CN117969295A - 一种参数可视化的土壤载荷实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于颗粒物质力学性能测试技术领域，具体公开了一种参数可视化的土壤载荷实验装置，包括：支架；支架上依次安装发射端、可视化加载机构和接收端，可视化加载机构包括有两个透光部和多个荷载施加机构，所有荷载施加机构均位于两个透光部之间；两个透光部和所有荷载施加机构共同围成一个加载腔，加载腔用于容纳多个反光颗粒；发射端用于向加载腔发射光束，以及接收端用于获取加载腔内反光颗粒反射的光束并生成图像数据；具有如下优点：与刚性边界相比，柔性边界能够更真实地模拟土壤或其他颗粒材料的自然状态，通过压缩弹簧并以位移控制的方式输出加载，可以精确地控制施加到颗粒系统上的荷载，从而更精确地模拟不同的工程条件。

Description

一种参数可视化的土壤载荷实验装置

技术领域

本发明涉及颗粒物质力学性能测试技术领域，具体而言，涉及一种参数可视化的土壤载荷实验装置及实验方法。

背景技术

三轴试验是室内模拟土壤内真实荷载的重要手段之一，利用三轴试验可以确定土体的各种静、动力学参数，为工程勘察、设计、施工提供重要的参数依据。然而，传统三轴试验只能实现宏观层次的研究，无法从细观尺度观测土体颗粒内部力链的传递。再者传统三轴试验装置在试验过程中施加的围压是轴对称的，即σ2=σ3，因此将三轴试验平面化，进行性试验具有可行性。但是，现有试验装置通过刚性边界施加侧向围压限制颗粒的侧向变形，导致边界处颗粒被约束、应力不均匀，剪切带的正常发展受到抑制，又或是无法给定恒定的围压。

为此提出一种参数可视化的土壤载荷实验装置，以解决上述提出的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种参数可视化的土壤载荷实验装置及实验方法，以解决或改善上述技术问题中的至少之一。

有鉴于此，本发明的第一方面在于提供一种参数可视化的土壤载荷实验装置。

本发明的第二方面在于提供一种实验方法。

本发明的第一方面提供了一种参数可视化的土壤载荷实验装置，包括：支架；沿一个延伸方向，在所述支架上依次安装发射端、可视化加载机构和接收端；所述可视化加载机构包括有两个透光部和多个荷载施加机构，所有所述荷载施加机构均位于两个所述透光部之间；以所述延伸方向为中轴，多个所述荷载施加机构沿周向布设；两个所述透光部和所有所述荷载施加机构共同围成一个加载腔，所述加载腔用于容纳多个反光颗粒；所述反光颗粒用于表征所述土壤；所述发射端用于向所述加载腔发射光束，以及所述接收端用于获取所述加载腔内所述反光颗粒反射的光束并生成图像数据；其中，每个所述荷载施加机构分别包括有抵接所述反光颗粒的多段式施压带以及与所述多段式施压带相连的驱动组件，所述多段式施压带能够在所述驱动组件的带动下发生弯曲；所述驱动组件通过带动所述多段式施压带，以对所述反光颗粒施加压力。

上述任一技术方案中，所有所述驱动组件带动所述多段式施压带移动的方向均处于同一个平面，所述延伸方向与所述平面具有一个不为零的夹角；其中，所有所述多段式施压带首尾依次相连，以合围所述反光颗粒。

上述任一技术方案中，所述可视化加载机构还包括：托板，固定在所述支架上；所述荷载施加机构包括有固定在所述托板上表面反力架，所述驱动组件与所述反力架相连；交汇于所述延伸方向，所述驱动组件能够在所述反力架上移动；其中，所述反力架为环形。

上述任一技术方案中，所述多段式施压带包括有多个依次相连的柔性块，相邻所述柔性块的相对面中部通过转轴相连，且所述相对面之间的边缘形成有环形的应变间隙；其中，位于不同所述多段式施压带的两个相邻所述柔性块固定相连。

上述任一技术方案中，所述托板上表面开设有与所述加载腔相对应的透光孔，所述柔性块的下端位于所述透光孔内；以及一个所述透光部固定在所述托板的下表面，且另一个所述透光部通过固定柱可拆卸地固定在所述托板的上表面。

