出油孔用塞子堵塞，再次启动油压力体积控制器，设定冻结时的围压值并维持恒定；
S3、冻结制样
使用保温毡包裹试验系统裸露部分，将冻结管与冷浴系统连通，设定制冷温度后开启冷浴系统，在一定围压和一定温度下使试样自下而上冻结，同时使用油压力体积控制器向压力腔内不断补充液压油，维持压力腔内液压油的体积不变，加载动机设定为稳压伺服，维持试样所受压力值恒定；
S4、初始状态的三维重建
冻结制样完成后，利用保压螺栓和保压螺纹孔均匀的拧紧保压圆盘和上法兰，同时观察荷重传感器，当其示数为零时，说明轴压已经由电动机驱动完全转为螺栓维持，此时拆除轴压加载装置并关闭注油孔，拆除油压力体积控制器后迅速安装制冷盒，制冷盒安装在冻结管外围和上法兰上端，使用保温毡包裹在自底座至加载杆上所有裸露部位，最后，将整个承压设备、控温系统转移至CT机中，开展三维重建；
S5、受载状态的三维重建
一次重建完成后，可将承压设备取出，重新连接油压力体积控制器、荷重传感器、反力杆和电动机，进行加载，之后重复S4步骤，对试样进行受载状态的三维重建。
本发明的有益效果在于：
本发明能够制取不同冻结压力、冻结速率下满足三轴实验规范的标准圆柱形冰或冻土试样，在围压和孔隙水压力可控的条件下开展原位三轴压缩试验以及温度场的测试；最重要的是，本发明能够在保持试样三轴应力状态恒定的条件下进行CT三维重建。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的承压设备与轴压加载装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的保温毡与制冷盒的安装位置示意图；
图3为本发明实施例提供的透水板安装位置示意图；
图4为本发明实施例提供的承压设备外形示意图。
附图标记说明：
1-底座，2-注水孔，3-冻结管，4-支撑台，5-试样，6-压力腔外壳，7-测温杆，8-压力腔，9-上法兰，10-杆帽，11-保压圆盘，12-水压孔，13-加载杆，14-试样膜，15-注油孔，16-出油孔，17-反力杆螺纹孔，18-保压螺栓，19-透水板，20-反力杆，21-荷重传感器，22-电动机，23-水压力体积控制器，24-油压力体积控制器，25-冷浴系统，26-解调仪，27-保温毡，28-制冷盒，29-测温孔，30-备用测试孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
如图1至图4所示，一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，包括承压设备、轴压加载装置、控温系统以及外接设备；本发明涉及的试验系统的承压设备、轴压加载装置最大直径设计不大于8cm，能够满足工业CT对于试验系统严苛的尺寸限制；
所述承压设备包括底座1，所述底座1上端设有支撑台，所述支撑台上端设有用于嵌套试样模14的凸型台，所述凸型台上方设有上法兰9，所述上法兰9与支撑台之间螺栓连接有压力腔外壳6，所述压力腔外壳6的内壁与上法兰9、支撑台之间形成有压力腔8；所述上法兰9上开有连通压力腔8的出油孔16；所述上法兰9中心贯穿有加载杆13，所述加载杆13下端伸入压力腔8内并嵌套在试样模14上端，所述加载杆13上端螺纹连接有保压圆盘11和杆帽10；所述上法兰9与保压圆盘11上开有相互适配的用于连接保压螺栓18的若干保压螺纹孔；
所述轴压加载装置包括设在杆帽10上方的电动机22，所述电动机22通过若干反力杆20螺纹连接在上法兰9上；所述电动机22的加载输出端与杆帽10之间压紧有荷重传感器21；
所述控温系统包括螺旋缠绕在底座1外壁上的冻结管3、包裹在自底座1至加载杆13上所有裸露部位的保温毡27以及若干制冷盒28，所述底座1、支撑台以及凸型台内设有上下贯通的测温孔29，所述底座1上还设有两个分别连通压力腔的注水孔2和注油孔15，在进行冰相关实验时，注水孔2通过塞子完全堵死，在进行冻土相关实验时，注水孔2用于饱水，所述加载杆13内设有贯通的水压孔12，水压孔12上端经杆帽10引出后连通管路并设有阀门；
