本发明属于岩石工程测量装置，具体涉及一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置及方法。
背景技术：
1、岩石力学的研究通常针对地质深部的高温高压条件，包括高温高压下岩石的变形特性、裂隙演化规律、渗流特性及介观结构等方面的研究。装置结合了ct扫描技术，可实时获取岩石样品在三轴加载条件下的内部结构信息，包括裂隙发育、变形演化等，通过对岩石样品进行高温高压条件下的三轴实验，可以揭示岩石在深部地质环境下的力学响应规律。
2、三轴仪是为了模拟地层应力状态下岩石的力学行为而设计的常用土工测试仪器，但普通三轴装置只能进行单轴压缩研究后的应力-应变曲线及温压、流量等的分析，无法探明内部微观结构的变化，较少有试验设备设置孔隙压力进行渗流实验。因此，研究人员对普通三轴仪进行改造，将三轴仪与x射线ct扫描仪进行有机结合，提出了一种配合ct在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置cn112229739a，但该套装置在实际使用过程中存在一定问题：1、顶锥式力传感器连接压头与上反应釜，在三轴仪轴向加载时提供力平衡的作用，而该加载装置在三轴仪主机上部没有设置顶锥式力传感器，导致三轴仪对试样进行轴向加载过程中容易发生“偏移”，“中心轴线偏转过度”等问题，影响正常实验进行；2、装置的加热采用高温热导油，能达到0-600°的温控范围，但在实际操作过程中，如果通过注入预冷却的液压油对试样进行控温，液压油温度受环境影响较大，并不一定能够确保试验温度能达到接近600°高温，试验数据的准确性有待商榷；3、该装置渗流系统采用一体化设计，没有充分考虑渗流液的导入和分流(均匀地使渗流液通过试样)效果，如果加入上下透水石，可以获得更好的渗流实验效果。而中国专利cn102778464b公开了一种高温高压工业ct扫描系统及其使用方法，该系统采用液压对样品施加温度和压力，探究岩石在地质环境下的力学响应规律，但该装置温控范围较小，不满足岩石试验可能所需的高温要求。
3、针对中国发明专利“一种配合ct在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置”cn112229739a的不足，本发明重新设计和优化了高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，在能够进行三轴压缩试验的前提下，提升了三轴仪试验装置剪切过程力平衡稳定性、分流渗透能力、扫描试样稳定性能以及试验检测手段，这一研究与有助于深入理解地质条件下岩石的力学特性和行为，为探明深层地质资源开发与工程建设提供技术支持。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置及方法。本发明有助于研究高温高压条件下样品的断裂机制、变形特征以及获取相关力学参数，实现在高温高压条件下的三轴力学性质的全面测试和分析。
2、本发明所采用的具体技术方案如下：
3、第一方面，本发明提供了一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，包括装置主体、围压泵、电加热器、流体流出容器、流体注入容器和ct放射装置，装置主体能沿滑道进入ct放射装置内腔；
4、所述装置主体包括由上至下可拆卸式连接并共同围成反应内腔的反应釜盖、反应釜筒体和反应釜底座；反应釜盖上安装有顶锥式力传感器，顶锥式力传感器的作用端位于反应内腔中；所述反应釜底座上安装有步进电机，步进电机的输出端与加载杆相连；加载杆顶部穿过反应釜底座并伸入反应内腔，能在步进电机的驱动力下沿竖直方向移动，加载杆与反应釜底座之间密封滑动连接；加载杆顶部固定有试样组件，试样组件包括由上至下依次贴合放置的上反应压头、上透水石、试样、下透水石和下反应压头；试样外周螺旋缠绕有光纤传感器，橡皮膜将试样组件外部包裹以实现一体化固定；所述上反应压头能与顶锥式力传感器的作用端接触，通过步进电机驱动加载杆的上下移动，能对试样进行轴向剪切；位于所述试样组件外部的反应内腔中设有螺旋热盘管，螺旋热盘管通过第三通道与电加热器相连；所述上透水石顶部通过管路与流体流出容器连通，下透水石底部通过管路与流体注入容器连通，反应内腔通过管路与围压泵相连。
