[发明专利]砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：其包括载荷施加装置、胶结区成形装置、标志点喷涂装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统；所述载荷施加装置包括底座、施力杆和直线式超声电机；所述胶结区成形装置包括两个半球颗粒以及依次连接的水泵、半圆截面有机玻璃套管、注射细管和纳米硅溶胶储存容器，两个半球颗粒放置于半圆截面有机玻璃套管内，有机玻璃套管的侧边开两个孔，开孔处位于两半球颗粒之间，一侧开孔与水泵连接，另一侧开孔与注射细管连接；所述粒子图像测速装置包括PIV用数码相机和光源设备；所述数据采集及控制系统分别与载荷施加装置和粒子图像测速装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：所述水泵、半圆截面有机玻璃套管、注射细管和纳米硅溶胶储存容器之间可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：两个半球颗粒分别为A半球颗粒和B半球颗粒，A半球颗粒位于B半球颗粒上方。

4.根据权利要求3所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：所述半圆截面有机玻璃套管横截面上半圆直径与两个半球颗粒的直径相匹配。

5.根据权利要求3所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：两个半球颗粒直径为1mm，半球颗粒的材料为二氧化硅。

6.根据权利要求3所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：所述底座中心设有一凹槽，凹槽形状与二分之一的半球颗粒形状相匹配。

7.一种如权利要求 3-6中任意一项所述的砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置的测量方法，其特征在于：其包括下述步骤：

步骤1：半圆截面有机玻璃套管的侧边的一个孔与水泵连接，另一个孔与注射细管连接，然后有机玻璃套筒中放入点接触的A半球颗粒和B半球颗粒，有机玻璃套筒的开孔处位于两颗粒之间，然后连接有机玻璃套筒的一个开孔与真空泵，依次连接有机玻璃套筒的另一个开孔、注射细管和纳米硅溶胶储存容器；

步骤2：开动真空泵，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器流出，依次经过注射细管、有机玻璃套筒中两个球颗粒之间的空隙、水泵；

步骤3：半圆截面有机玻璃套管中颗粒胶结区养护完成后，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒中推出，将B半球颗粒粘至底座的凹槽内，B半球颗粒的球心与底座上表面齐平；

步骤4：标志点喷涂装置将墨水雾化喷在半球颗粒的截面和胶结区上，从而在半球颗粒截面和胶结区形成标识点；

步骤5：直线式超声电机通过施力杆对上部A半球颗粒施加水平力，在胶结区形成应变；

步骤6：直线式超声电机推进过程中，隔两个时间点用相机对颗粒横截面和胶结区拍照，从而得到标志点的位移；

步骤7：在计算机中将颗粒横截面和胶结区划分为数个矩形网格，将标志点上的位移拟合到矩形网格节点上，设其中一个矩形网格的节点编号为节点1、节点2、节点3、节点4，对应每个节点上方向位移为、、和，每个节点上方向位移为、、和，矩形网格在轴方向长度为2，方向长度为2，引入如下差值函数、、、：

插值得到这个矩形单元内任意一点方向位移和方向位移：

设矩形单元内任意一个标志点的插值位移为和，实测位移为和，取插值得到的标志点位移和实测位移差值累计之和最小：

Min

由上式进行寻优计算可拟合得到矩形单元四节点上方向位移、、和，方向位移为、、和，将拟合得到的节点位移代入应变公式可以得到矩形单元内任意一点的应变，和：

。

8.根据权利要求7所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤1中纳米硅溶胶用醋酸将PH值调节至5至6之间。

9.根据权利要求7所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤3中养护时间大于36小时。