一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统及方法

摘要

一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统及方法，系统包括真三轴试验仪、自动转盘、CT射线源、CT探测器、控制柜及控制台；真三轴试验仪设在自动转盘上，真三轴试验仪位于CT射线源与CT探测器中间，真三轴试验仪通过气液管线与控制柜相连，控制台与控制柜电连接。方法为：封装岩石试样并送入真三轴试验仪内，调整CT射线源和CT探测器位置，接通各设备电源，施加围压和轴向载荷并启动加热，启动自动转盘使真三轴试验仪转动，通过CT射线源和CT探测器对真三轴试验仪中心处的岩石试样进行实时在线扫描，对扫描数据进行记录和存储；真三轴试验仪旋转设定角度后关闭自动转盘；真三轴试验仪复位，卸载围压和轴向载荷并关闭加热，根据扫描数据图像重建。

权利要求

1.一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统，其特征在于：包括真三轴试验仪、自动转盘、CT射线源、CT探测器、控制柜及控制台；所述真三轴试验仪设置在自动转盘上，真三轴试验仪位于CT射线源与CT探测器中间，真三轴试验仪通过气液管线与控制柜相连，所述控制台与控制柜进行电连接；所述控制柜用于控制真三轴试验仪的加卸载动作；所述控制台用于向真三轴试验仪和自动转盘发送控制指令，以及用于存储和处理由CT射线源和CT探测器配合工作产生的CT扫描数据和图像；

所述真三轴试验仪包括第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器、第二中主应力作动器、加载仓、夹持仓及液压油箱；所述液压油箱固定安装在自动转盘上，所述加载仓固定安装在液压油箱顶部，在加载仓中心竖直开设有夹持仓安装孔道，所述夹持仓竖直固装在加载仓的夹持仓安装孔道内；所述第一大主应力作动器竖直固装在夹持仓顶部，所述第二大主应力作动器竖直固装在夹持仓底部，且第二大主应力作动器隐藏设置在液压油箱内部；所述第一中主应力作动器水平固装在加载仓左侧部，所述第二中主应力作动器水平固装在加载仓右侧部；在所述夹持仓中心设置有加热箱，在加热箱的上、下、左、右四面箱壁上均开设有加载孔，每个加载孔内由内至外均分别设置有压头、隔热垫及压块；所述第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器、第二中主应力作动器均直接与各自对应加载孔内的压块施力配合；在所述加热箱底部箱板内表面设置有加热板，加热箱中心用于放置岩石试样；

所述自动转盘包括转盘底板、转盘箱体、转盘顶板、转盘回转板、回转驱动电机及旋转轴杆；所述转盘底板水平固装在地面上，所述转盘箱体固定安装在转盘底板上，所述转盘顶板水平固装在转盘箱体顶部；所述回转驱动电机竖着安装在转盘箱体内部中心处，回转驱动电机的电机轴朝上，所述旋转轴杆竖直穿过转盘顶板，旋转轴杆下端与回转驱动电机的电机轴相固连；所述转盘回转板水平设置在转盘顶板上方，所述旋转轴杆上端与转盘回转板相固连，转盘回转板相对于转盘顶板具有回转自由度；所述液压油箱固装在转盘回转板上表面；

所述第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器、第二中主应力作动器、加载仓及夹持仓的材质均为聚碳酸酯，所述转盘底板、转盘箱体、转盘顶板、转盘回转板及旋转轴杆的材质均为刚性金属材料；所述加热箱及隔热垫的材质均为复合陶瓷；所述气液管线采用柔性管线；

所述岩石试样由互扣式夹具进行封装，在互扣式夹具上安装有用于测量岩石试样在大主应力方向和中主应力方向变形量的LVDT位移传感器，且在互扣式夹具与岩石试样之间安装有用于测量岩石试样小主应力方向变形量的LVDT位移传感器；所述互扣式夹具的材质为聚碳酸酯或高强铝合金；

所述加热箱采用组合式拼装结构，加热箱的前侧箱板和后侧箱板由贯穿式通长螺杆进行封装固定。

2.一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验方法，采用了权利要求1所述的融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统，其特征在于包括如下步骤：步骤一：将制备好的岩石试样封装到互扣式夹具内，同时将三个主应力方向上的LVDT位移传感器安装到位，最终形成组合体，随后将组合体送入真三轴试验仪内；

