本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，涉及一種巖石高溫、滲流、剪切耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，具體來說一種ct實(shí)時(shí)三維掃描高溫、滲流、剪切耦合巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來在如高放射性核廢料的地質(zhì)處置、二氧化碳的地下封存等國家重大巖土工程項(xiàng)目中出現(xiàn)了一些復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問題，迫切要求巖土工程工作者對復(fù)雜耦合環(huán)境下巖石的力學(xué)和工程性質(zhì)進(jìn)行更深入的研究以找到合理的工程技術(shù)方案。而溫度、滲流、應(yīng)力耦合問題是其中的核心問題之一，急需構(gòu)建相應(yīng)的巖石試驗(yàn)系統(tǒng)和測試方法來準(zhǔn)確的評估巖石的多場耦合特性。剪切破壞是巖體破壞的一種常見形式，是工程長期穩(wěn)定性評估中的一個(gè)關(guān)鍵因素，在多場耦合測試中考慮剪切的作用十分重要。目前大量的測量技術(shù)只能得到試件表面的變形破壞特征，而ct掃描技術(shù)則可以對試件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行全方位監(jiān)測，從微觀的角度了解巖石的變形破壞機(jī)理，從而更深入的理解巖石的多場耦合特性。目前對軸壓和圍壓作用下的巖石耦合特性測試方法已較為成熟，但如何在耦合環(huán)境中考慮剪切的作用并應(yīng)用于ct掃描則還面臨著極大的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)高溫、滲流和剪切情況下的耦合環(huán)境中的剪切作用的不足，本發(fā)明提供了一種ct實(shí)時(shí)三維掃描的高溫、滲流、剪切耦合巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，有效地解決巖石試件圍壓和溫度控制的問題，并實(shí)現(xiàn)在高溫、滲流和剪切試驗(yàn)過程中通過ct裝置得到試件內(nèi)部的三維掃描圖像。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種ct實(shí)時(shí)三維掃描的高溫、滲流、剪切耦合巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，包括穩(wěn)定整體結(jié)構(gòu)的主機(jī)框架、用于進(jìn)行高溫下剪切和滲流試驗(yàn)的測試室、由油壓控制的剪切加載裝置、用于控制試件溫度與圍壓的溫壓伺服控制系統(tǒng)、由旋轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)下法蘭旋轉(zhuǎn)底座旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置和用于得到試件內(nèi)部三維圖像的ct掃描裝置；

所述的主機(jī)框架包括底座和反力架，所述旋轉(zhuǎn)裝置固定于所述底座上，所述測試室固定于所述旋轉(zhuǎn)裝置上，所述反力架固定于所述測試室上，所述反力架上放置剪切加載裝置和溫壓伺服控制系統(tǒng)；

所述的測試室包括圍壓室、剪切室和滲流裝置，所述圍壓室位于剪切室的外部，所述剪切室內(nèi)放置巖石試件，所述巖石試件半部的上端與剪切加載裝置的動(dòng)作端接觸，所述滲流裝置包括水箱、進(jìn)水孔和出水口，水箱中的水通過進(jìn)水孔流入巖石試件，經(jīng)過出水口流出并連接到測量裝置；油箱通過進(jìn)油管和出油管與圍壓室連接從而形成一個(gè)調(diào)溫循環(huán)系統(tǒng)，向所述圍壓室內(nèi)注入高溫高壓的油對巖石試件進(jìn)行加溫的同時(shí)提供圍壓；

所述的ct掃描裝置包括射線源和探測器，所述測試室兩側(cè)分別布置所述射線源和探測器。

進(jìn)一步，所述圍壓室包括上法蘭蓋板、下法蘭旋轉(zhuǎn)底座、圍壓筒、高強(qiáng)螺栓；所述圍壓筒由碳纖維材料制成，鑲嵌在上下兩塊法蘭蓋板中，上法蘭蓋板和反力架下底板通過高強(qiáng)螺栓固定，下法蘭蓋板和下法蘭旋轉(zhuǎn)底座通過高強(qiáng)螺栓固定。

