一种软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置

1娱乐游戏涉及岩土工程领域，特别是涉及一种软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置。


背景技术：

2.采用侧限压缩试验作为主要的研究方法对岩土颗粒材料进行不同应力不同级配条件下的压缩变形规律和颗粒破碎特征分析已在岩土工程学界得到了广泛的应用，通过对压缩前后宏观级配曲线及相对粒组含量变化进行相应的研究分析其研究成果已为各种高土石坝的建造，路基填料的颗粒材料性能的判断等工程实践和理论研究奠定了基础。通过提出不同的破碎率指标，科研工作者从一定程度上衡量了压缩完成卸载后的颗粒破碎情况，但实际工程问题中颗粒破碎的发生并不是一蹴而就的，其破碎过程往往伴随着压力的增加逐渐破碎。
3.而传统的侧限压缩试验只能通过宏观粒组级配变化的角度预测试样加载前和加载后的破碎情况，而无法分析细观的角度分析在加载过程中岩石内部孔隙和颗粒在不同压力作用下的自组织演化过程，更无法从细观的角度分析岩石内部结构变化及力链传递对其承载能力和物理性质的影响，这些影响因素和内部结构的自组织过程对于传统侧限压缩试验是看不见摸不着的“黑箱”问题。同时，由于传统侧限压缩试验的不透明性，以及岩土颗粒材料的不均匀性及多孔隙结构特性，在有限元模拟分析及离散元颗粒材料分析中基于传统侧限压缩试验真实的体现其内部三维空间结构来验证模型正确性也具有相当大的困难，如何既能得到岩石颗粒压缩前后级配曲线，又能通过三维可视化的手段得到颗粒材料压缩过程中内部结构自组织演化的规律，对于预测岩土材料颗粒破碎变形和颗粒材料计算理论科学的发展都至关重要，因此我们提出一种软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置，以便于解决上述中提出的问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置，能解决上述背景技术中提出的现有的侧限压缩试验，只能通过宏观粒组级配变化的角度预测试样加载前和加载后的破碎情况，而无法分析细观的角度分析在加载过程中岩石内部孔隙和颗粒在不同压力作用下的自组织演化过程，更无法从细观的角度分析岩石内部结构变化及力链传递对其承载能力和物理性质的影响，这些影响因素和内部结构的自组织过程对于传统侧限压缩试验是看不见摸不着的“黑箱”问题。同时，由于传统侧限压缩试验的不透明性，以及岩土颗粒材料的不均匀性及多孔隙结构特性，在有限元模拟分析及离散元颗粒材料分析中基于传统侧限压缩试验真实的体现其内部三维空间结构来验证模型正确性也具有相当大的困难的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：第一压缩桶、第一承压板和支柱，
6.所述第一压缩桶的内端固定安装有电灯，所述第一压缩桶的下端安置有底板，所述底板的下端放置有千斤顶，第一压缩桶由亚克力制作，可以改变直径和壁厚，电灯朝向装置内照亮亚克力桶内的软岩颗粒，采用led灯；
7.所述第一承压板的上端螺纹连接有承压柱，所述承压柱的上端与钢板固定连接，所述钢板的下端固定安装有主轴中空转台力矩电机，所述主轴中空转台力矩电机的输出轴固定安装有滑动支架，承压柱圆柱形，材料为高强度硬钢，端头设置有直径为60mm的螺栓，用于与不同尺寸承压板连接；
8.所述支柱与钢板的四个角点固定连接，所述支柱的内端固定安装有高清摄像机，所述钢板的上侧设置有双层隔离板，所述双层隔离板由厚铅玻璃、薄铅玻璃和铅板构成，组成减少辐射对操作人员身体伤害的隔离系统，在前门板居中位置安装一整块厚铅玻璃，可利用肉眼通过前门玻璃直接观察试样变形及压缩桶内壁表面颗粒的破碎程度。
9.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述滑动支架的左右两端安装有u形固定块，所述u形固定块的内端开设有螺栓孔，便于进行调节。
10.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述滑动支架的左端固定安装有微ct扫描仪，所述滑动支架的右端固定安装有x射线接收器，可实现微ct扫描仪、x射线接收器及软岩颗粒三者之间距离的自由调节。
11.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述第一压缩桶由第二压缩桶、第三压缩桶和第四压缩桶组成，避免了桶壁过厚导致x射线穿过时精度下降，同时也可避免桶壁过薄从而导致压缩过程中软岩颗粒沿侧限发生变形，通过自由调节达到最优厚度。
12.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述第一承压板由第二承压板、第三承压板和第四承压板组成，承压柱另一端端头设置有直径为60mm的螺栓，用于与不同尺寸承压板连接。
