受载煤岩体热流固耦合CT三轴试验装样方法与流程

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种受载煤岩体热流固耦合ct三轴试验装样方法。

背景技术：

随着城镇化建设的推进，基础设施的不断完善，施工工艺的不断改进。对三轴试验机的需求已不仅仅局限于材料工程，已经广泛的应用于岩土工程、建筑材料、地质灾害研究与应用等领域。特别是在岩石力学领域，对岩石在应力作用下的变形及渗流特性的研究是岩石力学领域的主要方向之一，常规三轴试验仪是试验岩石力学领域最常见的仪器之一，后经学者们改造后能够完成热流固耦合条件下的三轴试验。然而由于加载腔体需承受高强度的载荷，很难将腔体实现透明化。所以，试验过程中试样的变形的可视化问题一直困扰着广大科研工作者。

ct技术已经广泛的应用于医疗诊断以及工业无损检测领域，有学者已经开始将ct应用于岩石力学领域，但由于受到限制ct穿透性能和腔体对射线的吸收。目前，由于医用ct与三轴加载室较难形成良好的匹配结构，特别是扫描前后在ct机上的装卸三轴加载腔，以及岩石试样装载，其过程十分繁琐，需要采用行吊等起吊设备将三轴室起吊并进行装拆，该过程不仅操作繁琐，而且还具有较大的危险性。因此，需要开发一种操作简单、安全性好的装样方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种受载煤岩体热流固耦合ct三轴试验装样方法，该方法装载单元使三轴试验单元处于竖直状态下进行试件装设，装件完成后，将装载单元翻转成水平状态，以便通过装载单元将三轴试验单元水平推入ct单元进行加载和扫描。并可在试验完成后，按相反步骤使三轴试验单元在竖直状态进行拆件，无需配备其他起吊设备吊装三轴试验单元。其操作方便，安全性好。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。

一种受载煤岩体热流固耦合ct三轴试验装样方法，其特征在于，该方法基于应用医用ct进行动态观测的热流固耦合三轴试验系统中的装载单元进行，装载单元(300)通过装载台(310a)和装件台(330)进行三轴试验单元(100)的岩石试样装拆，三轴试验单元(100)通过装载单元(300)上铰接的装载台(310a)分别形成水平状态和竖直状态，且三轴试验单元(100)可在装载台(310a)上水平移动；包括以下步骤：

第一步，试件和设施准备：包括按试验要求制作岩石试样(133)；将三轴试验单元(100)随装载台(310a)一起翻转至竖直状态；

第二步，试件安装：在三轴试验单元(100)的试件安装单元被装载单元(300)上的装件台(330)支撑后，打开三轴试验单元(100)的三轴压力室，提升三轴压力室高度，使试件安装单元露出三轴压力室的压力腔体(120)，并在试件安装单元上装设岩石试样(133)；复位试件安装单元，并使三轴压力室形成密封状态；

第三步，试验单元就位准备：将三轴试验单元(100)翻转成水平状态，并解除移动驱动装置与三轴试验单元(100)的锁紧状态。

采用前述技术方案的本发明，通过试验系统的装载单元使三轴试验单元处于竖直状态下进行试件装设，装件完成后，将装载单元翻转成水平状态，以便通过装载单元和医用ct单元之间设置的桥梁式轨道将三轴试验单元推入ct单元进行加载和扫描。并可在试验完成后，按相反步骤使三轴试验单元在竖直状态进行拆件，无需配备其他起吊设备进行三轴试验单元吊入医用ct单元，其操作方便，安全性好。

优选的，在所述第一步中，在将三轴试验单元翻转成竖直状态后，还将装载台锁紧，并通过装载台与三轴试验单元之间的移动驱动装置使三轴试验单元下降；且三轴试验单元通过其上的定位盘与装件台形成同轴线状态。利用装载台与三轴试验单元之间的移动驱动装置实现升降，操作简单、方便，劳动强度低；三轴试验单元与装件台形成同轴线方便三轴试验单元中三轴压力室密封复位的螺栓对正，提高回位装配效率。

进一步优选的，所述第二步中的三轴压力室提升通过移动驱动装置执行。利用装载台与三轴试验单元之间的移动驱动装置实现升降，操作简单、方便，劳动强度低。

更进一步优选的，在所述三轴试验单元翻转成竖直状态前，包括将移动驱动装置与三轴试验单元形成锁紧状态；在将三轴试验单元翻转成水平状态与推至ct病床活动托架上的步骤之间，包括解除移动驱动装置与三轴试验单元的锁紧状态。以确保三轴试验单元能可靠的通过移动驱动装置驱动移动，并在水平状态时，可人力推动其移动出装载台。

