CN115406769A - Ct实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统 - Google Patents

Ct实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明采用的技术方案是：一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，包括旋转压力室、同源双能量X射线源、X射线探测器、轴压伺服系统、围压加载系统；待测岩石固定于旋转压力室内部；所述旋转压力室内集成有用于加热待测岩石的高温加热板和用于实现旋转压力室内部温度降低的循环制冷网路，以及向待测岩石施加稳定孔隙水压的渗流装置；所述轴压伺服系统用于向待测岩石提供稳定的轴压；所述围压加载系统用于向待测岩石提供稳定的围压。本发明可以对岩石试样施加三轴应力条件、孔隙压力条件以及温度荷载条件，并满足CT扫描试验精度需求。

Description

CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统
技术领域
本发明属于岩土应力-渗流-温度耦合技术领域，具体涉及一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统。
背景技术
深部空间开挖、寒区工程施工、地热资源开发、二氧化碳封存及高放核废料地质处置等大规模工程建设，均普遍涉及复杂环境下岩石应力、渗流、温度耦合这一关键科学问题。正确描述裂隙或孔隙岩石在应力、渗流、温度耦合作用下的细观力学特性既是进行应力-渗流-温度耦合分析的关键环节，又是耦合研究领域的难点所在。因此，急需构建相应的岩石试验系统和测试方法来准确的评估多场耦合下岩石的力学特性。目前关于岩石多场耦合下细观力学特性研究主要集中在岩石内部的裂隙萌发、发育直至贯穿的损伤断裂过程。CT无损扫描技术可以实现对岩石内部的微观结构进行表征，是揭示多孔介质在多场耦合作用下损伤断裂过程的有效法。
然而，现有的实验设备和实验方法往往存在如下问题：1)目前大多数设备只能获得经过压缩、渗流、温度损伤后的岩石断裂的宏观结果，无法观测岩体内部裂隙或孔隙演化的细观过程(如公开号为CN109738294A)。少数设备尝试将CT扫描技术配合三轴应力、渗流、温度耦合装置使用(如公开号为CN107084876A)，期望从细观尺度描述岩石裂隙或孔隙演化过程，但是此类设备尺寸较大且采用千斤顶施加轴向荷载，容易引起侧压从而影响试验精度。同时，部分设备的CT扫描位置固定(如公开号为CN110542614A)，扫描图像精度较差且无法获得岩石损伤断裂过程的全貌。2)关于温度耦合方面，目前多数设备主要实现了高温试验，而关于岩石低温循环冻融下的损伤断裂特征目前还有待实现。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，可以对岩石试样施加三轴应力条件、孔隙压力条件以及温度荷载条件，并满足CT扫描试验精度需求。
本发明采用的技术方案是：一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，包括旋转压力室、同源双能量X射线源、X射线探测器、轴压伺服系统、围压加载系统；待测岩石固定于旋转压力室内部；所述旋转压力室内集成有用于加热待测岩石的高温加热板和用于实现旋转压力室内部温度降低的循环制冷网路，以及向待测岩石施加稳定孔隙水压的渗流装置；所述轴压伺服系统用于向待测岩石提供稳定的轴压；所述围压加载系统用于向待测岩石提供稳定的围压；
还包括用于检测待测岩石在压缩过程中的轴向应变的轴向引伸计，以及检测待测岩石在压缩过程中的径向向应变的环向引伸计；所述轴向引伸计和环向引伸计均位于旋转压力室内部；所述轴向引伸计和环向引伸计均位于待测岩石的外侧；
所述同源双能量X射线源向发生自转的旋转压力室投射X射线；所述X射线探测器用于接收经旋转压力室中待测岩石反射的X射线；
还包括上位机；所述上位机用于控制高温加热板和循环制冷网络的温度，和轴压伺服系统与围压加载系统向待测岩石施加的压力，以及渗流装置的流量；还用于接收轴向引伸计、环向引伸计和X射线探测器的检测结果。