13.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述第二承压板、第三承压板和第四承压板分别位于第二压缩桶、第三压缩桶和第四压缩桶的上侧，每种承压板圆柱顶面圆心处留有与承压柱螺栓配对的开口，用于连接承压柱端头的螺栓。
14.与现有技术相比，本实用新型能达到的有益效果是：
15.1、本实用新型提供的是一种软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置，在侧限压缩试验过程中，通过设置不同内径和壁厚的压缩桶，通过不同尺寸的桶与桶相互套叠的方式，实现了试样尺寸的自由调节，通过不同尺寸桶的组合可控制桶的总壁厚和试样的直径，避免了桶壁过厚导致x射线穿过时精度下降产生噪点和伪影的情况，提高了测量精度，同时避免了当加载压力较大时桶壁过薄从而导致压缩过程中软岩颗粒沿侧向发生变形甚至撑裂仪器等情况的发生；
16.2、本实用新型软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置，压缩桶、承压板、底板均采用亚克力材料（有机玻璃），具有优良的透明性及较高的强度，可以在外界通过肉眼清晰观察到材料内部物体，通过顶部的钢板上所固定的电灯的照射，配合固定在支柱上的高清摄像机拍摄，可以实现侧限压缩加载过程中软岩颗粒材料表观挤压破碎变形的无死角高清图像视频记录，结合微ct扫描仪对软岩颗粒试样内部切片三维结构模型重构，可以展现任意时刻软岩空间内部细观结构在外荷载作用下的自组织演化规律，填补了传统侧限压缩试验所面临的“黑箱”问题的空白；
17.3、本实用新型软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置通过设置单开门隔离板的矩形厚铅玻璃，操作人员可以将视线直接穿过铅玻璃及压缩桶直接定位到受压的软岩颗粒材料，通过材料的变形可直观的确定试验加载进行的程度；
18.4、本实用新型装置易于安装拆卸，可重复使用，操作简单，测量精度高，对操作人员身体伤害小，可以从软岩颗粒材料的细观破碎规律揭示侧限压缩过程中颗粒材料的宏观变形机理，对软岩地层的高土石坝填筑，隧道软岩支护及软岩路基填料承载特性研究等都具有一定实际意义。
附图说明
19.图1为本实用新型可视化侧限压缩装置整体结构示意图；
20.图2为本实用新型可视化侧限压缩装置剖面结构示意图；
21.图3为本实用新型双层隔离板剖面结构示意图；
22.图4为本实用新型ct扫描系统翻转结构示意图；
23.图5为本实用新型压缩桶及承压头结构示意图；
24.图6为本实用新型承压柱结构示意图
25.其中：1、钢板；2、双层隔离板；3、承压柱；4、第一压缩桶；4-1、第二压缩桶；4-2、第三压缩桶；4-3、第四压缩桶；5、底板；6、千斤顶；7、高清摄像机；8、支柱；9、滑动支架；9-1、螺栓孔；9-2、u形固定块；10、微ct扫描仪；11、x射线接收器；12、电灯；13、第一承压板；13-1、第二承压板；13-2、第三承压板；13-3、第四承压板；14、主轴中空转台力矩电机。
具体实施方式
26.为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型，但下述实施例仅仅为本实用新型的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。
27.请参阅图1-6，本实用新型提供一种技术方案：一种软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置；
28.第一压缩桶4的内端固定安装有电灯12，第一压缩桶4的下端安置有底板5，底板5的下端放置有千斤顶6，第一压缩桶4由亚克力制作，可以改变直径和壁厚，电灯12朝向装置内照亮亚克力桶内的软岩颗粒，采用led灯，第一压缩桶4由第二压缩桶4-1、第三压缩桶4-2和第四压缩桶4-3组成，避免了桶壁过厚导致x射线穿过时精度下降，同时也可避免桶壁过薄从而导致压缩过程中软岩颗粒沿侧限发生变形；
29.第一承压板13的上端螺纹连接有承压柱3，承压柱3的上端与钢板1固定连接，钢板1的下端固定安装有主轴中空转台力矩电机14，主轴中空转台力矩电机14的输出轴固定安装有滑动支架9，承压柱3圆柱形，材料为高强度硬钢，端头设置有直径为60mm的螺栓，用于与不同尺寸承压板连接，第一承压板13由第二承压板13-1、第三承压板13-2和第四承压板13-3组成，承压柱3另一端端头设置有直径为60mm的螺栓，用于与不同尺寸承压板连接。第二承压板13-1、第三承压板13-2和第四承压板13-3分别位于第二压缩桶4-1、第三压缩桶4-2和第四压缩桶4-3的上侧，每种承压板圆柱顶面圆心处留有与承压柱螺栓配对的开口，用
于连接承压柱端头的螺栓。
30.支柱8与钢板1的四个角点固定连接，支柱8的内端固定安装有高清摄像机7，钢板1的上侧设置有双层隔离板2，双层隔离板2由厚铅玻璃2-1、薄铅玻璃2-2和铅板2-3构成，组成减少辐射对操作人员身体伤害的隔离系统。