再進(jìn)一步，所述剪切室包括熱收縮套、碳纖維試件卡座、墊塊、位移傳感器以及壓頭，豎向千斤頂壓頭下連接半圓柱體形壓塊，所述半圓柱體形壓塊下連接碳纖維卡座，試件的左半部置于所述碳纖維卡座內(nèi)，所述壓塊穿過所述上法蘭蓋板，對試件的左半部加載剪切力，穿過蓋板的位置由密封圈密封，所述碳纖維卡座底部連接位移傳感器用于測量剪切位移；試件的右半部上下各有一個(gè)墊塊，其中下部墊塊固定，上部墊塊由螺栓連接在上法蘭蓋板上，旋轉(zhuǎn)螺栓可將墊塊壓在試件上，起到固定試件右半部的作用；包裹試件的熱收縮套，其上部從上法蘭蓋板處伸出，并通過高強(qiáng)螺栓固定，熱收縮套下部閉合并與下法蘭蓋板通過墊板連接，連接部設(shè)置o型密封圈防漏。

所述的溫壓伺服控制系統(tǒng)包括油溫傳感器、壓力傳感器、油泵、油箱、加熱器和溫壓伺服控制器，所述溫壓伺服控制器能控制油箱中的加熱器來調(diào)整油箱中的油溫，所述油箱通過進(jìn)油管和出油管與圍壓室連接從而形成一個(gè)調(diào)溫循環(huán)系統(tǒng)，向所述圍壓室內(nèi)注入高溫高壓的油對巖石試件進(jìn)行加溫的同時(shí)提供圍壓；油溫傳感器、壓力傳感器能將溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸給溫壓伺服控制器，實(shí)時(shí)溫度和圍壓的同時(shí)控制。

所述的旋轉(zhuǎn)裝置包括下法蘭旋轉(zhuǎn)底座、旋轉(zhuǎn)桿和步進(jìn)電機(jī)，所述下法蘭旋轉(zhuǎn)底座通過旋轉(zhuǎn)桿與步進(jìn)電機(jī)連接，所述步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)，從而使下法蘭旋轉(zhuǎn)底座以及底座以上的部分發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，得到試件360°的掃描圖像。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

1)實(shí)現(xiàn)在高溫和滲流耦合環(huán)境下的剪切試驗(yàn)，真實(shí)地模擬深部地下巖體所處的多場耦合環(huán)境；

2)溫壓伺服控制裝置能同時(shí)控制圍壓和溫度，從而避免在測試室側(cè)壁設(shè)置電熱絲，便于得到高精度的ct掃描圖像；

3)采用碳纖維復(fù)合材料制作測試室側(cè)壁，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，不影響ct掃描的效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的碳纖維試件卡座詳圖；

圖3是本發(fā)明的a-a截面圖；

其中，1-油泵；2-油箱；3-水箱；4-加熱器；5-進(jìn)水管；6-出油管；7-溫壓伺服控制器；8-進(jìn)油孔；9-千斤頂壓頭；10-壓塊；11-圍壓筒；12-位移傳感器；13-金屬套筒；14-油溫傳感器；15-熱收縮套；16-密封圈；17-進(jìn)油管；18-加載伺服控制器；19-反力架；20-千斤頂；21-上法蘭蓋板；22-高強(qiáng)螺栓；23-上部墊塊；24-碳纖維試件卡座；25-試件；26-下部墊塊；27-壓力傳感器；28-墊板；29-下法蘭蓋板；30-出水口；31-下法蘭旋轉(zhuǎn)底座；32-旋轉(zhuǎn)桿；33-步進(jìn)電機(jī)；34-底座；35-出油孔；36-螺栓；37-卡座螺栓；38-進(jìn)水孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖3，一種ct實(shí)時(shí)三維掃描的高溫、滲流、剪切耦合巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，包括穩(wěn)定整體結(jié)構(gòu)的主機(jī)框架、用于進(jìn)行高溫下剪切和滲流試驗(yàn)的測試室、由油壓控制的剪切加載裝置、控制試件溫度與圍壓的溫壓伺服控制系統(tǒng)、由旋轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)下法蘭旋轉(zhuǎn)底座旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置和用于得到試件內(nèi)部三維圖像的ct掃描裝置。

所述的主機(jī)框架，包括底座34和反力架19。反力架19上放置加載裝置20、伺服控制系統(tǒng)7和18、水箱3和油箱2；反力架19通過高強(qiáng)螺栓22與測試室相接，保證測試室的整體穩(wěn)定性，并把測試室置于與底座34相固定的旋轉(zhuǎn)裝置上，使測試室能360°被ct照射。

