CN111638138B - 充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

充填散体在动‑静态作用力下压缩性能的测试装置及方法，包括液压缸、钢结构框架、所述钢结构框架底端上表面安装有液压缸，液压缸顶部依次设置有提升平台、圆筒装置和第一载荷传感器、加载塞柱、第二载荷传感器，所述钢结构框架顶部依次设置有活动加载工字块和支架、冲击铁块及电磁铁，电磁铁与钢绳连接，圆筒装置通过导线及多通道静态应变仪与计算机连接，第二载荷传感器和第一载荷传感器分别通过导线与多通道静态应变仪连接。本发明即能得到废石散体在静态作用下的压缩量及模量特性，也能测量散体受压时的侧压力，侧压力有利于抑制矿柱围岩的变形破坏、提高矿柱、围岩强度、维持空区稳定及充填散体中的侧压力分布对充填采矿设计有重要指导作用。

Description

充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置及方法

技术领域

本发明属于矿床充填开采技术领域，具体涉及到充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置及方法。

背景技术

随着国民经济的高速发展，矿产资源需求量逐年增大，开采“三下”(村庄下、水体下和铁路下)矿体和深部金属矿产资源，已成为当前矿产资源开采领域中的重要研究内容，而废石、尾砂等固体废弃物充填采矿技术作为解放“三下”矿体的一个有效途径，不仅可以有效控制采场上覆岩层移动、限制地表沉陷，而且在深部开采的特殊环境下，充填采矿对于岩爆、高温、采场闭合等灾害有重要的抑制作用，同时，可充分利用矿山生产、建设中废石散体等固体废弃资源，为从根本上我国矿产资源开采与生态环境保护一体化、矿区可持续发展问题提供了一种可靠的技术途径，是一项一举多得的绿色开采技术。科学地分析计算废石、尾砂等固体废弃物充填开采后的地表沉陷是“三下”开采的关键问题之一。金属矿床开采是一个周期相对较长的过程，废石、尾砂等充填散体除了承受围岩压力外，还频繁遭受到工作采场的爆破振动的影响。因此系统地研究废石、尾砂等充填散体在静、动态作用下的压实特性对控制地表沉陷，评价深部开采矿山充填体对深部地压累积传递的阻断作用、避免产生大的地压灾害有着重要的理论意义。由于近年来充填采矿法越来越受到大家的重视，充填体的物理力学性质是影响充填效果的关键，故许多专家学者对各种充填材料的力学特性进行了大量的研究，尤其是矸石、河砂等废石散体。因为废石散体介质不同于固体和液体，其物理力学性质介于固体和液体之间，且散体具有一定的流动性，研究其物理力学特性，必须将其侧向约束，因而一些研究废石散体力学特性的装置也产生了。

中国专利申请CN203053782U自制了一种煤矸石的试验压缩模具，主要针对松散矸石进行静态压缩试验，其功能较为单一，没有考虑动态载荷对压缩特性的影响。

中国专利申请CN100337107C发明了一种破碎岩体多相耦合蠕变试验装置及方法，适用于比较破碎岩体的压缩蠕变、固-气耦合及固-液耦合渗透压缩试验。

中国专利申请CN2532480Y公开了一种破碎岩石及非固结多孔材料渗透试验装置，进行破碎岩石的压缩、渗透试验。

中国专利申请CN105181463A设计了一种考虑不同含水量下不同高度位置矸石的压缩试验装置及方法，测定不同高度位置矸石的压缩量及受力大小。

上述专利申请中，虽然考虑了散体材料的多孔性、含水量、装填高度等特性，进行散体的压缩试验以及多相耦合压缩试验，其测定的是废石散体在静态作用下的压缩量及模量特性。但是系统的研究废石散体等固体废弃物充填体时，除其压缩量、模量压缩特性外，充填散体在上覆岩层作用下还会对矿柱、围岩产生侧向约束作用，即侧压力。在矿山实际生产中，充填散体对矿柱、围岩的侧压力有利于抑制矿柱围岩的变形破坏、提高矿柱、围岩强度、维持空区稳定，以及充填散体中的侧压力分布对充填采矿设计有重要指导作用，同时，上覆岩层的突然冒落对充填体的冲击力以及爆破震动等动态作用力均会对散体充填体的压缩作用产生影响。

