本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，涉及一種巖石剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，具體為一種CT實(shí)時(shí)三維掃描巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)家多項(xiàng)重大巖土工程的不斷推進(jìn)，工程實(shí)踐中由于節(jié)理巖體失穩(wěn)造成的工程安全問(wèn)題日益受到重視。巖石節(jié)理的剪切特性是評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)，歷來(lái)在學(xué)術(shù)界和工程應(yīng)用中都受到了廣泛的關(guān)注?，F(xiàn)有的研究多集中于對(duì)巖石節(jié)理的剪切特性進(jìn)行宏觀(guān)的描述，著重于得到抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)，而對(duì)剪切過(guò)程中微觀(guān)破壞行為的研究不夠深入。

巖石節(jié)理的剪切破壞，通常是由于節(jié)理表面凹凸體內(nèi)微裂隙的起裂、發(fā)展并最終相互貫通形成宏觀(guān)裂紋引起的。因此，研究微裂隙的擴(kuò)展、演化規(guī)律，對(duì)于弄清巖石節(jié)理的剪切破壞機(jī)理具有重要意義。而CT掃描技術(shù)，可以對(duì)試件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，了解試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部變化、細(xì)微變化及變化趨勢(shì)，從而掌握試件在受力條件下的破壞規(guī)律。

因此，開(kāi)發(fā)適用于CT實(shí)時(shí)掃描的巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，既可以研究巖石剪切全過(guò)程中巖石的強(qiáng)度和變形特性，又可以根據(jù)三維CT圖像，分析巖石細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)及其變化過(guò)程，揭示巖石內(nèi)部裂紋破裂演化規(guī)律，為巖石力學(xué)行為的微觀(guān)研究和工程應(yīng)用性研究提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

過(guò)去的研究已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列適用于CT掃描的巖石試驗(yàn)系統(tǒng)，如單軸壓縮試驗(yàn)裝置、三軸壓縮試驗(yàn)裝置等，但尚未研發(fā)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維CT掃描的巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有CT掃描的巖石試驗(yàn)系統(tǒng)的無(wú)法實(shí)現(xiàn)360°掃描、實(shí)時(shí)性較差的不足，本發(fā)明提供一種有效實(shí)現(xiàn)360°掃描、實(shí)時(shí)性良好的CT實(shí)時(shí)三維掃描巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種CT實(shí)時(shí)三維掃描巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，包括用于裝載巖石節(jié)理試件的剪切室、用于承載剪切室的主機(jī)框架、用于施加圍壓和剪切力的加載裝置、用于實(shí)現(xiàn)試件360°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置以及用于實(shí)現(xiàn)CT掃描的CT掃描裝置；

所述剪切室為中空?qǐng)A柱體的剪切室，所述巖石節(jié)理試件位于剪切室內(nèi)，所述加載裝置的動(dòng)作端連接旋轉(zhuǎn)墊片，所述旋轉(zhuǎn)墊片與壓塊連接，所述壓塊穿過(guò)剪切室外壁并抵觸在所述巖石節(jié)理試件的一半部分的一側(cè)，所述巖石節(jié)理試件的一半部分的另一側(cè)位于彈簧擋板上，所述彈簧擋板固定在所述剪切室內(nèi)；所述巖石節(jié)理試件的另一半部分固定在剪切室內(nèi)；

所述旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架和用于帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)組件，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架與所述剪切室聯(lián)動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架、剪切室、旋轉(zhuǎn)墊片呈同軸設(shè)置；

所述CT掃描裝置包括設(shè)置于剪切室相對(duì)兩側(cè)的放射源和探測(cè)器。

進(jìn)一步，所述剪切室包括上側(cè)和下側(cè)圓盤(pán)形鋼板以及碳纖維復(fù)合材料制作的圓筒，所述圓筒上、下端分別鑲嵌在上、下側(cè)圓盤(pán)形鋼板中。

再進(jìn)一步，所述巖石節(jié)理試件的另一半部分的一側(cè)與帶旋轉(zhuǎn)螺栓的墊塊連接，所述墊塊通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺旋固定在剪切室上，所述巖石節(jié)理試件的另一半部分的另一側(cè)通過(guò)下部墊塊固定在剪切室內(nèi)。

