一种带ct实时扫描系统的岩石真三轴试验系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于岩石力学与岩石试验领域，具体涉及一种带CT实时扫描系统的岩石 真三轴试验系统及方法。
【背景技术】
[0002] 真三轴试验仪能模拟工程岩体真实的三向受力状态，分析三个不同主应力情况下 岩石的强度和变形特性，真三轴试验时能够在岩样各面上按一定的变化独立地施加主应 力，并量测相应的主应变，实现各种复杂的应力加载路径，进而更加系统、全面、深入地揭示 岩石的变形破坏特征。
[0003] 岩体的破坏，通常是由于内部的微裂隙和微孔洞起裂、发展并最终相互贯通形成 宏观裂纹引起的。因此，研究岩体中的微裂隙和微孔洞的扩展、演化规律，弄清岩体破坏失 稳的机理，对于岩石工程和矿山岩体工程稳定性分析等具有重要意义。使用CT扫描技术， 可以对岩样内部的结构变化进行全方位监测，了解岩样内部结构的局部变化、细微变化及 变化趋势，掌握岩样在不同受力条件下的性状。
[0004] 使用真三轴试验装置并配合CT实时扫描，可以研究在真实的三向受力状态下岩 石的强度和变形特性，并根据CT图像的影像特征，分析岩石细观结构及其变化过程，解释 宏观强度变化和变形的机理，揭示岩石内部裂纹破裂演化规律，为岩石的微观研究和工程 应用研究提供可靠的科学依据。
[0005] 与本发明申请相关的有： 1.中国专利CN201410089591. 4公开的一种岩石真三轴试验加载系统，包括底座，所述 底座与多根拉杆底端连接，结构简单，容易操作，占地面积小，可实现单轴、双轴、三轴加载 试验，且试验误差小。
[0006] 2.中国专利CN200810016641.0公开的涉及一种高地应力真三维加载模型试验系 统，具有同步、独立、高地应力加载，加载自动化程度和加载精度高，加载功能多，实现洞室 轴向加载开洞，加载系统刚度高、整体稳定性好、操作简单方便等优点。
[0007] 上述两个专利主要涉及研究真三轴条件下岩石宏观破坏，由于实验装置整体框 架、岩石6个面加载板采用金属材料，CT机发出的射线不能透过，无法实现对岩石真三轴加 载条件下的实时CT扫描。为了解真三轴条件下岩石内部的裂纹演化规律，传统的做法是将 岩样从真三轴加载试验台取下后进行CT扫描测试，但此方法使岩样载荷卸掉后有一定量 的回弹影响试验的精确性。
[0008] 3.中国专利CN201320462332. 2公开的带CT扫描成像系统的微机控制电液伺服多 场耦合岩石三轴试验机。包括试验机主机、电液伺服加载系统、围压孔压伺服加载系统、闭 环测控系统、计算机控制和处理系统、CT扫描系统、温控系统以及转动平台等。该系统结构 简单，测量数据精确且操作方便，有效反映岩石在轴向与围压作用下的物理学性能。
[0009] 4.中国专利CN201310471580.8公开的一种用于CT三轴试验的压力室，用于配合 Micro-focus CT观察和研究试样在常规三轴压力下力学渗透特性的细观演化。
[0010] 上述两种专利所涉及的实验系统虽然可以实现岩样加载的CT实时扫描，但涉及 的主要是常规三轴（即假三轴，）试验装置，常规三轴试验装置的根本缺点在于只能对岩样 处于轴对称的应力状态（）下的强度和变形规律进行测试，并不能代表岩石实际所受到的一 般的应力状态（即真三轴，）。因此，需要设计一种能配合CT实时扫描的岩石真三轴试验装 置。
【发明内容】
[0011] 为了实现在CT实时监测情况下对岩石进行真三轴加载，本发明设计一种带CT实 时扫描系统的岩石真三轴试验系统及方法，来研究岩石在真三轴应力状态下破裂演化规 律。
