CN106813977A - 砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法，包括载荷施加装置、胶结区成形装置、标志点喷涂装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统。所述载荷施加装置包括底座、施力杆和直线式超声电机，所述胶结区成形装置包括两个半球颗粒以及依次连接的水泵、半圆截面有机玻璃套管、注射细管和纳米硅溶胶储存容器，所述粒子图像测速装置包括PIV用数码相机和光源，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无接触式应变测量的纳米凝胶胶结区成形装置，克服了难以测量砂颗粒胶结区细观应变的问题，测量过程中有效降低对试样的扰动。

Description

砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法

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细观应变测量装置及测量方法。

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。但是砂颗粒之间的胶结区较为细小，传统接触式的应变测量方式如贴应变片和光纤难以应用，在宏观大尺度上已有应用非接触式的粒子图像测速系统测量固体应变，这种方式基于PIV照相机记录平面上标识点不同时刻的位移差，再将这位移差转变为应变，但这种方式要求测量面为平面，而球形颗粒的胶结区在外观上并无平面，因此需要开发适用于粒子图像测速系统的砂颗粒胶结区成型装置，并发展相应的测试方法。

发明内容

本发明为了克服现有技术无法提供可应用于无接触式应变测量的颗粒间纳米凝胶胶结区成型装置、难以测量砂颗粒胶结区细观应变的问题，同时为了有效降低试验过程中对试样的扰动，本发明提供了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法。

本发明的技术方案：一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，包括载荷施加装置、胶结区成形装置、标志点喷涂装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统；所述载荷施加装置包括底座、施力杆和直线式超声电机；所述胶结区成形装置包括两个半球颗粒以及依次连接的水泵、半圆截面有机玻璃套管、注射细管和纳米硅溶胶储存容器，两个半球颗粒放置于半圆截面有机玻璃套管内，有机玻璃套管的侧边开两个孔，开孔处位于两半球颗粒之间，一侧开孔与水泵连接，另一侧开孔与注射细管连接；所述粒子图像测速装置包括PIV用数码相机和光源设备；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，所述水泵、半圆截面有机玻璃套管、注射细管和纳米硅溶胶储存容器之间可拆卸连接。

优选地，两个半球颗粒分别为A半球颗粒和B半球颗粒，A半球颗粒位于B半球颗粒上方。

优选地，半圆截面有机玻璃套管横截面上半圆直径与两个半球颗粒的直径相匹配。

优选地，两个半球颗粒直径为1mm，半球颗粒的材料为二氧化硅。

优选地，所述底座中心设有一凹槽，凹槽形状与二分之一的半球颗粒形状相匹配。

一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量方法，包括下述步骤：

步骤1：半圆截面有机玻璃套管的侧边的一个孔与水泵连接，另一个孔与注射细管连接，然后有机玻璃套筒中放入点接触的A半球颗粒和B半球颗粒，有机玻璃套筒的开孔处位于两颗粒之间，然后连接有机玻璃套筒的一个开孔与真空泵，依次连接有机玻璃套筒的另一个开孔、注射细管和纳米硅溶胶储存容器；

步骤2：开动真空泵，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器流出，依次经过注射细管、有机玻璃套筒中两个球颗粒之间的空隙、水泵；

步骤3：半圆截面有机玻璃套管中颗粒胶结区养护完成后，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒中推出，将B半球颗粒粘至底座的凹槽内，B颗粒的球心与底座上表面齐平；

步骤4：标志点喷涂装置将墨水雾化喷在半球颗粒的截面和胶结区上，从而在半球颗粒截面和胶结区形成标识点。

步骤5：直线式超声电机通过施力杆对上部A半球颗粒施加水平力，在胶结区形成应变。

步骤6：直线式超声电机推进过程中，隔两个时间点用相机对颗粒横截面和胶结区拍照，从而得到标志点的位移；

步骤7：在计算机中将颗粒横截面和胶结区划分为数个矩形网格，将标志点上的位移拟合到矩形网格节点上，设其中一个矩形网格的节点编号为节点1、节点2、节点3、节点4，对应每个节点上x方向位移为u₁、u₂、u₃和u₄，每个节点上y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，矩形网格在x轴方向长度为2a，y方向长度为2b，引入如下插值函数N₁、N₂、N₃、N₄：

