CN110501214B - 一种球形颗粒多点接触试验装置及其加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种球形颗粒多点接触试验装置，用以检测球形颗粒接触点力，该装置包括单球约束夹具以及设置在单球约束夹具下方的多球体约束夹具以及设置在多球体约束夹具上的测量组件，试验用球形颗粒设置在单球约束夹具与多球体约束夹具之间。与现有技术相比，本发明具有可实现粗粒土颗粒多点接触操作、可通过测量计算的到接触点的力、仪器的伸缩性可实现不同粒径的球体试验等优点。
Description
技术领域
本发明涉及粗粒土颗粒多点接触破碎加载试验领域，尤其是涉及一种基于双轴流变仪实现可测量接触点力的球形颗粒多点接触试验装置及其加载方法。
背景技术
西部高坝水库的建设也越来越多，其中坝高在150m以上的大多为堆石坝，未来10年内西部地区将建设40余座特大型水电站，其堆石坝体的高度已发展至300m级。由于坝高的显著增高，坝体受力条件更加复杂，我国土石坝工程建设安全面临新的挑战。高应力下粗粒土的细观力学特性、颗粒破碎特征和流变特性的研究亟待深入。我国岩土工作者已经在堆石坝填料的试验和数值研究方面取得引人瞩目的进展，但是目前单从宏观角度研究粗粒土的力学特性出现了瓶颈。
当前细观力学与先进测试手段的快速发展，为从细观层面对粗粒土接触及流变特性进行研究提供了理论基础和有效技术手段。从细观角度研究粗粒土在破坏过程中的粒间接触特性、颗粒破碎规律和流变特性，将有助于揭示其宏细观力学机理，将提升人们对粗粒土与超高坝力学行为特征的认识。之前关于用岩石材料代替粗粒土的试验多为两个球之间的单点接触试验，而实际工程条件下粗粒土是多点接触相互作用的，单点接触的夹具无法满足多点接触条件下的使用需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种球形颗粒多点接触试验装置及其加载方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种球形颗粒多点接触试验装置，用以检测球形颗粒接触点力，该装置包括单球约束夹具以及设置在单球约束夹具下方的多球体约束夹具以及设置在多球体约束夹具上的测量组件，试验用球形颗粒设置在单球约束夹具与多球体约束夹具之间。
所述的单球约束夹具由四块可活动的带有球体面凹槽的球体约束块体构成，四块球体约束块体正交排布，其上的球体面凹槽组成半球体凹槽，相邻的两块球体约束块体之间通过短双头螺栓相互连接并进行位置约束，在半球体凹槽内设置上球形颗粒。
所述的多球体约束夹具包括带有前后挡板呈U型的底座、设置在底座左右两侧可活动的刚性挡板以及在前后挡板与刚性挡板围成空间内的并排设置的两个下球形颗粒，左右两侧的刚性挡板之间通过平行设置的四根长双头螺栓连接，并且该四根长双头螺栓将两个下球形颗粒限位，所述的试验用球形颗粒夹在上球形颗粒与两个下球形颗粒之间。
所述的测量组件用以检测两个下球形颗粒底部和侧面的压力数据，包括分别设置在底座对应位置上的底座压力传感器以及设置在刚性挡板上的挡板压力传感器，底座压力传感器与挡板压力传感器正交设置。
所述的底座压力传感器与下球形颗粒之间以及挡板压力传感器与下球形颗粒之间均设有限定位移垫块，该限定位移垫块与下球形颗粒的接触面上设有形状匹配的球体面凹槽。
所述的刚性挡板底部通过刚性垫块与底座连接。
所述的试验用球形颗粒与前后挡板之间设有柔性约束板。
一种球形颗粒多点接触试验装置的加载方法，包括以下步骤：
1)放置球形颗粒：将两个并排设置的下球形颗粒通过长双头螺栓限位固定在两个刚性挡板之间，并在下球形颗粒与刚性挡板之间设置挡板压力传感器与限定位移垫块，刚性挡板通过刚性垫块固定在底座上，下球形颗粒与底座之间设置底座压力传感器与限定位移垫块，在两个并排设置的下球形颗粒上放置试验用球形颗粒，并将使用单球约束夹具固定好的上球形颗粒置于最上方；
2)加载：将整个试验装置置于双轴流变仪上，通过双轴流变仪对单球约束夹具施加竖向力σ1和横向力σ2；
3)测量：根据正交放置的压力传感器数据获取球形颗粒与刚性板之间接触点力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)提供了一种球形颗粒多点接触试验装置，可实现球形颗粒间多点接触，并能通过双轴流变仪施加不同的竖向力σ1和横向力σ2，使试验更接近于实际高坝体中粗粒土的受力状态，得到更为准确可靠的试验数据。
(2)本发明装置在下球形颗粒与刚性挡板之间设置相互正交的压力传感器，可通过压力传感器获得准确的接触力，后可通过计算获得球形颗粒接触点力，其操作简单，试验结果准确。
(3)单球约束夹具由四块可活动的带有球体面凹槽的球体约束块体构成，并通过短双头螺栓连接，可方便地实现对不同粒径球形颗粒的约束作用，完成多种粒径情况下的试验。
(4)多球体约束夹采用刚性挡板并四根长双头螺栓组成，通过调节螺栓可实现对不同粒径多球体的约束，完成多种粒径试验，操作简单，可重复性高。
附图说明
图1为本发明的正面透视图。
图2为本发明的正面平面图。
图3为本发明的下部正面透视图。
图4为本发明的单球约束夹具透视图。
图中标记说明：