所述外接设备包括与注水孔2连通的水压力体积控制器23、与注油孔15连通的油压力体积控制器24、与冻结管3连通的冷浴系统25以及解调仪26，冷浴系统25选取应要求控温精度在±0.1℃以内。
所述凸型台下端柱体外壁与压力腔外壳6内壁适配并设有第一密封圈；所述上法兰9为倒置T字型，其下端柱体外壁与压力腔外壳6内壁适配并设有第二密封圈。
所述杆帽10、保压圆盘11与加载杆13之间分别设有第三密封圈。
所述底座1外壁上开有供冻结管3嵌入的螺旋槽孔。
所述的压力腔外壳6材质选用聚醚醚酮，其外径与上法兰9、支撑台外径相同，设支撑台外径D1，凸型台最大外径D2，则压力腔外壳6厚度＝(D1-D2)/2。
所述底座1上还设有连通压力腔8的备用测试孔30。
所述注水孔2、注油孔15、水压孔12、出油孔16、测温孔29以及备用测试孔30的孔径均为加载杆13外径的四分之一。
所述注水孔2和测温孔29连通，注水孔2和测温孔29的共同端与试样模14内的试样5连通；测温孔29底端为双层沉头孔设计并且设有内螺纹。
实施例1、一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验方法，配合CT机开展三维重建，具体包括以下步骤：
S1、组装承压设备
在凸型台上均匀涂抹密封胶并依次套入试样膜14和两条橡皮筋；在加载杆13底端侧面均匀涂抹密封胶后插入试样膜14；使用预先准备的橡皮筋分别箍紧试样膜14上、下两端，将压力腔外壳6、上法兰9以及保压圆盘11依次穿过加载杆13后利用螺栓将三者紧固，将杆帽10拧入加载杆13上端；如果实验对象是冻土，还要在冻土的上下两端分别放置一块透水板19；
S2、连接外接设备
将底座上的注水孔2通过管路与水压力体积控制器23连接，注油孔15通过管路与油压力体积控制器24连接，管路上均设有阀门；将冻结管3和冷浴系统25连接，通过反力杆20与上法兰9上的反力杆螺纹孔17连接，从而将上法兰9和电动机22连接在一起，反力杆20不少于3根，直径不小于5mm，在电动机22和杆帽10中间放置荷重传感器21，启动水压力体积控制器23，缓慢向试样膜14内注水，直到杆帽10有水冒出后关闭注水孔2，将水压力体积控制器23与水压孔12连接，设定冻结时的水压力值并维持恒定，启动油压力体积控制器24缓慢向压力腔8内注入液压油，直到出油孔16有油冒出则暂停油压力体积控制器24工作并将出油孔16用塞子堵塞，再次启动油压力体积控制器24，设定冻结时的围压值并维持恒定；
S3、冻结制样
使用保温毡27包裹试验系统裸露部分，将冻结管3与冷浴系统25连通，设定制冷温度后开启冷浴系统25，在一定围压和一定温度下使试样5自下而上冻结，同时使用油压力体积控制器24向压力腔8内不断补充液压油，维持压力腔8内液压油的体积不变，加载动机22设定为稳压伺服，维持试样5所受压力值恒定；
S4、初始状态的三维重建
冻结制样完成后，利用保压螺栓18和保压螺纹孔均匀的拧紧保压圆盘11和上法兰9，同时观察荷重传感器21，当其示数为零时，说明轴压已经由电动机22驱动完全转为螺栓维持，此时拆除轴压加载装置并关闭注油孔15，拆除油压力体积控制器24后迅速安装制冷盒28，制冷盒28安装在冻结管3外围和上法兰9上端，使用保温毡27包裹在自底座1至加载杆13上所有裸露部位，最后，将整个承压设备、控温系统转移至CT机中，开展三维重建；
S5、受载状态的三维重建
一次重建完成后，可将承压设备取出，重新连接油压力体积控制器24、荷重传感器21、反力杆20和电动机22，进行加载，之后重复S4步骤，对试样5进行受载状态的三维重建。
实施例2：一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验方法，利用本发明进行有压冻结温度场测试，具体方法为：
S1、组装承压设备，密封测温杆7。
