CN105181471B - 一种带ct实时扫描***的岩石真三轴试验***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***及方法，包括真三轴压力盒，真三轴主机框架，加载装置，以及CT扫描装置；真三轴主机框架包括底板、顶板以及支撑于底板和立柱；加载装置包括反力装置，以及千斤顶和测量装置；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碳纤维材料制成，本发明对CT扫描区采用特殊设计的横向加载***、碳纤维传力板和立柱，解决了X射线无法穿透传统真三轴试验机的难题，克服了传统试验中需将岩样从真三轴试验台卸载取下后进行CT扫描试验的弊端，实现了岩石真三轴与CT扫描试验的实时配合，对于研究真三轴应力状态下岩石中的微裂隙和微孔洞的实时扩展、演化规律具有重要的意义。

Description

一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***及方法

技术领域

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***的岩石真三轴试验***及方法。

背景技术

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***、全面、深入地揭示岩石的变形破坏特征。

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。

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。

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***，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。

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***，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***刚度高、整体稳定性好、操作简单方便等优点。

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。

3.中国专利CN201320462332.2公开的带CT扫描成像***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***、围压孔压伺服加载***、闭环测控***、计算机控制和处理***、CT扫描***、温控***以及转动平台等。该***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。

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。

上述两种专利所涉及的实验***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

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***的岩石真三轴试验***及方法，来研究岩石在真三轴应力状态下破裂演化规律。

为实现上述目的，其技术方案如下：一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

所述传力板的各板体之间通过环氧树脂结构胶粘结。

所述组成传力板的各块板体的尺寸为400mm × 80mm × 10mm。

所述横向电动千斤顶连接有同步加载控制***。

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。

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。

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。

所述垫板的尺寸为60mm×60mm×10mm。

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。

所述组成压力盒中的六块板体的尺寸为120mm×120mm×10mm。

所述测量装置由压力传感器和位移传感器组成。

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。

所述立柱截面直径为40mm。

一种带CT实时扫描***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）通过设置前后横向电动千斤顶，使前后加载压力值保持50kN不变，将左右横向电动千斤顶，竖向电动千斤顶分别加压到100kN；

3）通过设置左右、前后横向电动千斤顶，使左右、前后加载压力值保持100kN不变，按分级加载方式设置竖向电动千斤顶，每级增加5kN，每级稳定后自动保持竖向加载压力值不变，并进行CT扫描，之后竖向电动千斤顶启动下一级增压，并进行CT扫描，重复操作直至岩石破坏，CT扫描装置获取整个试验过程的图像；

整个实验过程中同步加载控制***自动调节横向电动千斤顶的转速从而改变其位移进动量，保证活动式碳纤维传力板始终处于竖直状态，使岩石所受侧向力均匀分布；期间横向测量装置、竖向测量装置分别记录三个加载方向的位移变化。

本发明的积极效果：本发明对CT扫描区采用特殊设计的横向加载***、碳纤维传力板以及碳纤维立柱，解决了X射线无法穿透传统真三轴试验机的难题，克服了传统试验中需将岩样从真三轴试验台卸载取下后进行CT扫描试验的弊端，实现了岩石真三轴与CT扫描试验的实时配合，对于研究真三轴应力状态下岩石中的微裂隙和微孔洞的实时扩展、演化规律具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明总装结构示意图。

图2是本发明去掉顶板内部结构示意图。

图3是本发明总装结构剖面示意图。

图4是本发明碳纤维立柱端部固定示意图。

图5是本发明碳纤维传力板装配固定示意图。

图6是本发明六块碳纤维板之间互扣方式示意图。

图中，1-底座；2-底板；3-竖向电动千斤顶；4-竖向测量装置；5-垫板；6.压力盒；7-竖向垫块；8-顶板；9-立柱；10-横向反力墙；11-传力板；13-横向电动千斤顶；14-横向测量装置；15-同步加载控制***；16-金属套筒；17-CT放射源；18-CT探测器；19-润滑剂；20-位移约束装置，21. 环氧树脂结构胶。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

如图1、图2、图3所示，一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***，包括盛装岩样的真三轴压力盒6，所述压力盒6由六块碳纤维板通过互扣的方式组成，岩石放置在压力盒6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19；组成压力盒中6的六块板体的尺寸为120mm×120mm×10mm；