发明内容

本发明的目的是提供充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置及方法，应用该试验装置可以进行矸石、废石散体等固体废弃物的静态和动态压缩试验。通过设置薄壁圆筒用于放置充填散体材料(查阅相关文献资料取圆筒装置的内径与试验散体颗粒最大尺寸比值为10，即被压缩散体颗粒最大尺寸为32mm)，在装置内壁预敷薄膜传感器，由于散体颗粒的不规则、有棱角，故在废石散体与薄膜传感器之前设置保护薄层，保证薄膜传感器不损坏，从而测得填充散体在静、动态作用力下压缩时的侧向应力(试验前标定保护薄层+薄膜传感器)。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置，包括液压缸、钢结构框架、圆筒状薄壁、顶板、底板、提升平台、加载塞柱；所述钢结构框架底端上表面安装有液压缸，通过液压缸的加压进油口和泄压进油口实现对试验散体的加载和卸载，液压缸活塞杆伸出缸体部分末端设置有提升平台，提升平台上表面设置有圆筒装置和第一载荷传感器，且第一载荷传感器位于圆筒装置内腔，圆筒装置通过导线与多通道静态应变仪输入端连接，多通道静态应变仪输出端通过导线与计算机连接，所述圆筒装置内填充有试验散体，试验散体顶部设置有加载塞柱，加载塞柱上表面设置有第二载荷传感器，且第二载荷传感器和第一载荷传感器分别通过导线与多通道静态应变仪输入端连接，第二载荷传感器用于测量对试验散体施加的轴向压力，第一载荷传感器用于测量轴向压力经过圆筒装置的顶板-试验散体-底板后剩余轴向压力，钢结构框架顶端中部设置有位于第二载荷传感器上方的活动加载工字块，钢结构框架顶端设置有支架，支架横梁的下表面设置有电磁铁，电磁铁下表面连接有冲击块，电磁铁上表面与钢绳一端连接，钢绳另一端贯穿支架的横梁并且通过滑轮之后固定。

所述圆筒装置包括圆筒，所述圆筒中下部设置有位于第一载荷传感器上方的底板，圆筒中上部设置有与底板中心线共线的顶板，且圆筒、顶板及底板形成的空腔内填充有试验散体，试验散体与圆筒内壁之间敷设有薄膜传感器，且薄膜传感器位于顶板与底板之间，薄膜传感器输出端通过导线与多通道静态应变仪输入端连接，用于测量试验散体在静、动态作用力下压缩时水平侧向压力，所述顶板上表面安装有加载塞柱和位移传感器，位移传感器通过导线与多通道静态应变仪输入端连接。

