砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置及測量方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置及測量方法，包括載荷施加裝置、膠結區成形裝置、標志點噴涂裝置、粒子圖像測速裝置和數據采集及控制系統。所述載荷施加裝置包括底座、施力桿和直線式超聲電機，所述膠結區成形裝置包括兩個半球顆粒以及依次連接的水泵、半圓截面有機玻璃套管、注射細管和納米硅溶膠儲存容器，所述粒子圖像測速裝置包括PIV用數碼相機和光源，數據采集及控制系統分別與載荷施加裝置和粒子圖像測速裝置連接。本發明專利技術設計了適用于無接觸式應變測量的納米凝膠膠結區成形裝置，克服了難以測量砂顆粒膠結區細觀應變的問題，測量過程中有效降低對試樣的擾動。

【技術實現步驟摘要】
砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置及測量方法
本專利技術屬于巖土工程研究領域,尤其涉及一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置及測量方法。
技術介紹
巖土工程中對于松散砂土地基可以用納米硅溶膠溶液滲透加固。納米硅溶膠溶液中懸浮著納米顆粒，這些納米顆粒在溶液堿性降低的過程中先逐漸凝聚成鏈狀結構進而形成三維網狀結構的凝膠，從而加固松散砂土地基。通過試驗來測試顆粒膠結區的細觀應變有助于從細觀尺度上建立固化砂土的本構模型。但是砂顆粒之間的膠結區較為細小，傳統接觸式的應變測量方式如貼應變片和光纖難以應用，在宏觀大尺度上已有應用非接觸式的粒子圖像測速系統測量固體應變，這種方式基于PIV照相機記錄平面上標識點不同時刻的位移差，再將這位移差轉變為應變，但這種方式要求測量面為平面，而球形顆粒的膠結區在外觀上并無平面，因此需要開發適用于粒子圖像測速系統的砂顆粒膠結區成型裝置，并發展相應的測試方法。
技術實現思路
本專利技術為了克服現有技術無法提供可應用于無接觸式應變測量的顆粒間納米凝膠膠結區成型裝置、難以測量砂顆粒膠結區細觀應變的問題，同時為了有效降低試驗過程中對試樣的擾動，本專利技術提供了一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置及測量方法。本專利技術的技術方案：一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置，包括載荷施加裝置、膠結區成形裝置、標志點噴涂裝置、粒子圖像測速裝置和數據采集及控制系統；所述載荷施加裝置包括底座、施力桿和直線式超聲電機；所述膠結區成形裝置包括兩個半球顆粒以及依次連接的水泵、半圓截面有機玻璃套管、注射細管和納米硅溶膠儲存容器，兩個半球顆粒放置于半圓截面有機玻璃套管內，有機玻璃套管的側邊開兩個孔，開孔處位于兩半球顆粒之間，一側開孔與水泵連接，另一側開孔與注射細管連接；所述粒子圖像測速裝置包括PIV用數碼相機和光源設備；所述數據采集及控制系統分別與載荷施加裝置和粒子圖像測速裝置連接。優選地，所述水泵、半圓截面有機玻璃套管、注射細管和納米硅溶膠儲存容器之間可拆卸連接。優選地，兩個半球顆粒分別為A半球顆粒和B半球顆粒，A半球顆粒位于B半球顆粒上方。優選地，半圓截面有機玻璃套管橫截面上半圓直徑與兩個半球顆粒的直徑相匹配。優選地，兩個半球顆粒直徑為1mm，半球顆粒的材料為二氧化硅。優選地，所述底座中心設有一凹槽，凹槽形狀與二分之一的半球顆粒形狀相匹配。一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量方法，包括下述步驟：步驟1：半圓截面有機玻璃套管的側邊的一個孔與水泵連接，另一個孔與注射細管連接，然后有機玻璃套筒中放入點接觸的A半球顆粒和B半球顆粒，有機玻璃套筒的開孔處位于兩顆粒之間，然后連接有機玻璃套筒的一個開孔與真空泵，依次連接有機玻璃套筒的另一個開孔、注射細管和納米硅溶膠儲存容器；步驟2：開動真空泵，引導納米硅溶膠溶液從納米硅溶膠儲存容器流出，依次經過注射細管、有機玻璃套筒中兩個球顆粒之間的空隙、水泵；步驟3：半圓截面有機玻璃套管中顆粒膠結區養護完成后，將膠結的兩個顆粒從有機玻璃套筒中推出，將B半球顆粒粘至底座的凹槽內，B顆粒的球心與底座上表面齊平；步驟4：標志點噴涂裝置將墨水霧化噴在半球顆粒的截面和膠結區上，從而在半球顆粒截面和膠結區形成標識點。