31.滑动支架9的左右两端安装有u形固定块9-2，u形固定块9-2的内端开设有螺栓孔9-1，便于进行调节。滑动支架9的左端固定安装有微ct扫描仪10，滑动支架9的右端固定安装有x射线接收器11，可实现微ct扫描仪10、x射线接收器11及软岩颗粒三者之间距离的自由调节。
32.具体工作原理：
33.如图1、图2和图4所示，当使用该软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置时，包括亚克力制作的可以改变直径和壁厚的压缩桶，亚克力制作的底板及承压板，以及千斤顶6、承压柱3、钢板1及支柱8所构成的加载系统；电灯12配合支柱8上的高清摄像机拍摄，微ct扫描仪10固定在滑动支架9上通过主轴中空转台力矩电机14转动实现对软岩颗粒全方位扫描所构成的可视化系统；通过设置双层隔离板2减少辐射对操作人员身体伤害的隔离系统。
34.加载系统中，第一压缩桶4为中空圆柱型，第二压缩桶4-1、第三压缩桶4-2和第四压缩桶4-3尺寸有三种分别为：100mm（内直径）
×
50mm（壁厚）、200mm（内直径）
×
50mm（壁厚）、300mm（内直径）
×
100mm（壁厚），材料采用亚克力，采用高精度切割机具留有一定公差对实心亚力克棒掏空切割制成，在顶板电灯照射下，通过对焦高清摄像机7可清晰观察到桶体内部试样压缩状态。不同尺寸的桶按其尺寸大小可依次同圆心相互套在一起，通过不同尺寸桶的组合可控制桶的总壁厚和试样的直径，避免了桶壁过厚导致x射线穿过时精度下降，同时也可避免桶壁过薄从而导致压缩过程中软岩颗粒沿侧限发生变形。底板5为圆柱型，直径大于压缩桶最大外径，底板上部安置第一压缩桶4，下部放置在千斤顶6上，可一定程度观察试样底部变形规律。第一承压板13为圆柱型，第二承压板13-1、第三承压板13-2和第四承压板13-3尺寸分别为d100mm、d200mm、d300mm三种，每种承压板圆柱顶面圆心处留有与承压柱端头螺栓配对的螺纹开口。承压柱3为圆柱形，一端与顶板钢板1固定连接穿过主轴中空转台力矩电机14的中心轴，另一端端头设置有直径为60mm的螺栓，用于与不同尺寸承压板连接。千斤顶6位于底板5正下方，可实现应力加载与自动化记录加载数据。支柱与钢板1在四个角点上固定连接，起到装置框架的支撑作用并提供千斤顶6所施加的反力。
35.可视化系统中，电灯12数量为四个，分别固定在顶板的钢板四个顶点边缘位置处，采用led灯起到照明作用。高清摄像机7数量为四个，摄像头支架分别固定在四根支柱8上，摄像头朝向亚克力的压缩桶中试样的中心点处，具有自动调焦对焦功能，高清摄像机7与外界微机相连，可通过微机进行拍摄录像及拍摄照片。微ct扫描仪10与x射线接收器11固定在滑动支架9上，通过滑动支架9与主轴中空转台力矩电机14相连，对试样绕中轴线进行全方向扫描。
36.隔离系统中，除了单开门板外，各板均为双层隔离板2，由内侧的薄铅玻璃2-2和外侧的铅板2-3构成，单开门板通过中部安装矩形厚铅玻璃2-1和一层厚铅板构成，作为优选可在单开门边缘处采用铅橡胶条对门边缘进行封边并可固定门位置。
37.试验前，通过设计试验加载方案确定最大加载压力，通过侧压力系数k0及规范《压力容器》计算出所需的压缩桶桶壁厚度，通过试样最大粒径确定压缩桶内径，从而调整压缩
桶内径和桶壁厚度使压缩桶达到侧限试验要求，同时也避免了桶壁过厚而导致ct扫描后得到切片清晰度下降或出现伪影噪点的现象。
38.将准备好的软岩颗粒材料分5层分别填入调整好的压缩桶中，每层控制软岩压实度达到设计方案标准后加载。打开四台高清摄像机7进行预调焦，待调焦和对焦完成后，采用千斤顶6进行加载，当加载到规定应力大小时且前后十五分钟内试样位移差小于0.01mm时，打开ct扫描仪10进行扫描并导出切片文件。待扫描完成后进行下一级压力的加载，再次扫描，再次加载，如此循环直至加载到最终试样后卸载。此时可得到加载过程中表观挤压变形的高清录像文件，同时通过三维可视化软件对不同应力状态下的切片二维切片分析可得到沿高度方向的粒组群孔隙沿高度的分布情况。通过三维可视化软件对切片数据进行后处理可得到软岩颗粒随着加载压力的增大在不同时刻的空间三维可视化模型结构，对可视化模型剖切可得到试样内部任意截面的颗粒破碎及孔隙分布模型，通过高清摄像机7所得到的摄像文件，可以得到试样表观压缩变形特性随应力和时间的变化规律及试样表面积的变化，为后续的细观角度定性和定量对软岩颗粒破碎规律分析奠定了基础，以上便完成该软岩颗粒材料三维可视化侧限压缩装置的一系列操作，本说明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
39.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本实用新型的优选例，并不用来限制本实用新型，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。