CN113252515A - 湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿颗粒间液桥拉伸‑压缩力学性能试验仪的试验方法，包括试验仪的初始设置，控制液桥体积的液桥试验、控制基质吸力的液桥试验，以及通过控制***设定液桥试验类型，即液桥拉伸试验、液桥压缩试验和液桥拉伸‑压缩循环试验。利用本发明的方法既可在自动、准确控制液桥体积或基质吸力的条件下开展液桥拉伸、压缩及其在设定范围内的循环试验，又能结合工业电子显微镜与相应的图像处理方法全过程监测弯液面关键几何参数的变化规律。

Description

湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪的试验方法

技术领域

本发明涉及一种岩土工程的机电设备，特别涉及一种用于测定非饱和土中湿颗粒与水相互作用规律的方法，尤其是一种湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪的试验方法。

背景技术

非饱和土的水力与力学特性研究是土工构筑物设计和性能评价的基础与关键。已有研究未充分揭示其物理机制，不同试验条件下宏观试验反映的作用机理不清，导致对土工构筑物的设计与施工优化局限，进而造成投资浪费或安全隐患。为此，将非饱和土视为球体湿颗粒集合体，用液桥表征湿颗粒间的水分形态，通过研究湿颗粒与水的相互作用机理，可提升对非饱和土细观力学机制的认识，是非饱和土力学理论发展的内在需要，更是顺应土工构筑物建设的外在需求。研发完备、稳定、可靠地获取湿颗粒间液桥力学特性参数的测试设备，可为非饱和土宏观水力与力学特性表征提供必要的数据支撑。迄今为止，学者们多采用Young-Laplace方程数值解和半解析-半数值方法研究湿颗粒间液桥的几何性质与受力状态，这两种间接模拟液桥力学性能的方法适用性局限，而液桥的几何特性-力学特性变化规律及其关键参数测定方法也是非饱和土细观力学特性描述的重要内容。因此，采用试验方法直接测定液桥的表面（弯液面）形状参数及其毛细力演化规律至关重要。现有液桥力学性能的测试技术基本以液桥拉伸为试验条件，而在岩土工程实际（如土坝水位骤降、骤升）中非饱和土内湿颗粒与水的相互作用多呈现滞回现象，这从细观尺度上主要受湿颗粒间液桥在拉伸-压缩条件下的滞回力学性能控制，但这种测试技术鲜有研发。

现有的湿颗粒间液桥力学性能测试设备主要为控制液桥体积的湿颗粒间液桥拉伸力学性能仪。

如比利时学者Lambert在Springer出版的专著《Capillary Forces inMicroassembly: Modelling, Simulation, Experiments, and Case Study》第17章（2007年4月）“Test bed and characterization”公开了一种湿颗粒间液桥力学性能的测试平台，该仪器可将湿颗粒固定在一段悬臂梁上，通过拉伸湿颗粒间的液桥使悬臂梁出现挠度，结合梁的刚度测定相应的毛细力，并通过工业电子显微镜（CCD）的成像技术监测液桥形状的变化过程。然而，该测试平台无法控制、采集液桥压缩过程中的毛细力数据，而且在湿颗粒间采用移液管人工滴液形成的液桥对称性很差，极易影响液桥拉伸试验的初始条件。

如《Journal of Engineering Mechanics》中Lu等发表的论文“ExperimentalVerification of Capillary Force and Water Retention between Uneven-SizedSpheres”公开了一种基于玻璃纤维悬臂和刚性毛细管的毛细力测试技术，该技术配置了高精度控制器、光学显微镜、数字视频显微镜，颗粒间液桥拉伸时通过玻璃纤维悬臂的挠曲测量毛细力，通过图像处理进行几何分析。然而，该技术无法进行实时的毛细力记录，无法实现对液桥的压缩及液桥拉伸-压缩循环试验。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的不足，提供一种湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪的试验方法，利用该方法既可在自动、准确控制液桥体积或基质吸力的条件下开展液桥拉伸、压缩及其在设定范围内的循环试验，又能结合工业电子显微镜与相应的图像处理方法全过程监测弯液面关键几何参数的变化规律。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪的试验方法，包括：

1）.将控制***、数据采集与图像处理***打开，将高精度天平数值归零，调节数据采集与图像处理***显示的视频图像；将上颗粒和下颗粒分别安装于上支座和下支座上，上颗粒有开孔，将下支座置于高精度天平上，将上支座与位置调节装置连接；

