适用于CT三维实时扫描的岩石节理直接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，具体为一种适用于CT三维实时扫描的岩石节理直接剪切试验系统。

背景技术：

理解岩石节理的剪切特性在水利水电开发、矿产资源开采、地下交通、铁路建设、核废料储存以及诸多涉及岩土工程的领域中具有重要的意义。岩石节理的剪切破坏，通常是由于节理表面接触部附近微裂隙的起裂、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。CT扫描技术，可以在试验过程中得到试件内部的高精度扫描图像，从而了解试件内部结构的变化规律，为从微观上理解试件的力学性质提供直接和有益的帮助。

目前大部分剪切设备适用于圆柱体试件，可以测试立方体试件的设备较少，而相对于圆柱体试件，立方体试件的应力分布更为均匀，得到的力学参数更为准确。在对试件进行CT扫描时，如果试件与CT放射源或者接收器之间存在着其他物体，特别是密度较大的物体的遮挡，则会严重影响成像的质量和精度，所以很多过去开发的仪器采用碳纤维等轻质材料来制作加载框架。然而，碳纤维材料虽然具有较高的抗拉强度，但抗弯、抗压的强度并不高，使得仪器的整体刚度较低，影响高应力条件下试验的稳定性。一般来说，节理面的剪切破坏集中于节理表面附近处，所以需要开发一种将试件的节理部分裸露在外的试验仪器来改善CT成像的质量。另外，如果在CT扫描中不旋转试件，则只能得到部分二维断面的信息，要实现三维成像，必须在试验过程中旋转试件或者旋转CT放射源。

技术实现要素：

为了克服已有岩石节理直接剪切试验系统的无法三维成像、稳定性较差的不足，本发明提供一种稳定性良好、实现三维成像的适用于CT三维实时扫描的岩石节理直接剪切试验系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于CT三维实时扫描的岩石节理直接剪切试验系统，包括用于承载剪切仪的主机框架、用于装载岩石节理试件的上剪切盒和下剪切盒、用于实现上剪切盒、下剪切盒、横向加载装置一起旋转的旋转装置以及用于实现三维CT扫描的CT扫描装置；

岩石节理试件放置于上剪切盒和下剪切盒之间，所述上剪切盒的上部连接旋转垫片，所述旋转垫片与用于对岩石节理试件施加法向压力的法向加载装置的动作端连接；所述下剪切盒放置于旋转托架上，用于对岩石节理试件施加横向剪切力的横向加载装置固定在旋转托架上，所述横向加载装置的动作端抵触在下剪切盒的侧边，所述旋转托架与所述旋转装置的动作端连接；所述旋转托架、上剪切盒、下剪切盒和旋转垫片呈同轴设置；

所述CT扫描装置包括设置于剪切盒相对两侧的放射源和探测器。

进一步，所述上剪切盒放置于用于限制上剪切盒侧向运动的固定套筒内，所述固定套筒安装在所述主机框架上。

再进一步，所述上剪切盒的外侧壁与所述固定套筒的内壁之间通过转动滚珠连接；所述下剪切盒的底面与旋转托架的工作面之间通过转动滚珠连接。

优选的，所述上剪切盒和下剪切盒为凹型中空圆柱体，内空部分别镶嵌试件长度的1/5，所述试件的中间3/5长度外露。当然，也可以是其他形状或尺寸，只要能够固定岩石节理试件即可。所述试件可为立方体试件或圆柱体试件。

更进一步，所述上剪切盒和主机框架的顶板之间设置用于测量试件的法向位移的法向LVDT位移传感器；所述下剪切盒和旋转托架之间设置用于测量试件的剪切位移的横向LVDT位移传感器。

所述主机框架包括底板、顶板以及连接底板和顶板的立柱，所述顶板中间安装法向加载装置，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度旋转试件，得到试件内部裂隙等构造的三维立体图像；

2)由于上下剪切盒之间留有空间，岩石试件的节理部分无任何遮挡物，可以得到节理本身高清、高精度的三维CT扫描图像；

3)可测量立方体试件和圆柱体试件的剪切变形特征，在保证强度的同时，不影响CT扫描的效果；

4)剪切力和法向压力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是本发明总装结构剖面示意图；

图2是图1中点线处的俯视剖面图(采用立方体试件时)；

图3是下剪切盒与试件俯视图(采用圆柱体试件时)；

图4是CT扫描装置侧视图。

图中，1-法向加载装置(竖向千斤顶)；2-顶板螺栓；3-顶板；4-固定套筒；5-法向LVDT位移传感器；6-旋转垫片；7-上转动滚珠；8-上剪切盒；9-试件(9-1、立方体试件，9-2、圆柱体试件，9-3、填充物)；10-旋转托架；11-横向LVDT位移传感器；12-固定夹具；13-底板；14-驱动组件；15-立柱；16-下剪切盒；17-横向加载装置；18-加压头；19-下转动滚珠；20-旋转轴；21-CT放射源；22-CT探测器。

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4，一种适用于CT三维实时扫描的岩石节理直接剪切试验系统，包括用于承载剪切仪的主机框架、用于装载岩石节理试件的上剪切盒、下剪切盒、用于实现上剪切盒、下剪切盒、横向加载装置一起旋转的旋转装置、以及用于实现三维CT扫描的CT扫描装置。