所述薄膜传感器与试验散体之间设置有保护薄层，且保护薄层具有刚度大、柔性好且光滑的特性，用于保护薄膜传感器不受破坏。

所述圆筒为一体无缝连接钢材质圆筒，圆筒内壁设置有4条等间距的刻度线，且刻度线沿圆筒轴线设置，相邻刻度线之间的夹角为90度。

所述顶板与底板的直径一致，且小于圆筒内径2-4mm。

充填散体在静态作用力下压缩性能的测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将液压缸放入到钢结构框架底部，将圆筒放置在液压缸的提升平台上，且保证圆筒与提升平台轴向中心线对齐；将第一载荷传感器及底板依次放入圆筒中，且底板安装于第一载荷传感器上方，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整底板处于水平，此时第一载荷传感器和底板中心线重合，并记录底板上表面处的刻度值；在圆筒内壁圆周方向敷设保护薄层及薄膜传感器；将试验散体分多层放置于圆筒内铺平，且使试验散体填充高度低于薄膜传感器高度，放入顶板，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整顶板处于水平，并记录顶板上表面处的刻度值；将加载塞柱放置在顶板中心位置，在活动加载工字块和加载塞柱之间放置第二载荷传感器，保证活动加载工字块、加载塞柱及第二载荷传感器中心线重合；并在顶板上放置位移传感器，将第一载荷传感器、第二载荷传感器、薄膜传感器以及位移传感器分别与多通道静态应变仪连接，将液压缸的加压进油口和泄压进油口通过管线与供油系统连接；

步骤2、接通液压缸的加压进油口，液压缸的活塞杆伸展，使第二载荷传感器上表面与活动加载工字块下表面完全接触，保压，将第一载荷传感器、第二载荷传感器、薄膜传感器以及位移传感器全部调零；

步骤3、继续加载，使液压缸活塞杆以等值速率加压，对试验散体施加轴向压力，直至第一载荷传感器和第二载荷传感器测得的轴向压力逐渐增大，并将载荷信号传输给多通道静态应变仪；此时圆筒内壁受压触发薄膜传感器，薄膜传感器测量试验散体受挤压时水平的侧向压力，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过位移传感器测量试验散体压缩位移，并将信号传输给多通道静态应变仪；多通道静态应变仪将测量的数据传输给计算机，通过计算机记录并储存；

步骤4、当第二载荷传感器测得的轴向压力增长迅速，且圆筒内不再有试验散体破碎的声音，停止加压，试验结束后，液压缸加压进油口停止进油，通过液压缸泄压进油口进油，进行卸载；

步骤5，通过计算机记录并储存的轴向压力、侧向压力及压缩位移，得到试验散体在静态作用力下非线性压缩曲线，以及测压力分布规律和试验散体中力链传播特性。

充填散体在动态作用力下压缩性能的测试方法，包括以下步骤：

考虑动态冲击力对试验散体压缩性能的影响，研究试验散体在不同承载压力下不同大小动态冲击作用力对其压缩性能的影响。

步骤1、将液压缸放入到钢结构框架底部，将圆筒放置在液压缸的提升平台上，且保证圆筒与提升平台轴向中心线对齐；将第一载荷传感器及底板依次放入圆筒中，且底板安装于第一载荷传感器上方，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整底板处于水平，此时第一载荷传感器和底板中心线重合，并记录底板上表面处的刻度值；在圆筒内壁圆周方向敷设保护薄层及薄膜传感器；将试验散体分多层放置于圆筒内铺平，且使试验散体填充高度低于薄膜传感器高度，放入顶板，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整顶板处于水平，并记录顶板上表面处的刻度值；将加载塞柱放置在顶板中心位置，在活动加载工字块和加载塞柱之间放置第二载荷传感器，保证活动加载工字块、加载塞柱及第二载荷传感器中心线重合；并在顶板上放置位移传感器，将第一载荷传感器、第二载荷传感器、薄膜传感器以及位移传感器分别与多通道静态应变仪连接，将液压缸的加压进油口和泄压进油口通过管线与供油系统连接；

步骤2、接通液压缸的加压进油口，液压缸的活塞杆伸展，使第二载荷传感器上表面与活动加载工字块下表面完全接触，保压，将第一载荷传感器、第二载荷传感器、薄膜传感器以及位移传感器全部调零；

步骤3、继续加载，使液压缸的活塞杆继续伸展对试验散体施加轴向压力，当试验散体密实度增加至大于10％时，由第二载荷传感器读取冲击作用之前试验散体的轴向压力，液压缸停止加压；

步骤4、通过改变冲击块的质量或高度来改变对试验试验散体的动态冲击力，当冲击块对试验散体施加冲击作用力时，薄膜传感器测量试验散体受挤压时水平的侧向压力，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过位移传感器测量试验散体轴向被冲击位移，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过第一载荷传感器和第二载荷传感器测得轴向压力，并将载荷信号传输给多通道静态应变仪；多通道静态应变仪将测量的数据传输给计算机，通过计算机记录并储存；