1、球体约束块体，2、短双头螺栓，3、长双头螺栓，4、刚性挡板，5、刚性垫块，6、底座，7、限定位移垫块，81、底座压力传感器，82、挡板压力传感器，9、柔性约束，10、待测球形颗粒，101、上球形颗粒，102、下球形颗粒，11、前后挡板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1-4所示，本发明提供一种基于双轴流变仪实现可测量接触点力的球形颗粒多点接触试验装置，试验装置分为上下两个部分，上部为单球约束夹具，将上球形颗粒101置于四个具有球形凹陷的球体约束块体1中并通过四根带帽螺栓2约束；
下部装置包括多球体约束夹具及测量组件两部分，其中多球约束夹具是由两块刚性挡板4通过四根平行设置的双头螺栓3将并列的下球形颗粒102固定，下球形颗粒102与左右刚性挡板4之间放置挡板压力传感器82，下球形颗粒102与挡板压力传感器82之间放置限定位移垫块7，固定好的刚性挡板4通过刚性垫块5放置于带有前后挡板11的U型底座6上，两个下球形颗粒102与底座6之间同样放置底座压力传感器81与限定位移垫块7。
试验组件的测量部分包括放置于两个下球形颗粒102与刚性挡板4及底座6之间的四个压力传感器，每个下球形颗粒102对应的两个压力传感器正交设置，通过压力传感器数据得到球形颗粒接触点力。
本发明的球形颗粒多点接触试验装置的加载方法如下：
a.放置球形颗粒：将两个并列的球形颗粒通过双头螺栓固定在刚性挡板中，并在球形颗粒与挡板之间放置压力传感器与限定位移垫块，将其固定后通过刚性垫块放置于两侧带挡板的U型底座上，球形颗粒与底座之间同样放置压力传感器与限定位移垫块。在并列的球形颗粒上放置试验用的球形颗粒，并将使用单点约束夹具固定好的球形颗粒置于最上方。
b.加载：将整个试验装置置于双轴流变仪上，通过双轴流变仪对单球约束夹具施加竖向力σ1和横向力σ2。
c.测量：通过正交放置的压力传感器数据获取球形颗粒与刚性垫板之间接触点力，并可通过力的分析与计算得出球形颗粒之间的接触点力。
本发明能够通过双轴流变仪对顶部单球约束夹具施加竖向和横向荷载实现对球形颗粒的加载，并能够通过正交的压力传感器对接触点力进行测量，实现了多点接触条件下粗粒土颗粒在法向和切向力共同作用下的接触破碎试验。
Claims (6)
1.一种球形颗粒多点接触试验装置，用以检测球形颗粒接触点力，其特征在于，该装置包括单球约束夹具以及设置在单球约束夹具下方的多球体约束夹具以及设置在多球体约束夹具上的测量组件，试验用球形颗粒(10)设置在单球约束夹具与多球体约束夹具之间，所述的单球约束夹具由四块可活动的带有球体面凹槽的球体约束块体(1)构成，四块球体约束块体(1)正交排布，其上的球体面凹槽组成半球体凹槽，相邻的两块球体约束块体(1)之间通过短双头螺栓(2)相互连接并进行位置约束，在半球体凹槽内设置上球形颗粒(101)，所述的多球体约束夹具包括带有前后挡板(11)呈U型的底座(6)、设置在底座(6)左右两侧可活动的刚性挡板(4)以及在前后挡板(11)与刚性挡板(4)围成空间内的并排设置的两个下球形颗粒(102)，左右两侧的刚性挡板(4)之间通过平行设置的四根长双头螺栓(3)连接，并且该四根长双头螺栓(3)将两个下球形颗粒(102)限位，所述的试验用球形颗粒(10)夹在上球形颗粒(101)与两个下球形颗粒(102)之间。
2.根据权利要求1所述的一种球形颗粒多点接触试验装置，其特征在于，所述的测量组件用以检测两个下球形颗粒(102)底部和侧面的压力数据，包括分别设置在底座(6)对应位置上的底座压力传感器(81)以及设置在刚性挡板(4)上的挡板压力传感器(82)，底座压力传感器(81)与挡板压力传感器(82)正交设置。
3.根据权利要求2所述的一种球形颗粒多点接触试验装置，其特征在于，所述的底座压力传感器(81)与下球形颗粒(102)之间以及挡板压力传感器(82)与下球形颗粒(102)之间均设有限定位移垫块(7)，该限定位移垫块(7)与下球形颗粒(102)的接触面上设有形状匹配的球体面凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种球形颗粒多点接触试验装置，其特征在于，所述的刚性挡板(4)底部通过刚性垫块(5)与底座(6)连接。
5.根据权利要求1所述的一种球形颗粒多点接触试验装置，其特征在于，所述的试验用球形颗粒(10)与前后挡板(11)之间设有柔性约束板(9)。
6.一种应用如权利要求3所述的球形颗粒多点接触试验装置的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)放置球形颗粒：将两个并排设置的下球形颗粒(102)通过长双头螺栓(3)限位固定在两个刚性挡板(4)之间，并在下球形颗粒(102)与刚性挡板(4)之间设置挡板压力传感器(82)与限定位移垫块(7)，刚性挡板(4)通过刚性垫块(5)固定在底座(6)上，下球形颗粒(102)与底座(6)之间设置底座压力传感器(81)与限定位移垫块(7)，在两个并排设置的下球形颗粒(102)上放置试验用球形颗粒(10)，并将使用单球约束夹具固定好的上球形颗粒(101)置于最上方；
2)加载：将整个试验装置置于双轴流变仪上，通过双轴流变仪对单球约束夹具施加竖向力σ1和横向力σ2；
3)测量：根据正交放置的压力传感器数据获取球形颗粒与刚性板之间接触点力。
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