步骤二：先完成各传感器的接线连接，然后完成加热箱的封装；

步骤三：调整CT射线源和CT探测器的位置，使CT射线源和CT探测器与真三轴试验仪中心处的岩石试样正对；

步骤四：整理气液管线，防止真三轴试验仪旋转时发生气液管线打结；

步骤五：接通回转驱动电机电源，同时接通CT射线源和CT探测器的电源；

步骤六：先控制真三轴试验仪向岩石试样施加围压至设定值，然后启动加热板使岩石试样所处环境温度达到设定值，再控制真三轴试验仪向岩石试样同步施加中间主应力和最大主应力至中间主应力设定值，最后控制真三轴试验仪向岩石试样施加轴向载荷；

步骤七：先通过控制台设定转盘回转板的旋转速率，并在规定时刻由控制台向回转驱动电机发达启动指令，进而由回转驱动电机驱动转盘回转板按设定旋转速率进行转动，并带动其上的真三轴试验仪同步转动，旋转时注意观察气液管线的缠绕情况；

步骤八：在真三轴试验仪旋转过程中，通过CT射线源和CT探测器对真三轴试验仪中心处的岩石试样进行实时在线扫描，扫描数据由控制台进行记录和存储；

步骤九：当真三轴试验仪旋转一周后或旋转到设定角度时，关闭回转驱动电机，使真三轴试验仪停止旋转；

步骤十：控制真三轴试验仪重复旋转，并且在真三轴试验仪旋转过程中持续通过CT射线源和CT探测器对真三轴试验仪中心处的岩石试样进行实时在线扫描，直到岩石试样加载试验结束；

步骤十一：反向启动回转驱动电机，以设定旋转速率控制真三轴试验仪回转到初始位置，先卸载最大主应力和中间主应力，再关闭加热板，待环境温度恢复常温后，再卸载围压，最后将岩石试样取出；

步骤十二：根据获得的扫描投影数据进行图像重建，可获得任一时刻或任一应力状态下的岩石试样变形及内部裂纹状态。

说明书

一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于岩石力学与工程技术领域，特别是涉及一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统及方法。

背景技术

[0002] 在岩石力学领域中，岩石试样的力学试验占有及其重要的地位，并且在岩石力学研究中发挥了不可或缺的作用。岩石力学领域中拥有多种试验方法，包括单轴试验、常规三
轴试验和真三轴试验，而真三轴试验是探究岩石力学性质的重要方式，其在岩石力学领域
中有着不可替代的作用。

[0003] 在真三轴试验中，岩石试样处于密闭的真三轴试验机内，不能实时观察和分析岩石试样在某一应力条件下的状态，只能在试验后分析其破坏形式或裂纹状态。并且在采用
典型的真三轴试验系统时，还不能分析在试验过程中岩石试样的裂隙拓展过程和各个应力
状态下试样的实时变化。然而，在岩石力学试验过程中，各个时刻的状态和实时演变的过程
对揭露岩石力学性质具有重要的意义。

[0004] 为此，通过CT扫描技术便可以直观、定量和无损地测量岩土材料在受力过程中内部结构的变化过程。但是，现有的岩石试样CT扫描系统均是在岩石试验完成并从加载仓取
出后，再进行扫描并分析其裂纹形态和破坏规律的。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统及方法，能够在高温高压真三轴试验过程中对岩石试样进行360°实时CT扫描，还可
以在任意方位角下对试验机内部的岩石试样进行实时CT扫描，通过图像重建技术，可生成
高温高压真三轴应力条件下岩石试样实时状态图像，用以揭露岩石材料在真三轴应力状态
下的实时变形和破坏演化规律，为进一步揭示岩石力学性质提供了重要手段。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统，包括真三轴试验仪、自动转盘、CT射线源、CT探测器、控制柜及控制台；所
述真三轴试验仪设置在自动转盘上，真三轴试验仪位于CT射线源与CT探测器中间，真三轴
试验仪通过气液管线与控制柜相连，所述控制台与控制柜进行电连接；所述控制柜用于控
制真三轴试验仪的加卸载动作；所述控制台用于向真三轴试验仪和自动转盘发送控制指
令，以及用于存储和处理由CT射线源和CT探测器配合工作产生的CT扫描数据和图像。

