在力学加载过程中利用CT扫描技术定量测量冻土试样体积变形的方法技术

本发明专利技术公开了一种在力学加载过程中利用CT扫描定量测量冻土试样体积变形的方法，是将制备好的冻土试样装入冻土三轴仪中一起放置在CT机床上并进行扫描定位，按照试验要求设定力学加载参数对冻土试样进行力学加载，到某一力学状态时对试样进行CT扫描，获得覆盖全试样的所有断层CT图像。通过二维CT图像测量得到所有断层的试样面积，其中在该状态下试样的体积可由每层断面试样面积乘以扫描层厚相加得出，最后按照体积变化率公式计算得到该力学阶段下的体积变化率。本发明专利技术可以准确测量力学过程中某一时刻的冻土试样体积大小和体积变化量，解决了传统测量体变方法中由于管线膨胀所引起测量误差较大的问题，极大的提高了试验的精度。

Quantitative measurement of volume deformation of frozen soil samples by CT scanning technique during mechanical loading

The invention discloses a method on the mechanical loading process by using CT scanning quantitative volume measurement of deformation of frozen soil samples, is prepared into frozen soil samples of three axis instrument placed together and scan positioning on the CT machine, in accordance with the requirements of test set mechanical loading parameters of frozen soil samples by mechanical loading, to a mechanical state of a CT scan of the sample, obtain all fault CT images covering the whole sample. The area of all faults is obtained by two-dimensional CT image measurement, where the volume of the specimen can be multiplied by the area of each section and the thickness of the scanning layer is added. Finally, the volume change rate of the mechanical stage is calculated according to the volume change rate formula. The invention can accurately measure the volume and volume change of frozen soil sample at a certain time in the mechanical process, and solve the problem of large measurement error caused by pipeline expansion in the traditional volumetric change method, which greatly improves the accuracy of the test.