更進(jìn)一步，所述巖石節(jié)理試件上安裝環(huán)形位移傳感器，所述壓塊上安裝力傳感器，所述旋轉(zhuǎn)墊片與剪切室頂面之間設(shè)置磁致位移傳感器。

所述剪切室設(shè)有油管入口和油管出口，所述巖石節(jié)理試件外套接橡膠套。

所述的主機(jī)框架包括底板、頂板以及連接底板和頂板的立柱，所述頂板中安裝加載裝置，所述立柱由4根組成，每根兩端分別用螺栓固定在底板和頂板上。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

1)采用旋轉(zhuǎn)裝置，在剪切過(guò)程中360°旋轉(zhuǎn)試件，得到試件內(nèi)部裂隙等構(gòu)造的三維立體圖像；

2)采用碳纖維復(fù)合材料制作試件容器側(cè)壁，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，不影響CT掃描的效果；

3)剪切力和圍壓由伺服加載系統(tǒng)控制，可通過(guò)電腦編程實(shí)現(xiàn)多種條件下的加載。

附圖說(shuō)明

圖1是本CT實(shí)時(shí)三維掃描巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)系統(tǒng)的剖面示意圖。

圖2是CT實(shí)時(shí)三維掃描巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)系統(tǒng)的下部俯視圖。

圖3是彈簧擋板俯視圖。

圖中，1-加載裝置(豎向千斤頂)；2-頂板；3-旋轉(zhuǎn)墊片；4-磁致位移傳感器；5-油管入口；6-碳纖維板螺栓；7-帶旋轉(zhuǎn)螺栓的墊塊；8-環(huán)形位移傳感器；9-下部墊塊；10-旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架；11-底板；12-步進(jìn)電機(jī)；13-頂板螺栓；14-密封圈；15-壓塊；16-彈簧擋板(16-1、彈簧；16-2、鋼片)；17-剪切室下側(cè)鋼板；18-剪切室上側(cè)鋼板；19-油管出口；20-碳纖維復(fù)合材料圓筒；21-立柱。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖3，一種CT實(shí)時(shí)三維掃描巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，包括用于裝載巖石節(jié)理試件的剪切室、用于承載剪切室的主機(jī)框架、用于施加圍壓和剪切力的加載裝置1、用于實(shí)現(xiàn)試件360°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置以及用于實(shí)現(xiàn)CT掃描的CT掃描裝置；

所述剪切室為中空?qǐng)A柱體的剪切室，所述巖石節(jié)理試件位于剪切室內(nèi)，所述加載裝置的動(dòng)作端連接旋轉(zhuǎn)墊片3，所述旋轉(zhuǎn)墊片3與壓塊15連接，所述壓塊15穿過(guò)剪切室外壁并抵觸在所述巖石節(jié)理試件的一半部分的一側(cè)，所述巖石節(jié)理試件的一半部分的另一側(cè)位于彈簧擋板16上，所述彈簧擋板16固定在所述剪切室內(nèi)；所述巖石節(jié)理試件的另一半部分固定在剪切室內(nèi)；

所述旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架10和用于帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)組件，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架10與所述剪切室聯(lián)動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架10、剪切室、旋轉(zhuǎn)墊片3呈同軸設(shè)置；

所述CT掃描裝置包括設(shè)置于剪切室相對(duì)兩側(cè)的放射源和探測(cè)器。

進(jìn)一步，所述剪切室包括上側(cè)和下側(cè)圓盤(pán)形鋼板以及碳纖維復(fù)合材料制作的圓筒，所述圓筒上、下端分別鑲嵌在上、下側(cè)圓盤(pán)形鋼板中。

再進(jìn)一步，所述巖石節(jié)理試件的另一半部分的一側(cè)與帶旋轉(zhuǎn)螺栓的墊塊7連接，所述墊塊通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺旋固定在剪切室上，所述巖石節(jié)理試件的另一半部分的另一側(cè)通過(guò)下部墊塊9固定在剪切室內(nèi)。