在凸型台上均匀涂抹密封胶并依次套入试样膜14和两条橡皮筋；在加载杆13底端侧面均匀涂抹密封胶后插入试样膜14；使用预先准备的橡皮筋分别箍紧试样膜14上、下两端，将压力腔外壳6、上法兰9以及保压圆盘11依次穿过加载杆13后利用螺栓将三者紧固，将杆帽10拧入加载杆13上端；将测温杆7穿过测温孔29插入试样膜14内，测温孔29底部采用螺帽和密封圈密封，测温杆7与测温孔29底部之间也采用密封胶密封，螺帽中间开有供测温杆7穿过的通孔，测温杆7另一端连接解调仪26；
S2、连接外接设备
将底座上的注水孔2通过管路与水压力体积控制器23连接，注油孔15通过管路与油压力体积控制器24连接，管路上均设有阀门；将冻结管3和冷浴系统25连接，通过反力杆20和上法兰9上的反力杆螺纹孔17将上法兰9和电动机22连接在一起，在电动机22和杆帽10中间放置荷重传感器21，启动水压力体积控制器23，缓慢向试样膜14内注水，直到杆帽10有水冒出后关闭注水孔2，将水压力体积控制器23与水压孔12连接，设定冻结时的水压力值并维持恒定，启动油压力体积控制器24缓慢向压力腔8内注入液压油，直到出油孔16有油冒出则暂停油压力体积控制器24工作并将出油孔16用塞子堵塞，再次启动油压力体积控制器24，设定冻结时的围压值并维持恒定；
S3、冻结制样，记录温度值。
使用保温毡27包裹试验系统裸露部分，将冻结管3与冷浴系统25连通，设定制冷温度后开启冷浴系统25，在一定围压和一定温度下使试样5自下而上冻结，同时使用油压力体积控制器24向压力腔8内不断补充液压油，维持压力腔8内液压油的体积不变，加载动机22设定为稳压伺服，维持试样5所受压力值恒定；调节冷浴系统25温度，记录解调仪26中所示温度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，其特征在于，包括承压设备、轴压加载装置、控温系统以及外接设备；
所述承压设备包括底座(1)，所述底座(1)上端设有支撑台，所述支撑台上端设有用于嵌套试样模(14)的凸型台，所述凸型台上方设有上法兰(9)，所述上法兰(9)与支撑台之间螺栓连接有压力腔外壳(6)，所述压力腔外壳(6)的内壁与上法兰(9)、支撑台之间形成有压力腔(8)；所述上法兰(9)上开有连通压力腔(8)的出油孔(16)；所述上法兰(9)中心贯穿有加载杆(13)，所述加载杆(13)下端伸入压力腔(8)内并嵌套在试样模(14)上端，所述加载杆(13)上端螺纹连接有保压圆盘(11)和杆帽(10)；所述上法兰(9)与保压圆盘(11)上开有相互适配的用于连接保压螺栓(18)的若干保压螺纹孔；
所述轴压加载装置包括设在杆帽(10)上方的电动机(22)，所述电动机(22)通过若干反力杆(20)螺纹连接在上法兰(9)上；所述电动机(22)的加载输出端与杆帽(10)之间压紧有荷重传感器(21)；
所述控温系统包括螺旋缠绕在底座(1)外壁上的冻结管(3)、包裹在自底座(1)至加载杆(13)上所有裸露部位的保温毡(27)以及若干制冷盒(28)，所述底座(1)、支撑台以及凸型台内设有上下贯通的测温孔(29)，所述底座(1)上还设有两个分别连通压力腔的注水孔(2)和注油孔(15)，所述加载杆(13)内设有贯通的水压孔(12)，水压孔(12)上端经杆帽(10)引出后连通管路并设有阀门；
所述外接设备包括与注水孔(2)连通的水压力体积控制器(23)、与注油孔(15)连通的油压力体积控制器(24)、与冻结管(3)连通的冷浴系统(25)以及解调仪(26)。
2.如权利要求1所述的一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，其特征在于，所述凸型台下端柱体外壁与压力腔外壳(6)内壁适配并设有第一密封圈；所述上法兰(9)为倒置T字型，其下端柱体外壁与压力腔外壳(6)内壁适配并设有第二密封圈。
3.如权利要求1所述的一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，其特征在于，所述杆帽(10)、保压圆盘(11)与加载杆(13)之间分别设有第三密封圈。
4.如权利要求1所述的一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，其特征在于，所述底座(1)外壁上开有供冻结管(3)嵌入的螺旋槽孔。