上述任一技术方案中，所述荷载施加机构包括：第一加压杆，其一端穿设于所述反力架上；所述第一加压杆的另一端与同一所述多段式施压带的所有所述柔性块弹性相连；第二加压杆，其一端穿设并固定于所述反力架上；所述第二加压杆的另一端与所述柔性块固定相连；其中，所述第二加压杆与所述柔性块一一对应设置。

上述任一技术方案中，对于同一所述多段式施压带，所述第一加压杆设置两个；以及所述第一加压杆与所述柔性块通过推动板、套管和弹簧弹性相连；两个所述第一加压杆通过所述推动板相连，所述推动板位于所述反力架内部；所述第二加压杆贯穿所述推动板侧壁；所述套管与所述第二加压杆相套接，且所述套管安装在所述推动板侧壁，所述弹簧的两端分别连接所述套管和所述柔性块。

上述任一技术方案中，所述弹簧套设在所述第二加压杆上。

上述任一技术方案中，所述第一加压杆和所述第二加压杆上均螺接有与所述反力架相抵接的螺母。

本发明的第二方面提供了一种实验方法，包括如下步骤：S101，在所述加载腔内放置多个所述反光颗粒，直至所述反光颗粒贴合所述多段式施压带并充满所述加载腔；S102，通过所述发射端发射光束，所述光束依次通过加载腔并由所述反光颗粒反射至所述接收端，以生成图像数据；S103，通过所述荷载施加机构通过所述多段式施压带对所述反光颗粒施加压力；S104，所述多段式施压带在所述荷载施加机构的带动下发生弯曲，以对所述反光颗粒施加不同的压力。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

由多个弹簧和与之配合的部件组成，这些弹簧均匀地分布在颗粒系统周围，形成一个柔性的边界环境，每个弹簧通过其端部连接到一个可移动的支撑结构上，允许弹簧在施加荷载时自由伸缩。

荷载通过压缩弹簧施加，通过弹簧在压缩时储存能量，形成弹力。当需要施加荷载时，弹力被释放，以均匀地对颗粒系统施加压力，弹力的释放可以通过控制机构逐渐进行，以模拟自然条件下的荷载变化。

柔性边界允许颗粒在受力时自然膨胀和移动，类似于真实的土壤或其他颗粒材料在三轴压力下的行为，与刚性边界相比，柔性边界更贴近真实的土壤或材料行为，特别是在考虑侧向位移和膨胀时。

允许对颗粒系统施加不同的侧向围压，通过精确控制弹簧的压缩量来实现，这种侧向围压的变化对于研究颗粒在不同应力条件下的接触力、力场和位移场变化至关重要。

通过在不同围压下的行为，可以收集关于颗粒接触力、力场分布和位移变化的详细数据，对于理解颗粒材料的力学性质、优化材料设计和预测其在实际应用中的行为非常有价值。

结论根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的可视化加载机构结构示意图；

图3为本发明的可视化加载机构俯视图；

图4为本发明的可视化加载机构仰视图；

图5为本发明的方法步骤流程图。

其中，图1-图5中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1发射端、2起偏镜、3第一波片、4可视化加载机构、5第二波片、6检偏镜、7接收端、8荷载施加机构、801反力架、802推动杆、803推动板、804导杆、805套管、806弹簧、9托板、10光弹性颗粒下亚克力盖板、11光弹性颗粒上亚克力盖板。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1-图5，下面描述本发明一些实施例的一种参数可视化的土壤载荷实验装置及实验方法。

本发明第一方面的实施例提出了一种参数可视化的土壤载荷实验装置。在本发明的一些实施例中，如图1-图4所示，该土壤载荷实验装置包括：

支架；沿一个延伸方向，在支架上依次安装发射端1、可视化加载机构4和接收端7。在可视化加载机构4和发射端1之间还设置有起偏镜2和第一波片3，起偏镜2用于形成平面偏振光；在可视化加载机构4和接收端7之间还设置有第二波片5和检偏镜6，检偏镜6用于过滤其它方向偏振光；第一波片3和第二波片5均为1/4波片，用于形成圆偏振场；第一波片3、第二波片5、起偏镜2和检偏镜6均安装在支架上。