N₁＝(1-x/a)(1-y/b)/4

N₂＝(1+x/a)(1-y/b)/4

N₃＝(1+x/a)(1+y/b)/4

N₄＝(1-x/a)(1+y/b)/4

插值得到这个矩形单元内任意一点x方向位移u(x,y)和y方向位移v(x,y)：

u(x,y)＝u₁N₁+u₂N₂+u₃N₃+u₄N₄

v(x,y)＝v₁N₁+v₂N₂+v₃N₃+v₄N₄

设矩形单元内任意一个标志点的插值位移为u(x_i,y_i)和v(x_i,y_i)，实测位移为u_i和v_i，取插值得到的标志点位移和实测位移差值累计之和最小：

Min∑(u(x_i,y_i)-u_i)²+(v(x_i,y_i)-v_i)²

由上式进行寻优计算可拟合得到矩形单元四节点上x方向位移u₁、u₂、u₃和u₄，y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，将拟合得到的节点位移代入应变公式可以得到矩形单元内任意一点的应变ε_x(x,y)，ε_y(x,y)和γ_xy(x,y)：

优选地，所述步骤1中纳米硅溶胶用醋酸将PH值调节至5至6之间。

优选地，所述步骤3中养护时间大于36小时。

本发明的有益效果是克服现有装置无法提供可应用于无接触式应变测量的颗粒间纳米凝胶胶结区成型装置、难以测量砂颗粒胶结区细观应变的问题，同时有效降低试验过程中对试样的扰动，本发明提供了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法。

附图说明

图1为本发明应变测量时的结构侧视图；

图2为本发明应变测量时的结构俯视图；

图3为本发明中胶结区成形装置的侧视图；

图4为本发明中胶结区成形装置的俯视图；

图5为本发明胶结区和颗粒截面上矩形单元网格示意图；

图6为本发明每个矩形单元节点编号示意图；

图中1.数据采集及控制系统，2.标志点喷涂装置，3.直线式超声波电机，4.施力杆，5.数码相机，6.光源，7.胶结区，8.A半球颗粒，9.B半球颗粒，10.底座，11.凹槽，12.半圆截面有机玻璃套管，13.水泵，14.注射细管，15.纳米硅溶胶储存容器。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-4所示的砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，包括载荷施加装置、胶结区成形装置、标志点喷涂装置2、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统1；所述载荷施加装置包括底座10、施力杆4和直线式超声电机3；所述胶结区成形装置包括A半球颗粒8、B半球颗粒9以及依次连接的水泵13、半圆截面有机玻璃套管12、注射细管14和纳米硅溶胶储存容器15，两个半球颗粒放置于半圆截面有机玻璃套管12内，有机玻璃套管12的侧边开两个孔，开孔处位于两颗粒之间，一侧开孔与水泵13连接，另一侧开孔与注射细管14连接；所述粒子图像测速装置包括PIV用数码相机5和光源设备6；所述数据采集及控制系统1分别与载荷施加装置和粒子图像测速装置连接。水泵13、半圆截面有机玻璃套管12、注射细管14和纳米硅溶胶储存容器15之间可拆卸连接。A半球颗粒8位于B半球颗粒9上方。半圆截面有机玻璃套管12横截面上半圆直径与两个半球颗粒的直径相匹配。两个半球颗粒直径为1mm，半球颗粒的材料为二氧化硅。底座10中心设有一凹槽11，凹槽11形状与二分之一的半球颗粒形状相匹配。

本发明砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量方法的工作过程如下：

步骤1：如图3所示的半圆截面有机玻璃套管12的侧边的一个孔与水泵13连接，另一个孔与注射细管14连接，然后有机玻璃套筒12中放入点接触的A半球颗粒8和B半球颗粒9，有机玻璃套筒12的开孔处位于两颗粒之间，然后连接有机玻璃套筒12的一个开孔与真空泵13，依次连接有机玻璃套筒12的另一个开孔、注射细管14和纳米硅溶胶储存容器15；

