CN114544325A - 用于土体的高压ct-三轴试验仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于土体的高压CT‑三轴试验仪，属于土体测试设备技术领域，包括压力室和轴压系统，所述压力室采用航空铝制成，所述轴压系统设置在压力室的顶部。本发明采用航空铝如7075、7A09制成压力室和将轴压系统直接设置在压力室的顶部，可使试样尺寸增大至或超过常规三轴试样的标准尺寸，轴向加载力和围压可达30KN和4MPa甚至更高，配合CT扫描可在受力过程中对土样进行无损、动态、定量和实时的测试，成功满足了各种工程土体的研究需求，拓宽了研究领域，解决现有技术由于加载架的遮挡和压力室材料强度低X射线穿透力弱导致成像水平差影响检测精准度，无法实现土体标准尺寸或更大尺寸高压力下的CT‑三轴试验，导致研究领域受限的问题。

Description

用于土体的高压CT-三轴试验仪
技术领域
本发明涉及土体测试设备技术领域，具体涉及一种用于土体的高压CT-三轴试验仪。
背景技术
早期对土体的研究都是基于宏观试验的强度和变形特性方面，随着科技的发展，许多学者开始利用光学成像技术结合传统的岩土仪器对土的细观结构进行检测，例如激光扫描技术、核磁共振成像技术、数字成像技术和计算机断层扫描成像技术。通过对比可以发现CT技术能够实现任意断面的无损检测，还能达到相对较高的分辨率，而其他技术则受到单一断面扫描和分辨率的限制。正因如此，CT技术被广泛应用于岩土材料，如冻土、岩石、路基填土、非饱和土和砂土等，在其受力过程中进行无损、动态、定量和实时的观测细观结构。
为了达到更好的成像效果，现有技术针对不同的岩土材料研制能结合CT扫描技术的相应试验设备，通过分析内部结构演化的CT图像和相应的CT数据，从细观上解释土体三轴剪切破坏细观结构演化规律。其中最具有代表性的是常规CT-三轴试验仪，该三轴试验仪采取了传统的轴力系统，加载架设置在压力室外部，对X射线形成一定遮挡，影响对土体成像分辨率，另外，对于材料的选择也没有达到最优，X射线接受度低，影响了成像水平；由于常规CT-三轴试验仪结构和压力室材料的限制，其能提供的实验围压和轴压较低，最大围压仅为500kPa，最大轴向荷载为3kN，无法满足深地深海、高土石坝心墙、核废物深地处置等处于高压力下的土体材料微细观结构研究。微型CT-三轴试验仪能实现较高围压下对土体的微细观结构观测，但其微型试样并没有达到常规三轴试样直径39.1mm和高度80mm的标准尺寸，具有一定的局限性，如应力-应变曲线和内摩擦角与常规试验出现差异。
针对上述问题，为了达到常规三轴试样标准尺寸或更大尺寸，提高试验围压、轴压和成像质量，实现更宽泛、多领域的研究，有必要对现有技术的三轴试验仪进行改进，一方面进行结构创新，减小加载架对CT成像的影响，提高试验轴向荷载范围，另一方面优化压力室材料，使其具有较好地X射线接受度，同时提高承受围压范围，最终能够克服宏观试验的局限性，实现对土体内部细观结构的观测，对研究土的微细观力学具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种用于土体的高压CT-三轴试验仪，以解决现有技术由于加载架的遮挡和压力室材料强度低X射线穿透力弱导致成像水平差影响检测精准度，无法实现土体标准尺寸或更大尺寸高压力下的实验，导致研究领域受限的问题。
为了达到以上目的，本发明通过以下方案来实现：