步骤5、冲击后，当第二载荷传感器测量的轴向压力保持不变时，试验结束，液压缸加压进油口停止进油，通过液压缸泄压进油口进油，进行卸载；

步骤6，通过计算机记录并储存的轴向压力、侧向压力及压缩位移，得到试验散体在静态作用力下非线性压缩曲线，以及测压力分布规律和试验散体中力链传播特性。

本发明的装置及方法的特点和有益效果是：

1、可进行不同装填高度、不同颗粒尺寸、级配、以及不同形状废石散体等固体废弃颗粒状物的静态压缩试验。

2、考虑矿山实际生产中，上覆岩层的突然冒落对散体充填体的冲击力、以及爆破震动等动态作用力均会对散体充填体的压缩作用产生影响，可以进行不同工况下废石散体等固体废弃物的动态冲击压缩试验。

3、本发明的废石散体材料在静、动态作用力下压缩性能的试验装置和方法，具有操作简单，造价低廉，可进行不同级配废石散体充填体的静、动态压缩实验，除了可以获取充填散体材料的基本压缩变形参数外，还可以得到充填散体材料受压后不同高度水平的侧压应力。结合相关理论知识，可以为废石散体的压缩特性、散体中力链传播特性研究提供相关依据，以及为指导空区充填提供理论支撑。

4、利用载荷传感器测量试验轴向作用力经试验散体后剩余压力，可研究不同形态散体如散体颗粒尺寸、级配、内摩擦角、内聚力和密实度等对散体中力链传播的影响。

5、本专利除了能得到废石散体在静态作用下的压缩量及模量特性，还能得到散体受压时的侧压力，侧压力有利于抑制矿柱围岩的变形破坏、提高矿柱、围岩强度、维持空区稳定，以及充填散体中的侧压力分布对充填采矿设计有重要指导作用。

综上所述，本发明可以系统研究废石散体等固体废弃颗粒状物在动、静态作用力下压缩性能特性，以及散体材料中力链传播机理，对于评价充填效果、指导矿山废石散体充填体设计、控制地表沉陷和抑制采场地压有着重要的理论指导意义。

附图说明

图1为本发明充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置剖面结构示意图；

图2为本发明充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置中的圆筒装置断面结构示意图；

1、试验散体，2、圆筒装置，3、顶板，4、底板，5、提升平台，6、第二载荷传感器，7、第一载荷传感器，8、薄膜传感器，9、液压缸，10、加压进油口，11、泄压进油口，12、加载塞柱，13、钢结构框架，14、活动加载工字块，15、冲击铁块，16、电磁铁，17、支架，18、钢绳，19、滑轮，20、多通道静态应变仪，21、计算机，22、保护薄层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1和图2所示，充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置，包括液压缸9、钢结构框架13、提升平台5、加载塞柱12；所述钢结构钢架底端设置于地面上，钢结构框架13底端上表面安装有液压缸9，通过液压缸9的加压进油口10和泄压进油口11实现对试验散体1的加载和卸载，液压缸9活塞杆伸出缸体部分末端设置有提升平台5，提升平台5上表面设置有圆筒装置2和第一载荷传感器7，且第一载荷传感器7位于圆筒装置2内腔，圆筒装置2通过导线与多通道静态应变仪20输入端连接，多通道静态应变仪20输出端通过导线与计算机21连接，所述圆筒装置2内填充有试验散体1，试验散体1顶部设置有加载塞柱12，加载塞柱12上表面设置有第二载荷传感器6，且第二载荷传感器6和第一载荷传感器7分别通过导线与多通道静态应变仪20输入端连接，第二载荷传感器6用于测量对试验散体1施加的轴向力，第一载荷传感器7用于测量轴向压力经过圆筒装置的底板4-试验散体1-顶板3后剩余轴向压力，钢结构框架13顶端中部设置有位于第二载荷传感器6上方的活动加载工字块14，钢结构框架13顶端设置有支架17，支架17横梁的下表面设置有电磁铁16，电磁铁16下表面连接有位于活动加载工字块14正上方的冲击铁块15，电磁铁16上表面与钢绳18一端连接，钢绳18另一端贯穿支架17的横梁并且通过滑轮19之后固定。