【技术实现步骤摘要】
在力学加载过程中利用CT扫描技术定量测量冻土试样体积变形的方法
本专利技术涉及一种在力学加载过程中的某一时刻利用CT扫描得到的二维CT图像来定量测量冻土试样体积变化量的试验方法。
技术介绍
在CT实时动态扫描的冻土力学试验过程中，试样在不同受力条件下的体积变化量是较为重要的物理参数，并且现有的很多本构模型计算中也是把该参数作为已知变量来使用。同时它在很大程度上决定着单轴或三轴受力条件下的粘塑性阶段的宏观力学特征，传统测量冻土体积变化量的方法是通过三轴加载装置控制围压加卸载的计量缸排进/排出压力室的油量值来间接测量得到试样受载后的体积变化量，但是该种方式并没有考虑由于压力变化所引起的连接管线（高压油管）发生膨胀所引起的误差量，连接管线越长这种误差越大，这势必会影响最终的试验结果使得测试数据不准确。同时该种方法也只适用于三轴力学试验，并不适用于单轴加载试验。为了解决上述问题，设计出一种在力学加载试验过程中利用CT扫描技术测量冻土试样的体积变形量的方法具有极为重要的现实意义。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术的目的旨在提供一种在力学加载试验过程中利用CT扫描技术定量测量冻土试样的体积变形量的方法本专利技术的目的是通过以下步骤实现的：一种在力学加载过程中利用CT扫描技术定量测量冻土试样体积变形的方法，其步骤是：a.按照土工试验方法标准GB-T50123-1999制备直径为61.8mm，长为125mm圆柱型标准土样；b.将制备好的常温标准土样放入冷库中，在-30℃条件下迅速冷却24小时后，放入恒温箱中按照试验设定温度-3.4℃恒温24小时，制得冻土试样c.测得冻土试样的长度及直径，计算出初始状态下试样的体积V0，并做记录；d.将恒温后的冻土试样样装入与CT机配套使用的冻土三轴仪中，打开三轴仪的制冷设备迅速制冷，待温度稳定至试验设定温度时，将冻土三轴仪连同冻土试样一起放置在CT机扫描床上；e.调整CT机床及三轴仪的位置，使得试样位于CT机激光定位线扫描区域的中心；f.按照试验要求设定力学加载参数，其中加载控制方式为等应变控制，加载速率为0.3mm/min，围压设定为1MPa，对冻土试样进行力学加载，当应变值达到4%时需要CT扫描时，在不中断力学试验的条件下对试样进行CT扫描，扫描长度覆盖整个冻土试样，得到在应变为4%时的试样所有断层的CT图像，并记录扫描参数；g.依次测量CT图像上各断面的试样面积，按照公式：，求得i时刻冻土试样的体积，并做记录；h.按照公式：，计算得出i时刻冻土试样的体积变化率。本专利技术具有的优点和产生的积极效果：（1）本专利技术利用现有的CT扫描技术和现成的冻土三轴仪，定量测量冻土试样的体积变形量，并从公式计算出冻土试样的体积变化率，方法简单，测量精度较高，它解决了三轴加载装置控制围压加卸载的计量缸管线膨胀所引起的体积变形量测量误差较大的问题；（2）本专利技术是进行冻土试验前期基础性的工作，对于今后研究分析冻土试样的体积变形过程中含水量、干密度分布和冻结黏土变形特性的变化提供技术支撑，在冻土试验中呈承前启后的作用。附图说明图1是本专利技术试验方法实施步骤的流程图；具体实施方式:本专利技术扫描用的CT机为飞利浦公司的Brilliance16医用螺旋CT；试验用冻土三轴仪可在CT扫描床上实现三轴力学全过程试验，采用等应变和等应变两种不同加载方式，自动记录试验过程荷载及位移，通过变更加载速率，可实现阶梯加载试验；试验过程中配合CT机随时对试样进行不同条件的CT扫描，分析样品内部密度及结构的变化。一种在力学加载过程中利用CT扫描定量测量冻土试样体积变形的方法，其步骤是：a.试验选用的土质为兰州黄土，取自甘肃境内永登至古浪高速公路永登县某取土场附近，其液限为26.29%，塑限为18.24%，定名为低液限黏土，按照土工试验方法标准GB-T50123-1999制备直径为61.8mm，长为125mm圆柱型标准土样；b.将制备好的常温标准土样放入冷库中，在-30℃条件下迅速冷却24小时，后放入恒温箱中按照试验设定温度-3.4℃。该温度是由现场监测得到的2013年度甘肃省季节冻土区2处（巉柳高速公路K1754+450和十天高速公路K700+060）路基阳坡地下0.5cm处最低地温。恒温24小时，制得冻土试样；c.测得冻土试样的直径为61.8mm及长度为125mm，计算出初始状态下试样的体积V0为374.76cm3，并做记录；d.将恒温后的冻土试样样装入与CT机配套使用的冻土三轴仪中，打开三轴仪的制冷设备迅速-3.4℃制冷，待温度稳定至试验设定温度-3.4℃时，将冻土三轴仪连同冻土试样一起放置在CT机扫描床上；e.调整CT机床及三轴仪的位置，使得冻土试样位于CT机激光定位线扫描区域的中心；f.按照试验要求设定力学加载参数，其中加载控制方式为等应变控制，加载速率为0.3mm/min，围压设定为1MPa，对冻土试样进行力学加载，当应变值达到4%时需要CT扫描时，在不中断力学试验的条件下对试样进行CT扫描，扫描长度覆盖整个冻土试样，得到在应变为4%时的试样所有断层的CT图像，并记录扫描时设定的扫描层厚，本次试验设定值为3mm；g.依次测量CT图像上各断面的试样面积得到的的值为124.42cm2同时设定的扫描层厚的值为3mm，代入公式（1）求得应变达到4%时的冻土试样的体积的值﹦373.27cm3c步骤计算出冻土试样初始状态下试样的体积V0=374.76cm3,公式（1）求得i时刻冻土试样的体积的值﹦373.27cm3。从以上试验结果分析可以看出：冻土试样在初始和受力后的两种情况下，初始状态下试样的体积V0和i时刻受力条件下的体积不同，说明冻土试样在加载过程中体积的变化直接影响到试样内部结构的变化，随着载荷的不断增大，i时刻冻土试样的体积也不同。然后，再将冻土试样初始状态下试样的体积=374.76cm3和公式（1）求得应变为4%时的冻土试样的体积的值﹦373.27cm3代入公式（2）：计算得出该时刻冻土试样的体积变化率为0.4%。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在力学加载过程中利用CT扫描定量测量冻土试样体积变形的方法，其步骤是：a. 按照土工试验方法标准GB‑T50123‑1999制备直径为61.8mm，长为125mm圆柱型标准土样；b. 将制备好的常温标准土样放入‑30℃冷库中迅速恒温冷却24小时后，放入恒温箱中按照试验设定温度‑3.4℃恒温24小时，制得冻土试样；c. 测得冻土试样的长度及直径，计算出初始状态下试样的体积

【技术特征摘要】
1.一种在力学加载过程中利用CT扫描定量测量冻土试样体积变形的方法，其步骤是：a.按照土工试验方法标准GB-T50123-1999制备直径为61.8mm，长为125mm圆柱型标准土样；b.将制备好的常温标准土样放入-30℃冷库中迅速恒温冷却24小时后，放入恒温箱中按照试验设定温度-3.4℃恒温24小时，制得冻土试样；c.测得冻土试样的长度及直径，计算出初始状态下试样的体积V0，并做记录；d.将恒温后的冻土试样样装入与CT机配套使用的冻土三轴仪中，打开三轴仪的制冷设备迅速制冷，待温度稳定至试验设定温度时，将冻土三轴仪连同冻土试样一起放...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世杰，马巍，李国玉，
申请(专利权)人：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62