启动第一步进电机，第一步进电机驱动第一丝杠旋转，第一丝杠旋转带动第一丝母旋转，从而带动固定于上的第一拉杆进行上、下移动，调节颗粒的间距；旋转第一旋钮带动第一齿轮旋转，第一齿轮旋转带动相互啮合的第一齿条在槽内前、后运动；旋转第二旋钮带动第二齿轮旋转，第二齿轮旋转带动相互啮合的第二齿条在槽内左、右运动，从而带动固定于第二齿条的上支座进行前后、左右位置的调节；在调节颗粒的间距和上支座前后、左右位置的过程中，根据数据采集与图像处理***进行实时监控；

2）.进行如下两种试验：

A.控制液桥体积的液桥试验，先将液体注入液桥体积控制器中，通过控制***控制液桥体积控制器向管路内注入液体，通过液桥体积控制器的排气阀排出气体，随后关闭液桥体积控制器的排气阀，通过与液桥体积控制器连通的管路向上支座内注入液体并将上颗粒孔和上支座内的气体排除；通过控制***设定液体体积，控制液桥体积控制器向上颗粒注射液体；

B.控制基质吸力的液桥试验，向烧杯中倒入液体，液体充分流入管路中以后，打开对应的截止阀，使液体流入量筒中，量筒用于读烧杯中液面高度；再打开与上支座连通的管路中的截止阀，使液体流入上支座后将上支座的排气阀打开，排除上支座内气体，防止试验中产生气泡，随后关闭排气阀；用升降台调节烧杯高度，液体随之从上颗粒流出形成液桥，根据烧杯液面与形成液桥中心截面的高差控制基质吸力；

3）.通过控制***设定液桥试验类型：

A.液桥拉伸试验，通过控制***控制拉压装置向下移动上支座，使上、下颗粒相互靠近形成液桥，并靠近至将接触未接触状态，设定拉伸速率，数据采集与图像处理***记录高精度天平的实时数据和液桥拉伸全过程的位移数据和视频图像，通过控制***开始拉伸至液桥断裂后停止，通过数据采集与图像处理***对数据和图像进行处理；

B.液桥压缩试验，先进行液桥拉伸试验步骤获得液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置，通过控制***将液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置分别设定为液桥压缩试验的终点位置和初始位置，设定拉伸速率，数据采集与图像处理***记录高精度天平的实时数据和液桥压缩全过程的位移数据和视频图像，通过控制***开始试验，使上颗粒由上之下移动压缩液桥，使颗粒相互靠近，通过数据采集与图像处理***对数据和图像进行处理；

C.液桥拉伸-压缩循环试验，先进行液桥拉伸试验步骤获得液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置，通过控制***将液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置分别设定为液桥压缩试验的初始位置和终点位置，通过控制***控制拉压装置向下移动上支座，使上、下颗粒相互靠近形成液桥，并靠近至将接触未接触状态，设定拉伸速率、循环次数，数据采集与图像处理***记录高精度天平的实时数据和液桥拉伸-压缩全过程的位移数据和视频图像，通过控制***开始试验，使上颗粒循环移动，拉伸-压缩循环交替进行，通过数据采集与图像处理***对数据和图像进行处理。

数据和图像处理包括液桥毛细力的计算和图像处理：

液桥毛细力的计算方法为：在形成液桥前记录在高精度天平上放置下支座和下颗粒的示数

，液桥形成后，在液桥拉伸、压缩、拉伸-压缩循环试验过程中，记录高精度天平的示数

，毛细力

为公式（1）：

（1）

液桥的图像处理方法为：先利用第一、第二CCD获取液桥断裂过程中颗粒不同位置的高清图片，将其导入Image J软件进行二值化处理，提高图片的清晰度至液桥与颗粒轮廓鲜明、易辨别，以便于利用AutoCAD软件绘制出颗粒轮廓线与液桥轮廓线，对颗粒进行定位以确定圆心，测量图中颗粒半径，结合颗粒实际半径以确定图片比例尺；在确定液桥轮廓后，利用最小二乘法用圆逼近液桥的轮廓，通过吻合度选出最优圆，再配合图片比例尺计算弯液面的曲率半径；利用最小二乘法用圆逼近液桥轮廓线，连接左右最优圆圆心，并配合图片比例尺得到液桥最窄颈部截面，从而可计算其最窄颈部半径。

上、下颗粒及液体选取的原则：

颗粒选取物性为土壤或沙粒的钠钙玻璃抛光圆球，直径范围为2~5mm；在进行小体积液桥试验时，为模拟工程实际情况，液桥选取水进行试验；当进行大体积液桥试验时，液桥选取丙三醇进行试验，丙三醇的具体指标为：25ºC时，黏度为800mPa·s，表面张力为61.9mN/m，相对密度为1.255。