可视化加载机构4包括有两个透光部和多个荷载施加机构8，所有荷载施加机构8均位于两个透光部之间；以延伸方向为中轴，多个荷载施加机构8沿周向布设；两个透光部和所有荷载施加机构8共同围成一个加载腔，加载腔用于容纳多个反光颗粒；反光颗粒用于表征土壤。两个透光部分别为光弹性颗粒下亚克力盖板10和光弹性颗粒上亚克力盖板11。

发射端1用于向加载腔发射光束，以及接收端7用于获取加载腔内反光颗粒反射的光束并生成图像数据。发射端1为能够作为光源的灯珠，接收端7为用于采集图片的摄像机。

其中，每个荷载施加机构8分别包括有抵接反光颗粒的多段式施压带以及与多段式施压带相连的驱动组件，多段式施压带能够在驱动组件的带动下发生弯曲；驱动组件通过带动多段式施压带，以对反光颗粒施加压力。

本发明提供的一种参数可视化的土壤载荷实验装置，支架提供一个稳定的平台，用于安装和定位其他光学和加载元件，发射端1用于发射光源，为整个实验提供所需的光线，可视化加载机构4用于施加力或压力，模拟实际的工程应力条件；接收端7包括摄像机或其他成像设备，用于捕捉经过样品的光，起偏镜2将发射端1发出的光转换为平面偏振光；第一波片3：位于可视化加载机构4和起偏镜2之间，将平面偏振光转换为圆偏振光；第二波片5位于可视化加载机构4和检偏镜6之间，将通过样品后的圆偏振光再次转换，以便于检偏镜6分析；检偏镜6过滤并分析特定方向的偏振光，用于观察和记录样品对光的影响。

能够精确分析样品内部的应力分布和变形，对于理解材料的力学性质至关重要；通过光弹性试验，可以直观地观察材料在受力时的行为，如剪切带的形成和力链的走向；适用于多种材料的力学行为研究，包括土木工程、地质研究和材料科学等领域；可视化加载机构4能够模拟不同的加载条件，提供更广泛的实验应用。

可视化加载机构4设计用于在光弹性试验中表征土壤的力学行为，包括两个透光部和多个周向布置的荷载施加机构8，共同围成一个加载腔，用于容纳反光颗粒；透光部包括光弹性颗粒下亚克力盖板10和光弹性颗粒上亚克力盖板11，允许光线穿过并照射到反光颗粒上；荷载施加机构8沿周向布设，用于在不同方向上对颗粒施加均匀或不均匀的荷载，模拟多种土壤应力条件；加载腔由透光部和荷载施加机构8围成，用于容纳反光颗粒，用以模拟土壤颗粒。

多个荷载施加机构8的布置允许从不同方向对颗粒施加荷载，更好地模拟土壤在自然状态下的应力条件；透光部使光线可以穿过并照射到颗粒上，结合摄像机，可以直观地观察土壤颗粒在荷载下的行为；亚克力盖板提供了坚固而透明的结构，确保了实验过程中的光学清晰度和结构完整性；荷载施加机构8的设计允许对施加于颗粒的力进行精确控制，包括大小和方向；通过改变荷载施加方式，可以模拟不同类型和密度的土壤条件，增强实验的适应性和应用范围；精确的荷载控制和直观的可视化观察提高了实验数据的准确性和可靠性。

发射端1由能够作为光源的灯珠组成，负责向加载腔内发射光束，灯珠提供必要的光照，照射加载腔内的反光颗粒；确保加载腔内的反光颗粒被均匀照明，对于实现准确的光弹性分析至关重要；用户可以控制光源的强度和持续时间，以适应不同的实验条件；良好的照明是获取高质量图像的关键，有助于更清晰地分析颗粒行为。

接收端7由摄像机组成，用于捕捉加载腔内反光颗粒反射的光束，并生成图像数据，摄像机记录了颗粒材料在受力时的光弹性响应；摄像机允许直观地观察和记录颗粒在荷载下的行为，包括力链的形成、应力分布和剪切带的发展；实时捕捉的图像可用于即时分析，提供快速反馈和数据处理；高质量的图像数据使得可以精确测量和分析颗粒材料内部的应力和变形。