上述技术方案中，还包括旋转盘和行走支架；所述旋转盘放置于行走支架上，并通过设置于行走支架上的移动履带沿行走支架移动；所述旋转盘与旋转压力室连接，并跟随旋转盘移动；所述同源双能量X射线源和X射线探测器分别设置于旋转压力室移动方向的两端。
上述技术方案中，所述旋转盘上设置有旋转电机；所述旋转电机的传动轴与旋转压力室固定连接，并带动旋转压力室自转。
上述技术方案中，所述旋转压力室内部设置有三轴向岩心夹持器；所述三轴向岩心夹持器用于保持待测岩心在旋转压力室内部不发生相对位移。
上述技术方案中，所述轴压伺服系统包括油泵电机组和加载油缸；所述油泵电机组设置于旋转盘上；所述加载油缸的压力输出端与待测岩石的顶端相接触；所述油泵电机组基于上位机的命令驱动加载油缸向待测岩石施加轴向压力。
上述技术方案中，围压加载系统包括油泵电机、加载泵、气泵和压力油路；所述油泵电机、气泵和加载泵设置于旋转盘上；所述压力油路设置于旋转压力室内部并环绕于待测岩石；所述油泵电机通过加载泵将压力油加压，压力油增压后通过所述气泵调节流入至压力油路向待测岩石施加围压。
上述技术方案中，所述渗流装置包括充液箱、水压增压泵和透水垫片；所述充液箱设置于旋转盘的一侧；所述水压增压泵设置于旋转盘上；所述透水垫片设置于旋转压力室内部并与待测岩石的底端相接触；充液箱内的水通过水压增压泵增压后经渗流管路从透水垫片流出，向待测岩石施加稳定的孔隙水压。
上述技术方案中，所述高温加热板以云母片为主体，以镀锌板和不锈钢板为支撑，可设计功率为1000W，耐温600℃。
上述技术方案中，所述循环制冷网路包括设置于旋转压力室内部的制冷管路和设置于旋转盘上的低温循环装置；低温循环装置与制冷管路相连通；低温循环装置内注有乙二醇冷媒，低温循环装置用于将乙二醇降温至预设温度，乙二醇通过制冷管路进入旋转压力室并对待测岩石进行降温。
上述技术方案中，所述的同源双能量X射线源包括两套不同能量下的X射线CT扫描装置。
本发明的有益效果是：
1.本发明系统可以采用双能量CT扫描成像系统，通过调整X射线光束能量，能够准确推算出岩石试样的成分构成，获取岩石试样在压缩过程中的穿晶断裂、沿晶断裂等微观现象，同时满足岩石试样压缩与CT图像在时间和空间上的匹配关系，用于获取高精度的CT扫描结果；本发明通过旋转压力室的自转和在行走支架上的移动保证对岩石全方位扫描的同时便于CT聚焦成像的精度。
2.本发明系统可以实现岩石三轴试验、高温损伤试验、冻融循环试验、驱替试验、水压致裂试验，并耦合渗流环境，真实的模拟了深部地下岩体应力环境与高寒、高海拔地区岩体应力环境。
3.本发明系统各部件集成度高，通过轴压伺服系统与围压加载系统施加三轴应力，可以消除岩石试样边角侧压，且系统内主要装置通过旋转盘与旋转压力室共同运动，能够保障系统安全可靠的进行试验。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的旋转压力室示意图；
图3为本发明的引伸计安装示意图；
图4为本发明的轴压伺服系统示意图；
图5为本发明的围压加载系统示意图。
其中，1-X射线源，2-加载油缸，3-防护板，4-充液箱，5-X射线探测器，6-固定支架，7-旋转压力室，8-移动履带，9-行走支架，10-旋转盘，11-低温循环装置，12-旋转电机，13-轴压伺服系统，14-围压加载系统，15-水压增压泵，16-伸缩支架，17-上法兰旋转顶座，18-旋转杆，19-渗流管路，20-循环制冷网路，21-岩石试样，22-加热板，23-旋转底座，24-透水垫片，25-三轴向岩心夹持器，26-压力油路，27-环向引伸计，28-轴向引伸计，29-液位计，30-粗过滤器，31-油泵电机组，32-精过滤器，33-单向阀，34-压力表，35-溢流阀，36-伺服阀，37-冷却器，38-空气滤清器,39-负荷传感器，40-油泵电机，41-滤油器，42-高压阀，43-加载泵,44-压力表，45-油标，46-高压单向阀，47-气阀开关，48-气泵，49-压力传感器，50-EDC控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种适用于CT实时扫描的三轴应力、渗流、温度耦合试验装置系统，包括用于精密运动控制的主机框架、用于进行高温损伤试验、冻融循环试验和渗流试验(驱替试验和水压致裂试验涉及到设备的渗流功能，更换不同种类的渗流液可以实现驱替和水压致裂试验)的旋转压力室、由液压控制的轴压伺服系统、由油压控制的围压加载系统、同源双能量CT扫描成像系统以及电气控制系统；
