CN101393093A - 胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置 - Google Patents

胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置，包括L形的零件一、Z形的零件二，零件一由水平部(11)和垂直部(12)组成，零件二由第一垂直部(21)、第一水平部(22)和第二垂直部(23)组成，零件二的第一水平部(22)与零件一的水平部(11)的相对面(6)为水平方向，零件二和零件一的相对面(6)上分别设置可以固定胶结颗粒的固定装置(71、72)，其中心连线为竖直方向。采用这样的结构，可以精确测定胶结颗粒接触点在不同法向压力下剪切和扭转的力学特性。

Description

胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置
技术领域
本发明涉及一种抗剪、抗扭测试装置，特别涉及一种胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置。
背景技术
基础工程与地下工程中常常遇到砂土地基。目前这类工程设计要么凭经验，要么采用有限单元法进行数值模拟。但是有限单元法是基于连续介质力学的数值方法，用于分析砂土具有很大的缺陷，分析结果往往不可靠。分析砂土这种离散性颗粒材料，一种更有效的方法是离散单元法。离散单元法是以不连续介质力学为基础的一种数值模拟技术。离散单元法的关键之处是颗粒之间的接触力学，即接触本构关系。离散单元法已经成功用于干砂等非胶结颗粒材料力学行为的数值模拟。但现场的天然砂土与干砂有一些截然不同的力学行为，这是因为大部分天然砂土具有微观结构性，即土颗粒之间存在胶结物。通过试验来建立胶结颗粒接触力学，可以实现天然砂土的离散元数值模拟，为基础工程与地下工程设计提供理论指导。现有的试验成果只测定了胶结颗粒接触点在单纯剪切和单纯扭转时的力学特性，而不能测定胶结颗粒接触点在不同法向压力下剪切和扭转的力学特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种测定胶结颗粒接触点抗剪、抗扭测试装置。
为解决上述技术问题，本发明胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置包括L形的零件一、Z形的零件二，零件一由水平部和垂直部组成，零件二由第一垂直部、第一水平部和第二垂直部组成，零件二的第一水平部与零件一的水平部的相对面为水平方向，零件二和零件一的相对面上分别设置两个可以固定胶结颗粒的固定装置，其中心连线为竖直方向。
所述的固定胶结颗粒的固定装置为在相对面上分别设置一可放入胶结颗粒的凹槽，在零件一上设置与凹槽垂直的螺纹通孔。
零件二的第二垂直部与零件一的水平部水平方向和垂直方向都设有间隙；零件二的第一垂直部与零件一的水平部在水平方向上设有间隙。零件一的水平部上凹槽外侧设置为斜面。这样，可以保证顺利实现剪切和扭转，零件之间在一定载荷和位移范围内不会相互扰动。
零件二的第一水平部外侧设有一个弧形凹槽，其中心在固定胶结颗粒的固定装置中心连线上。零件二的第一垂直部外侧设有两个弧形凹槽，其中一个凹槽设在零件二和零件一的相对面所在的水平面上，另一凹槽设在零件二第一垂直部的端部；零件二的第二垂直部外侧近端部设有一个弧形凹槽，零件一的垂直部外侧也设有一弧形凹槽，这两个凹槽的中心连线在水平面上。
采用这样的结构后，本发明可以测定胶结颗粒接触点在不同法向压力下剪切和扭转的力学特性。这对于胶结颗粒的微观接触本构关系是很重要的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置的结构图。
图2是本发明胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置的扭转测试的结构图。
图3是本发明胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置的剪切测试的结构图。
图4是本发明胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置的零件一的主视图。
图5是本发明胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置的零件二的主视图。
具体实施方式
胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置包括L形的零件一、Z形的零件二，零件一由水平部11和垂直部12组成，零件二由第一垂直部21、第一水平部22和第二垂直部23组成，零件二的第一水平部22与零件一的水平部11的相对面6为水平方向，零件二和零件一的相对面6上分别设置两个可以固定胶结颗粒的固定装置71、72，其中心连线为竖直方向。
固定胶结颗粒的固定装置71、72为在相对面6上分别设置一可放入胶结颗粒的凹槽73、74，在零件一上设置与凹槽73、74垂直的螺纹通孔75、76。
零件二的第二垂直部23与零件一的水平部11水平方向和垂直方向都设有间隙；零件二的第一垂直部21与零件一的水平部11在水平方向上设有间隙。
零件一的水平部11上凹槽73外侧设置为斜面。
零件二的第一水平部22外侧设有一个弧形凹槽221，其中心在固定胶结颗粒的固定装置71、72的中心连线上。零件二的第一垂直部21外侧设有两个弧形凹槽211、212，凹槽211在零件二和零件一的相对面6所在的水平面上，凹槽212设在零件二第一垂直部21的端部；零件二的第二垂直部23外侧近端部设有一个弧形凹槽231，零件一的垂直部12外侧也设有一弧形凹槽121，零件一的凹槽121和零件二上的凹槽211中心连线在水平面上。
在零件二水平部外侧凹槽221内设置一单向施力装置8。单向施力装置8包括承力板、施力棒和承力棒，所述承力板的一侧设置一个施力棒，嵌入凹槽221内，另一侧设置至少两个承力棒，还可以设置三个承力棒或者更多，根据实际情况和需要设定。
进行剪切测试时零件一和零件二的凹槽121、211内各设置一个单向施力装置8，进行扭转测试时零件二的凹槽212、231内各设置一个单向施力装置8。
零件一水平部11外侧设置至少两个滚棒9，所述滚棒9还设置在一垫块5上。
本发明可以在双轴加载设备(如岩石双轴流变仪)上分别测试不同法向压力下胶结颗粒接触点的剪切和扭转力学特性。
根据所使用的胶结颗粒形状和尺寸，剪切时所需的最大位移和扭转时所需的最大转角，以及加载设备的限制来确定本发明各部件的具体尺寸。附图所给出的是针对圆柱形颗粒而设计的装置。
扭转试验操作过程：
1、将胶结颗粒按图2所示方式装入本装置，拧紧螺栓。具体装夹过程如下：将零件一的水平部11和零件二的水平部22相对，并将零件一的垂直部12和零件二垂直部23朝下放在一水平台上，然后将胶结好的圆柱形颗粒放入固定胶结颗粒装置的凹槽73和74，最后拧紧固定胶结颗粒装置的螺栓75和76即可。
2、将本装置按图2所示方式安装到双轴压缩加载设备如岩石双轴流变仪。零件二的第一垂直部21和第二垂直部23上的两个单向施力装置8与水平加载轴3相连接，垫块5和零件二第一水平部22上的单向施力装置8与垂直加载轴4相连接。在各接触点涂抹润滑油，并使各部件接触良好。
3、首先施加垂直荷载至某一定值，然后再施加水平荷载。水平加载时使用位移控制，按照需要设定加载速率。要测定的是颗粒胶结处分别在没有压力和不同压力下，剪切和扭转破坏的力学参数，压力是一次性施加的一个稳定值，剪切和扭转荷载是按照一定的位移速率来施加的。施力顺序不能交换次序。
施加垂直荷载时各部件受力情况：零件二水平部受到施力棒竖直向下的压力作用，该压力通过固定试棒装置的螺栓传递给上面的试棒，再通过试棒传递给胶层；零件一的水平部受到施力棒竖直向上的压力作用，该力通过固定试棒装置的螺栓传递给下面的试棒，再通过试棒传递给胶层，胶层受到上下两个压力的作用保持平衡。施加水平荷载时，零件一在水平方向不受力；零件二的两个垂直部分别受到施力棒的水平力作用，这两个水平力大小相同，方向相反，但是不在同一直线上，形成一对力偶，因此零件一受到逆时针方向的力矩，将绕胶结圆棒的胶层中心点逆时针转动，转动时胶层产生一个顺时针方向的抵抗力矩，该力矩与力偶产生的力矩平衡。可以根据所测量的水平位移计算转动的角度和力偶的力臂，再根据测出的水平力计算出力矩。
剪切试验操作过程：
1、将胶结颗粒按图3所示方式装入本装置，拧紧螺栓。
2、将本装置按图3方式安装到双轴压缩加载设备如岩石双轴流变仪。在各接触点涂抹润滑油，并使各部件接触良好。
3、首先施加垂直荷载至某一定值，然后再施加水平荷载。水平加载时使用位移控制，按照需要设定加载速率。

