工业CT机配套便携式岩土力学实时加载试验装置的制作方法

本实用新型涉及岩土力学试验技术领域，特别是指一种工业CT机配套便携式岩土力学实时加载试验装置。

背景技术：

室内三轴试验是研究岩土体在应力作用下变形破坏机制的最佳手段，通过布置在试验机上的多种传感器来获取反映试样宏观力学性质的应力应变响应，但却无法获知试样内部的变形破裂机制。针对三轴试验机的缺陷，前人先后用电子显微镜、声发射和X射线CT三种方法应用于岩土测试当中。然而，扫描电子显微镜受矿物颗粒效应影响明显，只能实时观测到试样表面的变形情况，并且要求测试的试样较小(最大尺寸5cm)，不具有代表性；声发射技术主要通过记录岩石局部应力集中区能量快速释放而产生的瞬态弹性波来反演试样的破裂机制，但是声发射频率、震幅等指标与试样破裂过程中裂纹的特征参数难以建立关系，且测试过程受外界噪声干扰影响大，反演过程多具有不确定性。

计算机断层成像技术(CT)能对被检测体断层中某些特性进行定量研究，由于可以进行多层扫描且具有无损检测等优点而受到国内外岩土界的重视。传统的CT加载装置多平置于医用CT机内进行扫描试验，然而医用X射线CT机射线能量小(80～140Kev)，不能对大尺度的岩土试样进行精细扫描，并且在裂纹的动态演化识别方面也面临很大的困难。加外，传统的医用CT配套加载设备多采用合金铝材制作三轴压力室，合金铝材料对X射线的吸收较强，加之医用CT所用X射线的穿透力弱、分辨率低等不足，导致获得试样加载过程中的裂纹演化发展规律变得十分困难。伴随着工业CT以及高能加速器CT的成功研制，岩土体在力场作用下内部破裂演化的精细扫描成为可能，研制专门的试样三轴加载装置，进行试样测试过程中的边加载边扫描是认识地质体复杂应力条件下变形破裂的重点，因此研制高能量工业CT机配套的岩土力学加载装置是试验成功的关键。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种工业CT机配套便携式岩土力学实时加载试验装置。

该装置包括轴压系统、围压系统和物理量测量系统，

轴压系统包括刚性立柱、上横梁、下横梁、立柱螺母、活塞、刚性传力杆和数据导线，刚性立柱与上横梁和下横梁通过立柱螺母进行固定，活塞经由压力传感器和刚性传力杆相连，刚性传力杆将荷载作用于位移传感器进而对试样加压；

围压系统包括压力室、加压产生管、试样排水管、加压排气管、透水石、充油管、增加器、油箱、储水箱、油管阀门、加压口阀门、储水箱阀门和排气口阀门，压力室外部为压力室筒壁，加压产生管、充油管穿过压力室顶板部进入压力室内，试样排水管、加压排气管穿过压力室底部进入压力室内，压力室顶部与下横梁通过下横梁螺杆连接，并配以下横梁螺母固定，压力室底部和水平底板由底板螺杆连接，并配以底板螺母固定，压力室顶部和下横梁由上无氧铜密封圈相连密闭，压力室底部和水平底板由下无氧铜密封圈相连密闭，试样下部设置透水石，透水石置于垫块上，加压产生管连接增压器，加压产生管和增压器之间设置加压口阀门，充油管连接油箱，充油管和油箱之间设置油管阀门，试样排水管连接储水箱，试样排水管和储水箱之间设置储水箱阀门，加压排气管上设置排气口阀门；

物理量测量系统包括压力传感器、荷载控制器、位移传感器和数据导线，应力传感器和位移传感器的数据分别由荷载控制器和位移控制器记录，位移传感器由数据导线穿过刚性传力杆，放置于下横梁上。

轴压系统、围压系统和物理量测量系统置于CT转台上，射线源发出X射线穿透压力室筒壁和试样，X射线被探测器接收。

单轴试验时不施加围压，加压口阀门、排气口阀门和油管阀门处于打开状态；进行三轴试验时，试样封装安放在压力室中，由油箱向压力室中充液至充满，关闭油管阀门，增压器向压力室中泵入围压，达到预设压强时关闭加压口阀门，试验结束时打开加压口阀门、油管阀门和排气口阀门，将压力室内的油液排出。

该装置相对于X射线是透明的，X射线穿过压力室时，射线能量损失小，可以实时获取试样变形过程中的清晰内部图像。

压力室采用高强度低密度透明的航空玻璃筒制成，压力室施加围压的同时，也充当反力结构。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

