一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法

摘要

本发明公开了一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法，主要运用在实验室内岩芯的抗压性能测试中，以期获取岩芯全程应力‑应变曲线。该方法在岩芯加载过程中，通过微焦点CT扫描仪对岩芯表面固定位置处的轴向应变量和环向应变量进行实时监测，并通过主控计算设备进行不同时刻扫描图像间应变量的对比计算，然后将计算结果反馈至机械加载装置并调节其加载方式，当所述岩芯表面监测点轴向应变量或环向应变量到达设定阈值时，所述加载装置的加载方式将自动由位移控制调整为应力控制，以获取所述岩芯的全程应力‑应变曲线。本发明可以精确获取岩芯峰后变形和强度特征，为作业形式和检测手段等关键技术的研究开发提供了有利的条件。

权利要求

1.一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法，包括岩芯、主控计算设备、重金属隔离室、工业CT扫描加载实验台和微焦点CT扫描仪，其特征在于，所述岩芯安装在位于重金属隔离室内的工业CT扫描加载实验台的转盘上，所述微焦点CT扫描仪对所述岩芯表面固定位置处的轴向应变量和环向应变量进行实时监测，并通过所述主控计算设备进行不同时刻扫描图像间应变量的对比计算，然后将计算结果反馈至所述工业CT扫描加载实验台的机械加载装置并调节其加载方式，当所述岩芯表面监测点轴向应变量或环向应变量到达设定阈值时，所述加载装置的加载方式将自动由位移控制调整为应力控制，以获取所述岩芯的全程压缩应力-应变曲线。

2.根据权利要求1所述的一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法，其特征在于，所述工业CT扫描加载实验台位于重金属隔离室内，其垂直方向设置有机械加载装置，机械加载装置连接有第一无线收发器，并包含传感器和嵌入式处理系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法，其特征在于，所述岩芯表面设置有轴向应变量监测点或环向应变量监测点，轴向应变量监测点应均匀分布于岩芯轴向中心两端，环向应变量监测点在靠近岩芯中部附近。

4.根据权利要求1所述的一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法，其特征在于，所述微焦点CT扫描仪包括X射线管、扇形X射线束、数据采集器、旋转控制器和旋转控制器上的转盘，旋转控制器上的转盘位于旋转控制器上方，X射线管发射扇形X射线束，数据采集器采集数据，对岩芯表面固定位置处的轴向应变量和环向应变量进行实时监测，并将数据采集器上的监测结果通过有线线缆传输至所述主控计算设备。

5.根据权利要求1所述的一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法，其特征在于，所述主控计算设备为个人计算机，连接有第二无线收发器，通过有线线缆与无线接收模块相连，通过有线线缆与所述微焦点CT扫描仪的数据采集器相连接，其总线上连接有人机界面模块，主控计算设备可设定应变量变化阈值，当所述岩芯表面监测点轴向应变量或环向应变量到达设定阈值时，所述主控计算设备将调节所述工业CT扫描加载实验台的加载方式由位移控制转变为应力控制。

说明书

一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩芯加载技术和工业计算机断层扫描成像技术，尤其涉及一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法。

背景技术

[0002] 岩石作为地球形成、地壳地质活动衍化的产物，被广泛应用于各类建筑物地基、围岩或建筑材料等工程建设领域。抗压强度作为岩石物理力学性质的重要参数之一，能直接反映岩石的坚硬程度。在矿山、地质、冶金、铁路、公路、水电水利及其他工程建设领域，岩石抗压强度是划分岩石坚硬程度、开挖分级并确定可钻性等的重要依据。

