土力学CT三轴试验仪

技术领域

本发明涉及岩土力学试验设备领域，特别涉及一种土力学CT三轴试验仪。

背景技术

三轴仪是一种常用的模拟地层应力状态的土工测试仪器，也是岩土力学研究最常规最重要的实验设备之一。为研究土样变形破坏演化过程中颗粒内部细观结构的变化规律，需要将常规三轴试验仪装载CT扫描系统来进行多层断面扫描分析，对试样内部结构的变化进行定量、无损和动态的测量，从而得到试样内部损伤结构演化的清晰CT图像和相应CT数据。

授权公告号CN104155188B的中国发明专利公开了一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置，包含低温高压水合物三轴仪试验系统、X射线CT成像系统和计算机数据采集系统；所述的低温高压水合物三轴仪试验系统包含自压式三轴仪主机、轴向加载系统、围压控制系统、背压控制系统和温度控制系统；所述轴向加载系统、围压控制系统、背压控制系统均与所述自压式三轴仪主机相连，分别控制试样承受的荷载、围压和孔隙压力；所述温度控制系统与所述围压控制系统相连，用于控制柱塞泵D内液压油的温度，进而控制试样的温度。

自压式三轴仪主机置于X射线CT成像系统的载物台上，包括顶置一体化轴向加载装置和高压三轴压力室；所述顶置一体化轴向加载装置包括小型液压油缸和活塞；通过小型液压油缸中的液压油驱动活塞向下运动产生轴向加载力；由于小型液压油缸内用液压油传动动力，试验过程中会有温度变化，液压油受环境影响大，影响检测数据的准确性。

发明内容

有鉴于此，针对上述不足，有必要提出一种土力学CT三轴试验仪。

一种土力学CT三轴试验仪，包括压力室、固定单元、轴压单元、围压单元、背压单元，所述压力室内设封闭的压力腔，所述固定单元内置于压力腔中，所述固定单元内设封闭的试样腔，在试样腔内包裹有试样，所述轴压单元、背压单元与试样腔相连，所述围压单元与压力腔相连，所述轴压单元用于对试样形成轴向压力，所述围压单元用于对试样形成围压，所述背压单元用于对试样形成孔隙压力，所述轴压单元包括液压缸，所述液压缸的流体介质为水，所述流体介质经过脱气处理形成的无气水。

优选地，所述轴压单元包括顶块、底块，所述顶块和底块均置于压力腔中，所述固定单元夹持在顶块和底块之间，所述底块相对顶块竖直向上运动，以对固定单元内的试样施加轴向压力。

优选地，所述压力室包括基座、外壳、螺杆，所述外壳可拆卸安装于基座上形成压力室，外壳的顶部设有螺孔，所述螺杆穿过螺孔伸入压力腔中，所述顶块与螺杆的下端转动连接，所述螺杆相对外壳转动，所述螺杆相对外壳上下移动，以带动顶块相对外壳上下移动。

优选地，所述轴压单元还包括活塞环、活塞杆、液压缸，所述液压缸设于基座的下方，所述活塞环设于液压缸内，所述活塞杆的下端与活塞环连接，所述活塞环的上端穿过基座与底块连接。

优选地，所述轴压单元还包括第一阀门、第二阀门、柔性管，活塞环与液压缸的下部的内腔为液压腔，所述第一阀门设于基座的外壁，所述柔性管的一端与贯通孔连接，以使柔性管与液压腔连通，所述柔性管的另一端与第一阀门的入口连接，所述第二阀门设于基座的外壁，所述第二阀门设于液压腔的入口。

优选地，所述固定单元包括乳胶薄膜、压帽，试样侧壁由乳胶薄膜包裹，试样的两端各设一个压帽，两个压帽与乳胶薄膜形成密封的试样腔。

优选地，所述围压单元包括第三阀门、第四阀门，所述第三阀门和第四阀门设于基座的外壁，所述第三阀门的出口通过柔性管与压力腔连通，所述第四阀门的入口通过柔性管与压力腔连通。通过第三阀门和第四阀门控制进入试样腔的流体形成的围压。

优选地，所述背压单元包括第五阀门、第六阀门，所述第五阀门和第六阀门设于基座的外壁，所述第五阀门的出口通过柔性管与试样腔连通，所述第六阀门的入口通过柔性管与试样腔连通。通过第五阀门和第六阀门控制进入压力腔的流体形成的孔隙压力。

优选地，所述压力室为铝合金材质。

优选地，所述土力学CT三轴试验仪还包括CT扫描仪，所述CT扫描仪包括载物台，所述压力室被活动承载于载物台上。

本发明的有益效果：液压缸的流体介质为水，且为经过脱气处理形成的无气水。与液压油相比，无气水受温度的影响小，可提高检测数据的准确性。

附图说明

图1为所述土力学CT三轴试验仪的结构示意图。

图中：压力室10、基座11、外壳12、螺杆13、固定单元20、乳胶薄膜21、压帽22、轴压单元30、顶块31、底块32、活塞环33、活塞杆34、液压缸35、第一阀门36、第二阀门37、围压单元40、第三阀门41、第四阀门42、背压单元50、第五阀门51、第六阀门52。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1，本发明实施例提供了一种土力学CT三轴试验仪，包括压力室10、固定单元20、轴压单元30、围压单元40、背压单元50，压力室10内设封闭的压力腔，固定单元20内置于压力腔中，固定单元20内设封闭的试样腔，在试样腔内包裹有试样，轴压单元30、背压单元50与试样腔相连，围压单元40与压力腔相连，轴压单元30用于对试样形成轴向压力，围压单元40用于对试样形成围压，背压单元50用于对试样形成孔隙压力，轴压单元30包括液压缸35，液压缸35的流体介质为水，流体介质经过脱气处理形成的无气水。