[0007] 所述真三轴试验仪包括第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器、第二中主应力作动器、加载仓、夹持仓及液压油箱；所述液压油箱固定安装在自
动转盘上，所述加载仓固定安装在液压油箱顶部，在加载仓中心竖直开设有夹持仓安装孔
道，所述夹持仓竖直固装在加载仓的夹持仓安装孔道内；所述第一大主应力作动器竖直固
装在夹持仓顶部，所述第二大主应力作动器竖直固装在夹持仓底部，且第二大主应力作动
器隐藏设置在液压油箱内部；所述第一中主应力作动器水平固装在加载仓左侧部，所述第
二中主应力作动器水平固装在加载仓右侧部；在所述夹持仓中心设置有加热箱，在加热箱
的上、下、左、右四面箱壁上均开设有加载孔，每个加载孔内由内至外均分别设置有压头、隔
热垫及压块；所述第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器、第二
中主应力作动器均直接与各自对应加载孔内的压块施力配合；在所述加热箱底部箱板内表
面设置有加热板，加热箱中心用于放置岩石试样。

[0008] 所述自动转盘包括转盘底板、转盘箱体、转盘顶板、转盘回转板、回转驱动电机及旋转轴杆；所述转盘底板水平固装在地面上，所述转盘箱体固定安装在转盘底板上，所述转
盘顶板水平固装在转盘箱体顶部；所述回转驱动电机竖着安装在转盘箱体内部中心处，回
转驱动电机的电机轴朝上，所述旋转轴杆竖直穿过转盘顶板，旋转轴杆下端与回转驱动电
机的电机轴相固连；所述转盘回转板水平设置在转盘顶板上方，所述旋转轴杆上端与转盘
回转板相固连，转盘回转板相对于转盘顶板具有回转自由度；所述液压油箱固装在转盘回
转板上表面。

[0009] 所述第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器、第二中主应力作动器、加载仓及夹持仓的材质均为聚碳酸酯，所述转盘底板、转盘箱体、转盘顶板、转
盘回转板及旋转轴杆的材质均为刚性金属材料；所述加热箱及隔热垫的材质均为复合陶
瓷；所述气液管线采用柔性管线。

[0010] 所述岩石试样由互扣式夹具进行封装，在互扣式夹具上安装有用于测量岩石试样在大主应力方向和中主应力方向变形量的LVDT位移传感器，且在互扣式夹具与岩石试样之
间安装有用于测量岩石试样小主应力方向变形量的LVDT位移传感器；所述互扣式夹具的材
质为聚碳酸酯或高强铝合金。

[0011] 所述加热箱采用组合式拼装结构，加热箱的前侧箱板和后侧箱板由贯穿式通长螺杆进行封装固定。

[0012] 一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验方法，采用了所述的融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统，包括如下步骤：

[0013] 步骤一：将制备好的岩石试样封装到互扣式夹具内，同时将三个主应力方向上的LVDT位移传感器安装到位，最终形成组合体，随后将组合体送入真三轴试验仪内；

[0014] 步骤二：先完成各传感器的接线连接，然后完成加热箱的封装；

[0015] 步骤三：调整CT射线源和CT探测器的位置，使CT射线源和CT探测器与真三轴试验仪中心处的岩石试样正对；

[0016] 步骤四：整理气液管线，防止真三轴试验仪旋转时发生气液管线打结；

[0017] 步骤五：接通回转驱动电机电源，同时接通CT射线源和CT探测器的电源；

[0018] 步骤六：先控制真三轴试验仪向岩石试样施加围压至设定值，然后启动加热板使岩石试样所处环境温度达到设定值，再控制真三轴试验仪向岩石试样同步施加中间主应力
和最大主应力至中间主应力设定值，最后控制真三轴试验仪向岩石试样施加轴向载荷；

[0019] 步骤七：先通过控制台设定转盘回转板的旋转速率，并在规定时刻由控制台向回转驱动电机发达启动指令，进而由回转驱动电机驱动转盘回转板按设定旋转速率进行转
动，并带动其上的真三轴试验仪同步转动，旋转时注意观察气液管线的缠绕情况；

[0020] 步骤八：在真三轴试验仪旋转过程中，通过CT射线源和CT探测器对真三轴试验仪中心处的岩石试样进行实时在线扫描，扫描数据由控制台进行记录和存储；

[0021] 步骤九：当真三轴试验仪旋转一周后或旋转到设定角度时，关闭回转驱动电机，使真三轴试验仪停止旋转；

[0022] 步骤十：控制真三轴试验仪重复旋转，并且在真三轴试验仪旋转过程中持续通过CT射线源和CT探测器对真三轴试验仪中心处的岩石试样进行实时在线扫描，直到岩石试样
加载试验结束；

