CN114166631A - 一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，通过对放入夹具内的散体颗粒施加荷载，在加载结束后，首先获取夹具内关于散体颗粒顶部破坏情况的图像，然后测量散体颗粒的高度，并按高度将散体颗粒平均分成若干层，且层数与装入时的层数相同；依次分层取出破碎的散体颗粒，且在取出时，需要避免散体颗粒再次破碎，且每取出一层均获取包含当前层的破碎情况的图像；对取出的每一层散体颗粒，进行人工筛分，且按照筛孔大小排列顺序逐个进行过筛，直至1分钟内通过筛孔的质量小于筛上残余量的0.1%为止，并称取每个筛上的筛余量。能够直观的得到散体材料破碎情况，并通过实验数据能很快得到散体颗粒体系在外荷载作用过冲中整体荷载与位移关系、局部荷载与位移关系以及碎块尺寸分布情况，能够更有效地识别散体材料在外载荷作用下的流动与破碎规律。
Description
技术领域
本发明涉及散体材料特性研究的技术领域，具体涉及一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法。
背景技术
土木工程领域中，岩体或土体其本质构成均是以散材材料介质为主，散体材料的典型特征表现为：在未受扰动时类似于固体，而在扰动的情况下则呈现出流体性质，但又区别于固体和流体。散体材料的这种力学属性决定了其力学行为的高度复杂性，很多问题有待解决，如，工程荷载下散体材料的流动与破碎在不同尺度分布下有何变化；散体材料在外载下的变形、破碎与完整材料有何区别；颗粒的破碎对整个体系的宏观力学行为有何影响等，已经引起了科学家的广泛关注。
散体材料流动与破碎机理的研究现了力学、材料和工程等多学科间交叉与渗透，是一门既富有理论内涵，又有广阔应用前景的研究领域和研究方向，是岩土力学与计算力学领域致力于探讨的热点。
目前，对散体材料流动与破碎的研究还主要采用以实验为基础的统计分析方法，其理论还处于探索阶段，完整的理论体系和试验手段尚未形成。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，其包括以下步骤：
1）将散体颗粒逐一放入夹具内，且每放入一层散体颗粒时通过拍照获取当前层散体颗粒的位置图像；
2）待将试验用散体颗粒全部放入夹具之后，对置于夹具内的散体颗粒施加载荷，并实时获取载荷压力数据，同时利用与夹具的顶板相连的位移计获取位移数据，在夹具内的散体颗粒出现流动现象时，利用夹具的下承压板上的传力销子与下承压板下侧的压力传感器获取局部载荷的压力；
3）在加载结束后，首先获取夹具内关于散体颗粒顶部破坏情况的图像，
4）然后测量散体颗粒的高度，并按高度将散体颗粒平均分成若干层，且层数与装入时的层数相同；
5）依次分层取出破碎的散体颗粒，且在取出时，需要避免散体颗粒再次破碎，且每取出一层均获取包含当前层的破碎情况的图像；
6）对取出的每一层散体颗粒，进行人工筛分，且按照筛孔大小排列顺序逐个进行过筛，直至1分钟内通过筛孔的质量小于筛上残余量的0.1%为止，并称取每个筛上的筛余量；
7）依据步骤2）中获取的位移数据绘制整体载荷位移曲线，依据步骤2）中获取的局部载荷压力值及位移数据绘制局部载荷位移曲线；
8）依据步骤5）中获取的图像与步骤1）中的获取的图像进行对比，获取散体颗粒在载荷下的破碎数据；
9）依据步骤6）中获取的筛余量及散体颗粒的尺寸绘制小于某粒径颗粒累计质量百分比曲线及施加载荷之后散体颗粒的碎块分布特征参数。
步骤6）中，筛分时，使集料在筛面上同时有水平方向和上下方向的不停顿运，从而使得小于筛孔的集料通过筛孔。