本實(shí)施例中，所述的剪切室由上側(cè)鋼板18、下側(cè)鋼板17、彈簧擋板16、壓塊15、碳纖維復(fù)合材料圓筒20、環(huán)形位移傳感器8、墊塊9、油管入口5、油管出口19、碳纖維板螺栓6、帶旋轉(zhuǎn)螺栓的墊塊7、旋轉(zhuǎn)墊片3組成；其連接關(guān)系是：利用碳纖維板螺栓6將碳纖維復(fù)合材料圓筒19固定在上下兩側(cè)鋼板17、18上，組成內(nèi)空?qǐng)A筒形的剪切室；豎向千斤頂加壓頭下連接一個(gè)旋轉(zhuǎn)墊片3，旋轉(zhuǎn)墊片3連接壓塊15，所述壓塊15穿過(guò)上側(cè)鋼板18，對(duì)試件的左側(cè)進(jìn)行豎向剪切，最大剪切位移為試件長(zhǎng)度的1/5；左半部試件下側(cè)設(shè)置彈簧擋板16，達(dá)到固定試件的作用，在剪切過(guò)程中彈簧被逐漸壓縮，壓縮力的大小可根據(jù)彈簧剛度乘以壓縮量計(jì)算，由壓頭上力傳感器測(cè)得的力減去彈簧的壓縮力即可得到加載在試件上的真實(shí)剪切力；試件的右半部上下各有一個(gè)墊塊，其中下部墊塊9固定，上部墊塊7由螺栓連接在上側(cè)鋼板18上，旋轉(zhuǎn)螺栓直至墊塊碰到試件，擰緊螺栓，起到固定試件右半部的作用；巖石試件為圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件(直徑5cm、高10cm)，用橡膠套密封，中間含有一條豎向節(jié)理，四周用油壓施加圍壓，油管入口5設(shè)置于上側(cè)鋼板18，油管出口19設(shè)置于下側(cè)鋼板17；試件中部設(shè)置環(huán)形位移傳感器8，箍在試件上，并與試件之間設(shè)置一層光滑材料，檢測(cè)試件剪切過(guò)程中徑向的位移變化。

所述主機(jī)框架包括底板11、頂板2以及連接底板11和頂板2的立柱21，立柱21上下兩端用螺栓13固定在底板和頂板中，共4根。立柱、底板、頂板采用Q460高強(qiáng)鋼材。

所述的加載裝置包括伺服控制的油壓系統(tǒng)和伺服控制的豎向千斤頂1，分別為試件提供圍壓和剪切力，最大圍壓可達(dá)到20MPa，最大剪應(yīng)力可達(dá)到10MPa。

所述的旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架10和步進(jìn)電機(jī)12，旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架設(shè)置于底板11中心，剪切室固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架10上，當(dāng)進(jìn)行CT掃描時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)12帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械托架10旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)剪切室和上部的旋轉(zhuǎn)墊片3旋轉(zhuǎn)，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(lái)得到精確的圖像。

所述的測(cè)控系統(tǒng)包括伺服加載控制系統(tǒng)、磁致位移傳感器、環(huán)形位移傳感器、力傳感器、液壓傳感器和電機(jī)控制器；伺服加載控制系統(tǒng)用于對(duì)圍壓和剪切力進(jìn)行伺服控制；在上述千斤頂1的加載壓頭下側(cè)和上述剪切室上側(cè)鋼板18之間設(shè)置磁致位移傳感器4，檢測(cè)試件的剪切位移；試件中部設(shè)置環(huán)形位移傳感器8，箍在試件上，并與試件之間設(shè)置一層光滑材料，檢測(cè)試件在剪切過(guò)程中徑向上的位移變化；千斤頂?shù)膲侯^上設(shè)置力傳感器用于測(cè)量剪切力，剪切室內(nèi)的液壓傳感器用于測(cè)量圍壓；電機(jī)控制器用于控制旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

所述的CT掃描裝置包括設(shè)置于剪切室相對(duì)兩側(cè)的放射源和探測(cè)器，放射線(xiàn)穿過(guò)上述主機(jī)框架立柱之間的空間，主機(jī)框架不動(dòng)而剪切室旋轉(zhuǎn)，射線(xiàn)不被遮擋。