所述圆筒装置2包括圆筒，所述圆筒中下部设置有位于第一载荷传感器7上方的底板4，圆筒中上部设置有与底板4中心线共线的顶板3，且圆筒、顶板3及底板4形成的空腔内填充有试验散体1，试验散体1与圆筒内壁之间敷设有薄膜传感器8，且薄膜传感器8位于顶板3与底板4之间，薄膜传感器8输出端通过导线与多通道静态应变仪20输入端连接，用于测量试验散体1在静、动态作用力下压缩时水平侧向压力，所述顶板3上表面安装有加载塞柱12和位移传感器，位移传感器通过导线与多通道静态应变仪20输入端连接。

所述薄膜传感器8与试验散体1之间设置有保护薄层22，且保护薄层22具有刚度大、柔性好且光滑的特性，用于保护薄膜传感器8不受破坏。

所述圆筒为一体无缝连接钢材质圆筒，圆筒内壁设置有4条等间距的刻度线，且刻度线沿圆筒轴线设置，相邻刻度线之间的夹角为90度，用于测量内部试验散体1的装填高度、体积。通过测量顶板3、底板4位于圆筒中的深度，确定试验散体1的压密体积，再利用装入的试验散体1的重量和试验散体1的固体密度，得到试验散体1的固体体积，固体体积除以压密体积即可得到散体密实度。

本实施例中载荷传感器采用型号为ZZB-1000kn的载荷传感器；位移传感器采用型号为LVDT直线式位移传感器；多通道静态应变仪20采用型号为TST3822E的静态应变仪。本实施例中采用薄膜传感器8作为试验散体1对圆筒装置2内壁侧向压力分布测量系统。

本实施例中的圆筒为光滑硬质钢材料制成；顶板3、底板4、提升平台5、加载柱塞均为45#钢制成，冲击铁块15和电磁铁16均为铁质材料制成。

试验装置的主要技术参数分别为：圆筒装置2的圆筒内径为320mm、厚度25mm；顶板3和底板4直径为Φ316mm；冲击铁块15的质量：2kg、5kg、10kg；液压缸9施加的静态载荷为0～1000KN、加载速率：0.001KN/s；薄膜传感器8的测量精度为1N；位移传感器的测量精度为0.01mm。

充填散体在静态作用力下压缩性能的测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将液压缸9放入到钢结构框架13底部，将圆筒放置在液压缸9的提升平台5上，且保证圆筒与提升平台5轴向中心线对齐；将第一载荷传感器7及底板4依次放入圆筒中，且底板4安装于第一载荷传感器7上方，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整底板4处于水平，此时第一载荷传感器7和底板4中心线重合，并记录底板4上表面处的刻度值；在圆筒内壁圆周方向敷设保护薄层22及薄膜传感器8；将粒径为0～32mm的试验散体1分多层放置于圆筒内铺平，且使试验散体1填充高度低于薄膜传感器8高度，放入顶板3，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整顶板3处于水平，并记录顶板3上表面处的刻度值；将加载塞柱12放置在顶板3中心位置，在活动加载工字块14和加载塞柱12之间放置第二载荷传感器6，保证活动加载工字块14、加载塞柱12及第二载荷传感器6中心线重合；并在顶板3上放置位移传感器，将第一载荷传感器7、第二载荷传感器6、薄膜传感器8以及位移传感器分别与多通道静态应变仪20连接，将液压缸9的加压进油口10和泄压进油口11通过管线与供油系统连接；

