一种浮力测试装置及测试方法与流程

1.本发明涉及材料性能测试技术领域，尤其涉及一种浮力测试装置及测试方法。


背景技术：

2.随着城市交通的迅速发展，地下空间的开发利用也日益增长，其中，盾构法因其施工便利、噪声小、施工速度快的特点被广泛应用在地铁隧道工程建设中。在注浆过程中，管片被浆液紧紧包裹，受到浮力，极易发生管片上浮现象，而管片上浮会造成管片间螺栓剪切破坏、管片错台、管片内漏水等等工程安全事故。
3.目前，针对注浆作业时管片上浮的控制方法一般是在保证泵送性能的前提下配制流动性能较差的浆体，因而，准确测试出不同流动性或其他性能不同的浆体对其所包裹的物体在同等条件下所能提供的浮力的情况对于保证注浆作业的安全施工至关重要。传统的技术方案中，通常直接使用土压力盒或应变片置于一定高度的砂浆柱内或者容器内壁，用压力表征浆体提供浮力的能力，目的在于简化操作，使测试可用于流动性范围较宽的各类浆体，但这类方法存在针对非纯液体的测试，例如砂浆等浆体，测试结果误差大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种浮力测试装置及测试方法，测试结构更加可靠性，避免重复操作。
5.为实现上述目的，提供以下技术方案：
6.一种浮力测试装置，包括：
7.支撑架；
8.吊挂件，可调节地设置于所述支撑架上，所述吊挂件用于吊挂物品；
9.拉力传感器，设置于所述吊挂件上，所述拉力传感器被配置为测试所述拉力传感器在所述吊挂件上吊挂的所述物品的重力作用下产生的应变；
10.内筒，可拆卸连接于所述吊挂件，所述内筒的底部设置有土压力盒；
11.箱体，所述箱体具有容纳腔和连通所述容纳腔的开口，所述容纳腔用于容置试样，所述内筒能够从所述开口伸入所述容纳腔中；
12.数据采集仪，所述拉力传感器和所述土压力盒分别电连接于所述数据采集仪。
13.进一步地，所述内筒的外表面上设置有脱模剂。
14.进一步地，所述吊挂件包括两个螺杆，两个所述螺杆之间连接有所述拉力传感器，一个所述螺杆螺接于所述支撑架，另一个所述螺杆上设置有连接板，所述内筒可拆卸连接于所述连接板。
15.进一步地，所述支撑架包括两个支撑柱和横梁，两个所述支撑柱间隔设置，所述横梁设置于两个所述支撑柱上，所述横梁上贯通开设有螺纹孔，一个所述螺杆螺接于所述螺纹孔。
16.进一步地，还包括位于所述横梁下方的支撑座，所述箱体设置于所述支撑座上。
17.进一步地，所述箱体的底部侧壁上设置有进料口，所述进料口设置有阀门。
18.进一步地，还提供一种根据如上所述的浮力测试装置的测试方法，包括以下步骤：
19.步骤1、校准拉力传感器，确定所述拉力传感器的弹性模量；
20.步骤2、向箱体内加入试样，并采用振动棒振实，所述试样填入所述箱体内至设定高度h；
21.步骤3、连接吊挂件和内筒，打开数据采集仪，将所述拉力传感器的应变示数设置为零；
22.步骤4、所述吊挂件安装于支撑架上，所述内筒悬空放入所述箱体中，记录所述拉力传感器的应变示数ε0；
23.步骤5、调节所述吊挂件以使所述内筒下降，所述内筒下降至所述内筒的底部低于所述试样的上表面；
24.步骤6、调节所述吊挂件以使所述内筒上移，直至所述拉力传感器的应变示数为ε0，停止上移所述内筒；
25.步骤7、向所述箱体内加入所述试样至所述内筒外壁上的l刻度线位置处；
26.步骤8、记录所述拉力传感器的应变示数ε1，所述拉力传感器的弹性模量为e，通过公式f＝e
×
(ε0-ε1)计算得到所述试样对所述内筒提供的浮力f；
27.步骤9、读取土压力盒的压力示数p，所述土压力盒的受压面积为s，通过公式f*＝s
×
p计算得到所述土压力盒受到的浮力f*，若∣f﹣f*∣≦5％，则所述步骤8中测试得到的所述试样对所述内筒提供的浮力f值有效。
28.进一步地，所述步骤1、校准拉力传感器，确定所述拉力传感器的弹性模量的具体步骤如下：
