本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，涉及一種巖石滲流、剪切耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，具體來說是一種ct實(shí)時(shí)三維掃描的滲流、剪切耦合巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來在許多國家重大巖土工程項(xiàng)目中出現(xiàn)了一些關(guān)于滲流的復(fù)雜技術(shù)問題，如大壩基巖的破壞會(huì)產(chǎn)生有壓滲流作用，導(dǎo)致壩基發(fā)生集中滲流破壞，危及壩體的整體安全；在油藏方面，理解巖體的滲流規(guī)律對解決石油開采有著十分關(guān)鍵的意義。這就迫切要求巖土工程工作者構(gòu)建相應(yīng)的巖石試驗(yàn)系統(tǒng)和測試方法來準(zhǔn)確地評估巖石在復(fù)雜力學(xué)條件下的滲流特性。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)無法在耦合環(huán)境中考慮剪切的作用并應(yīng)用于ct掃描的不足，本發(fā)明提供了一種ct實(shí)時(shí)三維掃描的滲流、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滲流的問題，并實(shí)現(xiàn)在滲流和剪切試驗(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、控制試件圍壓的圍壓伺服控制系統(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；油箱中的油泵可將高壓的油抽出注入圍壓室并對巖石試件進(jìn)行加壓；

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，上述半圓柱體形壓塊下連接碳纖維卡座，試件的左半部置于上述碳纖維卡座內(nèi)，上述壓塊穿過上述上法蘭蓋板，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，上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。

更進(jìn)一步，所述的圍壓伺服控制系統(tǒng)包括壓力傳感器、油泵、油箱和圍壓伺服控制器，所述圍壓伺服控制器控制油箱中的油泵可將高壓的油抽出注入圍壓室，并對巖石試件進(jìn)行加壓；所述壓力傳感器能將壓力數(shù)據(jù)傳輸給圍壓伺服控制器，通過反饋對圍壓室的圍壓進(jìn)行調(diào)整。

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)在剪切和滲流耦合作用下的試驗(yàn)，真實(shí)地模擬壩基等巖體所處的狀態(tài)；

2)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-進(jìn)水管；5-出油管；6-圍壓伺服控制器；7-進(jìn)油孔；8-千斤頂壓頭；9-壓塊；10-圍壓筒；11-位移傳感器；12-金屬套筒；13-熱收縮套；14-密封圈；15-進(jìn)油管；16-加載伺服控制器；17-反力架；18-千斤頂；19-上法蘭蓋板；20-高強(qiáng)螺栓；21-上部墊塊；22-碳纖維試件卡座；23-試件；24-下部墊塊；25-壓力傳感器；26-墊板；27-下法蘭蓋板；28-出水口；29-下法蘭旋轉(zhuǎn)底座；30-旋轉(zhuǎn)桿；31-步進(jìn)電機(jī)；32-底座；33-出油孔；34-螺栓；35-卡座螺栓；36-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、控制試件圍壓的圍壓伺服控制系統(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32和反力架17。反力架17上放置加載裝置18、伺服控制系統(tǒng)6和16、水箱3和油箱2；反力架17通過高強(qiáng)螺栓20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32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10、上法蘭蓋板19、下法蘭旋轉(zhuǎn)底座29以及高強(qiáng)螺栓20，其連接關(guān)系為：所述圍壓筒10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19和反力架17下底板通過高強(qiáng)螺栓20固定，下法蘭蓋板27和下法蘭旋轉(zhuǎn)底座29通過高強(qiáng)螺栓20固定；剪切室包括熱收縮套13、碳纖維試件卡座22、上部墊塊21、下部墊塊24、位移傳感器11以及千斤頂壓頭8，所述千斤頂壓頭8壓頭下連接半圓形壓塊9，半圓形壓塊9側(cè)面涂有特氟龍材料，以此減少與上部墊塊21之間的摩擦力，半圓形壓塊9穿過上法蘭蓋板19，穿過蓋板的位置由密封圈14密封，對試件23的左半部加載剪切力。半圓形壓塊9與碳纖維試件卡座22之間使用耐高溫高強(qiáng)膠水連接，碳纖維試件卡座22下端可讓凹槽型金屬套筒12嵌入，金屬套筒12嵌入熱收縮套13和墊板26之間的夾層中，并能豎直向下移動(dòng)，金屬套筒12通過卡座螺栓35與碳纖維試件卡座22固定。碳纖維試件卡座22底部有一洞口，使位移傳感器11能接觸到試件。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將試件23放入碳纖維試件卡座22中，試件23為圓柱體試件，然后用熱吹風(fēng)機(jī)使熱收縮套13緊貼試件23，熱收縮套13其上部從上法蘭蓋板19處伸出，并通過高強(qiáng)螺栓20固定，其下部伸入墊板26并通過螺栓34與下法蘭旋轉(zhuǎn)底座29固定，在熱收縮套13設(shè)置密封圈14防漏。對試件23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11，位移傳感器11放置在墊板26上，用于測量剪切位移，試件的右半部有下部墊塊24、上部墊塊21，下部墊塊24通過螺栓34與墊板26固定，上部墊塊21由螺栓連接在上法蘭蓋板19上，旋轉(zhuǎn)螺栓可將墊塊壓在試件上，起到固定試件23右半部的作用。滲流試驗(yàn)中，水箱3與進(jìn)水管4相連，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)，進(jìn)水管4出水端插進(jìn)上部墊塊21中與試樣23接觸，并把滲流口對準(zhǔn)試樣23裂縫面，使?jié)B流集中在試樣23剪切處。滲流出的水再通過墊板26中的出水口28流出至外接裝置，外接裝置測量滲流出的水的流量和流速，以獲得高壓情況下巖石剪切過程中的滲流特性。

所述的剪切加載裝置，包括伺服控制的豎向千斤頂18。千斤頂壓頭8在加載伺服控制器16的控制下通過半圓形壓塊9對試件23產(chǎn)生剪切力。

所述的圍壓伺服控制系統(tǒng)，包括壓力傳感器25、油泵1、油箱2和圍壓伺服控制器6。圍壓伺服控制器6控制油箱2中的油泵1可將高壓的油抽出注入圍壓室，對巖石試件25進(jìn)行加壓；壓力傳感器27能將壓力數(shù)據(jù)傳輸給圍壓伺服控制器14，通過反饋對圍壓室的圍壓進(jìn)行調(diào)整。

所述的旋轉(zhuǎn)裝置，包括下法蘭旋轉(zhuǎn)底座29、旋轉(zhuǎn)桿30、步進(jìn)電機(jī)31。旋轉(zhuǎn)桿30與下法蘭旋轉(zhuǎn)底座29相連接，步進(jìn)電機(jī)31安裝在底座32中，能控制旋轉(zhuǎn)桿30旋轉(zhuǎn)，從而使下法蘭旋轉(zhuǎn)底座29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)生放射線穿過上述測試室，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。