优选的，在所述第二步的试件装设时，用长出岩石试样长度一段距离的热缩管套在岩石试样外周，将岩石试样对正放置在蜂窝孔固定压头和蜂窝孔活动压头之间，同时，热缩管长出岩石试样的两端部分分别包覆在固定压头主体和活动压头主体外周，其长出部分分别超过固定压头主体和活动压头主体上用于捆扎铁丝的环形凹槽，用热风枪均匀加热缩管，使热缩管与岩石试样紧密贴合，在热缩管与固定压头主体和活动压头主体利用捆扎铁丝在环形凹槽箍紧密封，确保围压加载的高压液压油不会进入到岩石试样内部。确保试验结果的准确性。

优选的，在所述第二步的试件装设完成后的试件安装单元复位过程中，通过手柄扳动装件台使下底盘随装件台同步转动，使连接螺栓孔与下底盘设有的螺孔对正，然后通过拧紧螺栓，使下底盘与压力腔体固定连接在一起，使三轴压力室形成密封状态。提高三轴压力室回位装配效率。

本发明的有益效果是，三轴试验单元可采用推拉方式推入和拉拽出ct扫描机，无需起吊设备起吊，装拆试件在装载单元上完成，岩石试样装拆方便，且操作简单、方便，安全性好。

附图说明

图1是本发明装件方法的流程图。

图2是实现本发明方法的装置的结构示意图，其中三轴试验单元处于水平状态。

图3是实现本发明方法的装置结构示意图，其中三轴试验单元处于竖直状态。

图4是实现本发明方法的装置中安装底板与移动驱动装置连接关系的结构示意图。

图5是实现本发明方法的装置中装载台的结构示意图。

图6是实现本发明方法的装置中三轴试验单元的结构示意图。

图7是实现本发明方法的装置中三轴试验单元的部分结构示意图。

图8是实现本发明方法的装置与ct扫描单元组成的试验系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8，一种受载煤岩体热流固耦合ct三轴试验装样方法，应用于基于医用ct进行动态观测的热流固耦合三轴试验系统进行的受载煤岩体热流固耦合ct三轴试验，试验系统设有三轴试验单元100、医用ct单元200和装载单元300，三轴试验单元100通过装载单元300进行岩石试样装拆，三轴试验单元100通过铰接在装载单元300上的装载台310a可形成水平状态和竖直状态，且三轴试验单元100可从装载台310a上水平移动至医用ct单元200，以通过医用ct单元200对岩石试样进行ct扫描，受载煤岩体热流固耦合ct三轴试验包括以下步骤：

第一步，试件和设施准备：包括按试验要求制作岩石试样133；在移动驱动装置与三轴试验单元100形成锁紧状态后，将三轴试验单元100随装载台310a一起翻转至竖直状态；通过竖直限位锁紧结构将装载台310a与机架320锁紧，并通过移动驱动装置使三轴试验单元100随滑台下降，直至三轴试验单元100支撑在装件台330上，并通过定位盘130形成三轴试验单元100与装件台330的同轴线状态。

第二步，试件安装：

第一小步，打开三轴压力室：在三轴试验单元100的试件安装单元被装载单元300上的装件台330支撑后，将压力腔体120与下底盘129之间的连接拧松拆除，打开三轴压力室，通过移动驱动装置使压力腔体120随滑台上升并与其下底盘129分离，直至上方的盘丝加热器138下端面露出压力腔体120；

第二小步，试件装设：用长出岩石试样133长度一段距离的热缩管套在岩石试样133外周，将岩石试样133对正放置在蜂窝孔固定压头132和蜂窝孔活动压头135之间，同时，热缩管长出岩石试样133的两端部分分别包覆在固定压头主体131和活动压头主体134外周，其长出部分分别超过固定压头主体131和活动压头主体134上用于捆扎铁丝136的环形凹槽，用热风枪均匀加热缩管，使热缩管与岩石试样133紧密贴合，在热缩管与固定压头主体131和活动压头主体134利用捆扎铁丝136在环形凹槽箍紧密封，确保围压加载的高压液压油不会进入到岩石试样133内部；

第三小步，复位试件安装单元：在试件装设完成后，利用移动驱动装置使压力腔体120随滑台下降至与下底盘129贴合，在贴合前通过在压力腔体120上的连接法兰120b的至少两个连接螺栓孔内穿设螺栓或插销，在连接螺栓孔与下底盘129设有的螺孔轴线对正后，通过拧紧螺栓，使下底盘129与压力腔体120固定连接在一起；从而使三轴压力室形成密封状态。若未对正，则通过手柄扳动装件台330使下底盘129随装件台330同步转动，直至二者对正。