29.步骤1.1、将所述吊挂件安装于所述支撑架上；
30.步骤1.2、在所述吊挂件上挂设钩码，根据所述拉力传感器的应变示数ε随所述钩码重量g的变化情况得到g-ε曲线，所述曲线的斜率为所述拉力传感器的弹性模量。
31.进一步地，在所述步骤3和所述步骤4之间，还包括步骤m：所述内筒的外表面涂抹脱模剂。
32.进一步地，在所述步骤7中，待所述箱体内加入所述试样后，采用所述振动棒振实。
33.本发明的有益效果为：
34.本发明的浮力测试装置，箱体内的容纳腔用于容置试样，通过将吊挂件可调节地设置于支撑架上，以调节内筒伸入容纳腔中的位置，确保内筒与容纳腔内的试样精准接触，确保利用拉力传感器测试得到的试样对内筒提供浮力值的可靠性和精确度。此外，浮力测试装置中还通过在内筒的底部设置土压力盒，将内筒底的土压力盒测得的数据作为辅助校准，将利用拉力传感器测试得到的试样对内筒提供浮力值与土压力盒测得的数据做对比，确保测试结果更加准确可靠，能够避免重复测试。通过本发明的浮力测试装置的测试方法，操作简单便捷，相对于传统方法结果更加可靠，避免了重复测试的操作不便。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
36.图1为本发明实施例提供浮力测试装置的结构示意图。
37.图中：
38.1-支撑架；11-支撑柱；12-横梁；13-斜撑；
39.2-吊挂件；21-螺杆；211-第一螺杆；212-第二螺杆；22-连接板；23-螺栓；
40.3-拉力传感器；
41.4-内筒；41-土压力盒；
42.5-箱体；51-容纳腔；52-开口；53-进料口；
43.6-数据采集仪；
44.7-支撑座。
具体实施方式
45.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或是本产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，或者用于区分不同结构或部件，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
49.如图1所示，本发明实施例提供了一种浮力测试装置，包括支撑架1、吊挂件2、拉力传感器3、内筒4、箱体5、数据采集仪6。其中吊挂件2可调节地设置于支撑架1上，吊挂件2用于吊挂物品，例如吊挂钩码或内筒4等。拉力传感器3设置于吊挂件2上，拉力传感器3被配置为测试拉力传感器3在吊挂件2上吊挂的物品的重力作用下产生的应变，本实施例中的拉力传感器3为应变式拉力传感器，可以测量受外力作用下产生的位移量，即作为应变量。内筒4可拆卸连接于吊挂件2，内筒4的底部设置有土压力盒41；箱体5具有容纳腔51和连通容纳腔51的开口52，容纳腔51用于容置试样，内筒4能够从开口52伸入容纳腔51中。拉力传感器3和土压力盒41分别电连接于数据采集仪6，本实施中的数据采集仪6通过电线分别电连接拉力传感器3和土压力盒41。
50.本实施例的浮力测试装置中的箱体5的容纳腔51用于容置试样，通过将吊挂件2可调节地设置于支撑架1上，以调节内筒4伸入容纳腔51中的位置，确保内筒4与容纳腔51内的试样精准接触，确保利用拉力传感器3测试得到的试样对内筒4提供浮力值的可靠性和精确
度。此外，浮力测试装置中还通过在内筒4的底部设置土压力盒41，将内筒4底的土压力盒41测得的数据作为辅助校准，将利用拉力传感器3测试得到的试样对内筒4提供浮力值与土压力盒41测得的数据做对比，能够避免重复测试。
51.可选地，内筒4的外表面上设置有脱模剂，在箱体5内加入试样后，采用振动棒接触内筒4，在脱模剂和振动棒的配合下能够完全释放试样与内筒4的外表面之间的静摩擦及粘滞力，提升测试结果的精确度。
