一種用于ct三軸試驗(yàn)的壓力室的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，壓力室筒和壓力室上固定法蘭以及壓力室下固定法蘭膠結(jié)一起，并通壓力室上蓋和壓力室底座密封，加載活塞安置在壓力室上蓋上，試樣底座安置在壓力室底座上，壓力室內(nèi)部加載活塞和試樣底座之間置放下壓頭、試樣、上壓頭，反力架包括固定在壓力室上蓋上的反力柱，之間的固定通過(guò)反力柱鎖緊螺母，一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，其扁千斤頂置于加載活塞和反力架之間，為試樣提供軸向加載。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和輕便，解決了裝置過(guò)重影響旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)精度的問(wèn)題，且在進(jìn)行CT掃描同時(shí)還能夠?qū)鷫?、軸壓和試樣變形進(jìn)行采集。
【專利說(shuō)明】—種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于CT三軸試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體涉及一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，它適用于配合Micro-focus CT用于觀察和研究試樣在常規(guī)三軸壓力下力學(xué)和滲透特征的細(xì)觀演化。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石力學(xué)試驗(yàn)的主要目的是模擬自然狀態(tài)下巖石的力學(xué)和滲透等形為特征及其背后的機(jī)理。常規(guī)三軸試驗(yàn)儀是實(shí)驗(yàn)巖石力學(xué)領(lǐng)域最常見的設(shè)備之一，該試驗(yàn)中試樣通常采用圓柱試樣，將試樣置于壓力室中施加量值為σ3的圍壓，此外，壓力室端部設(shè)置一個(gè)活塞與試樣同心并傳遞外部作動(dòng)器的荷載，給試樣施加σ i的軸壓載荷，至此巖樣所處應(yīng)力環(huán)境為σ P σ 2= σ 3，稱之為常規(guī)三軸應(yīng)力環(huán)境。繼續(xù)增加σ ι至試樣破壞，并測(cè)量試樣軸向和環(huán)向的變形，研究應(yīng)力和變形之間的關(guān)系，即可獲得該試樣的相應(yīng)強(qiáng)度和本構(gòu)形為。除此之外，在試樣的兩端施加不同的流體壓力，亦可研究該試樣的滲透形為。
[0003]以應(yīng)力和變形之間的關(guān)系研究試樣的力學(xué)形為，以及利用壓差和流量之間的關(guān)系研究試樣的滲透形為稱之為唯像學(xué)的研究，屬于宏觀特征，描述這一宏觀特征的規(guī)律通常是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的前提假設(shè)，且這些假設(shè)也沒(méi)有得到確鑿的證實(shí)。因此，研究這些宏觀規(guī)律的背后的控制機(jī)理，及試樣相應(yīng)的細(xì)觀特性的變化規(guī)律則顯得尤為重要。
[0004]由于控制試樣相應(yīng)宏觀形為的粒徑和孔裂隙尺寸小至微米量級(jí)，如砂巖和花崗巖等，那么，研究試樣細(xì)觀特征則需要觀察該微米結(jié)構(gòu)的變化。微焦計(jì)算機(jī)X-射線斷層掃描(或稱Micro-focus CT)技術(shù)普遍應(yīng)用，使得上述觀察變成可能。然，不同于常規(guī)的CT技術(shù)如醫(yī)用CT掃描方式，Micro-focus CT掃描成像時(shí)，X射線管及探測(cè)器是固定不動(dòng)的，由高精度的旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)物體進(jìn)行CT掃描。