適用於CT三維實時掃描的巖石節理直接剪切試驗系統的製作方法
2023-10-09 22:52:04
本實用新型屬於巖土工程領域，涉及一種巖石剪切試驗系統，具體為一種適用於CT三維實時掃描的巖石節理直接剪切試驗系統。
背景技術：
理解巖石節理的剪切特性在水利水電開發、礦產資源開採、地下交通、鐵路建設、核廢料儲存以及諸多涉及巖土工程的領域中具有重要的意義。巖石節理的剪切破壞，通常是由於節理表面接觸部附近微裂隙的起裂、發展並最終相互貫通形成宏觀裂紋引起的。因此，研究微裂隙的擴展、演化規律，對於弄清巖石節理的剪切破壞機理具有重要意義。CT掃描技術，可以在試驗過程中得到試件內部的高精度掃描圖像，從而了解試件內部結構的變化規律，為從微觀上理解試件的力學性質提供直接和有益的幫助。
目前大部分剪切設備適用於圓柱體試件，可以測試立方體試件的設備較少，而相對於圓柱體試件，立方體試件的應力分布更為均勻，得到的力學參數更為準確。在對試件進行CT掃描時，如果試件與CT放射源或者接收器之間存在著其他物體，特別是密度較大的物體的遮擋，則會嚴重影響成像的質量和精度，所以很多過去開發的儀器採用碳纖維等輕質材料來製作加載框架。然而，碳纖維材料雖然具有較高的抗拉強度，但抗彎、抗壓的強度並不高，使得儀器的整體剛度較低，影響高應力條件下試驗的穩定性。一般來說，節理面的剪切破壞集中於節理表面附近處，所以需要開發一種將試件的節理部分裸露在外的試驗儀器來改善CT成像的質量。另外，如果在CT掃描中不旋轉試件，則只能得到部分二維斷面的信息，要實現三維成像，必須在試驗過程中旋轉試件或者旋轉CT放射源。
技術實現要素：
為了克服已有巖石節理直接剪切試驗系統的無法三維成像、穩定性較差的不足，本實用新型提供一種穩定性良好、實現三維成像的適用於CT三維實時掃描的巖石節理直接剪切試驗系統。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：
一種適用於CT三維實時掃描的巖石節理直接剪切試驗系統，包括用於承載剪切儀的主機框架、用於裝載巖石節理試件的上剪切盒和下剪切盒、用於實現上剪切盒、下剪切盒、橫向加載裝置一起旋轉的旋轉裝置以及用於實現三維CT掃描的CT掃描裝置；
巖石節理試件放置於上剪切盒和下剪切盒之間，所述上剪切盒的上部連接旋轉墊片，所述旋轉墊片與用於對巖石節理試件施加法向壓力的法向加載裝置的動作端連接；所述下剪切盒放置於旋轉託架上，用於對巖石節理試件施加橫向剪切力的橫向加載裝置固定在旋轉託架上，所述橫向加載裝置的動作端牴觸在下剪切盒的側邊，所述旋轉託架與所述旋轉裝置的動作端連接；所述旋轉託架、上剪切盒、下剪切盒和旋轉墊片呈同軸設置；
所述CT掃描裝置包括設置於剪切盒相對兩側的放射源和探測器。
進一步，所述上剪切盒放置於用於限制上剪切盒側向運動的固定套筒內，所述固定套筒安裝在所述主機框架上。
再進一步，所述上剪切盒的外側壁與所述固定套筒的內壁之間通過轉動滾珠連接；所述下剪切盒的底面與旋轉託架的工作面之間通過轉動滾珠連接。
優選的，所述上剪切盒和下剪切盒為凹型中空圓柱體，內空部分別鑲嵌試件長度的1/5，所述試件的中間3/5長度外露。當然，也可以是其他形狀或尺寸，只要能夠固定巖石節理試件即可。所述試件可為立方體試件或圓柱體試件。
更進一步，所述上剪切盒和主機框架的頂板之間設置用於測量試件的法向位移的法向LVDT位移傳感器；所述下剪切盒和旋轉託架之間設置用於測量試件的剪切位移的橫向LVDT位移傳感器。