第三步，试验单元就位：

第一小步，试验单元准备：确认竖直限位锁紧结构处于解锁状态，否则，先解锁；利用翻转驱动装置将三轴试验单元100随装载台310a旋转至水平状态；

第二小步，桥梁轨道安装：手动调节ct病床高度，使其与装载单元300中的装载台310a的高度相适应，然后，调节病床活动托架的位置，使其与装载单元300之间的距离与第一延伸轨道302的长度相匹配，将第一延伸轨道302通过两端的安装螺钉固定，以形成桥梁轨道；

第三小步，试验单元就位：拆卸掉装载单元300上的限位挡铁305，拆除锁紧块或锁紧插销112，以解除移动驱动装置与三轴试验单元100的锁紧状态，推动三轴试验单元100进入ct病床活动托架，并在第二延伸轨道303两端安装限位挡铁305；

第四小步，ct病床回位：拆卸掉第一延伸轨道302，并将ct病床托架复位；

第四步，加载与扫描：

第一小步，试验单元扫描准备：节ct病床位置，使三轴试验单元100的压力腔体120呈悬伸状地处于ct机的扫描区域，即第二延伸轨道303位于扫描区域外；

第二小步，定位像扫描：利用ct机内置定位程序自动调节病床位置，使岩石试样133完全处于扫描区域内；

第三小步，试件预压：按照三轴试验单元100的操作规范对岩石试样133进行预接触，接触完成保持0.2kn左右的接触压力；

第四小步，试验扫描：按照试验方案和三轴试验单元100的操作规范进行加热和加载，在加载过程中利用ct扫描机进行扫描；

第五步，卸载与拆件：

第一小步，试验单元回位：试验完成后，试验完成后，首先对轴压与围压以及热流体进行卸载；其次，调节ct病床托架高度，使其与装载单元300中的装载台310a的高度相适应，安装第一延伸轨道302，拆除第二延伸轨道303两端安装限位挡铁305，将三轴试验单元100推到装载单元300中的装载台310a上，并在装载单元300安装限位挡铁305，在三轴试验单元100与移动驱动装置装设锁紧块或锁紧插销112，使二者形成锁紧连接状态，并拆除第一延伸轨道302；

第二小步，卸载：利用翻转驱动装置将三轴试验单元100旋转至竖直状态，放掉三轴压力腔体120内的围压油液；

第三小步，试件拆卸：在三轴试验单元100的试件安装单元被装件台330支撑后，打开三轴试验单元100的三轴压力室，提升三轴压力室，使试件安装单元露出三轴压力室的压力腔体120，并从试件安装单元上拆下岩石试样133。

再次参见图2-8，应用于本发明受载煤岩体热流固耦合ct三轴试验的热流固耦合三轴试验系统，该系统包括三轴试验单元100、医用ct单元200和装载单元300，三轴试验单元100通过装载单元300进行岩石试样安装，医用ct单元200用于对岩石试样进行ct扫描，医用ct单元200包括ct扫描主机210和病床系统220，病床系统220由病床固定托架220a和病床活动托架组成，病床活动托架组成可移动的设在病床固定托架220a上；所述装载单元300位于所述ct扫描主机210前方；装载单元300与所述三轴试验单元100之间设有供所述三轴试验单元100直线水平移动的直线形导轨副结构；直线形导轨副结构中的轨道由主体段301和延伸段组成，主体段301用于三轴试验单元100在装载单元300上直线移动，延伸段主要用于三轴试验单元100从装载单元300直线移动至所述病床活动托架上。主体段301两端设有可拆卸的限位挡铁305。