因此利用該CT技術(shù)進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)過(guò)程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)的觀察，不僅需要壓力室能夠被X射線穿透，亦需要該設(shè)備盡量的輕，使得旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，仍然保持足夠精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是在于提供了一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和輕便，解決了裝置過(guò)重影響旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)精度的問(wèn)題，且在進(jìn)行CT掃描同時(shí)還能夠?qū)鷫骸⑤S壓以及試樣變形進(jìn)行采集。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，包括的部件有壓力室筒、壓力室上固定法蘭和壓力室下固定法蘭、壓力室上蓋和壓力室底座、試樣底座、上壓頭和下壓頭、加載活塞、反力架、扁千斤頂、位移測(cè)量件以及電池式數(shù)據(jù)采集儀和熱收縮套。其連接關(guān)系是:壓力室筒和壓力室上固定法蘭以及壓力室下固定法蘭膠結(jié)一起，并通壓力室上蓋和壓力室底座密封，加載活塞安置在壓力室上蓋上，并可沿其軸心方向移動(dòng)，試樣底座安置在壓力室底座上，壓力室內(nèi)部加載活塞和試樣底座之間置放下壓頭、試樣、上壓頭，并由熱收縮管進(jìn)行密封，所述的反力架包括固定在壓力室上蓋上的第一反力柱、第二反力柱、第三反力柱和第四反力柱，還包括連接在第一反力柱、第二反力柱、第三反力柱和第四反力柱上反力梁，之間的固定分別通過(guò)第一反力柱鎖緊螺母、第二反力柱鎖緊螺母、第三反力柱鎖緊螺母和第四反力柱鎖緊螺母，其特征在于:一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，其扁千斤頂置于加載活塞和反力架之間，為試樣提供軸向加載。
[0008]所述的位移測(cè)量件包括線性位移傳感器、位移傳感器夾具、測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母和位移傳遞梁，線性位移傳感器由位移傳感器夾具固定在反力梁上，位移傳遞梁固定在加載活塞上用于傳遞加載活塞的位移，測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母固定在位移傳遞梁上，線性位移傳感器的測(cè)頭與測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母接觸，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制螺母使得線性傳感器進(jìn)入其測(cè)定的量程。
[0009]所述的壓力室筒由X射線可穿透材料加工而成，如聚醚醚酮樹脂(PEEK)，而后經(jīng)表面打磨分別與兩個(gè)壓力室固定法蘭膠結(jié)一起構(gòu)成壓力室的主體，而壓力室底座和壓力室上蓋分別通過(guò)鎖緊螺栓與兩個(gè)壓力室固定法蘭進(jìn)行固定，且壓力室底座和壓力室上蓋上分別設(shè)置了相應(yīng)的密封圈，由此構(gòu)成了個(gè)密閉空間進(jìn)行圍壓的施加。
[0010]所述的壓力室筒內(nèi)部的壓力室底座之上依次同軸設(shè)置有試樣底座、下壓頭、試樣、上壓頭和加載活塞，這些部件和試樣由熱收縮套密封，防止圍壓加載流體進(jìn)行試樣或滲透測(cè)量管路中；傳遞試樣軸向荷載的加載活塞圍定在壓力室上蓋中，且壓力室上蓋上設(shè)置相應(yīng)密封圈，因此，加載活塞可在壓力室的軸線上移動(dòng)的同時(shí)，仍然保證壓力室內(nèi)部密封。
[0011]所述的壓力室上蓋上固定著加載裝置，該加載裝置由扁千斤頂(Flat jack)和反力架組成；反力架由四根反力柱和反力梁組成，反力柱直接和壓力室上蓋螺紋連接，而反力梁則是通過(guò)四個(gè)鎖緊螺母與反力柱固定；扁千斤頂置于反力架和加載活塞之間施加試樣的軸向荷載，通過(guò)量測(cè)其內(nèi)液體壓力即可換算出其加載量值。
[0012]所述的位移測(cè)量件包括有位移傳感器、位移傳感器夾具、測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母和位移傳遞梁，位移傳感器由位移傳感器夾具固定在反力梁上，位移傳遞梁固定在加載活塞上用于傳遞加載活塞的位移，該位移同時(shí)也反應(yīng)試樣的軸向變形。
[0013]所述的加載活塞非軸心位置設(shè)置有一管路用于控制和加載壓力室內(nèi)圍壓。
