一种岩土介质微米压痕测试装置及系统

1.本实用新型属于岩土工程测试技术领域，特别涉及一种岩土介质微米压痕测试装置及系统。


背景技术：

2.目前，伴随着基础设施建设的发展，岩土体材料的结构性行为日益受到人们的重视，岩土体材料作为典型的多相多组分多孔介质，具有复杂的组成成分，颗粒间存在复杂的排列、堆积、胶结作用。在宏观尺度，由于传统的土工试验测试技术，使用传统的室内土工实验(三轴、直剪等)方法、以及室外现场测试(cpt、十字板剪切、旁压等)手段均无法有效对岩土体组构进行精细有效的无损式探测。在微观尺度，纳米压痕技术实现了对材料的微观力学性能表征，可以得到岩土材料微观各组分的材料特性，但是由于尺度过小，不能完整反映材料单元体的力学特征。
3.可见，对于岩土材料细观-介观(颗粒)尺度的材料力学性能测试问题，在本领域仍然缺乏有效的技术手段参照；
4.也即，对于岩土材料细观-介观(颗粒)尺度的材料力学性能测试问题，如何提供一种有效的能够作为普适的试验参照实验方式，进而完整反映材料单元体的力学特征，是本领域亟需解决的技术难题。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是如何提供岩土介质微米压痕测试装置，以至少解决上述部分技术问题。
6.为至少解决上述部分技术问题，第一方面，本实用新型提供了岩土介质微米压痕测试装置，所述装置用于对土块试样进行压痕测试，所述装置包括：支撑桁架、电子天平、数显千分表、作动器和pc端；所述支撑桁架包括一水平悬置的安装板，所述安装板上垂直设置所述作动器；所述电子天平设置在所述安装板的正下方，用于承载所述土块试样；所述数显千分表设置在所述作动器的伸缩端上，所述数显千分表包括测头和仪表盘，所述测头正对所述土块试样，所述仪表盘用于显示当所述测头受到压力后的压力数值；所述pc 端与所述作动器连接，用于控制所述作动器的竖向位移；其中，当所述作动器的伸缩端持续伸长时，带动所述数显千分表发生同步位移，使所述测头逐渐刺入所述土块试样的内部；当所述作动器停止伸长时，刺入所述土块试样内的测头保持静止；当所述作动器的伸缩端收缩时，带动所述数显千分表发生同步位移，使所述测头逐渐远离所述土块试样。
7.在第一方面中，所述装置还包括：连接杆，所述连接杆水平设置在所述作动器与所述数显千分表之间，所述连接杆的两端对应设置所述作动器的伸缩端与所述数显千分表远离所述测头一端。
8.在第一方面中，所述装置还包括玻璃罩，所述玻璃罩设置在所述安装板的底部，并罩设在所述电子天平上；所述玻璃罩的顶部设置有玻璃盖，所述玻璃盖上设置连接孔，所述
作动器的伸缩端位于所述玻璃罩内。
9.在第一方面中，所述支撑桁架还包括：基座、两对固定螺杆；所述基座上承载所述电子天平，所述基座的四角对应连接两对所述固定螺杆的底部，两对所述固定螺杆的顶部与所述安装板的底面四角对应连接。
10.在第一方面中，每一所述固定螺杆的顶部均穿过对应端的所述安装板，且螺杆上通过一对螺接螺母夹持住所述安装板的上下两面。
11.在第一方面中，所述安装板上设置有第一滑槽，所述作动器设置在滑槽内并可沿所述滑槽的开设方向自由滑动，所述玻璃盖上设置有第二滑槽，所述第二滑槽与所述第一滑槽的开设方向相一致，且所述第一滑槽与所述第二滑槽的空间高度位置相重合。
12.在第一方面中，两对所述固定螺杆上，沿其高度方向均设置有刻度线。
13.在第一方面中，所述装置还包括：激光笔，所述激光笔设置在所述连接杆上，位于所述数显千分表的安装位置，所述激光笔用于将激光线束映射于所述电子天平上。
14.在第一方面中，所述装置还包括：水平仪，所述水平仪设置在所述连接杆上，用于测试所述连接杆的水平度。
15.第二方面，本实用新型提供了一种测试系统，所述测试系统包括上述任一项所述的岩土介质微米压痕测试装置。
16.有益效果：
17.本实用新型提供的一种岩土介质微米压痕测试装置及系统，通过数显千分表对土块试样进行压痕并测量，得到用于表征土块试样受到压力时的内部力学性能的变化，先将数显千分表与作动器的伸缩端连接，以达到数显千分表调节长度的技术目的，同时，通过电子天平来承载土块试样，以进一步测试当土块试样收到压力后的显示状态，数显千分表包括测头和仪表盘，测头正对所述土块试样，仪表盘用于显示当测头受到压力后的压力数值；pc端与作动器连接，用于控制作动器的竖向位移；其中，当作动器的伸缩端持续伸长时，带动数显千分表发生同步位移，使测头逐渐刺入土块试样的内部；当作动器停止伸长时，刺入土块试样内的测头保持静止；当作动器的伸缩端收缩时，带动数显千分表发生同步位移，使测头逐渐远离土块试样，在依据数据绘制在单位时间内作动器处于伸长、静止或者收缩状态时，绘制与作动器同步运动的测头受到压力的变化规律曲线，进而通过该变化规律曲线反应材料单元体的力学特征。