52.可选地，吊挂件2包括两个螺杆21，两个螺杆21分别为第一螺杆211和第二螺杆212，第一螺杆211和第二螺杆212之间连接有拉力传感器3。其中，第一螺杆211螺接于支撑架1，第二螺杆212上设置有连接板22，内筒4可拆卸连接于连接板22。通过将第一螺杆211和第二螺杆212之间设置有拉力传感器3，则在第二螺杆212上吊挂物品时，拉力传感器3受到物品的重力作用而产生形变，拉力传感器3测试出应变量。连接板22设置于第二螺杆212远离第一螺杆211的一端，通过在第二螺杆212上设置连接板22，确保内筒4稳固安装在吊挂件2上。
53.可选地，支撑架1包括两个支撑柱11和横梁12，两个支撑柱11间隔设置，横梁12设置于两个支撑柱11上，每个支撑柱11与横梁12之间设置有一个斜撑13，即斜撑13与横梁12呈夹角设置，一端连接于横梁12，另一端连接于支撑柱11，通过支撑柱11、横梁12和斜撑13组成结构牢固的支撑架1，为吊挂件2和内筒4提供稳定的支撑。横梁12上贯通开设有螺纹孔，第一螺杆211螺接于螺纹孔，且第一螺杆211远离第二螺杆212的一端穿过螺纹孔后通过螺母固定。通过将第一螺杆211螺接于横梁12上的螺纹孔，便于吊挂件2可拆卸安装在支撑架1上，同时还能通过转动第一螺杆211上的螺母，调节吊挂件2在支撑架1上的位置，便于操作。
54.可选地，本实施例的浮力测试装置还包括位于横梁12的下方的支撑座7，支撑座7介于两个支撑柱11之间，箱体5设置于支撑座7上，箱体5的开口52朝向横梁12，通过设置支撑座7支撑固定住箱体5。
55.可选地，箱体5的底部侧壁上设置有进料口53，进料口53设置有阀门。通过进料口53向箱体5的容纳腔51中输送试样，通过开启或关闭阀门控制进料口53的打开和关闭。将进料口53设置于箱体5的底部侧壁上，避免加试样的过程中对内筒4造成扰动。
56.可选地，内筒4呈柱状，内筒4的外侧壁上设置有刻度线。
57.本实施例还提供一种浮力测试装置的测试方法，本实施例中向箱体5内注入的试样可为砂浆或会发生反应的试样，适用于测试砂浆或会发生反应的试样对内筒4产生的浮力，具体包括以下步骤：
58.步骤1、校准拉力传感器3，确定拉力传感器3的弹性模量，提升测试数据的准确度。
59.步骤2、向箱体5内加入试样，并采用振动棒振实，试样填入箱体5内至设定高度h，本实施例中向箱体5内加入试样至试样的上表面距离箱体5的底部为五厘米高度位置处。通过振动棒接触内筒4振动以释放试样与内筒4的外表面之间的静摩擦及粘滞力。
60.步骤3、将内筒4竖直放置于地面上，连接吊挂件2和内筒4，即将内筒4连接于连接板22，将第一螺杆211和第二螺杆212之间连接好拉力传感器3，然后打开数据采集仪6，通过数据采集仪6将拉力传感器3的应变示数设置为零，此时的内筒4被地面支撑，拉力传感器3只受自身重力作用，则通过此步骤能够扣除拉力传感器3自重引入的误差，提高测试精确
性。
61.步骤4、先将内筒4通过螺栓23固定连接于连接板22；再通过第一螺杆211和螺母配合将吊挂件2安装于支撑架1的横梁12上，即第一螺杆211穿过横梁12上的螺纹孔后用螺母固定；最后将内筒4悬空放入箱体5中，通过数据采集仪6记录拉力传感器3的应变示数ε0，此时拉力传感器3受到内筒4的重力作用被拉伸产生形变，应变示数ε0即为内筒4自重引起的拉应变，即内筒4的自重g0＝ε0
·
e，拉力传感器3的应变示数ε0》0。
62.步骤5、调节吊挂件2以使内筒4下降，将内筒4下降至内筒4的底部低于试样的上表面，可选地，内筒4的底部低于试样上表面1-8毫米。步骤5中使内筒4的底部低于试样上表面的操作方法，依据试样塑性不同具体的操作有所不同，对于塑性较好的试样可直接下放内筒4即可，对于干硬性试样应向下压入内筒4。
63.步骤6、调节吊挂件2以使内筒4上移，直至拉力传感器3的应变示数为ε0，停止上移内筒4。在实际操作过程中，ε0的误差保持在
±
1％内。