[0014]所述的壓力室底座、試樣底座以及加載活塞軸心位置設(shè)置管路可進(jìn)行試樣滲透特性測(cè)量，此外，試樣上下壓頭設(shè)置均勻的導(dǎo)孔，使得流體壓力在試樣的上下表面均勻分布。
[0015]所述的電池式數(shù)據(jù)采集儀可對(duì)活塞位移、壓力室壓力、扁千斤頂壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:
[0017]如上所述的一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，將其放置在高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)，其試樣所處的水平段無(wú)任何金屬等X射線不能穿透的部件。采用的扁千斤頂其較于常規(guī)活塞式液壓千斤頂，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且非常輕便，由于無(wú)活塞摩擦其加載精度高并且可由扁千斤頂內(nèi)液壓直接準(zhǔn)備換算得扁千斤頂?shù)募虞d壓力，則省去安置載荷傳感器從而進(jìn)一步減輕設(shè)備重量，此外，由于扁千斤頂對(duì)加載面平行度和光結(jié)度要求低，無(wú)需球頭加載裝置，對(duì)設(shè)備進(jìn)一步簡(jiǎn)化，使得設(shè)備重量可總體減輕20%以上，由此可大幅度提高下部轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)精度。
[0018]如上所述的一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室可以在外部施加壓力或孔壓而后保持相應(yīng)壓力狀態(tài)過(guò)行CT掃描，獲得試樣細(xì)觀狀態(tài)，并在掃描的同時(shí)進(jìn)行軸壓、圍壓和活塞位移的數(shù)據(jù)采集。附圖4為某砂巖在圍壓15MPa軸壓為O下3mm立方體區(qū)域的CT掃描圖像及相關(guān)處理后的圖像，經(jīng)計(jì)算此時(shí)孔隙度為16.68%，當(dāng)軸壓加載至SOMPa孔隙度為16.10%,此時(shí)和軸壓為O時(shí)孔徑分布對(duì)比圖見附圖5，由此可見本裝置能夠良好地實(shí)現(xiàn)三軸壓力下的試驗(yàn)的CT掃描。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室正視圖；
[0020]圖2為圖1所示一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室正視圖A-A’截面圖；
[0021]圖3為一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室仰視圖；
[0022]圖4為一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室俯視圖；
[0023]圖5為一種砂巖15MPa圍壓O軸壓下的CT掃描圖像不意圖；
[0024]圖6為一種砂巖15MPa圍壓O和80MPa軸壓下孔徑分布對(duì)比不意圖。
[0025]其中:1、壓力室筒；2_1、壓力室上圍定法蘭；2_2、壓力室上圍定法蘭；3_1、壓力室上蓋；3-2、壓力室底座；上蓋鎖緊螺栓包括(4-1、第一上蓋鎖緊螺栓；4-2、第二上蓋鎖緊螺栓；4-3、第三上蓋鎖緊螺栓；4-4、第四上蓋鎖緊螺栓);底座鎖緊螺栓(5-1、第一底座鎖緊螺栓；5-2、第二底座鎖緊螺栓；5-3、第三底座鎖緊螺栓)；6、試樣底座；7-1、上壓頭；7-2、下壓頭；8、試樣；9、加載活塞；反力架包括(10-1、第一反力柱；10-2、第二反力柱；10-3、第三反力柱；10-4、第四反力柱；12、反力梁；13-1、第一反力柱鎖緊螺母；13-2、第二反力柱鎖緊螺母；13-3、第三反力柱鎖緊螺母；13-4、第四反力柱鎖緊螺母)；11、扁千斤頂(符合設(shè)計(jì)載荷和尺寸的任一種型號(hào)均可，如:FAG10LI公司扁千斤頂ModelN0.12);位移測(cè)量件{14_1、線性位移傳感器(符合設(shè)計(jì)量程的任一種型號(hào)均可，如=ASensors公司馬克羅⑶-375-100型LVDT) ;14-2、位移傳感器夾具；14-3、測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母；14_4、位移傳遞梁} ;15電池式數(shù)據(jù)采集儀(任何一種型號(hào)均可，如-.UEI公司UEIL0GGER300，采用24V電池供電)；16、熱收縮套。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1:
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作過(guò)一步詳細(xì)描述。
[0028]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，包由壓力室筒1、壓力室上固定法蘭2-1和壓力室下固定法蘭2-2、壓力室上蓋3-1和壓力室底座3-2、試樣底座6、上壓頭7-1和下壓頭7-2、加載活塞9、反力架、扁千斤頂11、位移測(cè)量件以及電池式數(shù)據(jù)采集儀15、熱收縮套16組成；其連接關(guān)系是:壓力室筒I兩端分別和壓力室上固定法蘭
2-1以及壓力室下固定法蘭2-2膠結(jié)一起，并通壓力室上蓋3-1和壓力室底座密封3-2，加載活塞9安置在壓力室上蓋3-1上，并可沿其軸心方向移動(dòng)，試樣底座6安置在壓力室底座
3-2上，壓力室內(nèi)部加載活塞9和試樣底座6之間置放上壓頭7-1、試樣8、下壓頭7-2，并由熱收縮管16進(jìn)行密封，所述的反力架包括固定在壓力室上蓋3-1上的第一反力柱10-1、第二反力柱10-2、第二反力柱10-3和第四反力柱10-4,還包括連接在第一反力柱10-1、第二反力柱10-2、第三反力柱10-3和第四反力柱10-4上反力梁12，之間的固定分別通過(guò)第一反力柱鎖緊螺母13-1、第二反力柱鎖緊螺母13-2、第三反力柱鎖緊螺母13-3和第四反力柱鎖緊螺母13-4，其特征在于:一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，其扁千斤頂11置于加載活塞9和反力架之間，為試樣8提供軸向加載。[0029]如圖1和圖2所示，所述的上蓋鎖緊螺栓包括第一上蓋鎖緊螺栓4-1、第二上蓋鎖緊螺栓4-2、第三上蓋鎖緊螺栓4-3、第四上蓋鎖緊螺栓4-4，用于固定壓力室上蓋3-1和壓力室上固定法蘭2-1，并由壓力室上蓋3-1上設(shè)置的相應(yīng)密封圈進(jìn)行密封。
[0030]如圖1和圖3所示，所述的底座鎖緊螺栓包括第一底座鎖緊螺栓5-1、第二底座鎖緊螺栓5-2和第三底座鎖緊螺栓5-3，用于固定壓力室底座3-2和壓力室下固定法蘭2-2，并由壓力室底座3-2上安置的相應(yīng)密封圈進(jìn)行密封。
[0031]所述的試樣底座6密封固定于壓力室底座3-2之上,壓力室內(nèi)試樣底座6之上分別為下壓頭7-2、試樣8、上壓頭7-1以及加載活塞9，以上部件依次同軸放置并由熱收縮套16進(jìn)行密封；所述的加載活塞9位于壓力上蓋3-1之中，并可沿其軸線方向移動(dòng)，傳遞荷載施加試樣8的軸向載荷，加載活塞9與壓力上蓋之間3-1通過(guò)壓力室上蓋3-1相應(yīng)的密封圈進(jìn)行密封；所述的加載活塞9的軸部、試樣底座6軸部以及壓力室底座3-2的軸部設(shè)置管路，可以進(jìn)行不同壓力條件下試樣8的滲透系數(shù)測(cè)量，上壓頭7-1和下壓頭7-2除使得荷載均勻傳遞至試樣8上外，其上設(shè)置均勻的導(dǎo)流孔亦使得滲透測(cè)量流體均勻流至試樣8的上下表面。
[0032]所述的扁千斤頂11，其上設(shè)置兩個(gè)接口和閥門(圖中未示出)，用于加壓和排氣，在排氣口設(shè)置一個(gè)三通(圖中未示出)，其一通接上壓力計(jì)(圖中未示出)，用于測(cè)量扁千斤頂11加載油壓，并由電池式數(shù)據(jù)采儀15采集數(shù)據(jù)，由測(cè)量的壓力可以直接換算出扁千斤11所施加的荷載。
[0033]所述的加載活塞9上還設(shè)置管路，其接口處設(shè)置三通(圖中未示出)、閥門(圖中未示出)和壓力計(jì)(圖中未示出)再由電池式數(shù)據(jù)采儀15采集壓力室圍壓。
[0034]所述的位移測(cè)量件包括線性位移傳感器14-1、位移傳感器夾具14-2、測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母14-3和位移傳遞梁14-4，線性位移傳感器14-1由位移傳感器夾具14_2固定在反力梁12上，位移傳遞梁14-4固定在加載活塞9上用于傳遞加載活塞9的位移，測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母14-3固定在位移傳遞梁14-4上，線性位移傳感器14-1的測(cè)頭與測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母14-3接觸，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母14-3使得線性傳感器14-1進(jìn)入其測(cè)定的量程范圍內(nèi)。