所述主機框架包括底板、頂板以及連接底板和頂板的立柱，所述頂板中間安裝法向加載裝置，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。
本實用新型的有益效果主要表現在：
1)採用旋轉裝置，在剪切過程中360度旋轉試件，得到試件內部裂隙等構造的三維立體圖像；
2)由於上下剪切盒之間留有空間，巖石試件的節理部分無任何遮擋物，可以得到節理本身高清、高精度的三維CT掃描圖像；
3)可測量立方體試件和圓柱體試件的剪切變形特徵，在保證強度的同時，不影響CT掃描的效果；
4)剪切力和法向壓力由伺服加載系統控制，可通過電腦編程實現多種條件下的加載。
附圖說明
圖1是本實用新型總裝結構剖面示意圖；
圖2是圖1中點線處的俯視剖面圖(採用立方體試件時)；
圖3是下剪切盒與試件俯視圖(採用圓柱體試件時)；
圖4是CT掃描裝置側視圖。
圖中，1-法向加載裝置(豎向千斤頂)；2-頂板螺栓；3-頂板；4-固定套筒；5-法向LVDT位移傳感器；6-旋轉墊片；7-上轉動滾珠；8-上剪切盒；9-試件(9-1、立方體試件，9-2、圓柱體試件，9-3、填充物)；10-旋轉託架；11-橫向LVDT位移傳感器；12-固定夾具；13-底板；14-驅動組件；15-立柱；16-下剪切盒；17-橫向加載裝置；18-加壓頭；19-下轉動滾珠；20-旋轉軸；21-CT放射源；22-CT探測器。
具體實施方式
下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。
參照圖1～圖4，一種適用於CT三維實時掃描的巖石節理直接剪切試驗系統，包括用於承載剪切儀的主機框架、用於裝載巖石節理試件的上剪切盒、下剪切盒、用於實現上剪切盒、下剪切盒、橫向加載裝置一起旋轉的旋轉裝置、以及用於實現三維CT掃描的CT掃描裝置。
所述巖石節理試件9放置於上剪切盒8、下剪切盒16之間，所述上剪切盒8的上部連接旋轉墊片6，所述旋轉墊片6與法向加載裝置1的動作端連接；所述上剪切盒8放置於用於限制上剪切盒側向運動的固定套筒4內，由上轉動滾珠7連接；所述下剪切盒16放置於旋轉託架10上，由底部的下轉動滾珠19連接；所述橫向加載裝置17固定在旋轉託架10上。
所述旋轉裝置為用於帶動旋轉託架10旋轉的驅動組件14，所述旋轉託架10與所述上剪切盒8、下剪切盒16以及橫向加載裝置17聯動，所述旋轉託架10、上剪切盒8、下剪切盒16、旋轉墊片6呈同軸設置。
所述CT掃描裝置包括設置於剪切盒相對兩側的放射源21和探測器22。
所述上剪切盒8、下剪切盒16為凹型中空圓柱體，內空部分別鑲嵌試件9長度的1/5，所述試件的中間3/5長度外露；所述試件可為立方體試件或圓柱體試件。
所述法向加載裝置1的動作端連接旋轉墊片6，所述旋轉墊片6與上剪切盒8共同旋轉；所述固定套筒4固定於主機框架的頂板3上，限制上剪切盒8側向運動；所述上剪切盒8與固定套筒4之間裝有轉動滾珠7，目的是減少上剪切盒旋轉和上下運動時的摩擦阻力；上剪切盒8和頂板3之間設置LVDT位移傳感器5測量試件的法向位移。