步骤2：开动真空泵13，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器15流出，依次经过注射细管14、有机玻璃套筒12中两个球颗粒之间的空隙、水泵13；

步骤3：半圆截面有机玻璃套管12中颗粒胶结区养护完成后，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒12中推出，将B半球颗粒9粘至底座10的凹槽11内，B颗粒9的球心与底座10上表面齐平；

步骤4：标志点喷涂装置2将墨水雾化喷在半球颗粒的截面和胶结区7上，从而在半球颗粒截面和胶结区7形成标识点。

步骤5：如图1所示直线式超声电机3通过施力杆4对上部A半球颗粒8施加水平力，在胶结区7形成应变。

步骤6：直如图1所示线式超声电机3推进过程中，隔两个时间点用相机5对颗粒横截面和胶结区7拍照，从而得到标志点的位移；

步骤7：如图5所示，在计算机中将颗粒横截面和胶结区7划分为数个矩形网格，将标志点上的位移拟合到矩形网格节点上，如图6所示设其中一个矩形网格的节点编号为节点1、节点2、节点3、节点4，对应每个节点上x方向位移为u₁、u₂、u₃和u₄，每个节点上y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，矩形网格在x轴方向长度为2a，y方向长度为2b，引入如下插值函数N₁、N₂、N₃、N₄：

N₁＝(1-x/a)(1-y/b)/4

N₂＝(1+x/a)(1-y/b)/4

N₃＝(1+x/a)(1+y/b)/4

N₄＝(1-x/a)(1+y/b)/4

插值得到这个矩形单元内任意一点x方向位移u(x,y)和y方向位移v(x,y)：

u(x,y)＝u₁N₁+u₂N₂+u₃N₃+u₄N₄

v(x,y)＝v₁N₁+v₂N₂+v₃N₃+v₄N₄

设矩形单元内任意一个标志点的插值位移为u(x_i,y_i)和v(x_i,y_i)，实测位移为u_i和v_i，取插值得到的标志点位移和实测位移差值累计之和最小：

Min∑(u(x_i,y_i)-u_i)²+(v(x_i,y_i)-v_i)²

由上式进行寻优计算可拟合得到矩形单元四节点上x方向位移u₁、u₂、u₃和u₄，y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，将拟合得到的节点位移代入应变公式可以得到矩形单元内任意一点的应变ε_x(x,y)，ε_y(x,y)和γ_xy(x,y)：

步骤1中纳米硅溶胶用醋酸将PH值调节至5至6之间。

步骤3中养护时间大于36小时。

Claims (9)

1.一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：其包括载荷施加装置、胶结区成形装置、标志点喷涂装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统；所述载荷施加装置包括底座、施力杆和直线式超声电机；所述胶结区成形装置包括两个半球颗粒以及依次连接的水泵、半圆截面有机玻璃套管、注射细管和纳米硅溶胶储存容器，两个半球颗粒放置于半圆截面有机玻璃套管内，有机玻璃套管的侧边开两个孔，开孔处位于两半球颗粒之间，一侧开孔与水泵连接，另一侧开孔与注射细管连接；所述粒子图像测速装置包括PIV用数码相机和光源设备；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。

2.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：所述水泵、半圆截面有机玻璃套管、注射细管和纳米硅溶胶储存容器之间可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：两个半球颗粒分别为A半球颗粒和B半球颗粒，A半球颗粒位于B半球颗粒上方。

4.根据权利要求3所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：所述半圆截面有机玻璃套管横截面上半圆直径与两个半球颗粒的直径相匹配。

5.根据权利要求3所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：两个半球颗粒直径为1mm，半球颗粒的材料为二氧化硅。

6.根据权利要求3所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，其特征在于：所述底座中心设有一凹槽，凹槽形状与二分之一的半球颗粒形状相匹配。

7.一种如权利3-6中任意一项所述的砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置的测量方法，其特征在于：其包括下述步骤：