本发明与现有湿颗粒间液桥力学性能测试方法相比，其有益效果体现在：

1.可以通过截止阀的开关分别实现控制液桥体积条件下和控制基质吸力条件下的液桥试验；在进行控制液桥体积条件下的液桥试验时，通过控制***设定液桥体积，液桥体积控制器自动向上支座注入定量液体；在进行控制基质吸力条件下的液桥试验时，通过基质吸力控制装置控制液面高差，实现对基质吸力的控制。

2.可以通过控制***控制拉压装置，设定液桥试验类型、拉伸速率、循环次数、液桥拉伸和压缩的初始位置和终点位置，实现液桥的拉伸试验、压缩试验及给定范围内的液桥拉伸-压缩循环试验。

3.可以通过位置调节装置和数据采集与图像处理***调节上支座位置，以形成对称性好、不影响试验初始条件的液桥。同时数据采集与图像处理***也用于对力学参数数据和视频图像的采集及软件处理。

附图说明

图1是图像处理方法流程图；

图2是本发明***示意图；

图3是本发明***总览图；

图4是液桥体积控制器结构图；

图5是图4中A-A剖面图；

图6是图4中B-B剖面图；

图7是拉压装置结构图；

图8是位置调节装置结构主视图；

图9是位置调节装置结构俯视图；

图10是上支座主视图；

图11是上支座左视图；

图12是上支座俯视图；

图13是下支座主视图；

图14是下支座俯视图；

其中，C.作动***，D.基质吸力控制装置，E.数据采集与图像处理***，1.控制***，2.液桥体积控制器，3.第一截止阀，4.拉压装置，5.位置调节装置，6.第一端直通接头，7.第三截止阀，8.第一三通管接头，9.第五截止阀，10.第二端直通接头，11.烧杯，12.量筒，13.第二截止阀，14.下支座，15.上支座，16.计算机，17.第三端直通接头，18.第二三通管接头，19.第四端直通接头，20.第一CCD，21.高精度天平，22.第二CCD，23.第五端直通接头，24.第四截止阀，25.第六截止阀，26.升降台，27.第五端直通接头，28.封头，29.第三压环，30.T型柱塞，31.柱筒，32.第二压环，33.套环，34.第一导键，35.第一导筒，36.第一压环，37.第一轴承盒，38.第一步进电机，39.第二O型密封圈，40.第二键环，41.第一O型密封圈，42.第一丝母，43.第一丝杠，44.第一键环，45.第二步进电机，46.第二轴承盒，47.第三键环，48.第二导筒，49.第二丝杠，50.第二丝母，51.拉杆，52.封环，53.第五压环，54.第四压环，55.第二导键，56.第一齿条，57.第一齿轮，58.第一旋钮，59.第二旋钮,60.第二齿轮,61.第二齿条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图14所示，湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪的试验方法，包括：

1）.将控制***1、数据采集与图像处理***E打开，将高精度天平21数值归零，调节数据采集与图像处理***E显示的视频图像；将上颗粒和下颗粒分别安装于上支座15和下支座14上，上颗粒有开孔，将下支座14置于高精度天平21上，将上支座15与位置调节装置5连接；

启动第二步进电机45，第二步进电机45驱动第二丝杠49旋转，第二丝杠49旋转带动第二丝母50旋转，从而带动固定于上的拉杆51进行上、下移动，调节颗粒的间距；旋转第一旋钮58带动第一齿轮57旋转，第一齿轮57旋转带动相互啮合的第一齿条56在槽内前、后运动；旋转第二旋钮59带动第二齿轮60旋转，第二齿轮60旋转带动相互啮合的第二齿条61在槽内左、右运动，从而带动固定于第二齿条61的上支座15进行前后、左右位置的调节，在调节颗粒的间距和上支座15前后、左右位置的过程中，根据数据采集与图像处理***E进行实时监控。

2）.进行如下两种试验：

A.控制液桥体积的液桥试验，先将液体注入液桥体积控制器2中，将第一截止阀3打开，将第二至第四截止阀13、7、24关闭，通过控制***1控制液桥体积控制器2向管路内注入液体，通过第一截止阀3排除液桥体积控制器2的气体，随后将第一截止阀3关闭；将第二截止阀13、第三截止阀7打开向上支座15内注入液体并向上颗粒孔和第三截止阀7排出气体，随后关闭第三截止阀7；通过控制***1设定液体体积，控制液桥体积控制器2向上颗粒注射液体；

B.控制基质吸力的液桥试验，将第二至第六截止阀13、7、24、9、25关闭，向烧杯11中倒入液体，液体充分流入管路中后打开第五截止阀9和第六截止阀25，液体流入量筒12中，量筒12用于读烧杯中液面高度；将第四截止阀24打开，液体流入上支座15后将第三截止阀7打开，排除上支座15内气体，防止试验中产生气泡，随后关闭第三截止阀7；用升降台26调节烧杯11高度，液体随之从上颗粒流出形成液桥，根据烧杯液面与形成液桥中心截面的高差控制基质吸力；