承载真三轴压力盒6的真三轴主机框架，所述真三轴主机框架包括底板2、顶板8以及支撑于底板2和顶板8之间的立柱9，底板2安装在底座1上；立柱9采用高抗拉强度的碳纤维（T800）材料制成，其截面直径为40mm；考虑到碳纤维立柱9为各向异性材料，横向抗剪强度较低，在其端部易出现压剪破坏现象，立柱9两端均用高强金属套筒16包裹，二者之间使用环氧树脂结构胶21粘结，高强金属套筒16穿入底板2或顶板8并分别与底板2和顶板8焊接，立柱9顶端采用楔形形状, 增强了立柱端部抗压和抗剪性能；所述底板2和顶板8采用Q460高强钢材制成；

在三个轴向上对岩样施加压力的加载装置，所述加载装置包括位于压力盒6外部的反力装置，以及通过反力装置对压力盒6施压的千斤顶和检测千斤顶施力大小及位移的测量装置，所述测量装置包括横向测量装置14和竖向测量装置4，测量装置均由压力传感器、位移传感器和数据采集***组成；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11，位于传力板11和压力盒6之间的垫板5，以及用于将传力板11的上、下端与真三轴主机框架连接的横向反力墙10；所述横向反力墙10设为上下两段，分别与真三轴主机框架的顶板8和底板2连接；上、下横向反力墙10位于压力盒6的上下侧，上、下反力墙之间的距离不小于压力盒6的高度；横向反力墙10和传力板11上对应设有连接孔，并通过连接件穿过连接孔将两者连接；其中，至少一侧传力板11为活动传力板11，活动传力板11连接的横向反力墙10为滑块结构，与真三轴主机框架滑配合连接，活动传力板11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13，横向电动千斤顶13设有横向测量装置14，且横向电动千斤顶13与真三轴主机框架固连；所述横向电动千斤顶13连接有同步加载控制***15，同步加载控制***15接收上、下横向测量装置14采集的位移数据，当监测到上、下两台横向电动千斤顶13的位移不一致时，同步加载控制***15自动降低位移量较大一端的横向电动千斤顶13的转速，使其位移输出量增速降低，同时增加位移量较小一端的横向电动千斤顶13转速，使其位移输出量增速提高，通过这一调节使得二者快速达到平衡，在整个横向加载过程中，使上、下两台横向电动千斤顶13保持同步，保证碳纤维传力板11始终处于竖直状态，从而使得碳纤维传力板11作用于真三轴压力盒6上的压力均匀分布；所述传力板11的内侧中部为外凸的弧形，提高碳纤维传力板11的抗弯能力，与其接触的碳纤维垫板5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21粘结；所述传力板11由多块形状、大小相同的板体紧密组合而成，板体之间通过位移约束装置20固定；所述位移约束装置20为设置在传力板11两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；为了增加传力板11的强度，所述传力板11的各板体之间通过环氧树脂结构胶粘结；位于纵向轴上的反力装置包括位于压力盒6上、下侧的垫板5，以及位于上部垫板5和顶板8之间的竖向垫块7；下部垫板5与底板2之间设置竖向电动千斤顶3，竖向电动千斤顶3与底板2固连，且竖向电动千斤顶3配设竖向测量装置4；所述垫板5的尺寸为60mm×60mm×10mm；组成传力板11的各块板体的尺寸为400mm × 80mm × 10mm；所述前后、左右侧的垫板5以及传力板11均由由能够被X射线穿透的碳纤维材料制成；所述上下侧的垫板5以及竖向垫块7均由钢材制成；

能够对压力盒6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17和CT探测器18。

下面为本发明的具体实施方式：

步骤一：首先将底板2固定在底座1上，将四根碳纤维立柱9端部套上金属套筒16，并用环氧树脂结构胶21粘结，以增强立柱9端部抗压和抗剪性能，金属套筒16分别固定在底板2和顶板8上，竖向垫块7焊接固定在顶板8底面；其中底板2、顶板8和竖向垫块7均采用Q460高强钢材，四根立柱9采用高抗拉强度的碳纤维（T800）材料；

