一种CT实时三维扫描岩石节理剪切试验系统的制作方法

本发明属于岩土工程领域，涉及一种岩石剪切试验系统，具体为一种CT实时三维扫描岩石节理剪切试验系统。

背景技术：

随着国家多项重大岩土工程的不断推进，工程实践中由于节理岩体失稳造成的工程安全问题日益受到重视。岩石节理的剪切特性是评价岩体稳定性的重要基础，历来在学术界和工程应用中都受到了广泛的关注。现有的研究多集中于对岩石节理的剪切特性进行宏观的描述，着重于得到抗剪强度等指标，而对剪切过程中微观破坏行为的研究不够深入。

岩石节理的剪切破坏，通常是由于节理表面凹凸体内微裂隙的起裂、发展并最终相互贯通形成宏观裂纹引起的。因此，研究微裂隙的扩展、演化规律，对于弄清岩石节理的剪切破坏机理具有重要意义。而CT扫描技术，可以对试件内部的结构变化进行全方位监测，了解试件内部结构的局部变化、细微变化及变化趋势，从而掌握试件在受力条件下的破坏规律。

因此，开发适用于CT实时扫描的岩石节理剪切试验系统，既可以研究岩石剪切全过程中岩石的强度和变形特性，又可以根据三维CT图像，分析岩石细观结构及其变化过程，揭示岩石内部裂纹破裂演化规律，为岩石力学行为的微观研究和工程应用性研究提供可靠的科学依据。

过去的研究已经开发了一系列适用于CT扫描的岩石试验系统，如单轴压缩试验装置、三轴压缩试验装置等，但尚未研发可实现实时三维CT扫描的岩石节理剪切试验系统。

技术实现要素：

为了克服已有CT扫描的岩石试验系统的无法实现360°扫描、实时性较差的不足，本发明提供一种有效实现360°扫描、实时性良好的CT实时三维扫描岩石节理剪切试验系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种CT实时三维扫描岩石节理剪切试验系统，包括用于装载岩石节理试件的剪切室、用于承载剪切室的主机框架、用于施加围压和剪切力的加载装置、用于实现试件360°旋转的旋转装置以及用于实现CT扫描的CT扫描装置；

所述剪切室为中空圆柱体的剪切室，所述岩石节理试件位于剪切室内，所述加载装置的动作端连接旋转垫片，所述旋转垫片与压块连接，所述压块穿过剪切室外壁并抵触在所述岩石节理试件的一半部分的一侧，所述岩石节理试件的一半部分的另一侧位于弹簧挡板上，所述弹簧挡板固定在所述剪切室内；所述岩石节理试件的另一半部分固定在剪切室内；

所述旋转装置包括旋转机械托架和用于带动旋转机械托架旋转的驱动组件，所述旋转机械托架与所述剪切室联动，所述旋转机械托架、剪切室、旋转垫片呈同轴设置；

所述CT扫描装置包括设置于剪切室相对两侧的放射源和探测器。

进一步，所述剪切室包括上侧和下侧圆盘形钢板以及碳纤维复合材料制作的圆筒，所述圆筒上、下端分别镶嵌在上、下侧圆盘形钢板中。

再进一步，所述岩石节理试件的另一半部分的一侧与带旋转螺栓的垫块连接，所述垫块通过旋转螺旋固定在剪切室上，所述岩石节理试件的另一半部分的另一侧通过下部垫块固定在剪切室内。

更进一步，所述岩石节理试件上安装环形位移传感器，所述压块上安装力传感器，所述旋转垫片与剪切室顶面之间设置磁致位移传感器。

所述剪切室设有油管入口和油管出口，所述岩石节理试件外套接橡胶套。

所述的主机框架包括底板、顶板以及连接底板和顶板的立柱，所述顶板中安装加载装置，所述立柱由4根组成，每根两端分别用螺栓固定在底板和顶板上。

本发明的有益效果主要表现在：

1)采用旋转装置，在剪切过程中360°旋转试件，得到试件内部裂隙等构造的三维立体图像；

2)采用碳纤维复合材料制作试件容器侧壁，在保证强度的同时，不影响CT扫描的效果；

3)剪切力和围压由伺服加载系统控制，可通过电脑编程实现多种条件下的加载。

附图说明

图1是本CT实时三维扫描岩石节理剪切试验系统的剖面示意图。

图2是CT实时三维扫描岩石节理剪切试验系统的下部俯视图。

图3是弹簧挡板俯视图。

图中，1-加载装置(竖向千斤顶)；2-顶板；3-旋转垫片；4-磁致位移传感器；5-油管入口；6-碳纤维板螺栓；7-带旋转螺栓的垫块；8-环形位移传感器；9-下部垫块；10-旋转机械托架；11-底板；12-步进电机；13-顶板螺栓；14-密封圈；15-压块；16-弹簧挡板(16-1、弹簧；16-2、钢片)；17-剪切室下侧钢板；18-剪切室上侧钢板；19-油管出口；20-碳纤维复合材料圆筒；21-立柱。