所述散体颗粒为混凝土小球，并经过28天养护时间处理。
散体颗粒在载荷前的放置过程中进行位置拍照，得到初始状态图片，在载荷后对每一层进行拍照，得到施压后的图片，将两组图片进行对比，得到颗粒受载荷前后的破碎程度对比图。
施加载荷时按位移加载，每次均采用相同的加载速率，不同的加载强度。
通过改变载荷加载强度，获取散体颗粒的分层破坏特征，并通过改变散体颗粒尺寸和材料，经过对比可得单个颗粒强度与颗粒级配之间的边界效应关系。
相邻层的散体颗粒交错设置。
本发明的有益效果：能够直观的得到散体材料破碎情况，并通过实验数据能很快得到散体颗粒体系在外荷载作用过冲中整体荷载与位移关系、局部荷载与位移关系以及碎块尺寸分布情况，能够更有效地识别散体材料在外载荷作用下的流动与破碎规律。
附图说明
图1为本发明的试验装置结构示意图。
图2为小于某粒径颗粒累计质量百分比曲线。
图3为整体荷载位移曲线。
图4为局部荷载位移曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明基于的试验装置包括夹具，所述夹具为无底无盖圆柱形钢桶，所述夹具的上半部分内壁直径略大于下半部分内壁直径，可以将压力传感器6放入夹具下侧，夹具两侧设有传感器导线引出口3，其底部放置下承压板，下承压板的位置位于压力传感器的上方，且被下半部分内壁支撑，且该下承压板起到支撑放置在夹具内的散体颗粒的作用，同时所述下承压板上设有两个通孔，下承压板为钢制圆柱形薄板，与夹具的底部相适配，在所述通孔内设置传力销子，传力销子由两个不同直径的钢制实心圆柱组成，其上部圆柱直径略小于下承压板通孔直径，将传力销子放入下承压板通孔中，下部圆柱可插入到压力传感器凹槽中，凹槽顶部与传力销子上部圆柱底面恰好接触，传力销子上部圆柱的上表面与下承压板的上表面持平设置。所述夹具上端设有上承压板，所述上承压板包括上下两部分，且其上半部分设有螺栓杆，其下半部分为圆柱形钢块，两者构成螺纹连接，两者可以容易的组合和拆分，方便实验前后上承压板的放入和取出，另外在下半部分上侧设置压力传感器。在上承压板的上侧设置顶板，所述顶板与压力传感器接触，并与与电液伺服万能试验机联动设置，由其实现自动控制加载。进而由压力传感器获得施加载荷值。
在所述顶板的两侧还分别设有位移计，所述位移计一端固定设置在试验台的底板上，另一端与顶板连接，用于获取顶板的位移值，用于获取加载过程中散体颗粒的整体位移值。
其中电液伺服万能试验机对散体颗粒体系施加荷载，在加载过程中压力传感器及位移计测量得到的数据通过DH5937动态电阻应变仪传输至计算机进行存储和处理。
而在散体颗粒内部发生流动现象时，即颗粒破碎，碎块发生流动，填充到颗粒体系底部的空隙中，碎块与传力销子相接触，局部荷载开始增加，此时可以通过底部的压力传感器获取局部的荷载变化。
本发明公开了一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，其包括以下步骤：
1）将散体颗粒逐一放入夹具内，且每放入一层散体颗粒时通过拍照获取当前层散体颗粒的位置图像，夹具在使用之前，需要将其组装，并将对应的传感器的导线引出，并与DH5937动态电阻应变仪连接，在完成夹具组装之后，分层将散体颗粒装入，每装入一层，均拍摄当前层的照片，记录该层的试验前状态，待散体颗粒完全装入之后，通过上承压板将其封盖，并由电液伺服万能试验机对其施加荷载；
2）待将试验用散体颗粒全部放入夹具之后，对置于夹具内的散体颗粒施加载荷，并实时获取载荷压力数据，同时利用与夹具的顶板相连的位移计获取位移数据，在夹具内的散体颗粒出现流动现象时，利用夹具的下承压板上的传力销子与下承压板下侧的压力传感器获取局部载荷的压力；
