[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

说明书

本发明公开了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法，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，所述粒子图像测速装置包括PIV用数码相机和光源，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。本发明设计了适用于无接触式应变测量的纳米凝胶胶结区成形装置，克服了难以测量砂颗粒胶结区细观应变的问题，测量过程中有效降低对试样的扰动。

技术领域

本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法。

背景技术

岩土工程中对于松散砂土地基可以用纳米硅溶胶溶液渗透加固。纳米硅溶胶溶液中悬浮着纳米颗粒，这些纳米颗粒在溶液碱性降低的过程中先逐渐凝聚成链状结构进而形成三维网状结构的凝胶，从而加固松散砂土地基。通过试验来测试颗粒胶结区的细观应变有助于从细观尺度上建立固化砂土的本构模型。但是砂颗粒之间的胶结区较为细小，传统接触式的应变测量方式如贴应变片和光纤难以应用，在宏观大尺度上已有应用非接触式的粒子图像测速系统测量固体应变，这种方式基于PIV照相机记录平面上标识点不同时刻的位移差，再将这位移差转变为应变，但这种方式要求测量面为平面，而球形颗粒的胶结区在外观上并无平面，因此需要开发适用于粒子图像测速系统的砂颗粒胶结区成型装置，并发展相应的测试方法。

发明内容

本发明为了克服现有技术无法提供可应用于无接触式应变测量的颗粒间纳米凝胶胶结区成型装置、难以测量砂颗粒胶结区细观应变的问题，同时为了有效降低试验过程中对试样的扰动，本发明提供了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法。

本发明的技术方案：一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，两个半球颗粒直径为1mm，半球颗粒的材料为二氧化硅。

优选地，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。

一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量方法，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颗粒的球心与底座上表面齐平；