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实时三维扫描岩石节理剪切试验系统，包括用于装载岩石节理试件的剪切室、用于承载剪切室的主机框架、用于施加围压和剪切力的加载装置1、用于实现试件360°旋转的旋转装置以及用于实现CT扫描的CT扫描装置；

所述剪切室为中空圆柱体的剪切室，所述岩石节理试件位于剪切室内，所述加载装置的动作端连接旋转垫片3，所述旋转垫片3与压块15连接，所述压块15穿过剪切室外壁并抵触在所述岩石节理试件的一半部分的一侧，所述岩石节理试件的一半部分的另一侧位于弹簧挡板16上，所述弹簧挡板16固定在所述剪切室内；所述岩石节理试件的另一半部分固定在剪切室内；

所述旋转装置包括旋转机械托架10和用于带动旋转机械托架旋转的驱动组件，所述旋转机械托架10与所述剪切室联动，所述旋转机械托架10、剪切室、旋转垫片3呈同轴设置；

所述CT扫描装置包括设置于剪切室相对两侧的放射源和探测器。

进一步，所述剪切室包括上侧和下侧圆盘形钢板以及碳纤维复合材料制作的圆筒，所述圆筒上、下端分别镶嵌在上、下侧圆盘形钢板中。

再进一步，所述岩石节理试件的另一半部分的一侧与带旋转螺栓的垫块7连接，所述垫块通过旋转螺旋固定在剪切室上，所述岩石节理试件的另一半部分的另一侧通过下部垫块9固定在剪切室内。

本实施例中，所述的剪切室由上侧钢板18、下侧钢板17、弹簧挡板16、压块15、碳纤维复合材料圆筒20、环形位移传感器8、垫块9、油管入口5、油管出口19、碳纤维板螺栓6、带旋转螺栓的垫块7、旋转垫片3组成；其连接关系是：利用碳纤维板螺栓6将碳纤维复合材料圆筒19固定在上下两侧钢板17、18上，组成内空圆筒形的剪切室；竖向千斤顶加压头下连接一个旋转垫片3，旋转垫片3连接压块15，所述压块15穿过上侧钢板18，对试件的左侧进行竖向剪切，最大剪切位移为试件长度的1/5；左半部试件下侧设置弹簧挡板16，达到固定试件的作用，在剪切过程中弹簧被逐渐压缩，压缩力的大小可根据弹簧刚度乘以压缩量计算，由压头上力传感器测得的力减去弹簧的压缩力即可得到加载在试件上的真实剪切力；试件的右半部上下各有一个垫块，其中下部垫块9固定，上部垫块7由螺栓连接在上侧钢板18上，旋转螺栓直至垫块碰到试件，拧紧螺栓，起到固定试件右半部的作用；岩石试件为圆柱体标准试件(直径5cm、高10cm)，用橡胶套密封，中间含有一条竖向节理，四周用油压施加围压，油管入口5设置于上侧钢板18，油管出口19设置于下侧钢板17；试件中部设置环形位移传感器8，箍在试件上，并与试件之间设置一层光滑材料，检测试件剪切过程中径向的位移变化。

所述主机框架包括底板11、顶板2以及连接底板11和顶板2的立柱21，立柱21上下两端用螺栓13固定在底板和顶板中，共4根。立柱、底板、顶板采用Q460高强钢材。

所述的加载装置包括伺服控制的油压系统和伺服控制的竖向千斤顶1，分别为试件提供围压和剪切力，最大围压可达到20MPa，最大剪应力可达到10MPa。

所述的旋转装置包括旋转机械托架10和步进电机12，旋转机械托架设置于底板11中心，剪切室固定在旋转机械托架10上，当进行CT扫描时，由步进电机12带动旋转机械托架10旋转，进而带动整个剪切室和上部的旋转垫片3旋转，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。

所述的测控系统包括伺服加载控制系统、磁致位移传感器、环形位移传感器、力传感器、液压传感器和电机控制器；伺服加载控制系统用于对围压和剪切力进行伺服控制；在上述千斤顶1的加载压头下侧和上述剪切室上侧钢板18之间设置磁致位移传感器4，检测试件的剪切位移；试件中部设置环形位移传感器8，箍在试件上，并与试件之间设置一层光滑材料，检测试件在剪切过程中径向上的位移变化；千斤顶的压头上设置力传感器用于测量剪切力，剪切室内的液压传感器用于测量围压；电机控制器用于控制旋转装置的转速和转向。

所述的CT扫描装置包括设置于剪切室相对两侧的放射源和探测器，放射线穿过上述主机框架立柱之间的空间，主机框架不动而剪切室旋转，射线不被遮挡。