步骤1：半圆截面有机玻璃套管的侧边的一个孔与水泵连接，另一个孔与注射细管连接，然后有机玻璃套筒中放入点接触的A半球颗粒和B半球颗粒，有机玻璃套筒的开孔处位于两颗粒之间，然后连接有机玻璃套筒的一个开孔与真空泵，依次连接有机玻璃套筒的另一个开孔、注射细管和纳米硅溶胶储存容器；

步骤2：开动真空泵，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器流出，依次经过注射细管、有机玻璃套筒中两个球颗粒之间的空隙、水泵；

步骤3：半圆截面有机玻璃套管中颗粒胶结区养护完成后，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒中推出，将B半球颗粒粘至底座的凹槽内，B半球颗粒的球心与底座上表面齐平；

步骤4：标志点喷涂装置将墨水雾化喷在半球颗粒的截面和胶结区上，从而在半球颗粒截面和胶结区形成标识点；

步骤5：直线式超声电机通过施力杆对上部A半球颗粒施加水平力，在胶结区形成应变；

步骤6：直线式超声电机推进过程中，隔两个时间点用相机对颗粒横截面和胶结区拍照，从而得到标志点的位移；

步骤7：在计算机中将颗粒横截面和胶结区划分为数个矩形网格，将标志点上的位移拟合到矩形网格节点上，设其中一个矩形网格的节点编号为节点1、节点2、节点3、节点4，对应每个节点上x方向位移为u₁、u₂、u₃和u₄，每个节点上y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，矩形网格在x轴方向长度为2a，y方向长度为2b，引入如下插值函数N₁、N₂、N₃、N₄：

N₁＝(1-x/a)(1-y/b)/4

N₂＝(1+x/a)(1-y/b)/4

N₃＝(1+x/a)(1+y/b)/4

N₄＝(1-x/a)(1+y/b)/4

插值得到这个矩形单元内任意一点x方向位移u(x,y)和y方向位移v(x,y)：

u(x,y)＝u₁N₁+u₂N₂+u₃N₃+u₄N₄

v(x,y)＝v₁N₁+v₂N₂+v₃N₃+v₄N₄

设矩形单元内任意一个标志点的插值位移为u(x_i,y_i)和v(x_i,y_i)，实测位移为u_i和v_i，取插值得到的标志点位移和实测位移差值累计之和最小：

Min∑(u(x_i,y_i)-u_i)²+(v(x_i,y_i)-v_i)²

由上式进行寻优计算可拟合得到矩形单元四节点上x方向位移u₁、u₂、u₃和u₄，y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，将拟合得到的节点位移代入应变公式可以得到矩形单元内任意一点的应变ε_x(x,y)，ε_y(x,y)和γ_xy(x,y)：

${\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)=\frac{\∂u(x,y)}{\∂x}=u_1\frac{\∂N_1}{\∂x}+u_2\frac{\∂N_2}{\∂x}+u_3\frac{\∂N_3}{\∂x}+u_4\frac{\∂N_4}{\∂x}$

${\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)=\frac{\∂v(x,y)}{\∂y}=v_1\frac{\∂N_1}{\∂y}+v_2\frac{\∂N_2}{\∂y}+v_3\frac{\∂N_3}{\∂y}+v_4\frac{\∂N_4}{\∂y}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{xy}(x,y)=\frac{\∂u(x,y)}{\∂y}+\frac{\∂v(x,y)}{\∂x}\\ =u_1\frac{\∂N_1}{\∂y}+u_2\frac{\∂N_2}{\∂y}+u_3\frac{\∂N_3}{\∂y}+u_4\frac{\∂N_4}{\∂y}+v_1\frac{\∂N_1}{\∂x}+v_2\frac{\∂N_2}{\∂x}+v_3\frac{\∂N_3}{\∂x}+v_4\frac{\∂N_4}{\∂x}\end{array}$

8.根据权利要求6所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量方法，其特征在于：所述步骤1中纳米硅溶胶用醋酸将PH值调节至5至6之间。

9.根据权利要求6所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量方法，其特征在于：所述步骤3中养护时间大于36小时。