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)，具體為一種適用于CT三維實(shí)時(shí)掃描的巖石節(jié)理直接剪切試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

理解巖石節(jié)理的剪切特性在水利水電開(kāi)發(fā)、礦產(chǎn)資源開(kāi)采、地下交通、鐵路建設(shè)、核廢料儲(chǔ)存以及諸多涉及巖土工程的領(lǐng)域中具有重要的意義。巖石節(jié)理的剪切破壞，通常是由于節(jié)理表面接觸部附近微裂隙的起裂、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。CT掃描技術(shù)，可以在試驗(yàn)過(guò)程中得到試件內(nèi)部的高精度掃描圖像，從而了解試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，為從微觀(guān)上理解試件的力學(xué)性質(zhì)提供直接和有益的幫助。

目前大部分剪切設(shè)備適用于圓柱體試件，可以測(cè)試立方體試件的設(shè)備較少，而相對(duì)于圓柱體試件，立方體試件的應(yīng)力分布更為均勻，得到的力學(xué)參數(shù)更為準(zhǔn)確。在對(duì)試件進(jìn)行CT掃描時(shí)，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(huì)嚴(yán)重影響成像的質(zhì)量和精度，所以很多過(guò)去開(kāi)發(fā)的儀器采用碳纖維等輕質(zhì)材料來(lái)制作加載框架。然而，碳纖維材料雖然具有較高的抗拉強(qiáng)度，但抗彎、抗壓的強(qiáng)度并不高，使得儀器的整體剛度較低，影響高應(yīng)力條件下試驗(yàn)的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，節(jié)理面的剪切破壞集中于節(jié)理表面附近處，所以需要開(kāi)發(fā)一種將試件的節(jié)理部分裸露在外的試驗(yàn)儀器來(lái)改善CT成像的質(zhì)量。另外，如果在CT掃描中不旋轉(zhuǎn)試件，則只能得到部分二維斷面的信息，要實(shí)現(xiàn)三維成像，必須在試驗(yàn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)試件或者旋轉(zhuǎn)CT放射源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有巖石節(jié)理直接剪切試驗(yàn)系統(tǒng)的無(wú)法三維成像、穩(wěn)定性較差的不足，本發(fā)明提供一種穩(wěn)定性良好、實(shí)現(xiàn)三維成像的適用于CT三維實(shí)時(shí)掃描的巖石節(jié)理直接剪切試驗(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：

一種適用于CT三維實(shí)時(shí)掃描的巖石節(jié)理直接剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，包括用于承載剪切儀的主機(jī)框架、用于裝載巖石節(jié)理試件的上剪切盒和下剪切盒、用于實(shí)現(xiàn)上剪切盒、下剪切盒、橫向加載裝置一起旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置以及用于實(shí)現(xiàn)三維CT掃描的CT掃描裝置；

巖石節(jié)理試件放置于上剪切盒和下剪切盒之間，所述上剪切盒的上部連接旋轉(zhuǎn)墊片，所述旋轉(zhuǎn)墊片與用于對(duì)巖石節(jié)理試件施加法向壓力的法向加載裝置的動(dòng)作端連接；所述下剪切盒放置于旋轉(zhuǎn)托架上，用于對(duì)巖石節(jié)理試件施加橫向剪切力的橫向加載裝置固定在旋轉(zhuǎn)托架上，所述橫向加載裝置的動(dòng)作端抵觸在下剪切盒的側(cè)邊，所述旋轉(zhuǎn)托架與所述旋轉(zhuǎn)裝置的動(dòng)作端連接；所述旋轉(zhuǎn)托架、上剪切盒、下剪切盒和旋轉(zhuǎn)墊片呈同軸設(shè)置；

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

進(jìn)一步，所述上剪切盒放置于用于限制上剪切盒側(cè)向運(yùn)動(dòng)的固定套筒內(nèi)，所述固定套筒安裝在所述主機(jī)框架上。

再進(jìn)一步，所述上剪切盒的外側(cè)壁與所述固定套筒的內(nèi)壁之間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠連接；所述下剪切盒的底面與旋轉(zhuǎn)托架的工作面之間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠連接。