5、作为优选，所述顶锥式力传感器的作用端、试样组件、加载杆和步进电机的输出端同轴设置。
6、作为优选，所述上反应压头的下表面和下反应压头的上表面分别对称布置有若干声波探头，上反应压头的下表面和下反应压头的上表面上还分别开设有走线槽，每组声波探头之间通过固定于走线槽内的信号线相连。
7、作为优选，所述装置主体底部设有支撑柱架，支撑柱架能沿滑道轴向移动；滑道的一端位于ct放射装置内部，另一端位于ct放射装置外部。
8、作为优选，所述反应釜盖与反应釜筒体之间通过若干螺钉固定，反应釜底座上部中间设有凸起，反应釜筒体底部能罩设于反应釜底座上并与所述凸起配合以实现反应内腔的密封。
9、作为优选，所述光纤传感器通过第三通道与位于外部的光纤应变仪连接。
10、作为优选，所述上反应压头上开设有与上透水石连通的渗流导出口，反应釜底座上开设有一端与反应内腔连通、另一端与外部连通的第二通道；渗流导出口通过位于反应内腔中的第一渗流导出管路与第二通道的一端连通，第二通道的另一端通过位于装置主体外部的第二渗流导出管路与流体流出容器连接。
11、作为优选，所述下反应压头上开设有与下透水石连通的渗流导入口，反应釜底座上开设有一端与反应内腔连通、另一端与外部连通的第一通道；渗流导入口通过位于反应内腔中的第一渗流导入管路与第一通道的一端连通，第一通道的另一端通过位于装置主体外部的第二渗流导入管路与流体注入容器连接。
12、作为优选，所述反应釜底座上开设有一端与反应内腔连通、另一端与外部连通的围压通道，围压通道通过位于装置主体外部的电机连接管路与围压泵相连。
13、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述高温高压岩石多功能ct三轴实验装置的试验方法，具体如下：
14、s1：将圆柱状试样表面打磨光滑，以上反应压头、上透水石、试样、下透水石和下反应压头的顺序依次同轴竖向叠放，随后将整体包裹置于橡皮膜中，得到试样组件；打开反应内腔，将所述试样组件同轴固定于加载杆顶部，随后密封反应内腔；
15、s2：将螺旋热盘管通过第三通道与电加热器相连，用于试样加热；将上透水石顶部通过管路与流体流出容器连通，将下透水石底部通过管路与流体注入容器连通，将反应内腔通过管路与围压泵相连，将声波探头和光纤传感器与数据采集器相连；声波探头用于采集声波数据，光纤传感器贴合试样表面收集表面应变数据；
16、s3：根据实验需求，设置ct放射装置的参数；
17、s4：将装置主体沿滑道送入ct放射装置内腔；打开围压泵，将液压油注入反应内腔，以实现试样的围压控制；
18、s5：开启电加热器，螺旋热盘管通过第三通道与电加热器相连，用于将试样控温至指定温度；
19、s6：设定并维持步进电机的轴向剪切速率，推动加载杆竖向运动以对试样进行剪切；在该过程中，通过数据采集器采集步进电机的压力变化和顶锥式力传感器的位移变化，得到试样在轴向加载过程中的应力应变曲线；
20、s7：打开流体注入容器和流体流出容器，从下透水石底部向试样中注入渗流流体，以进行剪切后试样的渗透率测试，渗流流体最终从上透水石顶部通过管路进入流体流出容器中；
21、s8：当需要通过ct放射装置对试样进行ct扫描时，暂停步进电机的轴向加载；ct放射装置通过旋转x射线源，记录从不同角度传递的射线数据，用于后续的图像重建；
22、s9：待试验完成后，停止步进电机对试样的轴向加载，待装置主体及试样的温度恢复至室温时，卸载应力；取出橡皮膜包裹的试样，获得ct重建的三维图像，收集声波探头采集的声波数据及光纤传感器收集的应变数据，进行数据分析和图像处理；根据数据分析的结果，解读试样的强度特性和力学性质。
23、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
24、(1)整个三轴实验装置主机采取滑动式ct放射装置，在进行ct扫描时保持主机不动，外部x射线穿透源扫描的方式，安装与试验操作过程简单，避免ct扫描过程中因主机旋转，可能造成的“绕线”、“线圈遮挡”问题，稳定性好。