所述的測試室包括圍壓室、剪切室和滲流裝置，圍壓室包括碳纖維材料制作的圍壓筒11、上法蘭蓋板21、下法蘭旋轉(zhuǎn)底座31以及高強(qiáng)螺栓22，其連接關(guān)系為：所述圍壓筒11由碳纖維材料制成，鑲嵌在上下兩塊法蘭蓋板中，上法蘭蓋板21和反力架19下底板通過高強(qiáng)螺栓22固定，下法蘭蓋板29和下法蘭旋轉(zhuǎn)底座31通過高強(qiáng)螺栓22固定；剪切室包括熱收縮套15、碳纖維試件卡座24、上部墊塊23、下部墊塊26、位移傳感器12以及千斤頂壓頭9，所述千斤頂壓頭9壓頭下連接半圓形壓塊10，半圓形壓塊10側(cè)面涂有特氟龍材料，以此減少與上部墊塊23之間的摩擦力，半圓形壓塊10穿過上法蘭蓋板21，穿過蓋板的位置由密封圈16密封，對試件25的左半部加載剪切力。半圓形壓塊10與碳纖維試件卡座24之間使用耐高溫高強(qiáng)膠水連接，碳纖維試件卡座24下端可讓凹槽型金屬套筒13嵌入，金屬套筒13嵌入熱收縮套15和墊板28之間的夾層中，并能豎直向下移動(dòng)，金屬套筒13通過卡座螺栓37與碳纖維試件卡座24固定。碳纖維試件卡座24底部有一洞口，使位移傳感器12能接觸到試件。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將試件25放入碳纖維試件卡座24中，試件25為圓柱體試件，然后用熱吹風(fēng)機(jī)使熱收縮套15緊貼試件25，熱收縮套15其上部從上法蘭蓋板21處伸出，并通過高強(qiáng)螺栓22固定，其下部伸入墊板28并通過螺栓36與下法蘭旋轉(zhuǎn)底座31固定，在熱收縮套15設(shè)置密封圈16防漏。對試件25的左側(cè)進(jìn)行豎向剪切，最大剪切位移為試件長度的1/10；左半部試件下側(cè)設(shè)置位移傳感器12，位移傳感器12放置在墊板28上，用于測量剪切位移，試件的右半部有下部墊塊26、上部墊塊23，下部墊塊26通過螺栓26與墊板28固定，上部墊塊23由螺栓連接在上法蘭蓋板21上，旋轉(zhuǎn)螺栓可將墊塊壓在試件上，起到固定試件24右半部的作用。滲流試驗(yàn)中，水箱3中的水流入進(jìn)水管5通過進(jìn)水孔38滲入巖石試件25，水從墊板28上的出水口30流出，連接到測量裝置，可以進(jìn)行滲流試驗(yàn)分析。水箱3上預(yù)留與外部加壓裝置連接的接口，可進(jìn)行不同水壓條件下的滲流試驗(yàn)。

所述的剪切加載裝置，包括伺服控制的豎向千斤頂20。千斤頂壓頭9在加載伺服控制器18的控制下通過半圓形壓塊10對試件25產(chǎn)生剪切力。

所述的溫壓伺服控制系統(tǒng)，包括油溫傳感器14、壓力傳感器27、油泵1、油箱2、加熱器4和溫壓伺服控制器7。溫壓伺服控制器7能控制油箱2中的加熱器4來調(diào)整油箱2中的油溫，油泵1能將油抽出注入圍壓室，油箱2通過進(jìn)油管17和出油管6與圍壓室連接從而形成一個(gè)調(diào)溫循環(huán)系統(tǒng)，圍壓室內(nèi)注入高溫高壓的油對巖石試件25進(jìn)行加溫的同時(shí)提供圍壓；油溫傳感器14、壓力傳感器27能將溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸給溫壓伺服控制器14，溫壓伺服控制器14通過控制加熱器4和油泵1來調(diào)整注油的溫度和流速，達(dá)到溫度和圍壓的同時(shí)控制的目的。

所述的旋轉(zhuǎn)裝置，包括下法蘭旋轉(zhuǎn)底座31、旋轉(zhuǎn)桿32、步進(jìn)電機(jī)33。旋轉(zhuǎn)桿32與下法蘭旋轉(zhuǎn)底座31相連接，步進(jìn)電機(jī)31安裝在底座34中，能控制旋轉(zhuǎn)桿32旋轉(zhuǎn)，從而使下法蘭旋轉(zhuǎn)底座31及其以上部分發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，得到試件360°的掃描圖像，根據(jù)需要可調(diào)整旋轉(zhuǎn)的速度來得到精確的圖像。

所述的ct掃描裝置，包括探測器和射線源，射線源產(chǎn)生放射線穿過所述測試室，利用油和碳纖維材料極好的可穿透性，對360°旋轉(zhuǎn)的試件進(jìn)行掃描后，能得到試件內(nèi)部的高清三維圖像。