其中，所述主体段301固定连接在装载台310a上，装载台310a与所述三轴试验单元100之间设有驱动所述三轴试验单元100移动的移动驱动装置，该移动驱动装置采用由电机驱动的丝杆螺母副传动结构；其丝杠螺母副传动结构采用具有自锁角的丝杠螺母副；所述三轴试验单元100通过装载台310a与所述装载单元300连接，装载台310a通过铰接结构铰接在装载单元300的机架320上，铰接结构用于装载单元300从水平状态翻转到竖直状态，且机架320一侧下端设有装件台330，装件台330通过杆部形成t字形，装件台330通过杆部可转动的支撑在机架320上，装件台330还设有扳动用手轮331，手轮331上连接有手柄，以通过手柄扳动装件台330转动。其中，三轴试验单元100通过滑台110与所述装载台310a连接；滑台110底面中部形成有矩形开口的通槽，装载台310a中部设有条形腰槽a；所述移动驱动装置中丝杠螺母副的丝杠311通过其两端的固定连接在装载台310a底面上的丝杠座312可转动的设在装载台310a上，丝杠311一端与驱动电机313的输出轴同轴固定连接，驱动电机313安装固定在装载台310a上，螺母111穿过装载台310a的条形腰槽a，其上端伸入滑台110底面中部的通槽内，螺母111与所述滑台110之间通过锁紧插孔与锁紧块或锁紧插销112相配合形成可拆卸的锁紧固定；螺母111中部两侧与条形腰槽a形成滑动配合，并由条形腰槽a限制其转动。以在锁固结构锁固后，由驱动电机313驱动滑台110及三轴试验单元100同步移动，主要用于在三轴试验单元100、滑台110以及装载台310a处于竖直状态时，通过移动驱动装置提升三轴试验单元100主体部分的方式，形成岩石试样安装空间，提高安装方便性；而在三轴试验单元100处于水平状态，且锁紧固定解除后，便于推动三轴试验单元100随滑台110同步移动至ct扫描机的病床上。显然，为满足安装岩石试样需要，装载台310a与所述机架320之间设有水平限位结构和竖直限位锁紧结构，水平限位结构和竖直限位锁紧结构分别用于将所述三轴试验单元100限制在水平状态和竖直状态。

其中，水平限位结构由固定连接在机架320顶部的限位柱321构成，在装载台310a处于水平位置时，限位柱321通过装载台310a的底面对装载台310a形成支撑；竖直限位锁紧结构包括竖直限位块322和锁紧螺杆323，竖直限位块322设在所述机架320侧面上，在所述装载台310a处于竖直状态时，竖直限位块322顶持在装载台310a下端背面，该背面与装载台310a水平时的底面为同一面，锁紧螺杆323铰接在所述机架320上，并位于装载台310a下端部，装载台310a下端设有供锁紧螺杆323杆部卡入的螺杆容纳开槽b，锁紧螺杆323通过螺合的锁紧螺母对所述机架320与所述装载台310a形成锁紧。另外，装载台310a与所述机架320之间设有用于所述三轴试验单元100竖直和水平状态转换的翻转驱动装置，该翻转驱动装置由卷扬机324构成，卷扬机324的电机及卷筒固定连接在机架320一侧，牵引钢丝绳325通过过轮326与装载台310a的一端端部连接。

其中，所述直线形导轨副由双工字形导轨副组合形成组合型的双导轨副结构；所述导轨副通过轨道的主体段301和延伸段分别与滚动体形成滚动导轨副结构。滚动体采用滚针形式，多个滚针呈并列设在滚针支架113上，四个滚针支架113固定连接在滑台110的四角；滚针支架113呈u形，滚针支架113中u形的至少一侧壁与轨道的主体段301或延伸段上部的外侧面滑动连接，以形成滑台110的侧向限位。

其中，延伸段由第一延伸轨道302和第二延伸轨道303组成，第一延伸轨道302连接在所述机架320和所述病床活动托架之间，第二延伸轨道303设在病床活动托架上，以使第一延伸轨道302形成连接桥梁；以方便通过拆除第一延伸轨道302实现ct扫描机与装载单元300的断开，从而在扫描时获得所需的必要操作空间，或者，将医用扫描机恢复原有医用扫描功用；第二延伸轨道303构成病床活动托架对三轴试验单元100ct扫描时的支撑，第二延伸轨道303两端设有可拆卸的限位挡铁305，以防止三轴试验单元100意外从病床活动托架上脱出。其中，所述病床活动托架上设有高分子结构复合材料制成的托板220b，托板220b内嵌设有具有内外丝扣的复合螺母304；所述第一延伸轨道302和第二延伸轨道303通过固定螺钉与托板220b固定连接，托板220b与所述病床活动托架之间利用加宽的粘扣带并采用绑扎的方式将托板220b固定在ct病床活动托架上，从而有效避免对ct病床活动托架造成不可恢复的损伤，同时合理分布重量，将第二延伸轨道303布置在ct病床固定托架上方，导轨采用上窄下宽的大承载面、长支撑段结构，避免活动托架产生弯曲变形而不稳定，从而对扫描结果造成影响。