该装置借助工业CT机的高能量X射线和高精度旋转转台，实现三轴试验过程中岩土介质的高精度实时扫描，研究岩土介质在各种应力状态下内部裂纹萌生、分叉、发展、断裂、卸载全过程的演化规律，从细观尺度上提示岩土介质的破坏机理。便携式CT机配套三轴加载系统由非金属材料制成，轴压部分为系统提供轴向荷载，材质是尼龙玻璃纤维增强树脂(PA66+GF30)。三轴压力室是整个系统的核心部件，不同于传统的框架立柱式加载装置，压力室筒壁承担作用于试样上的反力，它能承受较大的轴向荷载和围压，X射线穿透压力室容器壁与试样被探测器接收，将会导致射线能量的衰减，对成像造成影响，为减小X射线穿透时射线衰减对试验结果的影响，压力室采用高强度低密度透明的航空玻璃筒，透明材料可以实现加载过程中视样变形的可视化和数字化，解决加载过程中试样变形破坏特征的细观描述问题，航空玻璃不但具有优异的光学性能、耐热性、抗老化性，而且具有高力学强度，抗压拉性能突出。采用精确的位移和荷载测量装置，实现试验时宏观特性和内部扫描一致的试验记录，加载装置和位移控制系统采用无线智能操控，解决了测试时测量连接系统在CT转台上旋转过程中的线路缠绕问题。

附图说明

图1为本实用新型的工业CT机配套便携式岩土力学实时加载试验装置工作原理示意图；

图2为本实用新型的工业CT机配套便携式岩土力学实时加载试验装置剖面图；

图3为本实用新型的压力室剖面图。

其中：1-刚性立柱；2-上横梁；3-下横梁；4-水平底板；5-立柱螺母；6-下横梁螺杆；7-下横梁螺母；8-底板螺杆；9-底板螺母；10-上无氧铜密封圈；11-压力传感器；12-下无氧铜密封圈；13-试样；14-位移传感器；15-活塞；16-刚性传力杆；17-加压产生管；18-试样排水管；19-加压排气管；20-透水石；21-充油管；22-压力室；23-压力室筒壁；24-压力室顶部；25-压力室底部；26-荷载控制器；27-增压器；28-油箱；29-储水箱；30-垫块；31-油管阀门；32-加压口阀门；33-储水箱阀门；34-排气口阀门；35-数据导线；36-位移显示器；37-CT转台；38-射线源；39-探测器；40-X射线。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种工业CT机配套便携式岩土力学实时加载试验装置。

如图2所示，该装置包括轴压系统、围压系统和物理量测量系统，

轴压系统包括刚性立柱1、上横梁2、下横梁3、立柱螺母5、活塞15、刚性传力杆16和数据导线35，刚性立柱1与上横梁2和下横梁3通过立柱螺母5进行固定，活塞15经由压力传感器11和刚性传力杆16相连，刚性传力杆16将荷载作用于位移传感器14进而对试样13加压；

围压系统包括压力室22、加压产生管17、试样排水管18、加压排气管19、透水石20、充油管21、增加器27、油箱28、储水箱29、油管阀门31、加压口阀门32、储水箱阀门33和排气口阀门34，如图3所示，压力室22外部为压力室筒壁23，加压产生管17、充油管21穿过压力室顶板部24进入压力室22内，试样排水管18、加压排气管19穿过压力室底部25进入压力室22内，压力室顶部24与下横梁3通过下横梁螺杆6连接，并配以下横梁螺母7固定，压力室底部25和水平底板4由底板螺杆8连接，并配以底板螺母9固定，压力室顶部24和下横梁3由上无氧铜密封圈10相连密闭，压力室底部25和水平底板4由下无氧铜密封圈12相连密闭，试样13下部设置透水石20，透水石20置于垫块30上，加压产生管17连接增压器27，加压产生管17和增压器27之间设置加压口阀门32，充油管21连接油箱28，充油管21和油箱28之间设置油管阀门31，试样排水管18连接储水箱29，试样排水管18和储水箱29之间设置储水箱阀门33，加压排气管19上设置排气口阀门34；

物理量测量系统包括压力传感器11、荷载控制器26、位移传感器14和数据导线35，应力传感器11和位移传感器14的数据分别由荷载控制器26和位移控制器36记录，位移传感器14由数据导线35穿过刚性传力杆16，放置于下横梁3上。

如图1所示，轴压系统、围压系统和物理量测量系统置于CT转台37上，射线源38发出X射线40穿透压力室筒壁23和试样13，X射线40被探测器39接收。

该装置在单轴试验时不施加围压，加压口阀门32、排气口阀门34和油管阀门31处于打开状态；进行三轴试验时，试样13封装安放在压力室22中，由油箱28向压力室22中充液至充满，关闭油管阀门31，增压器27向压力室22中泵入围压，达到预设压强时关闭加压口阀门32，试验结束时打开加压口阀门32、油管阀门31和排气口阀门34，将压力室22内的油液排出。