所述橫向加載裝置17設置在旋轉託架10內，通過加壓頭18向下剪切盒16傳遞剪切力；所述下剪切盒16下側裝有轉動滾珠19，目的是減少下剪切盒16橫向運動時的摩擦阻力；所述下剪切盒16和旋轉託架10之間設置LVDT位移傳感器11測量試件的剪切位移；所述旋轉託架10帶動橫向加載裝置17、上、下剪切盒8、16、LVDT位移傳感器11一起旋轉。
所述主機框架包括底板13、頂板3以及連接底板和頂板的立柱15，所述頂板中間安裝法向加載裝置1，所述立柱由4根組成，每根兩端分別用螺栓2固定在底板13和頂板3上。
本實施例中，所述上剪切盒8為凹型中空圓柱體，上剪切盒8鑲嵌試件9長度的1/5，上剪切盒8的上側和法向LVDT位移傳感器5接觸處設置一層光滑材料；剪切盒內可裝置立方體試件或者圓柱形試件，立方體試件9-1的兩端直接鑲嵌於上剪切盒8、下剪切盒16中，圓柱體試件9-2的直徑跟立方體試件9-1的邊長一樣，圓柱體試件9-2和上剪切盒8、下剪切盒16之間的空隙用填充材料9-3填充。
所述法向加載裝置1固定在頂板3上，其動作端連接旋轉墊片6，旋轉墊片6和上剪切盒8共同旋轉；固定套筒4固定在頂板3上，上剪切盒8設置於固定套筒4中，兩者之間裝有上轉動滾珠7，目的是減少上剪切盒8上下移動和轉動時的摩擦阻力；上LVDT位移傳感器5設置於頂板3和上剪切盒8之間，測量試件9的法向位移。
所述橫向加載裝置17設置在旋轉託架10中，通過加壓頭18向下剪切盒16提供剪切力；下剪切盒16鑲嵌試件9長度的1/5，從而使試件9中間3/5的長度外露在空氣中，利於CT放射源21直接照射於試件9的節理部分，CT探測器22能接受到射線；下剪切盒16下側裝有下轉動滾珠19，目的是減少下剪切盒16移動時的摩擦阻力；下剪切盒16另一側用固定夾具12固定橫向LVDT位移傳感器11，橫向LVDT位移傳感器11測量頭抵住旋轉框架10，測量試件9的剪切位移；所述旋轉託架10帶動橫向加載裝置17、下剪切盒16、LVDT位移傳感器11、試件9、上剪切盒8一起旋轉。
所述上轉動滾珠7、下轉動滾珠19為減少摩擦阻力的一種方法，亦可採用其他方法來實現減小摩擦阻力的目的。
所述主機框架包括底板13、頂板3以及連接底板和頂板的立柱15，所述立柱15上下兩端用螺栓2固定在底板13和頂板3之間，共4根；立柱、底板、頂板採用高強鋼材。
伺服控制的法向加載裝置1和伺服控制的橫向加載裝置17，分別為試件提供法向壓力和剪切力，最大法向壓力可達到30MPa，最大剪應力可達到15MPa。
所述旋轉裝置為用於帶動旋轉託架旋轉的驅動組件14，旋轉軸20設置於底板13中心，旋轉託架10固定在旋轉旋轉軸20上，當進行CT掃描時，由驅動組件14帶動旋轉軸20旋轉，進而帶動旋轉託架10和上部的試件旋轉，得到試件360度的掃描圖像，根據需要可調整旋轉的速度來得到精確的圖像。
所述測控系統包括伺服加載控制系統、LVDT位移傳感器、力傳感器和電機控制器；伺服加載控制系統用於對法向壓力和剪切力進行伺服控制；在上述法向加載裝置1的四周，頂板3和上剪切盒8之間對稱設置4個法向LVDT位移傳感器5，測量試件9的法向位移；在上述下剪切盒16和旋轉託架10之間設置橫向LVDT位移傳感器11，測量試件9的剪切位移；千斤頂的壓頭上設置力傳感器用於測量軸向力；電機控制器用於控制旋轉裝置的轉速和轉向。
所述的CT掃描裝置包括設置於試件9相對兩側的CT放射源21和CT探測器22，放射線穿過上述主機框架立柱之間的空間，主機框架不動而試件9旋轉，試件節理面附近的部分不被遮擋，便於觀測其內部的破壞情況。