步骤2、接通液压缸9的加压进油口10，液压缸9的活塞杆伸展，使第二载荷传感器6上表面与活动加载工字块14下表面完全接触，保压，将第一载荷传感器7、第二载荷传感器6、薄膜传感器8以及位移传感器全部调零；

步骤3、继续加载，使液压缸9活塞杆以等值速率加压，对试验散体1施加轴向压力，直至第一载荷传感器7和第二载荷传感器6测得的轴向压力逐渐增大，并将载荷信号传输给多通道静态应变仪20；此时圆筒内壁受压触发薄膜传感器8，薄膜传感器8测量试验散体1受挤压时水平的侧向压力，并将信号传输给多通道静态应变仪20；通过位移传感器测量试验散体1压缩位移，并将信号传输给多通道静态应变仪20；多通道静态应变仪20将测量的数据传输给计算机21，通过计算机21记录并储存；

步骤4、当第二载荷传感器6测得的轴向压力增长迅速，且圆筒内不再有试验散体破碎的声音，停止加压，试验结束后，液压缸9加压进油口10停止进油，通过液压缸9泄压进油口11进油，进行卸载；

步骤5，通过计算机21记录并储存的轴向压力、侧向压力及压缩位移，得到试验散体在静态作用力下非线性压缩曲线，以及测压力分布规律和试验散体1中力链传播特性。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，实施例2为动态冲击试验。

充填散体在动态冲击作用力下压缩性能的测试方法，包括以下步骤：

考虑动态冲击力对试验散体1压缩性能的影响，研究试验散体1在不同承载压力下不同大小动态冲击作用力对其压缩性能的影响。

步骤1、将液压缸9放入到钢结构框架13底部，将圆筒放置在液压缸9的提升平台5上，且保证圆筒与提升平台5轴向中心线对齐；将第一载荷传感器7及底板4依次放入圆筒中，且底板4安装于第一载荷传感器7上方，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整底板4处于水平，此时第一载荷传感器7和底板4中心线重合，并记录底板4上表面处的刻度值；在圆筒内壁圆周方向敷设保护薄层22及薄膜传感器8；将粒径为0～32mm的试验散体1分多层放置于圆筒内铺平，且使试验散体1填充高度低于薄膜传感器8高度，放入顶板3，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整顶板3处于水平，并记录顶板3上表面处的刻度值；将加载塞柱12放置在顶板3中心位置，在活动加载工字块14和加载塞柱12之间放置第二载荷传感器6，保证活动加载工字块14、加载塞柱12及第二载荷传感器6中心线重合；并在顶板3上放置位移传感器，将第一载荷传感器7、第二载荷传感器6、薄膜传感器8以及位移传感器分别与多通道静态应变仪20连接，将液压缸9的加压进油口10和泄压进油口11通过管线与供油系统连接；

步骤2、接通液压缸9的加压进油口10，液压缸9的活塞杆伸展，使第二载荷传感器6上表面与活动加载工字块14下表面完全接触，保压，将第一载荷传感器7、第二载荷传感器6、薄膜传感器8以及位移传感器全部调零；

步骤3、继续加载，使液压缸9的活塞杆继续伸展对试验散体1施加轴向压力，当试验散体1密实度增加至10％时，由第二载荷传感器6读取冲击作用之前试验散体1的轴向压力，液压缸9停止加压；

步骤4、通过改变冲击铁块15的质量或高度来改变对试验试验散体1的动态冲击力，当冲击铁块15对试验散体1施加冲击作用力时，薄膜传感器8测量试验散体1受挤压时水平的侧向压力，并将信号传输给多通道静态应变仪20；通过位移传感器测量试验散体1轴向被冲击位移，并将信号传输给多通道静态应变仪20；通过第一载荷传感器7和第二载荷传感器6测得轴向压力，并将载荷信号传输给多通道静态应变仪20；多通道静态应变仪20将测量的数据传输给计算机21，通过计算机21记录并储存；