用于土体的高压CT-三轴试验仪，包括压力室和轴压系统，所述压力室采用航空铝制成，所述轴压系统设置在压力室的顶部。
进一步，所述压力室包括第一法兰、承压筒和底座，所述承压筒设置在第一法兰和底座之间，所述第一法兰和底座均设置有与承压筒内壁配合的轴肩，所述轴肩上设置有密封件，所述轴压系统包括电机、减速机、丝杆机构、加载架和加载杆，所述电机的主轴与减速机的输入轴连接，所述减速机的输出轴与丝杆机构的丝杆螺母连接，所述丝杆机构的丝杆与加载杆连接，所述加载杆的前端穿过第一法兰伸入承压筒内，所述加载架设置在丝杆机构与第一法兰之间。
进一步，所述丝杆机构还包括外壳，在外壳内，所述丝杆螺母一端与丝杆螺纹连接，另一端一体设置有连接杆，所述连接杆的另一端延伸出外壳与减速机的输出轴连接。
进一步，所述丝杆机构还包括密封盖合在外壳一端的固定座，所述固定座上贯通设置有多个过孔，所述加载架为至少两根连接在固定座与第一法兰之间的螺杆，所述螺杆一端与第一法兰螺纹连接，一端穿过所述过孔用螺母固定。
进一步，所述承压筒的厚度15mm-20mm。
进一步，还包括围压系统、反压系统、孔压测试系统和分别与轴压系统、围压系统、反压系统、孔压测试系统电性连接的控制系统。
进一步，所述减速机为行星减速器。
进一步，还包括用于支撑试验仪的支座，所述支座包括底板、滑动设置在底板上的移动板和固定在移动板上的垫块。
进一步，所述移动板上设置有滑块，所述底板上设置有与滑块滑动配合的滑槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用航空铝如7075、7A09制成压力室，可以使压力室既保持良好的结构强度，也具有良好的X射线接受度，利于CT成像，同时，也利于试样尺寸的增大，另一方面将轴压系统直接设置在压力室的顶部，意味着压力室外部并无加载架的遮挡，从而利于X射线的穿透，成像效果更佳，利于扩大试样尺寸至或超过常规三轴试样的标准尺寸(直径39.1mm和高度80mm)，轴向加载力和围压可达30KN和4MPa甚至更高，配合CT扫描可在受力过程中对土样进行无损、动态、定量和实时的测试，从而克服宏观试验的局限性，实现对土体内部细观结构的观测，对研究土的微细观力学具有重要意义。
本发明采用航空铝的另一个显著优点在于：重量轻，利于转运。
总之，本发明的三轴仪试样尺寸可增大至或超过常规三轴试样的标准尺寸，并在此基础上实现了轴向荷载30KN及围压4MPa的高压使用，成功满足了各种工程土体的研究需求，拓宽了研究领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的轴压系统的结构示意图；
图3为本发明的压力室的结构示意图；
图4为试验材料-珊瑚砂示意图；
图5为试验材料-珊瑚砂三轴试样示意图；
图6为珊瑚砂试样固结不排水试验的偏应力-轴向应变曲线图；
图7为珊瑚砂试样固结排水试验的偏应力-轴向应变曲线图；
图8为珊瑚砂固结不排水试验CT切片及三维重构；
其中，(a)横向切片；(b)竖向切片；(c)三维模型。
图9为珊瑚砂固结排水试验CT切片及三维重构
其中，(a)横向切片；(b)竖向切片；(c)三维模型。
附图标记说明：
1-压力室；2-轴压系统；3-围压系统；4-反压系统；5-孔压测试系统；6-控制系统；7-第一法兰；8-承压筒；9-底座；10-电机；11-减速机；12-丝杆机构；13-加载架；14-加载杆；15-支座；16-底板；17-移动板；18-垫块；19-滑块；20-滑槽；21-外壳；22-固定座；23-轴压力传感器；24-丝杆螺母；25-丝杆。