在通过电液伺服万能试验机对散体颗粒体系施加荷载时，荷载通过上承压板传递给散体颗粒体系，其在外载作用下发生流动，当体系底部的颗粒与下承压板中的传力销子相接触时，就可以将颗粒体系底部的局部荷载传递给下承压板下面的压力传感器，从而可以实现对加载过程中颗粒体系底部某一区域局域的监测，在加载过程中传感器与电子位移计测量得到的数据自动保存到电脑中。
试验采用按位移加载，每次实验均采用相同的加载速率，为70mm/min，但加载强度不同，分为30kN,40kN和50kN（其中，加载速率和加载强度可按实际情况进行取值，给出的数值为参考数值）。
3）在加载结束后，首先获取夹具内关于散体颗粒顶部破坏情况的图像，即通过螺纹杆将上承压板缓缓取出，保证不会对底部的散体颗粒造成再次破坏，在将上承压板取出后，先拍摄当前层的散体颗粒的顶部破坏情况；
4）然后测量散体颗粒的高度，并按高度将散体颗粒平均分成若干层，且层数与装入时的层数相同；而后测量颗粒体系的高度，按照高度将其平均分成n层，层数与放入时的层数相同，更好的进行试验前后对比，确保试验结果对比的准确性
5）依次分层取出破碎的散体颗粒，且在取出时，需要避免散体颗粒再次破碎，且每取出一层均获取包含当前层的破碎情况的图像；然后依次分层取出破碎的散体颗粒，取得时候需要小心轻放，避免再次破碎，每取出一层均要拍照记录当前层的破损后的状态，以便后续进行试验前后对比；
6）对取出的每一层散体颗粒，进行人工筛分，且按照筛孔大小排列顺序逐个进行过筛，直至1分钟内通过筛孔的质量小于筛上残余量的0.1%为止，并称取每个筛上的筛余量；其中筛子的孔径依次为1mm，1.7mm，2.5mm，3.1mm，5mm，7.1mm，10mm，16mm，20mm，25mm，35.5mm，40mm，45mm，且由大至小进行过筛，保证每一个筛子上残留的为对应尺寸范围内的散体颗粒，更好的进行结果统计。在筛分时，使集料在筛面上同时有水平方向和上下方向的不停顿的运动，从而使小于筛孔的集料通过筛孔。
7）依据步骤2）中获取的位移数据绘制整体载荷位移曲线，依据步骤2）中获取的局部载荷压力值及位移数据绘制局部载荷位移曲线；通过绘制的整体载荷位移曲线，可以获知，散体颗粒体系在加载过程中，颗粒的破碎导致反复的加载-卸载-再加载周期反复，整体荷载以波动的方式上升，当颗粒体系所有的空隙都被碎块填满后，颗粒失去再变形的空间，整体荷载不再出现波动，而是以稳定的速率增加至加载结束；而对于局部荷载位移曲线，可知当散体颗粒体系在加载初始阶段，底部局部荷载趋近于零，这是由于颗粒尺寸较大，底部颗粒与下承压板的接触点比较少，接触点没有位于传力销子的范围内，而当颗粒破碎后，碎块发生流动，填充到颗粒体系底部的空隙中，碎块与传力销子相接触，局部荷载开始增加，荷载增加的过程中出现波动，这与整体荷载以波动方式增加的原因相同。当颗粒体系的空隙被碎块填满，颗粒没有再变形的空间后，局部荷载不再出现明显的波动现象，而是以稳定的速率增加至加载结束。
8）依据步骤5）中获取的图像与步骤1）中的获取的图像进行对比，获取散体颗粒在载荷下的破碎数据；在荷载作用下，表层颗粒破碎最为严重，大部分碎块都呈粉末状，下层颗粒破碎程度相对较轻，还可以看到有尺寸较大的碎块存在，中间层颗粒破坏程度最轻，绝大部分颗粒保持原来的形状，只是产生裂纹或者有尺寸较小的碎块从颗粒上剥落，个别颗粒发生破碎，产生的碎块的平均尺寸与上层和下层颗粒相比要大的多；
经过前后两组图片进行对比，得到颗粒受载荷前后的破碎程度对比图，而且在筛分之后能得到载荷之后颗粒的碎块分布特征。