步骤5、冲击后，当第二载荷传感器6测量的轴向压力保持不变时，试验结束，液压缸9加压进油口10停止进油，通过液压缸9泄压进油口11进油，进行卸载；

步骤6，通过计算机21记录并储存的轴向压力、侧向压力及压缩位移，得到试验散体在静态作用力下非线性压缩曲线，以及测压力分布规律和试验散体1中力链传播特性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内；

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置，其特征在于，包括液压缸、钢结构框架、圆筒状薄壁、顶板、底板、提升平台、加载塞柱；所述钢结构框架底端上表面安装有液压缸，通过液压缸的加压进油口和卸压进油口实现对试验散体的加载和卸载，液压缸活塞杆伸出缸体部分末端设置有提升平台，提升平台上表面设置有圆筒装置和第一载荷传感器，且第一载荷传感器位于圆筒装置内腔，圆筒装置通过导线与多通道静态应变仪输入端连接，多通道静态应变仪输出端通过导线与计算机连接，所述圆筒装置内填充有试验散体，试验散体材料顶部设置有加载塞柱，加载塞柱上表面设置有第二载荷传感器，且第二载荷传感器和第一载荷传感器分别通过导线与多通道静态应变仪输入端连接，第二载荷传感器用于测量对试验散体施加的轴向压力，第一载荷传感器用于测量轴向压力经过圆筒装置的顶板-试验散体-底板后剩余轴向压力，钢结构框架顶端中部设置有位于第二载荷传感器上方的活动加载工字块，钢结构框架顶端设置有支架，支架横梁的下表面设置有电磁铁，电磁铁下表面连接有冲击块，电磁铁上表面与钢绳一端连接，钢绳另一端贯穿支架的横梁并且通过滑轮之后固定；

所述圆筒装置包括圆筒，所述圆筒中下部设置有位于第一载荷传感器上方的底板，圆筒中上部设置有与底板中心线共线的顶板，且圆筒、顶板及底板形成的空腔内填充有试验散体，试验散体与圆筒内壁之间敷设有薄膜传感器，且薄膜传感器位于顶板与底板之间，薄膜传感器输出端通过导线与多通道静态应变仪输入端连接，用于测量试验散体在静、动态作用力下压缩时水平侧向压力，所述顶板上表面安装有加载塞柱和位移传感器，位移传感器通过导线与多通道静态应变仪输入端连接。

2.根据权利要求1所述的充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置，其特征在于：所述圆筒为一体无缝连接钢材质圆筒，圆筒内壁设置有4条等间距的刻度线，且刻度线沿圆筒轴线设置。

3.根据权利要求1所述的充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置，其特征在于：所述顶板与底板的直径一致，且小于圆筒内径2-4mm。

4.根据权利要求1所述的充填散体在动-静态作用力下压缩性能的测试装置，其特征在于：所述薄膜传感器与试验散体之间设置有保护薄层。

5.使用权利要求1所述的测试装置进行充填散体在静态作用力下压缩性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将液压缸放入到钢结构框架底部，将圆筒放置在液压缸的提升平台上，且保证圆筒与提升平台轴向中心线对齐；将第一载荷传感器及底板依次放入圆筒中，且底板安装于第一载荷传感器上方，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整底板处于水平，此时第一载荷传感器和底板中心线重合，并记录底板上表面处的刻度值；在圆筒内壁圆周方向敷设保护薄层及薄膜传感器；将试验散体分多层放置于圆筒内铺平，且使试验散体填充高度低于薄膜传感器高度，放入顶板，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整顶板处于水平，并记录顶板上表面处的刻度值；将加载塞柱放置在顶板中心位置，在活动加载工字块和加载塞柱之间放置第二载荷传感器，保证活动加载工字块、加载塞柱及第二载荷传感器中心线重合；并在顶板上放置位移传感器，将第一载荷传感器、第二载荷传感器、薄膜传感器以及位移传感器分别与多通道静态应变仪连接，将液压缸的加压进油口和卸压进油口通过管线与供油系统连接；