具体实施方式
为使本发明的实施例的目的、技术方案和创新之处更加清晰明了，下面结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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1-3所示，本发明提供一种用于土体的高压CT-三轴试验仪，包括压力室1、轴压系统2、围压系统3、反压系统4、孔压检测系统5和控制系统6，控制系统分别与轴压系统、围压系统、反压系统、孔压测试系统电性连接，进行动作和参数控制；
本实施例中，压力室采用航空铝制成，航空铝如7075、7A09，具有重量轻，强度高的特点，是高强度轻型材料，相比其他压力室材料，如PEEK(聚醚醚酮)和亚克力，在材料强度、加工性能、螺纹强度和性价比等方面具有明显优势，且满足CT机扫描时X射线穿透以便清晰观测试样。因此，使用航空铝，提高了成像效果，降低了压力室重量，使产品轻量化，利于将整体搬运至CT机上等操作；
本实施例的压力室包括第一法兰7、承压筒8和底座9，承压筒设置在第一法兰和底座之间，第一法兰和底座均设置有与承压筒内壁配合的轴肩，轴肩上设置有密封圈，与轴肩密封，从而提高围压能力。
同时，通过多次实验表明，承压筒壁厚15mm-20mm可使压力室有较高的承压能力，其高度并不限制，更优的，承压筒壁厚17.5mm，且高为22.5mm时，能够承受4MPa的围压，且不具有更多富余；
特别的，本实施例的轴压系统设置在压力室的顶部，使压力室外部并无加载架的遮挡，从而便于X射线的穿透，成像效果更佳，利于扩大试样尺寸至宏观研究的标准尺寸或更大尺寸，具体的：
轴压系统包括电机10、减速机11、丝杆机构12、加载架13和加载杆14，电机的主轴与减速机的输入轴连接，减速机的输出轴与丝杆机构的丝杆螺母24连接，丝杆机构的丝杆25与加载杆连接，加载杆的前端穿过第一法兰伸入承压筒内，加载架设置在丝杆机构与第一法兰之间。
电机为伺服电机，通过控制系统给出匹配转速，经过减速机减速增扭，再经过丝杆机构将旋转运动变为直线运动，驱动加载杆对承压筒内土体试样施加轴向压力。与传统的三轴仪通过反力架控制轴压和GDS系统通过底座升降控制轴压不同，该系统轴向压力通过电机经加载杆向试样帽传递施加给试样，最大轴向加载力可达30kN甚至更高，加载速率：0.0001～7.5mm/min。考虑到与CT机配套使用，通过与加载架和Bi shop加载模式的对比，发现这种CT加载模式加载力高，稳定性好，精度高，结构复杂程度低，能够装夹在CT机上。
同时，加载杆与压力室接触孔设置了密封圈，防止加载过程中水被压出；
另外，轴向压力可通过手动按键或软件自动控制，实现恒定力控制、恒定位移控制、速度控制、力曲线控制、位移曲线控制、标定偏移、力界限设定和位移界限设定；
本实施例中，围压系统与底座连接，提供围压压力，其具体包括围压体积控制器和压力管道，压力管道一端与底座上的围压阀连通，一端与围压体积控制器连通，供应压力介质；
本实施例中，反压系统包括反压体积控制器和压力管路，反压体积控制器通过压力管路与底座反压阀连接，对试样进行反压饱和操作；
本实施例中，孔压测试系统包括孔压传感器，孔压传感器设置在底座孔压阀内，孔压传感器通过数据线与控制系统连接，对孔压数据进行传输；