18.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。
附图说明
19.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实施例一提供的岩土介质微米压痕测试装置的结构示意图；
21.图2为本实施例一提供的作动器的伸缩端在伸长、静止和收缩时在数显千分表的
位移数据变化量；
22.附图标记：
23.1.土块试样；
24.2.数显千分表；
25.3.电子天平；
26.4.连接杆；
27.5.作动器；
28.6.伸缩端；
29.7.安装板；
30.8.基座；
31.9.螺杆；
32.10.螺母；
33.11.玻璃罩；
34.12.玻璃盖。
具体实施方式
35.下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本实用新型。
37.实施例一：
38.请参阅图1-2，本实用新型的实施例一提供岩土介质微米压痕测试装置，所述装置用于对土块试样进行压痕测试，所述装置包括：支撑桁架、电子天平3、数显千分表2、作动器5和pc端；所述支撑桁架包括一水平悬置的安装板7，所述安装板7上垂直设置所述作动器5；所述电子天平3设置在所述安装板7的正下方，用于承载所述土块试样；所述数显千分表2设置在所述作动器5的伸缩端6上，所述数显千分表2包括测头和仪表盘，所述测头正对所述土块试样，所述仪表盘用于显示当所述测头受到压力后的压力数值；所述pc端与所述作动器5连接，用于控制所述作动器5的竖向位移；其中，当所述作动器5的伸缩端6持续伸长时，带动所述数显千分表2发生同步位移，使所述测头逐渐刺入所述土块试样的内部；当所述作动器5停止伸长时，刺入所述土块试样内的测头保持静止；当所述作动器5的伸缩端6收缩时，带动所述数显千分表2发生同步位移，使所述测头逐渐远离所述土块试样。
39.在上述实施例一技术方案中，通过数显千分表2对土块试样进行压痕并测量，得到用于表征土块试样受到压力时的内部力学性能的变化，先将数显千分表2与作动器5的伸缩
端6连接，以达到数显千分表2调节长度的技术目的，同时，通过电子天平3来承载土块试样，以进一步测试当土块试样收到压力后的显示状态，数显千分表2包括测头和仪表盘，测头正对所述土块试样，仪表盘用于显示当测头受到压力后的压力数值；pc端与作动器5连接，用于控制作动器5的竖向位移；其中，当作动器5的伸缩端6持续伸长时，带动数显千分表2发生同步位移，使测头逐渐刺入土块试样的内部；当作动器5停止伸长时，刺入土块试样内的测头保持静止；当作动器5的伸缩端6 收缩时，带动数显千分表2发生同步位移，使测头逐渐远离土块试样，在依据数据绘制在单位时间内作动器5处于伸长、静止或者收缩状态时，绘制与作动器5同步运动的测头受到压力的变化规律曲线，进而通过该变化规律曲线反应材料单元体的力学特征。
40.具体而言，对于作动器5与数显千分表2的连接方式而言，其可以是如下实施方式，在所述作动器5与所述数显千分表2之间设置水平的连接杆4，且将所述连接杆4的两端对应设置所述作动器5的伸缩端6与所述数显千分表2远离所述测头一端，该连接杆4起到连接作动器5与数显千分表2的作用。
41.同时，由于数显千分表2的测试精度较大，测试过程中外部的环境容易对数显千分表2造成干扰，所以，本实施例一提出一种实施方式，以解决上述技术问题，该实施方式包括：在所述安装板7的底部设置玻璃罩11，同时，在所述玻璃罩11的顶部设置有玻璃盖12，以及在所述玻璃盖12上设置连接孔，并将所述电子天平3以及所述作动器5的伸缩端6设置所述玻璃罩11内，这样就使得电子天平3以及设置在电子天平3上的土体试块均在玻璃罩11的保护范围之内，同时，玻璃罩11的透明特性，可以使得试验过程以及结果的透明化，能够透过玻璃罩11更直观地监测到试验的过程。