灯珠作为光源提供均匀的照明，而摄像机作为高效的图像捕捉工具，共同提高了实验的效率和数据的准确性，可使得在不同的荷载条件下观察颗粒材料的行为，为研究颗粒材料的力学性质提供了更广泛的可能性；不仅适用于科研实验，还可以应用于工程测试和教学演示，展现颗粒材料在实际应用中的行为。

多段式施压带直接与反光颗粒接触，用于施加压力，能够在驱动组件的控制下发生弯曲，从而施加不同方向和大小的力；驱动组件控制多段式施压带的运动和形状，通过带动施压带，对反光颗粒施加精确的压力。

多段式施压带的设计允许对反光颗粒施加非常精确的力，无论是大小还是方向，可以模拟复杂的荷载情况，适用于各种实验条件；施压带的多段设计和弯曲能力提高了装置对不同形状和大小颗粒的适应性，可以更好地模拟真实土壤环境下的力学行为；施压带能够均匀地将力传递到颗粒上，避免了应力集中和不均匀分布；在施加荷载时，可以直观地观察颗粒的反应，如压缩、移动和力链的形成；快速和精确的荷载施加减少了实验准备时间，提高了实验效率。

具体地，反光颗粒为由光弹性(如聚碳酸酯)、光弹塑性(如环氧树脂)或其他反光材料加工而成的毫米级颗粒(尺寸最小可以达到 2mm，其形状为球形、圆柱形、椭圆柱形、多边形或不规则形状)，放入可以施加荷载的可视化加载机构4中。

上述任一实施例中，所有驱动组件带动多段式施压带移动的方向均处于同一个平面，延伸方向与平面具有一个不为零的夹角。

其中，所有多段式施压带首尾依次相连，以合围反光颗粒。

在该实施例中，所有驱动组件控制的多段式施压带在同一平面内移动，有助于均匀地施加压力到装载腔内的颗粒，保证施加的荷载在整个颗粒样本上分布均匀；延伸方向与施压带平面形成的特定夹角允许施加更为复杂和多维的荷载模式，这种排列方式模拟了真实土壤环境中的非均匀和多方向力；所有多段式施压带首尾相连，形成一个闭合的环，以全方位合围反光颗粒，保证了颗粒材料受到来自所有方向的均匀压力。

能够更真实地模拟土壤在自然状态下经历的多方向荷载，提供了更广泛的实验条件，增强了实验的应用范围和适应性；首尾相连的施压带确保了力在颗粒样本上的均匀分布，避免了局部应力集中，提高了实验结果的准确性；特定夹角的设计使得能够模拟更复杂的荷载情况，更接近实际土壤的应力状态；更好地模拟了真实的土壤压力环境，提高了实验的逼真度和可靠性；允许观察颗粒在均匀和非均匀荷载下的行为，如颗粒的排列、变形和力链的发展。具体地，夹角为九十度。

上述任一实施例中，可视化加载机构4还包括：

托板9，固定在支架上；荷载施加机构8包括有固定在托板9上表面反力架801，驱动组件与反力架801相连；交汇于延伸方向，驱动组件能够在反力架801上移动。

其中，反力架801为方形环体。

在该实施例中，托板9固定在支架上，提供稳定的基础，用于安装其他组件，如反力架801和驱动组件，托板9支撑着荷载施加机构8，确保其在实验过程中的稳定性；为荷载施加机构8提供稳固的基座，确保整个实验过程的稳定和可靠；通常由坚固的材料制成，增加了装置的耐用性和使用寿命；环形反力架801固定在托板9上表面，提供一个结构，用于支撑和引导驱动组件，驱动组件在反力架801上移动，施加荷载到加载腔内的颗粒材料，环形设计有助于在整个装置中均匀分布荷载，避免局部应力集中，使得驱动组件可以在多个方向上移动，施加更复杂和多维的荷载；驱动组件在反力架801上的移动用于控制施压带，从而施加荷载到颗粒材料上，可以精确控制施加荷载的位置、大小和方向，提供精确的荷载控制，使实验更加精确和可重复，允许模拟多种不同的土壤和材料应力条件。