本实施例中，控制系统包括轴压力传感器23、围压体积控制器、反压体积控制器、显示器、处理器和输入键盘，轴压力传感器设置在丝杆与加载杆之间，围压体积控制器设置在压力管道上，反压体积控制器压力管路上，显示器与轴压力传感器、围压体积控制器、反压体积控制器电性连通，处理器与轴压力传感器、围压体积控制器、反压体积控制器、电机、各功能阀等电性连通，进行参数控制和操作控制，实现本试验仪的检测操作。
本实施例中，丝杆机构还包括外壳21，在外壳内，丝杆螺母一端与丝杆螺纹连接，另一端一体设置有连接杆，连接杆的另一端延伸出外壳与减速机的输出轴连接。
本实施例中，丝杆机构还包括密封盖合在外壳一端的固定座22，固定座上贯通设置有多个过孔，加载架为至少两根连接在固定座与第一法兰之间的螺杆，螺杆一端与第一法兰螺纹连接，一端穿过所述过孔用螺母固定。
螺杆的数量并不限定，本实施例为四根螺杆，设置在固定座的外侧。
本实施例的减速机可以是齿轮减速器，也可以是行星减速器，更优选的是行星减速器，其体积小，重量轻，方便转运。
本实施例中，还包括用于支撑试验仪的支座15，支座包括底板16、滑动设置在底板上的移动板17和固定在移动板上的垫块18。移动板上设置有滑块19，底板上设置有与滑块滑动配合的滑槽20。通过滑块在滑槽上滑动，方便在检测水平调整或水平移动，使用更省力。
采用上述方案制得的三轴试验仪，其试样直径可为常规三轴试样的标准尺寸甚至更大，具有非常宽泛的使用范围；
采用上述方案制得的三轴试验仪，适用于砾土、砂土、粉土和黏土等多土样的研究。
采用上述方案制得的三轴试验仪，可在常规三轴试样的标准尺寸的基础上实现轴向荷载30KN及围压4MPa的高压甚至更高压力下使用，可用于深地深海、高土石坝心墙、核废物深地处置等处于高压力下的土体材料微细观结构研究，成功满足了各种工程土体的研究需求，拓宽了研究领域。
另外，本发明既可进行三轴UU试验、CU试验和CD试验，同时还可以进行不同应力路径的三轴试验。通过与CT扫描设备结合，本发明不仅可以获取土样的宏观力学信息，还可以观测土样微细观结构的演化，从而对土体进行多尺度的研究。经过扫描测试，该仪器的扫描图像清晰，数据可靠，仪器装置经济合理，适用于岩土材料的宏细观力学特性研究。下面以具体实施例作进一步说明。
1、试验材料
试验材料取自南海珊瑚砂，如图4所示。将土样筛分烘干后选用粒径为1-2mm和0.5-1mm，珊瑚砂土粒比重为2.76。粒径1-2mm的砂样最大孔隙比为1.85，最小孔隙比为1.30。粒径0.5-1mm的砂样最大孔隙比为1.73，最小孔隙比为1.36。为了便于区分颗粒，对粒径1-2mm的砂样设定相对密实度大小为0.5。为使试样出现剪切带，对粒径0.5-1mm的砂样设定相对密实度为0.75。根据不同粒径设定的相对密实度，计算所需砂样质量后进行制样。由于砂样较为松散，采用冷冻法进行制样。冷冻结束后装好的珊瑚砂试样如图5所示。
2、试验过程
对粒径1-2mm的砂样进行围压为1.5MPa的固结不排水试验，对粒径0.5-1mm的砂样进行围压100kPa的固结排水试验。珊瑚砂试样装好后加预压20kPa，而后进行反压饱和，其间既可使冰溶化也能提升饱和度。当饱和系数B＞0.95时，认为试样达到饱和。达到要求的饱和度后，加围压值至目标围压，开始固结试样至反压体积变化曲线斜率近乎水平后结束。对固结不排水试验，固结完成后关闭反压阀门，对固结排水试验剪切过程中反压阀门处于开启状态，将装置放平于CT扫描设备上进行首次扫描。第一次扫描结束后，根据土工试验方法标准设置固结不排水试验剪切速率为0.08mm/min，固结排水试验剪切速率设置为0.05mm/min。