[0003] 然而，在传统的岩石压缩试验机条件下，在试件达到峰值强度前，试件的变形是逐步和缓慢的，当达到峰值强度后，试件将发生突发性破坏，试件被崩裂，岩石碎块四面飞射，并伴随很大声响，试验突然停止，只能得到岩石试件的半程应力应变曲线，无法获取其峰后变形和强度特征。目前，针对如何满足岩石的全程压缩试验要求已有一些研究。大部分研究的重点在于如何提高试验机的刚度，为此出现了刚性试验机。然而刚性试验机加载条件单一，对于特定试验对象只能采用单一的位移加载或应力加载条件，不利于获取准确的峰后变形和强度特征；对试验机等机械加载装置要求较高，试验设备复杂、体积庞大，不适宜一般机构的推广使用；不能根据试验岩芯的不同种类设定适宜的加载速度或应力条件，设备性能还需继续提高。

[0004] 因此，如何改进试验加载条件以获取岩芯的全程压缩应力应变数据成为重要的研究内容。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于，提供一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法，基于该方法，可以通过微焦点CT扫描仪对加载岩芯表面固定位置处的轴向应变量和环向应变量进行实时监测，并通过主控计算设备将结果反馈至机械加载装置并调节其加载方式，最大程度地准确获取负载敏感岩芯的全程应力应变曲线。

[0006] 本发明其技术问题所采用的技术方案是：

[0007] 一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法，所需加载系统包括：主控计算设备、重金属隔离室、工业CT扫描加载实验台和微焦点CT扫描仪，所述工业CT扫描加载实验台的垂直转台上设置有机械加载装置，所述主控计算设备与所述机械加载装置通过无线网络远程连接，所述主控计算设备通过有线线缆与所述微焦点CT扫描仪的数据采集器相连接，所述微焦点CT扫描仪对所述加载岩芯表面固定位置处的轴向应变量和环向应变量进行实时监测，并通过所述主控计算设备处理后将结果反馈至所述机械加载装置并调节其加载方式，以准确获取负载敏感岩芯的全程应力应变曲线。

[0008] 在上述一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法中，优选所述工业CT扫描加载实验台位于重金属隔离室内，其垂直方向设置有机械加载装置，机械加载装置连接有第一无线收发器，并包含传感器和嵌入式处理系统。

[0009] 在上述一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法中，优选所述岩芯表面设置有轴向应变量监测点或环向应变量监测点，轴向应变量监测点应均匀分布于岩芯轴向中心两端，环向应变量监测点在靠近岩芯中部附近。

[0010] 在上述一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法中，优选所述微焦点CT扫描仪包括X射线管(源)、扇形X射线束、数据采集器、旋转控制器和旋转控制器上的转盘，旋转控制器上的转盘位于旋转控制器上方，X射线管(源)发射扇形X射线束，数据采集器采集数据，对岩芯表面固定位置处的轴向应变量和环向应变量进行实时监测，并将数据采集器上的监测结果通过有线线缆传输至所述主控计算设备。

[0011] 在上述一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法中，优选所述主控计算设备为个人计算机，连接有第二无线收发器，通过有线线缆与所述无线接收模块相连，通过有线线缆与所述微焦点CT扫描仪的数据采集器相连接，其总线上连接有人机界面模块，主控计算设备可设定应变量变化阈值，当所述岩芯表面监测点轴向应变量或环向应变量到达设定阈值时，所述主控计算设备将调节所述工业CT扫描加载实验台的加载方式由位移控制转变为应力控制。

[0012] 相对于现有技术中，本发明具有如下有益效果：

[0013] 通过微焦点CT扫描仪对加载岩芯表面固定位置处的轴向应变量和环向应变量进行实时监测，并通过主控计算设备将结果反馈至机械加载装置并调节其加载方式，最大程度地准确获取负载敏感岩芯的全程应力应变曲线。本发明克服了长期以来由于“软”性试验机的刚度不足引起试件突发性破坏从而无法得到其全应力-应变曲线的缺陷，可以精确获取岩芯峰后变形和强度特征，为作业形式和检测手段等关键技术的研究开发提供了有利的条件。

附图说明

[0014] 当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的有益效果，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

