一种颗粒间胶结物拉伸与剪切性能的测试装置及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种颗粒间胶结物拉伸与压缩性能的测试装置及测试方法，其中测试装置包括测试平台，在测试平台上设置有分别与一模型球固连的固定块和滑动块，在测试平台的下端设置有一铰接支点和一使测试平台绕铰接支点摆动的电动升降装置；在滑动块上还设置有一凹面镜，在正对该凹面镜的位置设置一线光源及一用于获取线光源发出的光经所述凹面镜后反射光的光感应器；升降装置根据所述光感应器根据反射光进入设定的感应位置控制升降装置抬升或降低的高度。本发明装置简单，易于操作，试验结果更加精确，能更好的应用于界面的粘结试验中。
【专利说明】
一种颗粒间胶结物拉伸与剪切性能的测试装置及测试方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种测试装置及测试装置，具体是一种界面粘结性能的测试装置及测试方法。
【背景技术】
[0002]目前为止，众多学者只是对胶结完成的整个土体进行力学性能方面的测试，但岩土是由许多微观颗粒组成，颗粒与颗粒之间的填充物粘结强度还未得到有效的研究。蒋明镜等简化了微观胶结力学模型并提出模型中各参数的测试方法，为了研究颗粒之间水泥胶结物力学性能，其团队采用两个铝棒模拟胶结颗粒，利用水泥以及环氧树脂作为胶结材料，接着进行拉伸、压缩、压剪、压扭等一系列加载试验检测胶结强度，随后对不同胶结厚度下的胶结强度规律进行研究，为了进一步探明砂颗粒之间胶结的粘结强度，可以利用其研究团队研制的颗粒接触力学特性测试装置进行模拟试验。将微观胶结力学模型引入到离散元程序，从而模拟土体与胶结物在不同加载条件下的力学特性及机理分析，建立土体的胶结本构模型。蒋明镜将颗粒的粘结问题简化成平面问题，将粘接力放大，便于力的施加和位移的测试。由于将棒状代替球体，因而跟实际的情况有一定的误差。
[0003]Hai等利用直径为3mm的玻璃小球模拟砂土颗粒，两颗小球分别连接在精密轴承台上面，其中一颗小球连接在带有硬筋的稳定平台，另一颗连接在带有偏转光纤的可移动平台，将整体装置放入微生物灌浆溶液中，如图2所示。通过移动平台带动光纤偏转从而对两颗玻璃球之间施加拉力，此设计装置很好的评估模拟砂颗粒之间的胶结力，但是需要使用精密的位移测试和微力施加装置。该试验方案通过施加微小的位移来间接的计算出施加的力，这种力有很多的影响因素，如由于光纤尺寸较小，计算光纤抵抗矩时会放大尺寸带来的误差，而且位移测试的精度，都会影响试验结果的可靠度，而且试验需要高精度的微小位移作动器。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种测试结构简单、测试方便且测试精确度高的颗粒间胶结物拉伸与剪切性能的测试装置及测试方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0006]一种颗粒间胶结物拉伸与剪切的测试装置，包括测试平台，其特征在于:在所述测试平台上设置有分别与一模型球固连的固定块和滑动块，在所述测试平台的下端设置有一铰接支点和一使所述测试平台绕所述铰接支点摆动的电动升降装置，所述滑动块在所述电动升降装置的作用下在所述测试平台上与相对设置的滑动块之间产生相向或相背的运动用于测试位于固定块和滑动块上两模型球之间的粘结性能;在所述滑动块上还设置有一凹面镜，在正对该凹面镜的位置设置一线光源及一用于获取所述线光源发出的光经所述凹面镜后反射光的光感应器;所述升降装置根据所述光感应器根据所述反射光进入设定的感应位置控制所述升降装置抬升或降低的高度。
[0007]所述光感应器为屏幕或感应数据处理终端;所述线光源为激光。
[0008]在所述测试平台上设置有滑动罩壳和固定罩壳，所述滑动块设置在所述滑动罩壳内，所述固定块设置在所述固定罩壳内，在所述固定罩壳和移动罩壳之间形成有一空腔，所述固定块和滑动块上的模型球位于所述空腔内，在该空腔内连通有用于在两模型球之间形成胶结物的注浇通道。
[0009]在所述测试平台上固定有一固定架，所述固定块通过固定块螺栓可调的安装在所述固定架上，所述固定块罩壳通过调整把手可调的安装在所述固定架上。
[0010]在所述固定块与固定块罩壳之间设置有滚珠。
[0011 ] 一种测试颗粒间胶结物拉伸性能的方法，其特征在于，步骤为:
[0012]步骤一、将形成有胶结物的滑动块和固定块放置在呈水平的测试平台上，将固定块与测试平台固定；
[0013]步骤二、根据胶结物的厚度确定胶结物破坏时滑动块滑动的距离，并根据这一距离确定光感应器设定的感应位置；