5.如权利要求1所述的一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，其特征在于，所述的压力腔外壳(6)材质选用聚醚醚酮，其外径与上法兰(9)、支撑台外径相同，设支撑台外径D1，凸型台最大外径D2，则压力腔外壳(6)厚度＝(D1-D2)/2。
6.如权利要求1所述的一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，其特征在于，所述底座(1)上还设有连通压力腔(8)的备用测试孔(30)。
7.如权利要求6所述的一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，其特征在于，所述注水孔(2)、注油孔(15)、水压孔(12)、出油孔(16)、测温孔(29)以及备用测试孔(30)的孔径均为加载杆(13)外径的四分之一。
8.如权利要求1所述的一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验系统，其特征在于，所述注水孔(2)和测温孔(29)连通，注水孔(2)和测温孔(29)的共同端与试样模(14)内的试样(5)连通；测温孔(29)底端为双层沉头孔设计并且设有内螺纹。
9.一种适用于CT三维重建的有压冻结三轴试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、组装承压设备
在凸型台上均匀涂抹密封胶并依次套入试样膜(14)和两条橡皮筋；在加载杆(13)底端侧面均匀涂抹密封胶后插入试样膜(14)；使用预先准备的橡皮筋分别箍紧试样膜(14)上、下两端，将压力腔外壳(6)、上法兰(9)以及保压圆盘(11)依次穿过加载杆(13)后利用螺栓将三者紧固，将杆帽(10)拧入加载杆(13)上端；
S2、连接外接设备
将底座上的注水孔(2)与水压力体积控制器(23)连接，注油孔(15)与油压力体积控制器(24)连接；将冻结管(3)和冷浴系统(25)连接，通过反力杆(20)和上法兰(9)上的反力杆螺纹孔(17)将上法兰(9)和电动机(22)连接在一起，在电动机(22)和杆帽(10)中间放置荷重传感器(21)，启动水压力体积控制器(23)，缓慢向试样膜(14)内注水，直到杆帽(10)有水冒出后关闭注水孔(2)，将水压力体积控制器(23)与水压孔(12)连接，设定冻结时的水压力值并维持恒定，启动油压力体积控制器(24)缓慢向压力腔(8)内注入液压油，直到出油孔(16)有油冒出则暂停油压力体积控制器(24)工作并将出油孔(16)用塞子堵塞，再次启动油压力体积控制器(24)，设定冻结时的围压值并维持恒定；
S3、冻结制样
使用保温毡(27)包裹试验系统裸露部分，将冻结管(3)与冷浴系统(25)连通，设定制冷温度后开启冷浴系统(25)，在一定围压和一定温度下使试样(5)自下而上冻结，同时使用油压力体积控制器(24)向压力腔(8)内不断补充液压油，维持压力腔(8)内液压油的体积不变，加载动机(22)设定为稳压伺服，维持试样(5)所受压力值恒定；
S4、初始状态的三维重建
冻结制样完成后，利用保压螺栓(18)和保压螺纹孔均匀的拧紧保压圆盘(11)和上法兰(9)，同时观察荷重传感器(21)，当其示数为零时，说明轴压已经由电动机(22)驱动完全转为螺栓维持，此时拆除轴压加载装置并关闭注油孔(15)，拆除油压力体积控制器(24)后迅速安装制冷盒(28)，制冷盒(28)安装在冻结管(3)外围和上法兰(9)上端，使用保温毡(27)包裹在自底座(1)至加载杆(13)上所有裸露部位，最后，将整个承压设备、控温系统转移至CT机中，开展三维重建；
S5、受载状态的三维重建
一次重建完成后，可将承压设备取出，重新连接油压力体积控制器(24)、荷重传感器(21)、反力杆(20)和电动机(22)，进行加载，之后重复S4步骤，对试样(5)进行受载状态的三维重建。
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