64.通过上述步骤4至步骤6，可排除箱体5底部试样可能提供的支持力的干扰，即排除箱体5底部试样密实并与内筒4产生的挤压从而提供内筒4支持力的情况。
65.可选地，步骤5和步骤6中调节吊挂件2以使内筒4下降或上移，可通过绕第一螺杆211的轴线方向，正向旋转螺母以使第一螺杆211下降，进而带动内筒4下降；反向旋转螺母以使第一螺杆211上移，进而带动内筒4上移。
66.步骤7、内筒4的外侧壁上设置有刻度线，向箱体5内加入试样至内筒4外侧壁上的l刻度线位置处，在实际测试时，可先向箱体5内加入试样至内筒4外侧壁上的20厘米刻度线位置处，此时箱体5内的试样接触内筒4并对内筒4提供浮力。
67.步骤8、刮平试样上表面，待拉力传感器3的示数稳定后，数据采集仪6记录拉力传感器3的应变示数ε1，拉力传感器3的弹性模量为e，通过公式f＝e
×
(ε0-ε1)计算得到试样对内筒4提供的浮力f。
68.步骤9、读取土压力盒41的压力示数p，土压力盒41的受压面积为s，通过公式f*＝s
×
p计算得到土压力盒41受到的浮力f*，若∣f﹣f*∣≦5％，则步骤8中测试得到的试样对内筒4提供的浮力f值有效。若∣f﹣f*∣》5％，测试得到的浮力f无效，重新测试。
69.可选地，本实施例中的采用该浮力测试装置的测试方法，若需要测试箱体5内更高试样对内筒4提供的浮力时，则按照每次向箱体5内浇筑20厘米高度的试样后，然后重复步骤8和步骤9即可，保持定时记录拉力传感器3的应力示数和土压力盒41的压力示数。
70.本实施例的浮力测试装置的测试方法利用拉力传感器3测试出箱体5内的试样对内筒4提供的浮力值，并与土压力盒41测试的结果相比较，相对于传统方法结果更加可靠，避免了重复测试的操作不便。
71.可选地，步骤1、校准拉力传感器3，确定拉力传感器3的弹性模量的具体步骤如下：
72.步骤1.1、将吊挂件2安装于支撑架1上，即通过第一螺杆211穿过横梁12上的螺纹孔后用螺母固定实现将吊挂件2安装于支撑架1上，在第一螺杆211和第二螺杆212之间连接好拉力传感器3。
73.步骤1.2、在吊挂件2的连接板22上挂设钩码，根据拉力传感器3的应变示数ε随钩码重量g的变化情况得到g-ε曲线，曲线的斜率为拉力传感器3的弹性模量。测试结束后，将吊挂件2从支撑架1上拆下。
74.在步骤1中，g-ε曲线中，g和相对应的ε的取样数量分别大于或等于5个，采用线性拟合，当pearson(pearson correlation coefficient皮尔逊)相关系数大于0.999，视为测试结果有效；测得的拉力传感器3的弹性模量与拉力传感器3的标称弹性模量相对偏差不超过5％，视为校准结果有效，后续计算时采用实际测试得到的拉力传感器3的弹性模量。若测得的拉力传感器3的弹性模量与拉力传感器3的标称弹性模量相对偏差超过5％，按照步骤1重新测试。上述pearson相关系数用来衡量两个数据集合是否在一条线上面，它用来衡量定距变量间的线性关系，相关系数越接近于1或-1，相关度越强，相关系数越接近于0，相关度越弱。
75.可选地，在步骤3和步骤4之间，还包括步骤m：内筒4的外表面涂抹脱模剂，以便后续与振动棒配合，释放试样与内筒4的外表面之间的静摩擦及粘滞力。
76.可选地，在步骤7中，待箱体5内加入试样后，采用振动棒振实，在脱模剂和振动棒的配合下能够完全释放试样与内筒4的外表面之间的静摩擦及粘滞力，提升测试结果的精确度。此外，通过脱模剂和振动棒的配合能够适用于测试发生反应的试样，防止发生反应的试样出现体积变化而对内筒4的底部产生应力，因而本方法也适用于发生反应的试样，可持续测试浮力变化直至消失的过程。
77.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所说的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。