步驟5：直線式超聲電機通過施力桿對上部A半球顆粒施加水平力，在膠結區形成應變。步驟6：直線式超聲電機推進過程中，隔兩個時間點用相機對顆粒橫截面和膠結區拍照，從而得到標志點的位移；步驟7：在計算機中將顆粒橫截面和膠結區劃分為數個矩形網格，將標志點上的位移擬合到矩形網格節點上，設其中一個矩形網格的節點編號為節點1、節點2、節點3、節點4，對應每個節點上x方向位移為u1、u2、u3和u4，每個節點上y方向位移為v1、v2、v3和v4，矩形網格在x軸方向長度為2a，y方向長度為2b，引入如下插值函數N1、N2、N3、N4：N1＝(1-x/a)(1-y/b)/4N2＝(1+x/a)(1-y/b)/4N3＝(1+x/a)(1+y/b)/4N4＝(1-x/a)(1+y/b)/4插值得到這個矩形單元內任意一點x方向位移u(x,y)和y方向位移v(x,y)：u(x,y)＝u1N1+u2N2+u3N3+u4N4v(x,y)＝v1N1+v2N2+v3N3+v4N4設矩形單元內任意一個標志點的插值位移為u(xi,yi)和v(xi,yi)，實測位移為ui和vi，取插值得到的標志點位移和實測位移差值累計之和最小：Min∑(u(xi,yi)-ui)2+(v(xi,yi)-vi)2由上式進行尋優計算可擬合得到矩形單元四節點上x方向位移u1、u2、u3和u4，y方向位移為v1、v2、v3和v4，將擬合得到的節點位移代入應變公式可以得到矩形單元內任意一點的應變εx(x,y)，εy(x,y)和γxy(x,y)：優選地，所述步驟1中納米硅溶膠用醋酸將PH值調節至5至6之間。優選地，所述步驟3中養護時間大于36小時。本專利技術的有益效果是克服現有裝置無法提供可應用于無接觸式應變測量的顆粒間納米凝膠膠結區成型裝置、難以測量砂顆粒膠結區細觀應變的問題，同時有效降低試驗過程中對試樣的擾動，本專利技術提供了一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置及測量方法。附圖說明圖1為本專利技術應變測量時的結構側視圖；圖2為本專利技術應變測量時的結構俯視圖；圖3為本專利技術中膠結區成形裝置的側視圖；圖4為本專利技術中膠結區成形裝置的俯視圖；圖5為本專利技術膠結區和顆粒截面上矩形單元網格示意圖；圖6為本專利技術每個矩形單元節點編號示意圖；圖中1.數據采集及控制系統，2.標志點噴涂裝置，3.直線式超聲波電機，4.施力桿，5.數碼相機，6.光源，7.膠結區，8.A半球顆粒，9.B半球顆粒，10.底座，11.凹槽，12.半圓截面有機玻璃套管，13.水泵，14.注射細管，15.納米硅溶膠儲存容器。具體實施方式為了使本專利技術實現的技術手段、創新特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本專利技術。如圖1-4所示的砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置，包括載荷施加裝置、膠結區成形裝置、標志點噴涂裝置2、粒子圖像測速裝置和數據采集及控制系統1；所述載荷施加裝置包括底座10、施力桿4和直線式超聲電機3；所述膠結區成形裝置包括A半球顆粒8、B半球顆粒9以及依次連接的水泵13、半圓截面有機玻璃套管12、注射細管14和納米硅溶膠儲存容器15，兩個半球顆粒放置于半圓截面有機玻璃套管12內，有機玻璃套管12的側邊開兩個孔，開孔處位于兩顆粒之間，一側開孔與水泵13連接，另一側開孔與注射細管14連接；所述粒子圖像測速裝置包括PIV用數碼相機5和光源設備6；所述數據采集及控制系統1分別與載荷施加裝置和粒子圖像測速裝置連接。水泵13、半圓截面有機玻璃套管12、注射細管14和納米硅溶膠儲存容器15之間可拆卸連接。A半球顆粒8位于B半球顆粒9上方。半圓截面有機玻璃套管12橫截面上半圓直徑與兩個半球顆粒的直徑相匹配。兩個半球顆粒直徑為1mm，半球顆粒的材料為二氧化硅。底座10中心設有一凹槽11，凹槽11形狀與二分之一的半球顆粒形狀相匹配。