通过精确控制荷载施加，实验的数据更加准确和可靠，环形反力架801和多方向移动的驱动组件共同作用，更好地模拟真实土壤中的力学行为，适用于多种不同的颗粒材料和土壤类型，增强了实验的应用范围。

上述任一实施例中，多段式施压带包括有多个依次相连的柔性块，相邻柔性块的相对面中部通过转轴相连，且相对面之间的边缘形成有环形的应变间隙。柔性块为橡胶块，通过在橡胶块上开孔并插设转轴，将两个相邻的橡胶块转动相连。

其中，位于不同多段式施压带的两个相邻柔性块固定相连。

在该实施例中，橡胶块之间通过转轴连接，允许每个块在荷载施加时独立转动，提供了良好的灵活性，这种连接方式使得施压带可以根据荷载需求灵活弯曲，适应不同的施压角度和方向；在相邻橡胶块的相对面边缘形成的环形应变间隙，允许更大程度的柔性块相对运动，增加了施压带的整体灵活性，应变间隙有助于减轻施压带在弯曲时的应力集中，减少材料疲劳；位于不同施压带上的相邻柔性块固定相连，确保了施压带之间的协调运动和稳定性。

多段式施压带的灵活性确保了荷载可以均匀地分布在颗粒材料上，减少了局部压力点和不均匀应力分布；适用于不同形状和大小的颗粒材料，提高了实验的适应性和通用性；环形应变间隙减少了橡胶块在反复弯曲过程中的应力集中，延长了材料的使用寿命；通过控制每个橡胶块的转动，可以实现更为精确和复杂的荷载施加模式；相邻施压带上橡胶块的固定连接增加了整个施压系统的稳定性和协调性。

上述任一实施例中，托板9上表面开设有与加载腔相对应的透光孔，柔性块的下端位于透光孔内。

一个透光部固定在托板9的下表面，且另一个透光部通过固定柱可拆卸地固定在托板9的上表面。

在该实施例中，透光孔允许光线通过托板9，照射到加载腔内的反光颗粒或其他测试材料上；透光孔与加载腔相对应，确保光线可以有效覆盖整个测试区域；柔性块的下端位于透光孔内，使其能直接与加载腔内的材料接触，进行有效的荷载施加；一个透光部固定在托板9的下表面，另一个则可拆卸地固定在上表面，提供了灵活性，在需要时可以方便地添加或移除上部透光部。

透光孔确保了光线的无障碍传输，有助于提高光弹性试验的光学效果，使得颗粒材料的应力分布更加清晰可见；柔性块直接位于透光孔上方，可确保荷载直接且均匀地施加到材料上，提高了实验的精确性；可拆卸的透光部设计增加了装置的灵活性，根据实验需要，可以轻松调整测试设置；可拆卸的透光部设计使得装置的组装和维护更加简便，便于进行清洁和替换；使得装置可以适应不同类型的光弹性试验，扩大了其应用范围；由于透光部的灵活配置，实验的设置和调整更加快捷，提高了实验的整体效率。

上述任一实施例中，荷载施加机构8包括：

第一加压杆，第一加压杆的一端穿设于反力架801上；第一加压杆的另一端与同一多段式施压带的所有柔性块弹性相连。第一加压杆为推动杆802。

第二加压杆，第二加压杆的一端穿设并固定于反力架801上；第二加压杆的另一端与柔性块固定相连。第二加压杆为导杆804。

其中，第二加压杆与柔性块一一对应设置。

在该实施例中，第一加压杆的一端穿设于反力架801上，另一端弹性地与同一多段式施压带的所有柔性块相连，使得推动杆802可以均匀地将力传递到多个柔性块上，从而对加载腔内的材料施加均匀的压力；均匀荷载施加：确保荷载在整个施压带上均匀分布，减少局部应力集中；用户可以根据需要调节推动杆802的位置和压力，灵活适应不同的实验条件。第二加压杆的一端穿设并固定于反力架801上，另一端与柔性块固定相连；导杆804与柔性块一一对应，保持施压带的稳定和正确的方向；确保每个柔性块在荷载施加过程中保持正确的位置和方向；增强了整个施压系统的稳定性，确保实验过程中的精确度。