Claims (5)

1.一种胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置，其特征在于：包括L形的零件一、Z形的零件二，零件一由水平部(11)和垂直部(12)组成，零件二由第一垂直部(21)、第一水平部(22)和第二垂直部(23)组成，零件二的第一水平部(22)与零件一的水平部(11)的相对面(6)为水平方向，零件二和零件一的相对面(6)上分别设置两个可以固定胶结颗粒的固定装置(71、72)，其中心连线为竖直方向。
2.根据权利要求1所述的胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置，其特征在于：所述的固定胶结颗粒的固定装置(71、72)为在相对面(6)上分别设置一可放入胶结颗粒的凹槽(73、74)，在零件一上设置与凹槽(73、74)垂直的螺纹通孔(75、76)。
3.根据权利要求1所述的胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置，其特征在于：零件二的第二垂直部(23)与零件一的水平部(11)水平方向和垂直方向都设有间隙；零件二的第一垂直部(21)与零件一的水平部(11)在水平方向上设有间隙。
4.根据权利要求1所述的胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置，其特征在于：零件一的水平部(11)上凹槽(73)外侧设置为斜面。
5.根据权利要求1所述的胶结颗粒接触抗剪、抗扭测试装置，其特征在于：零件二的第一水平部外侧设有一个弧形凹槽(221)，其中心在固定胶结颗粒的固定装置(71、72)中心连线上。零件二的第一垂直部(21)外侧设有两个弧形凹槽(211、212)，凹槽(211)在零件二和零件一的相对面(6)所在的水平面上，凹槽(212)设在零件二第一垂直部(21)的端部；零件二的第二垂直部(23)外侧近端部设有一个弧形凹槽(231)，零件一的垂直部(12)外侧也设有一弧形凹槽(121)，零件一上的凹槽(121)和零件二上的凹槽(211)中心连线在水平面上。
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