每隔3％的轴向应变(30分钟)进行一次扫描，直到轴向应变达到15％。整个试验过程中试样一直处于加载过程中，扫描之前为确保X射线光源对准试样，需要移动板床从而调整装置的位置。扫描图像为整个试样的切片，扫描间隔0.75mm，每次扫描约120张图片。扫描结束后，利用CT机自带的图像处理系统对每次扫描的CT数进行统计，主要为该试样区域的总体CT值ME和一定置信水平的方差值SD。其中，ME为选定区域所有物质点的平均密度，SD为该区域所有物质点密度的不均匀程度，间接反映了该区域的结构性强弱。
3、试验结果
①应力-应变关系分析
图6给出了珊瑚砂粒径1-2mm的试样在1.5MPa围压固结不排水试验的偏应力-轴向应变曲线。从图中可以看出，珊瑚砂在轴向应变在7％左右达到峰值，在10％左右开始小幅度降低。由于试样为不排水条件，剪切过程中试样体积不发生改变，应力-应变曲线介于应变软化和应变硬化之间。据有关学者研究发现，同样围压条件下进行的三轴不排水和排水试验，不排水条件的应力-应变曲线较排水条件时趋于应变硬化。这是由于不排水时，试样体积恒定，颗粒间接触比排水时少，颗粒破碎发生的演化规律有差别。
珊瑚砂试样固结排水试验的偏应力-轴向应变曲线如图7所示。对粒径0.5-1mm的相对密实度0.75的珊瑚砂在围压100kPa的情况下，应力-应变曲线表现为应变软化型，偏应力在轴向应变2％左右时达到峰值，之后开始降低。砂样体积先轻微减小后开始增大，即先剪缩后剪胀，直至出现剪切带。
②CT数及图像分析
扫描结束后，CT数统计结果如表1所示。从表中可以发现，当珊瑚砂粒径为1-2mm时，围压为1.5MPa的固结不排水试验中，ME随着轴向应变逐渐增大，SD随着轴向应变有逐渐减小的趋势，表明试验过程中试样的密度逐渐增大，密度差异逐渐缩小，这与试样应变硬化表现的规律基本一致。当珊瑚砂粒径为0.5-1mm时，围压为100kPa时的固结排水试验中，ME随着轴向应变逐渐减小，SD随着轴向应变先增大后减小整体呈逐渐增大的趋势。密实珊瑚砂在剪切过程中密度逐渐减小，密度差异逐渐增大，这与试样剪切带的出现是一致的。
表1 CT试验数据
Figure BDA0003518943540000071
为了区分应变硬化和应变软化时的颗粒特征，选取珊瑚砂两种试验条件下同一横向位置中心点处水平切片及竖向切片进行对比，并对扫描切片进行三维重构，如图8和图9所示。根据CT原理，CT图像的灰度大小和相应部分的土体密度成正比，CT扫描图像中黑色区域代表土体的低密度区(孔隙、裂隙等)，白色区域代表土体的高密度区(珊瑚砂)。
从图8中可以看出，1-2mm的颗粒形状不规则且多棱角，0.5-1mm的颗粒由于粒径较小和密实度较高，区分度不明显。结合图6的应力-应变曲线和表1的CT数，珊瑚砂应变硬化时，根据图8(a)，随着轴向应变增大，应力逐渐增大，结构性增强，珊瑚砂颗粒发生破碎。一方面，破碎的小颗粒颗粒会进入内部大孔隙中进行填充，另一方面，颗粒重新进行排列，从而导致试样内部孔隙逐渐减小。珊瑚砂应变软化时，从图9(a)可以看出，剪切过程中试样横向面积逐渐增大，试样横截面出现剪切裂缝，结构性减弱。