[0023] 步骤十一：反向启动回转驱动电机，以设定旋转速率控制真三轴试验仪回转到初始位置，先卸载最大主应力和中间主应力，再关闭加热板，待环境温度恢复常温后，再卸载
围压，最后将岩石试样取出；

[0024] 步骤十二：根据获得的扫描投影数据进行图像重建，可获得任一时刻或任一应力状态下的岩石试样变形及内部裂纹状态。

[0025] 本发明的有益效果：

[0026] 本发明的融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统及方法，能够在高温高压真三轴试验过程中对岩石试样进行360°实时CT扫描，还可以在任意方位角下对试验机内部的
岩石试样进行实时CT扫描，通过图像重建技术，可生成高温高压真三轴应力条件下岩石试
样实时状态图像，用以揭露岩石材料在真三轴应力状态下的实时变形和破坏演化规律，为
进一步揭示岩石力学性质提供了重要手段。

附图说明

[0027] 图1为本发明的一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统的俯视图；

[0028] 图2为本发明的一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统的俯视图(真三轴试验仪旋转60°时)；

[0029] 图3为本发明的一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统的正视图；

[0030] 图4为本发明的一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统的侧视图(控制柜和控制台未示出)；

[0031] 图5为本发明的真三轴试验仪的俯视图(局部剖视)；

[0032] 图6为本发明的真三轴试验仪与自动转盘的装配体正视图(整体剖视)；

[0033] 图7为本发明的加载仓、夹持仓及加热箱的装配体正视图(整体剖视)；

[0034] 图8为本发明的加热箱、互扣式夹具、岩石试样、LVDT位移传感器、压头、隔热垫及压块的装配体正视图(局部剖视)；

[0035] 图中，1—真三轴试验仪，2—自动转盘，3—CT射线源，4—CT探测器，5—控制柜，6—控制台，7—气液管线，8—岩石试样，9—互扣式夹具，10—LVDT位移传感器，101—第一
大主应力作动器，102—第二大主应力作动器，103—第一中主应力作动器，104—第二中主
应力作动器，105—加载仓，106—夹持仓，107—液压油箱，108—加热箱，109—压头，110—
隔热垫，111—压块，112—加热板，201—转盘底板，202—转盘箱体，203—转盘顶板，204—
转盘回转板，205—回转驱动电机，206—旋转轴杆。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

[0037] 如图1～8所示，一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统，包括真三轴试验仪1、自动转盘2、CT射线源3、CT探测器4、控制柜5及控制台6；所述真三轴试验仪1设置在
自动转盘2上，真三轴试验仪1位于CT射线源3与CT探测器4中间，真三轴试验仪1通过气液管
线7与控制柜5相连，所述控制台6与控制柜5进行电连接；所述控制柜5用于控制真三轴试验
仪1的加卸载动作；所述控制台6用于向真三轴试验仪1和自动转盘2发送控制指令，以及用
于存储和处理由CT射线源3和CT探测器4配合工作产生的CT扫描数据和图像。

[0038] 所述真三轴试验仪1包括第一大主应力作动器101、第二大主应力作动器102、第一中主应力作动器103、第二中主应力作动器104、加载仓105、夹持仓106及液压油箱107；所述
液压油箱107固定安装在自动转盘2上，所述加载仓105固定安装在液压油箱107顶部，在加
载仓105中心竖直开设有夹持仓安装孔道，所述夹持仓106竖直固装在加载仓105的夹持仓
安装孔道内；所述第一大主应力作动器101竖直固装在夹持仓106顶部，所述第二大主应力
作动器102竖直固装在夹持仓106底部，且第二大主应力作动器102隐藏设置在液压油箱107
内部；所述第一中主应力作动器103水平固装在加载仓105左侧部，所述第二中主应力作动
器104水平固装在加载仓105右侧部；在所述夹持仓106中心设置有加热箱108，在加热箱108
的上、下、左、右四面箱壁上均开设有加载孔，每个加载孔内由内至外均分别设置有压头
109、隔热垫110及压块111；所述第一大主应力作动器101、第二大主应力作动器102、第一中
主应力作动器103、第二中主应力作动器104均直接与各自对应加载孔内的压块111施力配
合；在所述加热箱108底部箱板内表面设置有加热板112，加热箱108中心用于放置岩石试样
8。