25、(2)上反应釜盖与试样之间加有顶锥式力传感器，顶锥式力传感器上部安装有固紧螺栓，加强了整个试样轴向压缩时的稳定性，防止实验进行中因轴向压缩可能导致的试样过度“倾斜”、“中心轴线偏转过度”的情况，影响实验正常进行。
26、(3)本发明在高温高压岩石多功能ct三轴实验装置中设计了声发射探头、螺旋上升式光纤传感器，改进了传统的三轴仪压头，声发射探头通过“四角”布置，更好地收集试样变形的声发射信号，光纤传感器作为新的测量手段高精度地测量试样的温度以及应变信息，使高温高压岩石多功能ct三轴实验装置测量手段多样化，更好地收集样品在变形过程中的力学行为信息。
1.一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，其特征在于，包括装置主体(19)、围压泵(22)、电加热器(25)、流体流出容器(27)、流体注入容器(28)和ct放射装置(30)，装置主体(19)能沿滑道(23)进入ct放射装置(30)内腔；
2.根据权利要求1所述的一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，其特征在于，所述顶锥式力传感器(18)的作用端、试样组件、加载杆和步进电机(10)的输出端同轴设置。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，其特征在于，所述上反应压头(3)的下表面和下反应压头(8)的上表面分别对称布置有若干声波探头(31)，上反应压头(3)的下表面和下反应压头(8)的上表面上还分别开设有走线槽(32)，每组声波探头(31)之间通过固定于走线槽(32)内的信号线相连。
4.根据权利要求1所述的一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，其特征在于，所述装置主体(19)底部设有支撑柱架(24)，支撑柱架(24)能沿滑道(23)轴向移动；滑道(23)的一端位于ct放射装置(30)内部，另一端位于ct放射装置(30)外部。
5.根据权利要求1所述的一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，其特征在于，所述反应釜盖(1)与反应釜筒体(16)之间通过若干螺钉(2)固定，反应釜底座(12)上部中间设有凸起，反应釜筒体(16)底部能罩设于反应釜底座(12)上并与所述凸起配合以实现反应内腔的密封。
6.根据权利要求1所述的一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，其特征在于，所述光纤传感器(6)通过第三通道(13)与位于外部的光纤应变仪连接。
7.根据权利要求1所述的一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，其特征在于，所述上反应压头(3)上开设有与上透水石(41)连通的渗流导出口(17)，反应釜底座(12)上开设有一端与反应内腔连通、另一端与外部连通的第二通道(11)；渗流导出口(17)通过位于反应内腔中的第一渗流导出管路(15)与第二通道(11)的一端连通，第二通道(11)的另一端通过位于装置主体(19)外部的第二渗流导出管路(26)与流体流出容器(27)连接。
8.根据权利要求1所述的一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，其特征在于，所述下反应压头(8)上开设有与下透水石(42)连通的渗流导入口，反应釜底座(12)上开设有一端与反应内腔连通、另一端与外部连通的第一通道(9)；渗流导入口通过位于反应内腔中的第一渗流导入管路与第一通道(9)的一端连通，第一通道(9)的另一端通过位于装置主体(19)外部的第二渗流导入管路(20)与流体注入容器(28)连接。
9.根据权利要求1所述的一种高温高压岩石多功能ct三轴实验装置，其特征在于，所述反应釜底座(12)上开设有一端与反应内腔连通、另一端与外部连通的围压通道(33)，围压通道(33)通过位于装置主体(19)外部的电机连接管路(21)与围压泵(22)相连。
10.一种利用权利要求1～9任一所述高温高压岩石多功能ct三轴实验装置的试验方法，其特征在于，具体如下：