9）依据步骤6）中获取的筛余量及散体颗粒的尺寸绘制小于某粒径颗粒累计质量百分比曲线及施加载荷之后散体颗粒的碎块分布特征参数。
通过改变载荷加载强度，可得到颗粒体系在加载级别较低的情况下会出现明显的分层破坏特征，边界效应显著，随着荷载的增加，分层破坏特征有所减弱。并且在改变颗粒尺寸和颗粒材料进行对比分析后，可得到单个颗粒强度与颗粒级配之间的边界效应关系。
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，其特征在于：其包括以下步骤：
1）将散体颗粒逐一放入夹具内，且每放入一层散体颗粒时通过拍照获取当前层散体颗粒的位置图像；
2）待将试验用散体颗粒全部放入夹具之后，对置于夹具内的散体颗粒施加载荷，并实时获取载荷压力数据，同时利用与夹具的顶板相连的位移计获取位移数据，在夹具内的散体颗粒出现流动现象时，利用夹具的下承压板上的传力销子与下承压板下侧的压力传感器获取局部载荷的压力；
3）在加载结束后，首先获取夹具内关于散体颗粒顶部破坏情况的图像，
4）然后测量散体颗粒的高度，并按高度将散体颗粒平均分成若干层，且层数与装入时的层数相同；
5）依次分层取出破碎的散体颗粒，且在取出时，需要避免散体颗粒再次破碎，且每取出一层均获取包含当前层的破碎情况的图像；
6）对取出的每一层散体颗粒，进行人工筛分，且按照筛孔大小排列顺序逐个进行过筛，直至1分钟内通过筛孔的质量小于筛上残余量的0.1%为止，并称取每个筛上的筛余量；
7）依据步骤2）中获取的位移数据绘制整体载荷位移曲线，依据步骤2）中获取的局部载荷压力值及位移数据绘制局部载荷位移曲线；
8）依据步骤5）中获取的图像与步骤1）中的获取的图像进行对比，获取散体颗粒在载荷下的破碎数据；
9）依据步骤6）中获取的筛余量及散体颗粒的尺寸绘制小于某粒径颗粒累计质量百分比曲线及施加载荷之后散体颗粒的碎块分布特征参数。
2.根据权利要求1所述的一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，其特征在于：步骤6）中，筛分时，使集料在筛面上同时有水平方向和上下方向的不停顿运，从而使得小于筛孔的集料通过筛孔。
3.根据权利要求1所述的一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，其特征在于：所述散体颗粒为混凝土小球，并经过28天养护时间处理。
4.根据权利要求1所述的一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，其特征在于：散体颗粒在载荷前的放置过程中进行位置拍照，得到初始状态图片，在载荷后对每一层进行拍照，得到施压后的图片，将两组图片进行对比，得到颗粒受载荷前后的破碎程度对比图。
5.根据权利要求1所述的一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，其特征在于：施加载荷时按位移加载，每次均采用相同的加载速率，不同的加载强度。
6.根据权利要求1所述的一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，其特征在于：通过改变载荷加载强度，获取散体颗粒的分层破坏特征，并通过改变散体颗粒尺寸和材料，经过对比可得单个颗粒强度与颗粒级配之间的边界效应关系。
7.根据权利要求1所述的一种识别散体材料在外载作用下的流动与破碎机理的试验方法，其特征在于：相邻层的散体颗粒交错设置。
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