轴向压力、围压、孔隙压力分别如图1中所示F1、F2、F3，试样如图1中所示A。

液压油相比水有很好的粘稠度，不容易泄露，在液压系统中一般不采用水。

本发明的有益效果：液压缸35的流体介质为水，且为经过脱气处理形成的无气水。与液压油相比，无气水受温度的影响小，可提高检测数据的准确性。

参见图1，进一步，轴压单元30包括顶块31、底块32，顶块31和底块32均置于压力腔中，固定单元20夹持在顶块31和底块32之间，底块32相对顶块31竖直向上运动，以对固定单元20内的试样施加轴向压力。

参见图1，进一步，压力室10包括基座11、外壳12、螺杆13，外壳12可拆卸安装于基座11上形成压力室10，外壳12的顶部设有螺孔，螺杆13穿过螺孔伸入压力腔中，顶块31与螺杆13的下端转动连接，螺杆13相对外壳12转动，螺杆13相对外壳12上下移动，以带动顶块31相对外壳12上下移动。基座11的外壁设有下法兰，基座11的外壁与外壳12的内壁密封连接，例如，在基座11的外壁和外壳12的内壁之间安装密封圈，外壳12的外壁设有上法兰，上法兰与下法兰通过螺栓连接，以将基座11与外壳12相对固定。

参见图1，进一步，轴压单元30还包括活塞环33、活塞杆34、液压缸35，液压缸35设于基座11的下方，活塞环33设于液压缸35内，活塞杆34的下端与活塞环33连接，活塞环33的上端穿过基座11与底块32连接。

参见图1，进一步，轴压单元30还包括第一阀门36、第二阀门37、柔性管，活塞环33与液压缸35的下部的内腔为液压腔，第一阀门36设于基座11的外壁，柔性管的一端与贯通孔连接，以使柔性管与液压腔连通，柔性管的另一端与第一阀门36的入口连接，第二阀门37设于基座11的外壁，第二阀门37设于液压腔的入口。向液压腔注入水，活塞环33推动活塞杆34移动，活塞杆34推动底块32移动。

参见图1，进一步，固定单元20包括乳胶薄膜21、压帽22，试样侧壁由乳胶薄膜21包裹，试样的两端各设一个压帽22，两个压帽22与乳胶薄膜21形成密封的试样腔。

参见图1，进一步，围压单元40包括第三阀门41、第四阀门42，第三阀门41和第四阀门42设于基座11的外壁，第三阀门41的出口通过柔性管与压力腔连通，第四阀门42的入口通过柔性管与压力腔连通。通过第三阀门41和第四阀门42控制进入试样腔的流体形成的围压。

参见图1，进一步，背压单元50包括第五阀门51、第六阀门52，第五阀门51和第六阀门52设于基座11的外壁，第五阀门51的出口通过柔性管与试样腔连通，第六阀门52的入口通过柔性管与试样腔连通。通过第五阀门51和第六阀门52控制进入压力腔的流体形成的孔隙压力。

参见图1，进一步，压力室10为铝合金材质。

参见图1，进一步，土力学CT三轴试验仪还包括CT扫描仪，CT扫描仪包括载物台，压力室10被活动承载于载物台上。CT扫描仪与申请号为201410357319.X公开的一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置中的X射线CT成像系统相同。

使用本发明土力学CT三轴试验仪时，用乳胶薄膜21将试样包裹，两端安装压帽22，置于底块32上，下方的压帽22上开孔，与底块32上的孔连通，第五阀门51的出口通过柔性管与底块32上的孔连通，将水注入试样腔内，将外壳12与基座11连接，调整顶块31与上方的压帽22接触，上方的压帽22开孔，与顶块31上的孔连通，第六阀门52的入口通过柔性管与顶块31上的孔连通，将水排除试样腔内，在样腔内形成预定孔隙压力；

操作第三阀门41、第四阀门42，在压力腔内形成预定围压；

操作第一阀门36、第二阀门37，在试样腔内形成预定轴向压力，CT扫描仪实时检测。

示例性的，流体介质经过脱气处理形成的无气水，具体过程如下：

关闭第一阀门36，打开第二阀门37，向液压腔注入水，水中的气体集聚在液压腔顶部，随着活塞环33移动，在活塞环33与水接触的位置形成低压区，水中的气体容易从低压区解析，继续向液压腔注水，微微打开第一阀门36，将液压腔上部的气体和部分水排除，以在液压腔内形成无气水。本发明为解决液压油受温度的影响，在不影响轴向压力的情况下，可以允许液压腔在第一阀门36处集中微量的泄露，将液压腔内的气体及时排出。当然，打开第一阀门36进行排气，最好在达到预定轴向压力前进行操作。另外还可以在液压腔内再设计一个活塞代替向液压腔内的注水动力。

本发明土力学CT三轴试验仪试验操作过程与现有技术（例如，CN104155188B一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置或CN2924518Y全方位扫描岩土CT三轴仪）相类同，具有普通三轴仪的全部功能，并能对试样进行CT扫描，对试样内部结构的变化进行动态、定量和无损的量测，从而得到试样内部损伤结构演化的清晰的CT图像和相应的CT数据。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。