[0014]步骤三、通过电动升降装置逐步抬升测试平台一端，当反射光到达感应位置时，停止抬升测试平台，得到测试平台的倾斜角度；
[0015]步骤四、根据步骤三得到的倾斜角度计算拉伸时的粘结力:
[0016]Fi = G sin0-yG cos0
[0017]其中，Fi为颗粒拉伸时的粘结力，f为滑动模块与测试平台之间的摩擦力，G为滑动模块的重量，μ为摩擦系数。
[0018]所述胶结物破坏时滑动块滑动的距离为胶结物的厚度。
[0019]—种测试颗粒间胶结物压缩性能的方法，其特征在于，步骤为:
[0020]步骤一、将形成有胶结物的滑动块和固定块放置在呈水平的测试平台上，将固定块与测试平台固定；
[0021]步骤二、根据胶结物的厚度确定胶结物破坏时滑动块滑动的距离，并根据这一距离确定光感应器设定的感应位置；
[0022]步骤三、通过电动升降装置逐步降低测试平台一端，当反射光到达感应位置时，停止降低测试平台，得到测试平台的倾斜角度；
[0023]步骤四、根据步骤三得到的倾斜角度计算拉伸时的粘结力:
[0024]Fy = yG cos0-G sin0
[0025]其中，Fy为颗粒拉压缩时的粘结力，f为滑动模块与测试平台之间的摩擦力，G为滑动模块的重量，μ为摩擦系数。
[0026]所述胶结物破坏时滑动块滑动的距离为胶结物的厚度。
[0027]与现有技术相比，本发明装置简单，易于操作，试验结果更加精确，能更好的应用于界面的粘结试验中。
【附图说明】
[0028]图1是本发明测试装置的结构示意图；
[0029]图2是本发明测试装置拉伸测试状态图；
[0030]图3是本发明测试装置压缩测试状态图；
[0031 ]图4是本发明测试装置测试原理图。
[0032]图5是凹面镜位移测试原理图。
[0033]其中:1、测试平台；2、滑动块;21、滑动罩壳;3、固定块;31、固定罩壳;4、固定架;5、调整把手;6、滚珠;7、出浆口； 8、注浆口； 9、模型球;10、凹面镜；11、铰接支点；12、升降装置；13、胶结物;14、线光源;15、光感应器。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图，对本发明作详细说明:
[0035]如图1所示，本发明测试装置包括:
[0036]制作两个边长为30mm*50mm*30mm的模块，一个为滑动块2，一个为固定块3，其中固定块3固定在刚性的测试平台I上，滑动块2可以在测试平台上相对滑动。选取2-3mm直径硅颗粒圆球作为模拟土颗粒的模型球9，模型球9分别与两个模块相连接。测试平台I 一端铰接一端搁置在位移电动升降装置12上，并在测试平台上铺设导轨，便于滑动块2产生相对滑动。在滑动块2上还安装有一凹面镜10，在正对该凹面镜的位置设置一线光源14及一用于获取线光源发出的光经凹面镜后反射光的光感应器15。
[0037]为了胶结物与模型球在测试平台上成型，将滑动块2和固定块3分别放置在一滑动罩壳21和固定罩壳31内，固定罩壳31与测试平台上的固定架4通过调整把手5连接，为了便于调整固定块与滑动块之间胶结物的厚度，固定块通过固定块螺栓可调的安装在固定架4上并可在固定罩壳31内滑动，滑动界面设置有降低摩擦的滚珠6。由滑动罩壳21和固定罩壳31构成的罩壳结构内围合有一用于注浆的空腔，与该空腔连通的有注浆口 8和出浆口 7。
[0038]测试试验前先通过注浆口进行注浆，待注浆及胶结完成之后进行界面粘结性能试验。对样品采用相关菌种(如巴氏芽孢杆菌)进行注浆。
[0039]拉伸试验
[0040]将两模块放置于测试平台I上。试验前需测定两模块重量和测试平台的摩擦系数。根据胶结物的厚度确定拉伸破坏时滑动块滑动的位移，并根据确定的这一位移设定光感应器接收到的经凹面镜反射光的感应位置。拉伸时，胶结物首先会因为拉伸而产生裂缝，最终表现为断裂，所以以断裂时两模型球之间的距离作为破坏的测试位置。先开启位移电动升降装置，使平台缓慢抬升，使得滑块产生移动，当反射光到达设定感应位置后，停止电动升降装置动作，测定测试平台抬升高度H和支点到升降装置的距离L，算出L和H的比值，确定坡角
[0041]凹面镜测量位移的原理如图5所示。地面上固定一个激光装置，先照射于凹面镜正中间，待模块有相对滑动距离为e时，激光照射凹面镜另一位置，测反射光偏移原发光位置的距离为S，根据感光器与凹面镜之间的距离D，即可得到模块的移动距离S。图中，P为法线。
[0042]拉伸试验如图2示，计算公式如下:
[0043]Fy = yG cos0-G sin0
[0044]其中，Fy为颗粒拉压缩时的粘结力，f为滑动模块与测试平台之间的摩擦力，G为滑动模块的重量，μ为摩擦系数。