通过推动杆802和导杆804的协同工作，可以更准确、均匀地施加荷载到材料上；使得装置可以应用于不同的实验设置，增加了其灵活性和适用性；准确控制的荷载施加和稳定的施压带运动提高了实验的效率和可靠性；用户可以轻松地调整推动杆802和导杆804，以适应不同的实验条件和要求。

上述任一实施例中，对于同一多段式施压带，第一加压杆设置两个；以及第一加压杆与柔性块通过推动板803、套管805和弹簧806弹性相连。

两个第一加压杆通过推动板803相连，推动板803位于反力架801内部；第二加压杆贯穿推动板803侧壁。

套管805与第二加压杆相套接，且套管805安装在推动板803侧壁，弹簧806的两端分别连接套管805和柔性块。

在该实施例中，两个第一加压杆的设置提供了对同一施压带两端的平衡而精确的力量控制；使得施压带可以更均匀地施加压力到材料上，尤其是在较大的加载腔内；推动板803位于反力架801内部，将两个第一加压杆连接起来，形成一个统一的驱动系统，提供了一个稳定的平台，以确保压力均匀地施加到施压带上；套管805与第二加压杆（导杆804）相套接，安装在推动板803侧壁，确保了整体结构的稳定性，弹簧806连接套管805和柔性块，提供弹性连接，允许一定范围内的运动和调整。

两个第一加压杆的设置确保了施压带上的压力均匀分布，避免了局部应力集中；通过推动板803和弹簧806系统的精确控制，可以精细调节施加到材料上的力量，提高实验的精度；弹簧806和套管805的使用增加了系统的灵活性，允许在施压带的运动和调整上有更大的自由度；推动板803和套管805的结构设计提高了整个系统的稳定性和可靠性，确保实验过程中的连续性和准确性；允许在不同的实验条件下使用，特别是在需要均匀施压的场合。

上述任一实施例中，弹簧806套设在第二加压杆上。

在该实施例中，弹簧806被套设在第二加压杆上，形成一个连接系统，使得弹簧806能够在施加和释放压力时有效地伸缩，允许弹簧806直接响应驱动组件的运动，为柔性块提供所需的力量；弹簧806与第一加压杆一起工作，使得施压带能够以更加均匀和控制的方式施加压力到加载腔内的材料。

弹簧806在第二加压杆上的设置确保了力量可以均匀地传递到每个柔性块，从而保证了压力在加载腔内材料上的均匀分布；由于弹簧806的弹性，系统能够适应各种不同的压力需求和实验条件，提供了更多的灵活性；弹簧806的使用减少了直接接触所可能产生的磨损和损坏，延长了设备的使用寿命；弹簧806的特性允许精确控制施加到柔性块的荷载，从而提高实验的精度和可重复性；弹簧806的弹性连接提高了整个荷载施加系统的稳定性和可靠性，减少了在复杂荷载条件下的故障风险；若弹簧806出现磨损或损坏，由于其在导杆804上的位置，更换和维护相对容易。

上述任一实施例中，第一加压杆和第二加压杆上均螺接有与反力架801相抵接的螺母。螺母可根据具体的使用需求设置在反力架801的内部或外部。

在该实施例中，螺母可以根据实验的具体需求设置在反力架801的内部或外部，提供了一种调节加压杆位置的灵活方式；通过旋转螺母，可以调整加压杆与反力架801之间的距离，从而改变施加到加载腔内材料的压力；不同的实验可能需要不同的荷载配置和施加力的方向，通过改变螺母的位置，可以轻松适应这些变化；使装置能够灵活适应不同的实验设置和需求，提高了实验的适应性和多功能性；允许操作者精确控制荷载的大小和方向，增加了实验操作的精度；通过简单地旋转螺母，就可以实现加压杆位置的调节，操作简便，无需复杂的工具或程序；螺母的固定作用增加了整个荷载施加系统的稳定性和可靠性；根据实验需求调整螺母位置，提供了更多的试验灵活性，特别是在需要对施加力进行微调时。