[0039] 所述自动转盘2包括转盘底板201、转盘箱体202、转盘顶板203、转盘回转板204、回转驱动电机205及旋转轴杆206；所述转盘底板201水平固装在地面上，所述转盘箱体202固
定安装在转盘底板201上，所述转盘顶板203水平固装在转盘箱体202顶部；所述回转驱动电
机205竖着安装在转盘箱体202内部中心处，回转驱动电机205的电机轴朝上，所述旋转轴杆
206竖直穿过转盘顶板203，旋转轴杆206下端与回转驱动电机205的电机轴相固连；所述转
盘回转板204水平设置在转盘顶板203上方，所述旋转轴杆206上端与转盘回转板204相固
连，转盘回转板204相对于转盘顶板203具有回转自由度；所述液压油箱107固装在转盘回转
板204上表面。

[0040] 所述第一大主应力作动器101、第二大主应力作动器102、第一中主应力作动器103、第二中主应力作动器104、加载仓105及夹持仓106的材质均为聚碳酸酯，所述转盘底板
201、转盘箱体202、转盘顶板203、转盘回转板204及旋转轴杆206的材质均为刚性金属材料；
所述加热箱108及隔热垫110的材质均为复合陶瓷；所述气液管线7采用柔性管线。

[0041] 所述岩石试样8由互扣式夹具9进行封装，在互扣式夹具9上安装有用于测量岩石试样8在大主应力方向和中主应力方向变形量的LVDT位移传感器10，且在互扣式夹具9与岩
石试样8之间安装有用于测量岩石试样8小主应力方向变形量的LVDT位移传感器10；所述互
扣式夹具9的材质为聚碳酸酯或高强铝合金。

[0042] 所述加热箱108采用组合式拼装结构，加热箱108的前侧箱板和后侧箱板由贯穿式通长螺杆进行封装固定。

[0043] 一种融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验方法，采用了所述的融合微观CT在线扫描的岩石真三轴试验系统，包括如下步骤：

[0044] 步骤一：将制备好的尺寸为35mm×35mm×70mm的岩石试样8封装到互扣式夹具9内，同时将三个主应力方向上的LVDT位移传感器10安装到位，最终形成组合体，随后将组合
体送入真三轴试验仪1内；

[0045] 步骤二：先完成各传感器的接线连接，然后完成加热箱108的封装；

[0046] 步骤三：调整CT射线源3和CT探测器4的位置，使CT射线源3和CT探测器4与真三轴试验仪1中心处的岩石试样8正对；

[0047] 步骤四：整理气液管线7，防止真三轴试验仪1旋转时发生气液管线7打结；

[0048] 步骤五：接通回转驱动电机205电源，同时接通CT射线源3和CT探测器4的电源；

[0049] 步骤六：先控制真三轴试验仪1向岩石试样8施加围压至设定值，然后启动加热板112使岩石试样8所处环境温度达到设定值，再控制真三轴试验仪1向岩石试样8同步施加中
间主应力和最大主应力至中间主应力设定值，最后控制真三轴试验仪1向岩石试样8施加轴
向载荷；

[0050] 步骤七：先通过控制台6设定转盘回转板204的旋转速率，并在规定时刻由控制台6向回转驱动电机205发达启动指令，进而由回转驱动电机205驱动转盘回转板204按设定旋
转速率进行转动，并带动其上的真三轴试验仪1同步转动，旋转时注意观察气液管线7的缠
绕情况；

[0051] 步骤八：在真三轴试验仪1旋转过程中，通过CT射线源3和CT探测器4对真三轴试验仪1中心处的岩石试样8进行实时在线扫描，扫描数据由控制台6进行记录和存储；

[0052] 步骤九：当真三轴试验仪1旋转一周后或旋转到设定角度时，关闭回转驱动电机205，使真三轴试验仪1停止旋转；

[0053] 步骤十：控制真三轴试验仪1重复旋转，并且在真三轴试验仪1旋转过程中持续通过CT射线源3和CT探测器4对真三轴试验仪1中心处的岩石试样8进行实时在线扫描，直到岩
石试样8加载试验结束；

[0054] 步骤十一：反向启动回转驱动电机205，以设定旋转速率控制真三轴试验仪1回转到初始位置，先卸载最大主应力和中间主应力，再关闭加热板112，待环境温度恢复常温后，
再卸载围压，最后将岩石试样8取出；

[0055] 步骤十二：根据获得的扫描投影数据进行图像重建，可获得任一时刻或任一应力状态下的岩石试样8变形及内部裂纹状态。

[0056] 实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。