该装置原理为：岩土试样测试过程中，将整个装置放于CT机转台上，进行试样的单轴或三轴试验，同时X射线源发出高能量的X-ray，高能量X-ray穿透压力室容器壁和试样，由探测器接收透射射线，从而实现试样加载过程中的高精度实时扫描。破裂是一切地质体在力学作用下的表象，岩土介质变形破坏是与裂纹的发展演化相伴而生的，通过高能CT成像系统可清楚地获得试样变形破裂的演化过程；由于压力室是透明材料制成的，更有利于试验过程的宏观调控，试样的宏观破裂形态也可以被清楚地观察到；精确的位移和荷载测量装置可以实现试验时宏观特性和内扫描一致性的实时试验记录。利用高能CT机并配合便携式岩土力学加载装置不仅可获得试样细观变形特征，同时得到试样的宏观变形、位移、轴向荷载、围压、水压等全过程数据。试验时，通过轴压系统提供轴压，围压系统提供围压，整个试验装置均处在高能CT放射源的扫描下，通过试样高精度旋转和高能CT扫描成像系统，可以获得试样内部三维结构，从任何角度获得任意时刻试验样品内岩土变形破裂的演化过程；同时，试样的宏观变形、位移、轴向荷载等可通过高精度量测系统获得全过程数据，配合便携式高能CT三轴加载系统，岩土内部的裂纹演化过程如同玻璃一样透明可观测，实现试验全过程的全息数字可视化。

下面结合具体实施例予以说明。

在具体应用过程中，轴压系统中活塞15为千斤顶活塞，活塞15安置于上横梁2上，上横梁2下部与压力传感器11连接，并连接刚性传力杆16，刚性传力杆16采用精密导向装置，保证试验时压头的无偏下行，刚性传力杆16连接下横梁3，并与压力室内的位移传感器14相连接。千斤顶设计吨位10t，采用液压伺服阀实时的控制液活塞15的加载，活塞15设计直径35mm，行程160mm，活塞面积9.62mm²，试样13最大尺寸为50mm×100mm圆柱形，传到试样13上的轴向压力为100KN，压力传感器11穿过活塞5与荷载控制器26相连，控制器采用液晶显示，力值精确到0.001KN，可保存100组试验数据，使用蓄电池无线驱动，超长待机，电池可以更换。

围压系统中压力室顶部24与下横梁3通过下横梁螺杆6连接，并配以下横梁螺母7固定，压力室底部25和水平底板4通过下无氧铜密封圈12相连，压力室22和下横梁3中间由上无氧铜密封圈10连接；压力室22由专门制作的高强度透明航空玻璃一次浇注成形，航空玻璃透明度优良，重量轻，密度是普通玻璃的一半，约是铝合金的30％，抗拉伸、抗冲击能力好。压力室材料的选取与参数设计是整个装置的核心问题，试验过程中的反力由压力室筒壁23承担，设计压力室筒壁23厚度8mm，抗拉强度最大为200KN，可承受的围压为20MPa。单轴试验时不加围压，加压口阀门32、排气口阀门34、油管阀门31处于打开状态；三轴试验时，试样13封装安放在压力室22中，由油箱28向压力室22中充液直至充满，关闭油管阀门31，增加器27向压力室22中泵入压力，达到预设压强时关闭加压口阀门32，试验结束时打开加压口阀门32、油管阀门31、排气口阀门34，将压力室内的油液排出。

物理量测量系统中高精度压力传感器11量测单轴或三轴试验过程中作用于试样13上的轴向压力，高灵敏位移传感器量14测试样13的轴向变形，并由荷载控制器26记录。试样13径向变形由CT机探测器接收，采用重构算法精确成像测量得到，故系统不对径向变形加以记录。

该装置具体应用过程如下：

1.试样封装。拧开压力室底部25与水平底板4处的底板螺母9，根据试验要求，将试样放置于垫块30上(三轴试验试样由热缩管密封)。

2.试样测试。试样封装完成后，拧紧压力室底部25与水平底板4处的底板螺母9，将整个装置放于CT转台37上，单轴压缩试验直接由活塞15分级加载，每一级加载进行一次CT扫描；若进行试样的三轴实时扫描试验，打开油管阀门31，由油箱28经充油管21向压力室22充液，充满液后，关闭油管阀门31、排气口阀门34，打开加压口阀门32，由增加器27向压力室内泵入压力以达到预期围压，关闭加压口阀门32，由活塞15分级加载，每一级加载进行一次CT扫描，射线源38发出的X射线40被探测器39接收。

3.卸载试样。完成试验过程后，打开加压口阀门32，将增压器27压强卸至零，打开油管阀门31，压力室22内油液回流入油箱28内。按照与装样相反的顺序，卸下试样，完成试验。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。