本发明第二方面的实施例提出了一种基于土壤载荷实验装置的实验方法。在本发明的一些实施例中，如图5所示，该实验方法包括如下步骤：

S101，在加载腔内放置多个反光颗粒，直至反光颗粒贴合多段式施压带并充满加载腔。

S102，通过发射端1发射光束，光束依次通过加载腔并由反光颗粒反射至接收端7，以生成图像数据。

S103，通过荷载施加机构8通过多段式施压带对反光颗粒施加压力。

S104，多段式施压带在荷载施加机构8的带动下发生弯曲，以对反光颗粒施加不同的压力。

本发明提供的一种实验方法，S101，放置反光颗粒，将反光颗粒放置在加载腔内，直至贴合多段式施压带并充满整个加载腔，确保了加载腔内颗粒的均匀分布；提供了一个均匀分布的颗粒样品，对于实验结果的一致性和可重复性至关重要，确保了在加载过程中可以收集到关于颗粒行为的全面数据。S102，发射端1发射光束，光束穿过加载腔，由反光颗粒反射并被接收端7捕获，生成图像数据，允许观察颗粒在受力时的行为和变形；提供了一种直观的方式来观察颗粒材料的应力分布和变形，生成的图像数据可以实时分析，提供即时的反馈。S103，通过荷载施加机构8，多段式施压带对反光颗粒施加压力，模拟不同的荷载条件和应力分布；能够模拟真实的土壤或材料受力条件；提供了精确控制荷载大小和分布的能力。S104，多段式施压带在荷载施加机构8的带动下发生弯曲，施加不同的压力到颗粒上，允许施加不均匀或定向的压力；模拟颗粒在多方向压力下行为的方法；弯曲的施压带设计增加了实验的灵活性和适应性。

综上所述，这个实验流程提供了一种全面和精确的方法来研究反光颗粒材料（如土壤颗粒）在不同压力条件下的力学行为。对于土壤力学、材料科学和工程应用中理解材料的行为特性具有重要意义。

上述任一实施例中，S103的步骤具体包括：

S1031，通过第二加压杆及其上的螺母，将所述第二加压杆固定在反力架801上；

S1032，推动第一加压杆，并依次带动推动板803和套管805，使得套管805和柔性块挤压弹簧806，并在弹簧806内部储存弹性势能，通过第一加压杆及其上的螺母将第一加压杆固定在反力架801上；

S1033，在需要对反光颗粒施加压力时，考虑每个第二加压杆对应柔性块是否需要对反光颗粒施加压力以及施加压力的大小，旋拧第二加压杆上的螺母，使得第二加压杆能够与反力架801发生相对移动，使得弹簧806在抵接反光材料的同时借助预存的弹性势能向反光材料施加压力。

在该实施例中，S1031: 固定第二加压杆，通过第二加压杆及其上的螺母，将第二加压杆固定在反力架上，确保其稳定性和正确的位置，这一步骤为后续的荷载施加提供了稳定的基础；确保在实验过程中第二加压杆保持固定，提高整个装置的稳定性；通过固定第二加压杆，可以精确控制荷载施加的位置。S1032: 预存弹性势能，推动第一加压杆，带动推动板和套管，使套管和柔性块挤压弹簧，从而在弹簧内部储存弹性势能，通过螺母将第一加压杆固定在反力架上；能量储存：预存弹性势能为后续施加压力提供了必要的能量，控制荷载施加：使得荷载施加更加平滑和可控。S1033: 施加压力，根据需要对反光颗粒施加压力的要求，旋拧第二加压杆上的螺母，使第二加压杆能够相对于反力架发生移动，通过这种移动，弹簧在抵接反光材料的同时利用预存的弹性势能向材料施加压力；可以精确调节施加到反光颗粒上的压力大小，适应不同的实验需求；根据颗粒的不同反应或实验目的，可以灵活调整每个柔性块的压力；通过对每个柔性块施加独立控制的压力，保证了整个加载腔内压力的均匀分布。

综上所述，上述步骤通过精确的机械操作，提供了对反光颗粒材料施加精确、均匀且可控的压力的能力。这不仅增加了实验的准确性和可重复性，而且提高了实验的灵活性和适用性，适用于各种材料力学行为的研究，尤其是在土壤力学、颗粒材料研究以及相关工程应用领域。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种参数可视化的土壤载荷实验装置，其特征在于，包括：