步骤二：将竖向电动千斤顶3固定在底板2上，竖向测量装置4固定在竖向电动千斤顶3上；

步骤三：将位于前后、左右的其中一侧横向反力墙10分别焊接固定在顶板8、底板2上，另一侧的横向反力墙10设为滑块结构，与顶板8、底板2滑动配合连接；将传力板11与横向反力墙10或滑块固定，将横向电动千斤顶13分别与滑块连接，并保证横向电动千斤顶13处于CT扫描装置的扫描区域以外；将横向测量装置14分别与横向电动千斤顶13、滑块固定，将横向电动千斤顶13与同步加载控制***15连接，可以自动调节横向电动千斤顶13的转速从而改变其位移进动量，保证活动式传力板11始终处于竖直状态，使岩石所受侧向力均匀分布；

步骤四：将六块碳纤维板之间通过互扣方式组成压力盒6（如图4），将岩石放置其中，板与石头接触面、相连接的两板衔接处涂抹润滑剂19以减小板与石头、板与板之间的摩擦，将整个压力盒6放入真三轴装置内，压力盒6六个面与上下、左右、前后加载***之间放置碳纤维垫板5，以达到传力作用；

在步骤二中，可以同时在顶板8上设置竖向电动千斤顶3替换竖向垫块7；

在步骤三和四中，可以将横向反力墙10均设置为滑块结构，则传力板11的上下端均设置横向电动千斤顶13和横向测量装置14，可以通过两侧的千斤顶同时对压力盒6施压，同时方便调节相对两个传力板11之间的距离，满足不同尺寸的压力盒6的放置；

步骤五：将整个真三轴装置放置在CT试验机放射源17与探测器18之间，完成实验准备；

步骤六： ①将左右、前后横向电动千斤顶13，竖向电动千斤顶3分别加压到50kN；整个实验过程中同步加载控制***15可以自动调节横向电动千斤顶13的转速从而改变其位移进动量，保证活动式碳纤维传力板11始终处于竖直状态，使岩石所受侧向力均匀分布；期间横向测量装置14、竖向测量装置4分别记录三个加载方向的位移变化（以下步骤均一致）；②通过设置前后横向电动千斤顶13，使前后加载压力值保持50kN不变，将左右横向电动千斤顶13，竖向电动千斤顶3分别加压到100kN；③通过设置左右、前后横向电动千斤顶13，使左右、前后加载压力值保持100kN不变，按分级加载方式设置竖向电动千斤顶3，每级增加5kN，每级稳定后自动保持竖向加载压力值不变，并进行CT扫描，之后竖向电动千斤顶3启动下一级增压，并进行CT扫描，重复操作直至岩石破坏。

Claims (7)

1.一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***，其特征在于，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；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；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；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；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；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；所述横向电动千斤顶连接有同步加载控制***；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。

2.根据权利要求1所述的一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***，其特征在于，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；所述传力板的各板体之间通过环氧树脂结构胶粘结；组成传力板的各块板体的尺寸为400mm × 80mm × 10mm。

3.根据权利要求1所述的一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***，其特征在于，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。

5.根据权利要求1或3所述的一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***，其特征在于，所述垫板的尺寸为60mm×60mm×10mm。

6.根据权利要求1所述的一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***，其特征在于，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；组成压力盒中的六块板体的尺寸为120mm×120mm×10mm；所述测量装置由压力传感器和位移传感器组成；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；所述立柱截面直径为40mm。

7.一种带CT实时扫描***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）通过设置前后横向电动千斤顶，使前后加载压力值保持50kN不变，将左右横向电动千斤顶，竖向电动千斤顶分别加压到100kN；

3）通过设置左右、前后横向电动千斤顶，使左右、前后加载压力值保持100kN不变，按分级加载方式设置竖向电动千斤顶，每级增加5kN，每级稳定后自动保持竖向加载压力值不变，并进行CT扫描，之后竖向电动千斤顶启动下一级增压，并进行CT扫描，重复操作直至岩石破坏，CT扫描装置获取整个试验过程的图像；

整个实验过程中同步加载控制***自动调节横向电动千斤顶的转速从而改变其位移进动量，保证活动式碳纤维传力板始终处于竖直状态，使岩石所受侧向力均匀分布；期间横向测量装置、竖向测量装置分别记录三个加载方向的位移变化。