本專利技術砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量方法的工作過程如下：步驟1：如圖3所示的半圓截面有機玻璃套管12的側邊的一個孔與水泵13連接，另一個孔與注射細管14連接，然后有機玻本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置，其特征在于：其包括載荷施加裝置、膠結區成形裝置、標志點噴涂裝置、粒子圖像測速裝置和數據采集及控制系統；所述載荷施加裝置包括底座、施力桿和直線式超聲電機；所述膠結區成形裝置包括兩個半球顆粒以及依次連接的水泵、半圓截面有機玻璃套管、注射細管和納米硅溶膠儲存容器，兩個半球顆粒放置于半圓截面有機玻璃套管內，有機玻璃套管的側邊開兩個孔，開孔處位于兩半球顆粒之間，一側開孔與水泵連接，另一側開孔與注射細管連接；所述粒子圖像測速裝置包括PIV用數碼相機和光源設備；所述數據采集及控制系統分別與載荷施加裝置和粒子圖像測速裝置連接。

【技術特征摘要】
1.一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置，其特征在于：其包括載荷施加裝置、膠結區成形裝置、標志點噴涂裝置、粒子圖像測速裝置和數據采集及控制系統；所述載荷施加裝置包括底座、施力桿和直線式超聲電機；所述膠結區成形裝置包括兩個半球顆粒以及依次連接的水泵、半圓截面有機玻璃套管、注射細管和納米硅溶膠儲存容器，兩個半球顆粒放置于半圓截面有機玻璃套管內，有機玻璃套管的側邊開兩個孔，開孔處位于兩半球顆粒之間，一側開孔與水泵連接，另一側開孔與注射細管連接；所述粒子圖像測速裝置包括PIV用數碼相機和光源設備；所述數據采集及控制系統分別與載荷施加裝置和粒子圖像測速裝置連接。2.根據權利要求1所述的一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置，其特征在于：所述水泵、半圓截面有機玻璃套管、注射細管和納米硅溶膠儲存容器之間可拆卸連接。3.根據權利要求1所述的一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置，其特征在于：兩個半球顆粒分別為A半球顆粒和B半球顆粒，A半球顆粒位于B半球顆粒上方。4.根據權利要求3所述的一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置，其特征在于：所述半圓截面有機玻璃套管橫截面上半圓直徑與兩個半球顆粒的直徑相匹配。5.根據權利要求3所述的一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置，其特征在于：兩個半球顆粒直徑為1mm，半球顆粒的材料為二氧化硅。6.根據權利要求3所述的一種砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置，其特征在于：所述底座中心設有一凹槽，凹槽形狀與二分之一的半球顆粒形狀相匹配。7.一種如權利3-6中任意一項所述的砂顆粒納米凝膠膠結區細觀應變測量裝置的測量方法，其特征在于：其包括下述步驟：步驟1：半圓截面有機玻璃套管的側邊的一個孔與水泵連接，另一個孔與注射細管連接，然后有機玻璃套筒中放入點接觸的A半球顆粒和B半球顆粒，有機玻璃套筒的開孔處位于兩顆粒之間，然后連接有機玻璃套筒的一個開孔與真空泵，依次連接有機玻璃套筒的另一個開孔、注射細管和納米硅溶膠儲存容器；步驟2：開動真空泵，引導納米硅溶膠溶液從納米硅溶膠儲存容器流出，依次經過注射細管、有機玻璃套筒中兩個球顆粒之間的空隙、水泵；步驟3：半圓截面有機玻璃套管中顆粒膠結區養護完成后，將膠結的兩個顆粒從有機玻璃套筒中推出，將B半球顆粒粘至底座的凹槽內，B半球顆粒的球心與底座上表面齊平；步驟4：標志點噴涂裝置將墨水霧化噴在半球顆粒的截面和膠結區上，從而在半球顆粒截面和膠結區形成標識點；步驟5：直線式超聲電機通過施力桿對上部A半球顆粒施加水平力，在膠結區形成應變；步驟6：直線式超聲電機推進過程中，隔兩個時間點用相機對顆粒橫截面和膠結區拍照，從而得到標志點的位移；步驟7：在計...

【專利技術屬性】
技術研發人員：金煒楓，王鑫，張力友，鄧陳艷，程澤海，
申請(專利權)人：浙江科技學院浙江中德科技促進中心，
類型：發明
國別省市：浙江,33