[0035]所述的壓力室筒I由X射線可穿透材料加工而成，如聚醚醚酮樹脂(PEEK)，而后經(jīng)表面打磨分別與壓力室上固定法蘭2-1和壓力室下固定法蘭2-2膠結(jié)一起。
[0036]如上所述的一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，將其放置在高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)(圖中未示出)，其試樣8所處的水平段無(wú)任何X射線不能穿透的金屬部件，因此可以在外部施加壓力或孔壓而后保持相應(yīng)壓力過(guò)行CT掃描，觀察試樣9的細(xì)觀狀態(tài)，并在掃描的同時(shí)進(jìn)行軸壓、圍壓和加載活塞9位移的數(shù)據(jù)采集。
[0037]本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，包括壓力室筒(I)、壓力室上固定法蘭(2-1)、壓力室下固定法蘭(2-2)、試樣底座(6)、上壓頭(7-1)、下壓頭(7-2)、加載活塞(9)、反力架、扁千斤頂(11)、位移測(cè)量件以及電池式數(shù)據(jù)采集儀(15)、熱收縮套(16)，壓力室筒(I)兩端分別與壓力室上固定法蘭(2-1)和壓力室下固定法蘭(2-2)膠結(jié)一起，并通壓力室上蓋(3-1)和壓力室底座密封(3-2)，加載活塞(9)安置在壓力室上蓋(3-1)上，試樣底座(6)安置在壓力室底座(3-2)上，壓力室內(nèi)部加載活塞(9)和試樣底座(6)之間置放上壓頭(7-1)、試樣(8)、下壓頭(7-2)，并由熱收縮管(16)進(jìn)行密封，所述的反力架包括固定在壓力室上蓋(3-1)上的第一反力柱(10-1)、第二反力柱(10-2)、第三反力柱(10-3)和第四反力柱(10-4)，還包括連接在第一反力柱(10-1)、第二反力柱(10-2)、第三反力柱(10-3)和第四反力柱(10-4)上反力梁(12)，之間的固定分別通過(guò)第一反力柱鎖緊螺母(13-1 )、第二反力柱鎖緊螺母(13-2)、第三反力柱鎖緊螺母(13-3)和第四反力柱鎖緊螺母(13-4)，其特征在于:一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，其扁千斤頂(11)置于加載活塞(9)和反力架之間，為試樣(8 )提供軸向加載。
2.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，其特征在于:所述的扁千斤頂(11 )，其上設(shè)置兩個(gè)接口和閥門，在排氣口設(shè)置一個(gè)三通并上壓力計(jì)由電池式數(shù)據(jù)采儀(15)采集數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，其特征在于:所述的加載活塞(9)上還設(shè)置管路，其接口處設(shè)置三通、閥門和壓力計(jì)再由電池式數(shù)據(jù)采儀(15)采集壓力室圍壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種用于CT三軸試驗(yàn)的壓力室，其特征在于:所述的位移測(cè)量件包括線性位移傳感器(14-1 )、位移傳感器夾具(14-2)、測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母(14-3)和位移傳遞梁(14-4)，線性位移傳感器(14-1)由位移傳感器夾具(14-2)固定在反力梁(12)上，位移傳遞梁(14-4 )固定在加載活塞(9 )上用于傳遞加載活塞(9 )的位移，測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母(14-3 )固定在位移傳遞梁(14-4)上，線性位移傳感器(14-1)的測(cè)頭與測(cè)點(diǎn)調(diào)置螺母(14-3)接觸。
【文檔編號(hào)】G01N3/02GK103487319SQ201310471580
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】石露, 李小春 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所