对比粒径1-2mm的试样固结不排水试验和粒径0.5-1mm的试样固结排水试验在轴向应变为0％-15％时的圆心处的竖向切片和三维重构模型，从图8和图9中可以看出，试样的横向直径增大，竖向高度减小。粒径1-2mm的试样相对密实度较小，试样在轴向应变为0％时内部大孔隙较多，由于重力作用，内部孔隙自上而下逐渐减少。当试样为应变硬化型时，随着轴向应变增大，由于试样压缩及颗粒破碎和重排，内部大孔隙减少，颗粒分布均匀，结构性增强。粒径0.5-1mm的试样相对密实度较高，试样在轴向应变0％时内部孔隙分布均匀。当试样为应变软化型时，在加载过程中，颗粒发生滑移和破碎，剪切带附近结构性弱，剪切带在轴向应变15％时比较明显。
上述试验表明：
1、三轴剪切试验应力-应变曲线合理，扫描图像清晰。
2、该三轴试验仪功能完备，造价合理，操作简单，能便于放置在CT扫描系统内，试验数据合理，扫描结果可靠，能实现对土样在加载过程中的动态、无损伤检测。
3、利用珊瑚砂进行固结不排水试验和固结排水试验，试验结果合理，通过CT扫描图像和三维重构可以清晰观察珊瑚砂应变硬化和应变软化两种不同情况下的内部细观结构变化。
4、结合试样区域的总体CT值ME和一定置信水平的方差值SD统计发现，应变硬化过程中，颗粒破碎和重新排列增强了试样结构性，应变软化过程中，颗粒的滑移和破碎减弱了试样结构性，该结果验证了该仪器的合理性。
5、实现土样标准尺寸或更大尺寸高压力下的实验。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.用于土体的高压CT-三轴试验仪，包括压力室和轴压系统，其特征在于:所述压力室采用航空铝制成，所述轴压系统设置在压力室的顶部。
2.根据权利要求1所述的用于土体的高压CT-三轴试验仪，其特征在于：所述压力室包括第一法兰、承压筒和底座，所述承压筒设置在第一法兰和底座之间，所述第一法兰和底座均设置有与承压筒内壁配合的轴肩，所述轴肩上设置有密封件，所述轴压系统包括电机、减速机、丝杆机构、加载架和加载杆，所述电机的主轴与减速机的输入轴连接，所述减速机的输出轴与丝杆机构的丝杆螺母连接，所述丝杆机构的丝杆与加载杆连接，所述加载杆的前端穿过第一法兰伸入承压筒内，所述加载架设置在丝杆机构与第一法兰之间。
3.根据权利要求2所述的用于土体的高压CT-三轴试验仪，其特征在于：所述丝杆机构还包括外壳，在外壳内，所述丝杆螺母一端与丝杆螺纹连接，另一端一体设置有连接杆，所述连接杆的另一端延伸出外壳与减速机的输出轴连接。
4.根据权利要求3所述的用于土体的高压CT-三轴试验仪，其特征在于：所述丝杆机构还包括密封盖合在外壳一端的固定座，所述固定座上贯通设置有多个过孔，所述加载架为至少两根连接在固定座与第一法兰之间的螺杆，所述螺杆一端与第一法兰螺纹连接，一端穿过所述过孔用螺母固定。
5.根据权利要求2所述的用于土体的高压CT-三轴试验仪，其特征在于：所述承压筒的厚度15mm-20mm。
6.根据权利要求1所述的用于土体的高压CT-三轴试验仪，其特征在于：还包括围压系统、反压系统、孔压测试系统和分别与轴压系统、围压系统、反压系统、孔压测试系统电性连接的控制系统。
7.根据权利要求2所述的用于土体的高压CT-三轴试验仪，其特征在于：所述减速机为行星减速器。
8.根据权利要求1所述的用于土体的高压CT-三轴试验仪，其特征在于：还包括用于支撑试验仪的支座，所述支座包括底板、滑动设置在底板上的移动板和固定在移动板上的垫块。
9.根据权利要求2所述的用于土体的高压CT-三轴试验仪，其特征在于：所述移动板上设置有滑块，所述底板上设置有与滑块滑动配合的滑槽。
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