[0045]压缩试验
[0046]将两模块放置于测试平台I上。试验前需测定两模块重量和测试平台的摩擦系数。根据胶结物的厚度确定压缩破坏时滑动块滑动的位移，并根据确定的这一位移设定光感应器接收到的经凹面镜反射光的感应位置。压缩时，胶结物首先会因为压缩而产生裂缝，最终表现为脱落，所以可以以脱落作为破坏的测试位置。先开启位移电动升降装置，使平台缓慢下降，使得滑块产生移动，当反射光到达设定感应位置后，停止电动升降装置动作，测定测试平台下降的高度H和支点到升降装置的距离L，算出L和H的比值，确定坡角Θ。
[0047]压缩试验方法如图3示，计算公式如下:
[0048]Fy = yG cos0-G sin0
[0049]其中，Fy为颗粒拉压缩时的粘结力，f为滑动模块与测试平台之间的摩擦力，G为滑动模块的重量，μ为摩擦系数。
【主权项】
1.一种颗粒间胶结物拉伸与剪切的测试装置，包括测试平台，其特征在于:在所述测试平台上设置有分别与一模型球固连的固定块和滑动块，在所述测试平台的下端设置有一铰接支点和一使所述测试平台绕所述铰接支点摆动的电动升降装置，所述滑动块在所述电动升降装置的作用下在所述测试平台上与相对设置的滑动块之间产生相向或相背的运动用于测试位于固定块和滑动块上两模型球之间的粘结性能;在所述滑动块上还设置有一凹面镜，在正对该凹面镜的位置设置一线光源及一用于获取所述线光源发出的光经所述凹面镜后反射光的光感应器;所述升降装置根据所述光感应器根据所述反射光进入设定的感应位置控制所述升降装置抬升或降低的高度。2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于:所述光感应器为屏幕或感应数据处理终端;所述线光源为激光。3.根据权利要求1或2所述的测试装置，其特征在于:在所述测试平台上设置有滑动罩壳和固定罩壳，所述滑动块设置在所述滑动罩壳内，所述固定块设置在所述固定罩壳内，在所述固定罩壳和移动罩壳之间形成有一空腔，所述固定块和滑动块上的模型球位于所述空腔内，在该空腔内连通有用于在两模型球之间形成胶结物的注浇通道。4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于:在所述测试平台上固定有一固定架，所述固定块通过固定块螺栓可调的安装在所述固定架上，所述固定块罩壳通过调整把手可调的安装在所述固定架上。5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于:在所述固定块与固定块罩壳之间设置有滚珠。6.—种基于权利要求1所述测试装置测试颗粒间胶结物拉伸性能的方法，其特征在于，步骤为: 步骤一、将形成有胶结物的滑动块和固定块放置在呈水平的测试平台上，将固定块与测试平台固定； 步骤二、根据胶结物的厚度确定胶结物破坏时滑动块滑动的距离，并根据这一距离确定光感应器设定的感应位置； 步骤三、通过电动升降装置逐步抬升测试平台一端，当反射光到达感应位置时，停止抬升测试平台，得到测试平台的倾斜角度； 步骤四、根据步骤三得到的倾斜角度计算拉伸时的粘结力: Fi = G sin0-uG cos0 其中，F1为颗粒拉伸时的粘结力，f为滑动模块与测试平台之间的摩擦力，G为滑动模块的重量，μ为摩擦系数。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于:所述胶结物破坏时滑动块滑动的距离为胶结物的厚度。8.—种基于权利要求1所述测试装置测试颗粒间胶结物压缩性能的方法，其特征在于，步骤为: 步骤一、将形成有胶结物的滑动块和固定块放置在呈水平的测试平台上，将固定块与测试平台固定； 步骤二、根据胶结物的厚度确定胶结物破坏时滑动块滑动的距离，并根据这一距离确定光感应器设定的感应位置； 步骤三、通过电动升降装置逐步降低测试平台一端，当反射光到达感应位置时，停止降低测试平台，得到测试平台的倾斜角度； 步骤四、根据步骤三得到的倾斜角度计算拉伸时的粘结力: Fy = UG COS0-G sin0 其中，Fy为颗粒拉压缩时的粘结力，f为滑动模块与测试平台之间的摩擦力，G为滑动模块的重量，μ为摩擦系数。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:所述胶结物破坏时滑动块滑动的距离为胶结物的厚度。
【文档编号】G01N19/04GK105842161SQ201610184667
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】王照宇, 王洪霞, 邱成春, 李以勤, 金勇 , 李奇, 沈道健
【申请人】盐城工学院