所述的主机框架包括行走支架9、横梁驱动装置和旋转盘10，行走支架9通过固定支架6固定于台面上。所述旋转压力室7位于所述旋转盘10之下，所述旋转盘10固定于行走支架9之上的移动履带8上。通过横梁驱动装置。所述的CT扫描成像系统位于旋转压力室7的左侧，所述旋转盘10内放置有油源冷却箱、旋转电机12、轴压伺服系统13、围压加载系统14、水压增压泵15和低温循环装置11。旋转压力室7的正下方设置有防护板3，用于防止旋转压力室7脱落。
液压系统在工作的时候需要持续的保持高压力而会产生大量的热量，在长时间工作后油温就会升高。如果没有及时的把热量散发出，会导致系统的密封元件老化、损坏，而且油的粘度随着油温升高而变低，油压也达不到工作的要求。故需要在旋转盘上设置油源冷却箱，用于降低压力油路中的油温。
如图2所示，所述的旋转压力室7内设置有三轴向岩心夹持器25、高温加热板22、循环制冷网路20、渗流管路19、引伸计和旋转装置。所述三轴向岩心夹持器25内放置岩石试样21，并通过轴压伺服系统13与围压加载系统14分别对岩石端面和周围柱面施加不同的轴向压力和径向压力。所述高温加热板22利用电热效应将电能转换为热能，并传导给岩石试样21；所述循环制冷网路20通过管道与旋转盘10内低温循环装置11连接，实现所述旋转压力室7内腔的低温控制。
所述渗流装置包括充液箱4、水压增压泵15和透水垫片24；所述充液箱4设置于行走支架9的下方；所述水压增压泵15设置于旋转盘10上；所述透水垫片24设置于旋转压力室7内部并与待测岩石的底端相接触；充液箱4内的水通过水压增压泵15增压后经渗流管路19从透水垫片24流出，向待测岩石施加稳定的孔隙水压。
如图3所示，所述引伸计包括轴向引伸计28和环向引伸计27用于记录岩石试样21在压缩过程中的轴向应变与环向应变；所述旋转装置包括同轴固定连接的上法兰旋转顶座17和旋转杆18；所述的上法兰旋转顶座17与旋转电机12的传动轴固定连接；所述旋转杆18与旋转压力室7的本体固定连接所述旋转装置可通过旋转电机12带动旋转压力室7360°旋转，得到岩石试件的实时扫描图像。
所述的同源双能量CT扫描成像系统包括两套不同能量下的X射线CT扫描装置，所述压力室的左侧布置X射线探测器5，对应的右侧布置两套不同能量的X射线源1。所述同源双能量X射线源1向发生自转的旋转压力室7投射X射线；所述X射线探测器5用于接收经旋转压力室7中待测岩石反射的X射线。所述X射线源1配置有伸缩支架16，用于调整X射线源1的安装角度。
还包括上位机；所述上位机用于控制高温加热板22和循环制冷网络的温度，和轴压伺服系统13与围压加载系统14向待测岩石施加的压力，以及渗流装置的流量；还用于接收轴向引伸计28、环向引伸计27和X射线探测器5的检测结果。
再进一步的，所述高温加热板22以云母片为主体，以镀锌板和不锈钢板为支撑，设置于待测岩石的外侧，用于加热待测岩石，可设计功率为1000W，耐温600℃。
所述循环制冷网路20包括设置于旋转压力室7内部的制冷管路和设置于旋转盘10上的低温循环装置11；低温循环装置11与制冷管路相连通；低温循环装置11内注有乙二醇冷媒，低温循环装置11用于将乙二醇降温至预设温度，乙二醇通过制冷管路进入旋转压力室7并对待测岩石进行降温。所述循环制冷网路20采用逆卡若循环并以乙二醇为冷媒，通过循环制冷网路20等温的从温度较高的旋转压力室7内吸热，最低可实现-70℃制冷环境。
如图4所示，所述轴压伺服系统13包括油泵电机组31和加载油缸2；所述油泵电机组设置于旋转盘10上；所述加载油缸2的压力输出端与待测岩石的顶端相接触；所述油泵电机组基于上位机的命令驱动加载油缸2向待测岩石施加轴向压力。