優(yōu)選的，所述上剪切盒和下剪切盒為凹型中空?qǐng)A柱體，內(nèi)空部分別鑲嵌試件長(zhǎng)度的1/5，所述試件的中間3/5長(zhǎng)度外露。當(dāng)然，也可以是其他形狀或尺寸，只要能夠固定巖石節(jié)理試件即可。所述試件可為立方體試件或圓柱體試件。

更進(jìn)一步，所述上剪切盒和主機(jī)框架的頂板之間設(shè)置用于測(cè)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(zhuǎn)托架之間設(shè)置用于測(cè)量試件的剪切位移的橫向LVDT位移傳感器。

所述主機(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度旋轉(zhuǎn)試件，得到試件內(nèi)部裂隙等構(gòu)造的三維立體圖像；

2)由于上下剪切盒之間留有空間，巖石試件的節(jié)理部分無(wú)任何遮擋物，可以得到節(jié)理本身高清、高精度的三維CT掃描圖像；

3)可測(cè)量立方體試件和圓柱體試件的剪切變形特征，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，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(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是本發(fā)明總裝結(jié)構(gòu)剖面示意圖；

圖2是圖1中點(diǎn)線(xiàn)處的俯視剖面圖(采用立方體試件時(shí))；

圖3是下剪切盒與試件俯視圖(采用圓柱體試件時(shí))；

圖4是CT掃描裝置側(cè)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(zhuǎn)墊片；7-上轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)托架；11-橫向LVDT位移傳感器；12-固定夾具；13-底板；14-驅(qū)動(dòng)組件；15-立柱；16-下剪切盒；17-橫向加載裝置；18-加壓頭；19-下轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠；20-旋轉(zhuǎn)軸；21-CT放射源；22-CT探測(cè)器。

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4，一種適用于CT三維實(shí)時(shí)掃描的巖石節(jié)理直接剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，包括用于承載剪切儀的主機(jī)框架、用于裝載巖石節(jié)理試件的上剪切盒、下剪切盒、用于實(shí)現(xiàn)上剪切盒、下剪切盒、橫向加載裝置一起旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置、以及用于實(shí)現(xiàn)三維CT掃描的CT掃描裝置。

所述巖石節(jié)理試件9放置于上剪切盒8、下剪切盒16之間，所述上剪切盒8的上部連接旋轉(zhuǎn)墊片6，所述旋轉(zhuǎn)墊片6與法向加載裝置1的動(dòng)作端連接；所述上剪切盒8放置于用于限制上剪切盒側(cè)向運(yùn)動(dòng)的固定套筒4內(nèi)，由上轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠7連接；所述下剪切盒16放置于旋轉(zhuǎn)托架10上，由底部的下轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠19連接；所述橫向加載裝置17固定在旋轉(zhuǎn)托架10上。

所述旋轉(zhuǎn)裝置為用于帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)托架10旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)組件14，所述旋轉(zhuǎn)托架10與所述上剪切盒8、下剪切盒16以及橫向加載裝置17聯(lián)動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)托架10、上剪切盒8、下剪切盒16、旋轉(zhuǎn)墊片6呈同軸設(shè)置。

所述CT掃描裝置包括設(shè)置于剪切盒相對(duì)兩側(cè)的放射源21和探測(cè)器22。

所述上剪切盒8、下剪切盒16為凹型中空?qǐng)A柱體，內(nèi)空部分別鑲嵌試件9長(zhǎng)度的1/5，所述試件的中間3/5長(zhǎng)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(dòng)作端連接旋轉(zhuǎn)墊片6，所述旋轉(zhuǎn)墊片6與上剪切盒8共同旋轉(zhuǎn)；所述固定套筒4固定于主機(jī)框架的頂板3上，限制上剪切盒8側(cè)向運(yùn)動(dòng)；所述上剪切盒8與固定套筒4之間裝有轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠7，目的是減少上剪切盒旋轉(zhuǎn)和上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力；上剪切盒8和頂板3之間設(shè)置LVDT位移傳感器5測(cè)量試件的法向位移。