步骤2、接通液压缸的加压进油口，液压缸的活塞杆伸展，使第二载荷传感器上表面与活动加载工字块下表面完全接触，保压，将第一载荷传感器、第二载荷传感器、薄膜传感器以及位移传感器全部调零；

步骤3、继续加载，使液压缸活塞杆以等值速率加压，对试验散体施加轴向压力，直至第一载荷传感器和第二载荷传感器测得的轴向压力逐渐增大，并将载荷信号传输给多通道静态应变仪；此时圆筒内壁受压触发薄膜传感器，薄膜传感器测量试验散体受挤压时水平的侧向压力，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过位移传感器测量试验散体压缩位移，并将信号传输给多通道静态应变仪；多通道静态应变仪将测量的数据传输给计算机，通过计算机记录并储存；

步骤4、当第二载荷传感器测得的轴向压力增长迅速，且圆筒内不再有试验散体破碎的声音，停止加压，试验结束后，液压缸加压进油口停止进油，通过液压缸卸压进油口进油，进行卸载；

步骤5，通过计算机记录并储存的轴向压力、侧向压力及压缩位移，得到试验散体在静态作用力下非线性压缩曲线，以及测压力分布规律和试验散体中力链传播特性。

6.使用权利要求1所述的测试装置进行充填散体在动态作用力下压缩性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将液压缸放入到钢结构框架底部，将圆筒放置在液压缸的提升平台上，且保证圆筒与提升平台轴向中心线对齐；将第一载荷传感器及底板依次放入圆筒中，且底板安装于第一载荷传感器上方，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整底板处于水平，此时第一载荷传感器和底板中心线重合，并记录底板上表面处的刻度值；在圆筒内壁圆周方向敷设保护薄层及薄膜传感器；将试验散体分多层放置于圆筒内铺平，且使试验散体填充高度低于薄膜传感器高度，放入顶板，通过观察圆筒内壁的四条等高度刻度线调整顶板处于水平，并记录顶板上表面处的刻度值；将加载塞柱放置在顶板中心位置，在活动加载工字块和加载塞柱之间放置第二载荷传感器，保证活动加载工字块、加载塞柱及第二载荷传感器中心线重合；并在顶板上放置位移传感器，将第一载荷传感器、第二载荷传感器、薄膜传感器以及位移传感器分别与多通道静态应变仪连接，将液压缸的加压进油口和卸压进油口通过管线与供油系统连接；

步骤2、接通液压缸的加压进油口，液压缸的活塞杆伸展，使第二载荷传感器上表面与活动加载工字块下表面完全接触，保压，将第一载荷传感器、第二载荷传感器、薄膜传感器以及位移传感器全部调零；

步骤3、继续加载，使液压缸的活塞杆继续伸展对试验散体施加轴向压力，当试验散体密实度增加至大于10％时，由第二载荷传感器读取冲击作用之前试验散体的轴向压力，液压缸停止加压；

步骤4、通过改变冲击块的质量或高度来改变对试验散体的动态冲击力，当冲击块对试验散体施加冲击作用力时，薄膜传感器测量试验散体受挤压时水平的侧向压力，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过位移传感器测量试验散体轴向被冲击位移，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过第一载荷传感器和第二载荷传感器测得轴向压力，并将载荷信号传输给多通道静态应变仪；多通道静态应变仪将测量的数据传输给计算机，通过计算机记录并储存；

步骤5、冲击后，当第二载荷传感器测量的轴向压力保持不变时，试验结束，液压缸加压进油口停止进油，通过液压缸卸压进油口进油，进行卸载；

步骤6，通过计算机记录并储存的轴向压力、侧向压力及压缩位移，得到试验散体在静态作用力下非线性压缩曲线，以及测压力分布规律和试验散体中力链传播特性。

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