[发明专利]一种CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程领域，涉及一种岩石高温、渗流、剪切耦合试验系统，具体来说一种CT实时三维扫描高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统。

背景技术

近年来在如高放射性核废料的地质处置、二氧化碳的地下封存等国家重大岩土工程项目中出现了一些复杂的科学技术问题，迫切要求岩土工程工作者对复杂耦合环境下岩石的力学和工程性质进行更深入的研究以找到合理的工程技术方案。而温度、渗流、应力耦合问题是其中的核心问题之一，急需构建相应的岩石试验系统和测试方法来准确的评估岩石的多场耦合特性。剪切破坏是岩体破坏的一种常见形式，是工程长期稳定性评估中的一个关键因素，在多场耦合测试中考虑剪切的作用十分重要。目前大量的测量技术只能得到试件表面的变形破坏特征，而CT扫描技术则可以对试件内部的结构变化进行全方位监测，从微观的角度了解岩石的变形破坏机理，从而更深入的理解岩石的多场耦合特性。目前对轴压和围压作用下的岩石耦合特性测试方法已较为成熟，但如何在耦合环境中考虑剪切的作用并应用于CT扫描则还面临着极大的困难。

发明内容

为了克服已有技术无法实现高温、渗流和剪切情况下的耦合环境中的剪切作用的不足，本发明提供了一种CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，有效地解决岩石试件围压和温度控制的问题，并实现在高温、渗流和剪切试验过程中通过CT装置得到试件内部的三维扫描图像。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种CT实时三维扫描的高温、渗流、剪切耦合岩石三轴试验系统，包括稳定整体结构的主机框架、用于进行高温下剪切和渗流试验的测试室、由油压控制的剪切加载装置、用于控制试件温度与围压的温压伺服控制系统、由旋转杆带动下法兰旋转底座旋转的旋转装置和用于得到试件内部三维图像的CT扫描装置；

所述的主机框架包括底座和反力架，所述旋转装置固定于所述底座上，所述测试室固定于所述旋转装置上，所述反力架固定于所述测试室上，所述反力架上放置剪切加载装置和温压伺服控制系统；

所述的测试室包括围压室、剪切室和渗流装置，所述围压室位于剪切室的外部，所述剪切室内放置岩石试件，所述岩石试件半部的上端与剪切加载装置的动作端接触，所述渗流装置包括水箱、进水孔和出水口，水箱中的水通过进水孔流入岩石试件，经过出水口流出并连接到测量装置；油箱通过进油管和出油管与围压室连接从而形成一个调温循环系统，向所述围压室内注入高温高压的油对岩石试件进行加温的同时提供围压；

所述的CT扫描装置包括射线源和探测器，所述测试室两侧分别布置所述射线源和探测器。

进一步，所述围压室包括上法兰盖板、下法兰旋转底座、围压筒、高强螺栓；所述围压筒由碳纤维材料制成，镶嵌在上下两块法兰盖板中，上法兰盖板和反力架下底板通过高强螺栓固定，下法兰盖板和下法兰旋转底座通过高强螺栓固定。

再进一步，所述剪切室包括热收缩套、碳纤维试件卡座、垫块、位移传感器以及压头，竖向千斤顶压头下连接半圆柱体形压块，所述半圆柱体形压块下连接碳纤维卡座，试件的左半部置于所述碳纤维卡座内，所述压块穿过所述上法兰盖板，对试件的左半部加载剪切力，穿过盖板的位置由密封圈密封，所述碳纤维卡座底部连接位移传感器用于测量剪切位移；试件的右半部上下各有一个垫块，其中下部垫块固定，上部垫块由螺栓连接在上法兰盖板上，旋转螺栓可将垫块压在试件上，起到固定试件右半部的作用；包裹试件的热收缩套，其上部从上法兰盖板处伸出，并通过高强螺栓固定，热收缩套下部闭合并与下法兰盖板通过垫板连接，连接部设置O型密封圈防漏。

所述的温压伺服控制系统包括油温传感器、压力传感器、油泵、油箱、加热器和温压伺服控制器，所述温压伺服控制器能控制油箱中的加热器来调整油箱中的油温，所述油箱通过进油管和出油管与围压室连接从而形成一个调温循环系统，向所述围压室内注入高温高压的油对岩石试件进行加温的同时提供围压；油温传感器、压力传感器能将温度、压力数据传输给温压伺服控制器，实时温度和围压的同时控制。

所述的旋转装置包括下法兰旋转底座、旋转杆和步进电机，所述下法兰旋转底座通过旋转杆与步进电机连接，所述步进电机带动旋转杆旋转，从而使下法兰旋转底座以及底座以上的部分发生转动，得到试件360°的扫描图像。

本发明的有益效果主要表现在：

1)实现在高温和渗流耦合环境下的剪切试验，真实地模拟深部地下岩体所处的多场耦合环境；