支架；沿一个延伸方向，在所述支架上依次安装发射端、可视化加载机构和接收端；

所述可视化加载机构包括有两个透光部和多个荷载施加机构，所有所述荷载施加机构均位于两个所述透光部之间；以所述延伸方向为中轴，多个所述荷载施加机构沿周向布设；两个所述透光部和所有所述荷载施加机构共同围成一个加载腔，所述加载腔用于容纳多个反光颗粒；所述反光颗粒用于表征所述土壤；

所述发射端用于向所述加载腔发射光束，以及所述接收端用于获取所述加载腔内所述反光颗粒反射的光束并生成图像数据；

其中，每个所述荷载施加机构分别包括有抵接所述反光颗粒的多段式施压带以及与所述多段式施压带相连的驱动组件，所述多段式施压带能够在所述驱动组件的带动下发生弯曲；所述驱动组件通过带动所述多段式施压带，以对所述反光颗粒施加压力。

2.根据权利要求1所述的土壤载荷实验装置，其特征在于，所有所述驱动组件带动所述多段式施压带移动的方向均处于同一个平面，所述延伸方向与所述平面具有一个不为零的夹角；

其中，所有所述多段式施压带首尾依次相连，以合围所述反光颗粒。

3.根据权利要求1所述的土壤载荷实验装置，其特征在于，所述可视化加载机构还包括：

托板，固定在所述支架上；所述荷载施加机构包括有固定在所述托板上表面反力架，所述驱动组件与所述反力架相连；交汇于所述延伸方向，所述驱动组件能够在所述反力架上移动；

其中，所述反力架为环形。

4.根据权利要求3所述的土壤载荷实验装置，其特征在于，所述多段式施压带包括有多个依次相连的柔性块，相邻所述柔性块的相对面中部通过转轴相连，且所述相对面之间的边缘形成有环形的应变间隙；

其中，位于不同所述多段式施压带的两个相邻所述柔性块固定相连。

5.根据权利要求4所述的土壤载荷实验装置，其特征在于，所述托板上表面开设有与所述加载腔相对应的透光孔，所述柔性块的下端位于所述透光孔内；以及

一个所述透光部固定在所述托板的下表面，且另一个所述透光部通过固定柱可拆卸地固定在所述托板的上表面。

6.根据权利要求4所述的土壤载荷实验装置，其特征在于，所述荷载施加机构包括：

第一加压杆，其一端穿设于所述反力架上；所述第一加压杆的另一端与同一所述多段式施压带的所有所述柔性块弹性相连；

第二加压杆，其一端穿设并固定于所述反力架上；所述第二加压杆的另一端与所述柔性块固定相连；

其中，所述第二加压杆与所述柔性块一一对应设置。

7.根据权利要求6所述的土壤载荷实验装置，其特征在于，对于同一所述多段式施压带，所述第一加压杆设置两个；以及所述第一加压杆与所述柔性块通过推动板、套管和弹簧弹性相连；

两个所述第一加压杆通过所述推动板相连，所述推动板位于所述反力架内部；所述第二加压杆贯穿所述推动板侧壁；

所述套管与所述第二加压杆相套接，且所述套管安装在所述推动板侧壁，所述弹簧的两端分别连接所述套管和所述柔性块。

8.根据权利要求7所述的土壤载荷实验装置，其特征在于，所述弹簧套设在所述第二加压杆上。

9.根据权利要求6所述的土壤载荷实验装置，其特征在于，所述第一加压杆和所述第二加压杆上均螺接有与所述反力架相抵接的螺母。

10.一种基于如权利要求1-9中任一项所述的土壤载荷实验装置实施的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101，在所述加载腔内放置多个所述反光颗粒，直至所述反光颗粒贴合所述多段式施压带并充满所述加载腔；

S102，通过所述发射端发射光束，所述光束依次通过加载腔并由所述反光颗粒反射至所述接收端，以生成图像数据；

S103，通过所述荷载施加机构通过所述多段式施压带对所述反光颗粒施加压力；

S104，所述多段式施压带在所述荷载施加机构的带动下发生弯曲，以对所述反光颗粒施加不同的压力。