所述橫向加載裝置17設(shè)置在旋轉(zhuǎn)托架10內(nèi)，通過(guò)加壓頭18向下剪切盒16傳遞剪切力；所述下剪切盒16下側(cè)裝有轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠19，目的是減少下剪切盒16橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力；所述下剪切盒16和旋轉(zhuǎn)托架10之間設(shè)置LVDT位移傳感器11測(cè)量試件的剪切位移；所述旋轉(zhuǎn)托架10帶動(dòng)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(zhuǎn)。

所述主機(jī)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(shí)施例中，所述上剪切盒8為凹型中空?qǐng)A柱體，上剪切盒8鑲嵌試件9長(zhǎng)度的1/5，上剪切盒8的上側(cè)和法向LVDT位移傳感器5接觸處設(shè)置一層光滑材料；剪切盒內(nèi)可裝置立方體試件或者圓柱形試件，立方體試件9-1的兩端直接鑲嵌于上剪切盒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(zhǎng)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(dòng)作端連接旋轉(zhuǎn)墊片6，旋轉(zhuǎn)墊片6和上剪切盒8共同旋轉(zhuǎn)；固定套筒4固定在頂板3上，上剪切盒8設(shè)置于固定套筒4中，兩者之間裝有上轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠7，目的是減少上剪切盒8上下移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力；上LVDT位移傳感器5設(shè)置于頂板3和上剪切盒8之間，測(cè)量試件9的法向位移。

所述橫向加載裝置17設(shè)置在旋轉(zhuǎn)托架10中，通過(guò)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(zhǎng)度的1/5，從而使試件9中間3/5的長(zhǎng)度外露在空氣中，利于CT放射源21直接照射于試件9的節(jié)理部分，CT探測(cè)器22能接受到射線(xiàn)；下剪切盒16下側(cè)裝有下轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠19，目的是減少下剪切盒16移動(dòng)時(shí)的摩擦阻力；下剪切盒16另一側(cè)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(cè)量頭抵住旋轉(zhuǎn)框架10，測(cè)量試件9的剪切位移；所述旋轉(zhuǎn)托架10帶動(dòng)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(zhuǎn)。

所述上轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠7、下轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠19為減少摩擦阻力的一種方法，亦可采用其他方法來(lái)實(shí)現(xiàn)減小摩擦阻力的目的。

所述主機(jī)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、頂板采用高強(qiáng)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(dá)到30MPa，最大剪應(yīng)力可達(dá)到15MPa。

所述旋轉(zhuǎn)裝置為用于帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)托架旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)組件14，旋轉(zhuǎn)軸20設(shè)置于底板13中心，旋轉(zhuǎn)托架10固定在旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸20上，當(dāng)進(jìn)行CT掃描時(shí)，由驅(qū)動(dòng)組件14帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸20旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)托架10和上部的試件旋轉(zhuǎn)，得到試件360度的掃描圖像，根據(jù)需要可調(diào)整旋轉(zhuǎn)的速度來(lái)得到精確的圖像。

所述測(cè)控系統(tǒng)包括伺服加載控制系統(tǒng)、LVDT位移傳感器、力傳感器和電機(jī)控制器；伺服加載控制系統(tǒng)用于對(duì)法向壓力和剪切力進(jìn)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(duì)稱(chēng)設(shè)置4個(gè)法向LVDT位移傳感器5，測(cè)量試件9的法向位移；在上述下剪切盒16和旋轉(zhuǎn)托架10之間設(shè)置橫向LVDT位移傳感器11，測(cè)量試件9的剪切位移；千斤頂?shù)膲侯^上設(shè)置力傳感器用于測(cè)量軸向力；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)置于試件9相對(duì)兩側(cè)的CT放射源21和CT探測(cè)器22，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)而試件9旋轉(zhuǎn)，試件節(jié)理面附近的部分不被遮擋，便于觀(guān)測(cè)其內(nèi)部的破壞情況。