其中，三轴试验单元100的采用轴压与围压同时加载的方式形成模拟三轴加载；三轴试验单元100包括筒形结构的压力腔体120，压力腔体120采用钛合金制造，压力腔体120的筒形部内壁上衬有绝热套121，绝热套121由纳米气凝胶材料制成，压力腔体120由后端的连接盘120a通过四根柱杆122和轴压加载缸安装板123形成反力架结构，三轴试验单元100通过连接盘120a和轴压加载缸安装板123与滑台110固定连接，轴压加载缸安装板123上设有轴压加载油缸124，轴压加载油缸124连接有轴压加载用电液伺服加载系统，电液伺服加载系统包括加载伺服电机，伺服电机通过滚珠丝杠副加载系统；轴压加载油缸124的缸底盖124a上装设有磁致伸缩位移传感器124b，磁致伸缩位移传感器124b的探头轴向伸入轴压加载油缸124的活塞内，且磁致伸缩位移传感器124b的磁环也嵌设在活塞内，轴压加载油缸124的活塞杆前端依次设有压力传感器125和加载压头，加载压头由加载压头主体126和加载活动头127组成，加载活动头127和加载压头主体126之间形成有内外球面配合结构，加载活动头127和加载压头主体126通过螺栓和预紧弹簧128连接，预紧弹簧128通过弹性力使加载活动头127和加载压头主体126之间的内外球面保持结合；磁致伸缩位移传感器124b和应力传感器125构成轴压加载控制系统，轴压加载油缸124、轴压加载用电液伺服加载系统和轴压加载控制系统通过中央计算机连接并控制；压力腔体120的前端形成连接法兰120b，连接法兰120b通过螺栓连接有下底盘129，下底盘129外侧固定连接有定位盘130，下底盘129通过定位盘130与装件台330连接，且下底盘129与装件台330形成同轴线的连接关系；下底盘129内侧装设有固定压头组合体，固定压头组合体由固定压头主体131和具有蜂窝孔结构的蜂窝孔固定压头132轴向组合形成，蜂窝孔固定压头132自由端用于承载岩石试样133；连接盘120a中部间隙配合有具有法兰盘的透盖137，透盖137具有的法兰盘位于连接盘120a内侧，透盖137通过其法兰盘与连接盘120a形成端面密封结构，透盖137内径向密封配合有活动压头组合体，活动压头组合体通过加载压头施加轴向载荷，活动压头组合体由活动压头主体134和具有蜂窝孔结构的蜂窝孔活动压头135轴向组成形成，蜂窝孔活动压头135用于向岩石试样133施加轴向载荷；固定压头主体131和活动压头主体134上均设有用于捆扎铁丝136的环形凹槽；下底盘129和透盖137上均固定连接有盘丝加热器138，两个盘丝加热器138分别包围在固定压头主体131和活动压头主体134一段杆部的外周；下底盘129和透盖137之间通过至少两个定位杆139连接，定位杆139一端固定在下底盘129上，另一端与透盖137上的配合孔形成滑动配合的连接关系，多根定位杆139周向均布在固定压头主体131外周，以在岩石试样133安装后固定压头主体131和活动压头主体134同轴线。压力腔体120的筒部外壁呈台阶状结构，并在与岩石试样133对应的区域的外壁形成壁厚减小的内凹结构。下底盘129和活动压头主体134上设有渗流流体接口，两个渗流流体接口之间依次通过活动压头主体134上设有的流体通道、蜂窝孔活动压头135上的渗流流体通道及蜂窝孔、岩石试样133的渗流流道、蜂窝孔固定压头132上的蜂窝孔及渗流流体通道、固定压头主体131的渗流流体通道，以及下底盘129上的渗流流体通道接通；并通过外接渗流管路和渗流泵形成渗流流体循环通路。下底盘129上和连接盘120a上设有与压力腔体120内部空腔接通的围压加载流体通道接口，两个围压加载流体通道接口通过外接管路与电液伺服加载系统形成围压加载循环回路。该电液伺服加载系统包括加载伺服电机，伺服电机通过滚珠丝杠副加载，电液伺服加载系统由中央控制计算机控制。在装拆岩石试样133时，通过拆卸连接法兰120b与下底盘129之间的连接螺栓使下底盘129与压力腔体120分离，并通过提升滑台110的方式，使固定压头和活动压头部分整体露出压力腔体120；在装件完成后需要将下底盘129与压力腔体120通过螺栓连接在一起时，可通过手柄扳动装件台330使下底盘129随装件台330同步转动，达到下底盘129与连接法兰120b上多个圆周分布的螺栓安装孔对应同轴线的螺栓安装要求。

试验系统中的翻转驱动装置可采用液压缸替代；移动驱动装置也可采用另一液压缸替代。

试验系统中的双工字组合导轨副结构，也可采用燕尾形导轨副结构、双t形导轨副结构，或者，矩形与三角形结合的组合导轨副结构替代。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。