所述轴压伺服系统13还包括液位计29、、粗过滤器30、精过滤器32、单向阀33、压力表34、溢流阀35、伺服阀36、冷却器37、空气滤清器38和负荷传感器39。所述轴压伺服装置通过所述油泵电机组31控制加载油缸2，能够向岩石试样21提供稳定的轴压；所述油泵电机组31通过伺服阀36控制加载油缸2。所述油泵电机组31、伺服阀、加载油缸、冷却器设置于一个闭环的油路上。所述粗过滤器30和精过滤器32用于除去油泵电机组中压力油的固体杂质；所述单向阀33用于防止轴压伺服系统中油流反向流动；所述冷却器37用于防止油泵电机组中压力油油温过高导致轴压伺服系统的密封元件老化、损坏；所述溢流阀35可以进行所述油路的稳压、溢流、过载保护；所述伺服阀36能够放大压力信号并转化为电信号；所述冷却器37能降低压力油温避免油温过高造成的系统的密封元件老化、损坏；所述空气滤清器38用于空气过滤以减缓冷却器37中气缸的磨损；所述负荷传感器39能够精准测量岩石样品轴向受力情况，并将压力信号传递给所述伺服阀36，从而调整伺服阀的输出信号。
如图5所示，围压加载系统14包括油泵电机40、加载泵43、气泵48和压力油路26；所述油泵电机40、气泵48和加载泵43集成设置于旋转盘10上；所述压力油路26设置于旋转压力室7内部并环绕于待测岩石；所述油泵电机通过加载泵将压力油加压；所述气泵48将旋转压力室抽真空后压力油增压流入至位于旋转压力室7中的压力油路26向待测岩石施加围压。
所述油泵电机40与位于旋转压力室7中的压力油路26之间的管路上设置有滤油器41、高压阀42、压力表44、油标45、高压单向阀46、气阀开关47、压力传感器49、EDC控制器50。所述滤油器用于过滤液压油中的颗粒状杂质；所述高压阀用于控制压力油流量大小；所述压力表用于用于读取所述加载泵内压力大小；所述油标用于观察围压加载系统中液压油量避免油量不足造成的机械功能障碍；所述高压单向阀用于防止气泵内高压气体倒流；所述气阀开关用于控制气体进出气泵的部件；压力室内围压信号可通过所述压力传感器传输至所述EDC控制器进行数据采集并反馈至所述加载泵与所述压力表。
本具体实施例的应用过程，包括以下步骤：
1.将岩石试样21加工至直径50×100mm的圆柱样，表面打磨光滑，两端平行度小于20μm，岩石试样21侧面用橡胶密封垫圈包裹，上下表面放置好透水垫片24；
2.将岩石试样21放置于三轴向岩心夹持器25内部并进行固定。将三轴向岩心夹持器25安装至旋转压力室7，连接渗流管路19、压力油路26，将压头轴向引伸计28、环向引伸计27安装于三轴向岩心夹持器25外侧到位后打开电控箱电源、计算机电源，预热15分钟；
3.将旋转压力室7送入试验区域后连接压力管路，渗流管路，开启充液箱，并采用气泵48将旋转压力室抽真空，使得岩样内部孔隙抽至真空，利用轴压伺服系统13与围压加载系统14向岩心缓慢加载应力至设定值后保持稳定。
4.启动旋转装置和移动履带8，带动旋转压力室7内岩石试样21稳定转动的同时，沿行走支架9的延伸方向移动；
5.打开同源双能量CT扫描装置开始扫描，获取岩石试样21初始状态与成分组成；
6.温度加载/孔隙水压加载/应力加载
高温加载：打开加热板22，将岩石试样21加热至预设温度后保持恒温；
低温加载：向低温循环装置11内注入乙二醇冷媒，打开低温循环装置11将乙二醇降温至预设温度，通过循环制冷网络20对压力室进行低温处理3小时，后关闭低温循环装置11进行试样融化处理1小时；
孔隙水压加载：打开水压增压泵15，并设定好流量，将水经由渗流管路19通过透水垫片24稳定流入岩石试样21，计算流出水的重量；
应力加载：根据预设应力路径，利用轴压伺服系统13与围压加载系统14对岩心施加应力，直至岩心破坏；
7.孔隙压力及应力卸载：岩心破坏后，首先停止加热板22工作，然后调整水压增压泵15关闭渗流管路19中流量从而卸载孔隙压力，孔隙压力完全卸载后，利用轴压伺服系统13与围压加载系统14依次卸载围压与轴压；