[0015] 图1为本发明所用工业CT扫描加载实验台的自动加载系统实施例的简单物理结构示意图；

[0016] 图2为本发明所用微焦点CT扫描仪俯视图；

[0017] 图3为本发明所用岩芯监测点布设位置示意图。

[0018] 附图标记说明：110-工业CT扫描加载实验台；120-重金属隔离室；130-主控计算设备；1-数据采集器；2-旋转控制器；3-旋转控制器上的转盘；4-扇形X射线束；5-X射线管(源)；6-岩芯；7-轴向应变监测点；8-环向应变监测点；9-微焦点CT扫描仪。

具体实施方式

[0019] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0020] 如图1～3，图1为本发明所用工业CT扫描加载实验台的自动加载系统实施例的简单物理结构示意图，图2为本发明所用微焦点CT扫描仪俯视图，图3为本发明所用岩芯监测点布设位置示意图，该岩芯加载系统包括位于重金属隔离室120内的工业CT扫描加载实验台110，主控计算设备130，岩芯6和微焦点CT扫描仪，所述微焦点CT扫描仪9包括X射线管(源)5、扇形X射线束4、数据采集器1、旋转控制器2和旋转控制器上的转盘3，所述岩芯6安装在旋转控制器上的转盘3上，所述岩芯6的表面设置有轴向应变量监测点7或环向应变量监测点8。所述工业CT扫描加载实验台110的垂直转台上设置有机械加载装置，所述主控计算设备130通过有线线缆与所述微焦点CT扫描仪9的数据采集器1相连接，所述主控计算设备130与所述机械加载装置远程无线连接，并将应变量计算结果反馈至所述机械加载装置，以控制所述工业CT扫描加载实验台110的扫描加载运动。

[0021] 为了保证微焦点CT扫描仪9能够准确实时地对岩芯6进行应变量监测，岩芯6表面设置有轴向应变量监测点7或环向应变量监测点8，轴向应变量监测点7应均匀分布于岩芯轴向中心两端，环向应变量监测点8应尽量选取在靠近岩芯中部附近。

[0022] 其中，岩芯6可为实际岩石材料，或者为模拟岩石材料；岩芯6可设计为：直径25mm，高度为50mm的圆柱体；位于工业CT扫描加载实验台110垂直转台上的机械加载装置可实现自动加载最大2吨的轴向力载荷；微焦点CT扫描仪9最小扫描分辨率可达5μm，扫描图像间隔约为8μs。

[0023] 一种基于CT快速成像的负载敏感岩芯加载方法实例

[0024] 下面结合图2和图3进一步对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0025] 本实施例在岩芯加载初始阶段，微焦点CT扫描仪即对岩芯6表面的轴向应变量监测点7或环向应变量监测点8实施监测快速扫描，扫描图像由数据采集器1经有线线缆传输至主控计算设备130，主控计算设备130的总线上连接有人机界面模块，通过人机交互的方式，接收操作人员发出的控制指令以及显示所述机械加载装置的加载状态和所述微焦点CT扫描仪9所监测的岩芯表面固定位置处的轴向应变量和环向应变量变化情况，并对传输的扫描图像进行实时分析，计算监测点的轴向应变量变化值或环向应变量变化值，在主控计算设备130的数据处理模块中可提前根据岩芯6种类的不同设定适宜的应变量变化阈值，当监测点的轴向应变量变化值或环向应变量变化值达到该阈值时，即表明岩芯已到达其峰值强度，所述主控计算设备130将计算结果反馈至所述机械加载装置并调节其加载方式，岩芯6的加载方式将自动由位移控制调整为应力控制，并根据微焦点CT扫描仪9所快速扫描的图像，进行岩芯6加载应力大小的实时调整，以获得岩芯6在峰值破坏后的强度特征，最终得到所述岩芯6的全程压缩应力-应变曲线。

[0026] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。