42.具体而言，对于支撑桁架的设置方式而言，其可以包括以下方法：设置基座8和两对固定螺杆9；设置基座8和两对螺杆9包括：将两对所述固定螺杆9的底部与所述基座8的四角对应连接，将两对所述固定螺杆9的顶部与所述安装板7的底面四角对应连接，且所述基座8用于承载所述电子天平3，这样就使得基座8和两对固定螺杆9形成立方框体的支撑结构，以对置于支撑桁架内的各装置进行保护。
43.进一步地，对于支撑桁架的设置方式还包括：将每一所述固定螺杆9的顶部均穿过对应端的所述安装板7，且螺杆9上通过一对螺接螺母10夹持住所述安装板7的上下两，通过该设置方式，以实现对安装板7高度的调节。
44.进一步地，为了更加清晰、直观地监测连安装板7位于螺杆9上的高度数值，本实施例一还提出一种技术方案，以解决上述技术问题，该技术方案包括：在两对所述固定螺杆9的高度方向均设置有刻度线，这样即可实现对安装板7安装位置高度的把控。
45.在实验过程中，优选将数显千分表2的测头正对土块试样1的正中心，所以，难免会对测头与土块试样1进行微调，故此，本发实施例一提出一种解决方式，该方式包括：在所述安装板7上设置第一滑槽，以及在所述玻璃盖12上设置第二滑槽，且将所述第二滑槽与所述第一滑槽的开设方向设置为同向，以及将所述第一滑槽与所述第二滑槽的空间高度位置设置为重合；
46.将所述作动器5安装在所述第一滑槽内并伸入所述第二滑槽，使所述作动器5可沿所述第一滑槽和所述第二滑槽的开设方向自由滑动，以调节作动器5位置，进而调节与作动器5连接的数显千分表2的位置。
47.为了提高数显千分表2的测试精度，本实施例一还提出一种实施方式，以使数显千分表2快速对准土块试样1的中心，该方式包括：在所述连接杆4 上位于所述数显千分表2的安装位置处设置激光笔，所述激光笔用于将激光线束映射于所述电子天平3上，激光笔的设置位置可以是与数显千分表2的测头位置相贴近的位置，也可以理解为附近位置。
48.同时，为了提高数显千分表2的测试精度，可以在连接杆4上设置一水平仪，以在实验时测试所述连接杆4的水平度。
49.在试样土块放在测量舱中时：试样土块放置于电子天平3(精度：0.01g) 上，归零。
50.所述测量舱表面内涂抹有机硅胶涂料，有机硅胶涂料具有较好的防止透气透湿的作用，有效的避免试样土块受外界环境的干扰，保证了实验的精确性。
51.所述电子天平3测量测头施加在试样土块上的力，由于电子天平3数值归零，电子天平3上的重量变化可以根据公式f＝mg转换为测头施加在试样土块上的力，实验过程中实时记录实验数值。
52.所述数显千分表2由指示表、测杆、测头三部分组成，精度为0.001mm，测头所能承受的外部最大力(约1.5n)，当测头达到了测头所能承受的外部最大力，测杆开始压缩，其压缩数值等于指示表显示数值；测头的形状有三角形、圆柱形、圆球形等。
53.所述加载阶段：对应于伸长状态，启动作动器5，通过计算机软件给作动器5设置一个固定的加载位移值，作动器5伸缩端6、条形不锈钢体和数显千分表2受到外部作用力以0.1667μm/s的速度缓慢下降，数显千分表2的测头也随之受力，测头尖端会逐渐刺入到试样土块中，且指示表无示数；随着外部作用力累积到某一时刻，测头达到了测头所能承受的外部最大力，测头尖端停止刺入，且指示表开始有示数；外部作用力继续累积，测杆开始压缩，其压缩数值等于指示表显示数值；电子天平3的示数由0逐渐增大，直至出现“波浪形”的平缓段。
54.所述静载阶段：对应于静止状态，当数显千分表2开始有示数，可暂停作动器5加载，电子天平3示数开始逐渐降低，直至电子天平3示数达到一个稳定的恒值。
55.所述卸载阶段：对应于收缩状态，当电子天平3示数达到一个稳定的恒值后作动器5伸缩端6升起，电子天平3示数开始逐渐降低，直至为零。
56.实施例二：
57.本实用新型提出的一种测试系统，测试系统包括上述任一项所述的岩土介质微米压痕测试装置的测试方法。
58.需要说明的是，在做上述实施例一的试验时，对于土块试样1的选取也尤为重要，直接影响了“压痕”的实施难易程度，故此，本实施例三提出一种土块试样1的制备方法：试样土块制备：试样土块为一定厚的的圆柱形，直径2～3cm，厚度约为8mm，试样土块表面的平行度、平直度、侧面的垂直度应当符合试验要求。
59.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。