8.保存数据，记录岩体试件应力-应变变化参数与全过程裂隙、孔隙压缩变形CT图像后取出试样并整理设备。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：包括旋转压力室、同源双能量X射线源、X射线探测器、轴压伺服系统、围压加载系统；待测岩石固定于旋转压力室内部；所述旋转压力室内集成有用于加热待测岩石的高温加热板和用于实现旋转压力室内部温度降低的循环制冷网路，以及向待测岩石施加稳定孔隙水压的渗流装置；所述轴压伺服系统用于向待测岩石提供稳定的轴压；所述围压加载系统用于向待测岩石提供稳定的围压；
还包括用于检测待测岩石在压缩过程中的轴向应变的轴向引伸计，以及检测待测岩石在压缩过程中的径向向应变的环向引伸计；所述轴向引伸计和环向引伸计均位于旋转压力室内部；所述轴向引伸计和环向引伸计均位于待测岩石的外侧；
所述同源双能量X射线源向发生自转的旋转压力室投射X射线；所述X射线探测器用于接收经旋转压力室中待测岩石反射的X射线；
还包括上位机；所述上位机用于控制高温加热板和循环制冷网络的温度，和轴压伺服系统与围压加载系统向待测岩石施加的压力，以及渗流装置的流量；还用于接收轴向引伸计、环向引伸计和X射线探测器的检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：还包括旋转盘和行走支架；所述旋转盘放置于行走支架上，并通过设置于行走支架上的移动履带沿行走支架移动；所述旋转盘与旋转压力室连接，并跟随旋转盘移动；所述同源双能量X射线源和X射线探测器分别设置于旋转压力室移动方向的两端。
3.根据权利要求2所述的一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：所述旋转盘上设置有旋转电机；所述旋转电机的传动轴与旋转压力室固定连接，并带动旋转压力室自转。
4.根据权利要求2所述的一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：所述旋转压力室内部设置有三轴向岩心夹持器；所述三轴向岩心夹持器用于保持待测岩心在旋转压力室内部不发生相对位移。
5.根据权利要求2所述的一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：所述轴压伺服系统包括油泵电机组和加载油缸；所述油泵电机组设置于旋转盘上；所述加载油缸的压力输出端与待测岩石的顶端相接触；所述油泵电机组基于上位机的命令驱动加载油缸向待测岩石施加轴向压力。
6.根据权利要求2所述的一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：围压加载系统包括油泵电机、加载泵、气泵和压力油路；所述油泵电机、气泵和加载泵设置于旋转盘上；所述压力油路设置于旋转压力室内部并环绕于待测岩石；所述油泵电机通过加载泵将压力油加压，压力油增压后通过所述气泵调节流入至压力油路向待测岩石施加围压。
7.根据权利要求2所述的一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：所述渗流装置包括充液箱、水压增压泵和透水垫片；所述充液箱设置于旋转盘的一侧；所述水压增压泵设置于旋转盘上；所述透水垫片设置于旋转压力室内部并与待测岩石的底端相接触；充液箱内的水通过水压增压泵增压后经渗流管路从透水垫片流出，向待测岩石施加稳定的孔隙水压。
8.根据权利要求2所述的一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：所述高温加热板以云母片为主体，以镀锌板和不锈钢板为支撑，设计功率为1000W，耐温600℃。
9.根据权利要求2所述的一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：所述循环制冷网路包括设置于旋转压力室内部的制冷管路和设置于旋转盘上的低温循环装置；低温循环装置与制冷管路相连通；低温循环装置内注有乙二醇冷媒，低温循环装置用于将乙二醇降温至预设温度，乙二醇通过制冷管路进入旋转压力室并对待测岩石进行降温。
10.根据权利要求1所述的一种CT实时扫描的岩石三轴应力、渗流、温度耦合试验系统，其特征在于：所述的同源双能量X射线源包括两套不同能量下的X射线CT扫描装置。
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