[发明专利]砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，包括转矩施加装置、胶结区成形装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统。转矩施加装置包括转动轴杆、细线、应力计、施力杆和直线式超声电机；胶结区成形装置包括含有色颗粒硅溶胶水箱、球形颗粒、颗粒安装套杆、圆形截面有机玻璃套管和石英玻璃平板；所述粒子图像测速装置包括数码相机和光源；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。本发明设计了适用于扭转截面上剪应变无接触测量的胶结区成形装置，通过使用含有色颗粒硅溶胶克服了难以在扭转截面布设标志点的问题，另外解决了扭转过程中难以实时获得扭转截面的应变云图和转矩对应关系的问题。

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扭转强度和剪应变测试装置及方法。

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。但是现有的测试装置主要进行大尺寸颗粒胶结强度测试，在胶结区成型装置和加载精度方面难以满足砂颗粒等小尺寸颗粒胶结区的强度与应变测试要求。而新设计的针对砂颗粒等小尺寸颗粒的胶结区测试装置，关注于弯曲和剪切载荷下的强度和应变测试，虽然通过应用直线式超声电机来提高加载精度，但是这些装置无法施加扭矩载荷，也无法在扭转平面上布置标志点来测试剪应变。因此设计可用于扭转截面上剪应变无接触测量的胶结区成形装置、提出扭转截面布设标志点的方法、实时获得扭转过程中扭转截面的应变云图和转矩的对应关系显得尤为重要。

发明内容

本发明为了克服现有技术无法提供适用于扭转截面上剪应变无接触测量的胶结区成形装置、在扭转截面上无法布设标志点测量剪应变、难以实时获得扭转过程中扭转截面的应变云图和转矩对应关系的问题，本发明提供了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置及方法。

本发明的技术方案：一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，包括转矩施加装置、胶结区成形装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统；

所述转矩施加装置包括转动轴杆、细线、应力计、施力杆和直线式超声电机，所述转动轴杆的一端设有螺孔，所述细线缠绕在转动轴杆上且与施力杆一端连接，施力杆的另一端连接直线式超声电机，所述应力计安装在施力杆上；

所述胶结区成形装置包括含有色颗粒硅溶胶水箱、球形颗粒、颗粒安装套杆、圆形截面有机玻璃套管和石英玻璃平板，所述含色颗粒硅溶胶水箱中盛有纳米硅溶胶，所述纳米硅溶胶中分散着有色颗粒，所述颗粒安装套杆的一端有凹槽，所述凹槽用于与球形颗粒的小部分表面粘结，颗粒安装套杆的另一端有螺纹用于拧紧在转动轴杆一端的螺孔内；

所述粒子图像测速装置包括数码相机和光源；

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，所述球形颗粒直径取1mm，球形颗粒为二氧化硅颗粒。

优选地，所述圆形截面有机玻璃套管的内径等于球形颗粒的直径。

优选地，所述应力计为光纤测力计。

优选地，所述细线为碳纤维细线。

优选地，所述含有色颗粒硅溶胶水箱中的有色颗粒为炭黑颗粒。

一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置的测试方法，包括下述步骤：

步骤1：将圆形截面有机玻璃套管浸入含有色颗粒硅溶胶水箱内，待硅溶胶填满有机玻璃套筒后后，用镊子将球形颗粒推入圆形截面有机玻璃套管中；