[0012] 为实现上述目的，其技术方案如下：一种带CT实时扫描系统的岩石真三轴试验系 统，包括盛装岩样的真三轴压力盒，承载真三轴压力盒的真三轴主机框架，在前后、左右以 及上下三个轴向上对岩样施加压力的加载装置，以及能够对压力盒中的岩样进行真三轴状 态下实时扫描的CT扫描装置，CT扫描装置包括对应设于压力盒两侧的CT放射源和CT探 测器；所述真三轴主机框架包括底板、顶板以及支撑于底板和顶板之间的立柱；所述加载 装置包括位于压力盒外部的反力装置，以及通过反力装置对压力盒施压的千斤顶和检测千 斤顶施力大小及位移的测量装置；所述压力盒、立柱，以及位于CT扫描装置扫描区域内的 反力装置均由能够被X射线穿透的碳纤维材料制成。
[0013] 位于前后、左右两个横向轴上的反力装置分别包括两个相对的传力板，位于传力 板和压力盒之间的垫板，以及用于将传力板的上、下端与真三轴主机框架连接的横向反力 墙；其中，至少一侧传力板为活动传力板，活动传力板连接的横向反力墙为滑块结构，与真 三轴主机框架滑配合连接，活动传力板的外侧上、下端对称设置能够保持同步加载的横向 电动千斤顶，横向电动千斤顶设有横向测量装置，且横向电动千斤顶与真三轴主机框架固 连。
[0014] 所述横向反力墙设为上下两段，其距离不小于压力盒的高度，分别与真三轴主机 框架的顶板和底板连接。
[0015] 所述横向反力墙和传力板上对应设有连接孔，并通过连接件穿过连接孔将两者连 接。
[0016] 所述传力板的内侧中部为外凸的弧形，与其接触的碳纤维垫板采用弧形凹陷结 构，二者之间恰好吻合，并通过环氧树脂结构胶粘结。
[0017] 所述传力板由多块形状、大小相同的板体紧密贴合而成，板体之间通过位移约束 装置固定。
[0018] 所述位移约束装置为设置在传力板两端的箍圈或横向穿过多层板体的连接杆，连 接杆两端通过螺母紧固。
[0019] 所述传力板的各板体之间通过环氧树脂结构胶粘结。
[0020] 所述组成传力板的各块板体的尺寸为400mm X 80mm X 10mm。
[0021] 所述横向电动千斤顶连接有同步加载控制系统。
[0022] 位于CT扫描装置扫描区域内的传力板和垫块由碳纤维材料制成。
[0023] 位于纵向轴上的反力装置包括位于压力盒上、下侧的垫板，以及位于上部垫板和 顶板之间的竖向垫块；下部垫板与底板之间设置竖向电动千斤顶，竖向电动千斤顶与底板 固连，且竖向电动千斤顶配设竖向测量装置。
[0024] 位于CT扫描装置的扫描区域以外的底板、顶板、上下垫板和竖向垫块均采用钢材 制作而成，并作调质处理。
[0025] 所述垫板的尺寸为60mm X 60mm X I (torn。
[0026] 所述压力盒由六块碳纤维板通过互扣的方式组成，岩石放置在压力盒中且与盒体 内壁相接触，板与板之间的衔接处以及盒体与岩石之间涂抹润滑剂。
[0027] 所述组成压力盒中的六块板体的尺寸为120mmX 120mmX 10mm。
[0028] 所述测量装置由压力传感器和位移传感器组成。
[0029] 所述立柱两端均用高强金属套筒包裹，二者之间使用环氧树脂结构胶粘结，高强 金属套筒穿入底板或顶板并分别与底板和顶板焊接，立柱顶端采用楔形形状。
[0030] 所述立柱截面直径为40mm。
[0031] 一种带CT实时扫描系统的岩石真三轴试验方法，包括以下步骤： 1) 将左右、前后横向电动千斤顶，竖向电动千斤顶分别加压到50kN ; 2) 通