所述岩石节理试件9放置于上剪切盒8、下剪切盒16之间，所述上剪切盒8的上部连接旋转垫片6，所述旋转垫片6与法向加载装置1的动作端连接；所述上剪切盒8放置于用于限制上剪切盒侧向运动的固定套筒4内，由上转动滚珠7连接；所述下剪切盒16放置于旋转托架10上，由底部的下转动滚珠19连接；所述横向加载装置17固定在旋转托架10上。

所述旋转装置为用于带动旋转托架10旋转的驱动组件14，所述旋转托架10与所述上剪切盒8、下剪切盒16以及横向加载装置17联动，所述旋转托架10、上剪切盒8、下剪切盒16、旋转垫片6呈同轴设置。

所述CT扫描装置包括设置于剪切盒相对两侧的放射源21和探测器22。

所述上剪切盒8、下剪切盒16为凹型中空圆柱体，内空部分别镶嵌试件9长度的1/5，所述试件的中间3/5长度外露；所述试件可为立方体试件或圆柱体试件。

所述法向加载装置1的动作端连接旋转垫片6，所述旋转垫片6与上剪切盒8共同旋转；所述固定套筒4固定于主机框架的顶板3上，限制上剪切盒8侧向运动；所述上剪切盒8与固定套筒4之间装有转动滚珠7，目的是减少上剪切盒旋转和上下运动时的摩擦阻力；上剪切盒8和顶板3之间设置LVDT位移传感器5测量试件的法向位移。

所述横向加载装置17设置在旋转托架10内，通过加压头18向下剪切盒16传递剪切力；所述下剪切盒16下侧装有转动滚珠19，目的是减少下剪切盒16横向运动时的摩擦阻力；所述下剪切盒16和旋转托架10之间设置LVDT位移传感器11测量试件的剪切位移；所述旋转托架10带动横向加载装置17、上、下剪切盒8、16、LVDT位移传感器11一起旋转。

所述主机框架包括底板13、顶板3以及连接底板和顶板的立柱15，所述顶板中间安装法向加载装置1，所述立柱由4根组成，每根两端分别用螺栓2固定在底板13和顶板3上。

本实施例中，所述上剪切盒8为凹型中空圆柱体，上剪切盒8镶嵌试件9长度的1/5，上剪切盒8的上侧和法向LVDT位移传感器5接触处设置一层光滑材料；剪切盒内可装置立方体试件或者圆柱形试件，立方体试件9-1的两端直接镶嵌于上剪切盒8、下剪切盒16中，圆柱体试件9-2的直径跟立方体试件9-1的边长一样，圆柱体试件9-2和上剪切盒8、下剪切盒16之间的空隙用填充材料9-3填充。

所述法向加载装置1固定在顶板3上，其动作端连接旋转垫片6，旋转垫片6和上剪切盒8共同旋转；固定套筒4固定在顶板3上，上剪切盒8设置于固定套筒4中，两者之间装有上转动滚珠7，目的是减少上剪切盒8上下移动和转动时的摩擦阻力；上LVDT位移传感器5设置于顶板3和上剪切盒8之间，测量试件9的法向位移。

所述横向加载装置17设置在旋转托架10中，通过加压头18向下剪切盒16提供剪切力；下剪切盒16镶嵌试件9长度的1/5，从而使试件9中间3/5的长度外露在空气中，利于CT放射源21直接照射于试件9的节理部分，CT探测器22能接受到射线；下剪切盒16下侧装有下转动滚珠19，目的是减少下剪切盒16移动时的摩擦阻力；下剪切盒16另一侧用固定夹具12固定横向LVDT位移传感器11，横向LVDT位移传感器11测量头抵住旋转框架10，测量试件9的剪切位移；所述旋转托架10带动横向加载装置17、下剪切盒16、LVDT位移传感器11、试件9、上剪切盒8一起旋转。

所述上转动滚珠7、下转动滚珠19为减少摩擦阻力的一种方法，亦可采用其他方法来实现减小摩擦阻力的目的。

所述主机框架包括底板13、顶板3以及连接底板和顶板的立柱15，所述立柱15上下两端用螺栓2固定在底板13和顶板3之间，共4根；立柱、底板、顶板采用高强钢材。

伺服控制的法向加载装置1和伺服控制的横向加载装置17，分别为试件提供法向压力和剪切力，最大法向压力可达到30MPa，最大剪应力可达到15MPa。

所述旋转装置为用于带动旋转托架旋转的驱动组件14，旋转轴20设置于底板13中心，旋转托架10固定在旋转旋转轴20上，当进行CT扫描时，由驱动组件14带动旋转轴20旋转，进而带动旋转托架10和上部的试件旋转，得到试件360度的扫描图像，根据需要可调整旋转的速度来得到精确的图像。

所述测控系统包括伺服加载控制系统、LVDT位移传感器、力传感器和电机控制器；伺服加载控制系统用于对法向压力和剪切力进行伺服控制；在上述法向加载装置1的四周，顶板3和上剪切盒8之间对称设置4个法向LVDT位移传感器5，测量试件9的法向位移；在上述下剪切盒16和旋转托架10之间设置横向LVDT位移传感器11，测量试件9的剪切位移；千斤顶的压头上设置力传感器用于测量轴向力；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试件9相对两侧的CT放射源21和CT探测器22，放射线穿过上述主机框架立柱之间的空间，主机框架不动而试件9旋转，试件节理面附近的部分不被遮挡，便于观测其内部的破坏情况。