3）.通过控制***设定液桥试验类型：

A.液桥拉伸试验，通过控制***1控制拉压装置4向下移动上支座15，使上、下颗粒相互靠近形成液桥，并靠近至将接触未接触状态，设定拉伸速率，数据采集与图像处理***E记录高精度天平的实时数据和液桥拉伸全过程的位移数据和视频图像，通过控制***1开始拉伸至液桥断裂后停止，通过数据采集与图像处理***E的软件程序对数据和图像进行处理；

B.液桥压缩试验，先进行液桥拉伸试验步骤获得液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置，通过控制***1将液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置分别设定为液桥压缩试验的终点位置和初始位置，设定拉伸速率，数据采集与图像处理***E记录高精度天平21的实时数据和液桥压缩全过程的位移数据和视频图像，通过控制***1开始试验，使上颗粒由上之下移动压缩液桥，使颗粒相互靠近，通过数据采集与图像处理***E的软件程序对数据和图像进行处理；

C.液桥拉伸-压缩循环试验，先进行液桥拉伸试验步骤获得液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置，通过控制***1将液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置分别设定为液桥压缩试验的初始位置和终点位置，通过控制***1控制拉压装置4向下移动上支座15，使上、下颗粒相互靠近形成液桥，并靠近至将接触未接触状态，设定拉伸速率、循环次数，数据采集与图像处理***E记录高精度天平21的实时数据和液桥拉伸-压缩全过程的位移数据和视频图像，通过控制***1开始试验，使上颗粒循环移动，拉伸-压缩循环交替进行，通过数据采集与图像处理***E的软件程序对数据和图像进行处理。

数据和图像处理包括液桥毛细力的计算和液桥毛细力的图像处理。

其中液桥毛细力的计算方法为：在形成液桥前记录在高精度天平21上放置下支座14和下颗粒的示数

，液桥形成后，在液桥拉伸、压缩、拉伸-压缩循环试验过程中，记录高精度天平21的示数

，毛细力

为公式（1）：

（1）

其中液桥图像的处理方法（图1 图像处理方法流程图）如下：先利用第一、第二CCD获取液桥断裂过程中颗粒不同位置的高清图片，将其导入Image J软件进行二值化处理，提高图片的清晰度至液桥与颗粒轮廓鲜明、易辨别，以便于利用AutoCAD软件绘制出颗粒轮廓线与液桥轮廓线，对颗粒进行定位以确定圆心，测量图中颗粒半径，结合颗粒实际半径以确定图片比例尺；在确定液桥轮廓后，利用最小二乘法用圆逼近液桥的轮廓，通过吻合度选出最优圆，再配合图片比例尺计算弯液面的曲率半径；利用最小二乘法用圆逼近液桥轮廓线，连接左右最优圆圆心，并配合图片比例尺得到液桥最窄颈部截面，从而可计算其最窄颈部半径。

其中上、下颗粒及液体选取的原则为：颗粒选取物性为土壤或沙粒的钠钙玻璃抛光圆球，直径范围为2~5mm，粒径过大则液桥受重力影响大，过小则滴液操作困难；在进行小体积液桥试验时，为模拟工程实际情况，液桥选取水进行试验；当进行大体积液桥试验时，由于水表面张力较小使得液桥不易成型且易蒸发，液桥选取丙三醇进行试验，丙三醇的具体指标为：黏度（25ºC）为800mPa·s，表面张力为61.9mN/m，相对密度为1.255。

如图1、2所示，湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪，包括可轴向拉伸和压缩的作动***C、液桥体积控制器2、基质吸力控制装置E、控制***1和数据采集与图像处理***D。控制***1分别控制作动***C和液桥体积控制器2，液桥体积控制器2与作动***C连接，作动***C与基质吸力控制装置E连接，数据采集与图像处理***D采集作动***C产生的数据；

作动***C包括由上至下依次设置的拉压装置4、位置调节装置5、上支座15和下支座14。液桥体积控制器2包括前端开口的筒体，筒体开口端安装有中心开孔的封头28，筒体后端设置有动力机构，动力机构与壳体内的T型柱塞机构连接，并能带动T型柱塞机构往复移动；在筒体内侧嵌设有密封圈，使筒体、封头和T型柱塞形成独立密闭空间，当T型柱塞向上运动时即可将独立密闭空间内的液体注出；

位置调节装置5包括上下两组固定连接的齿轮齿条机构，两组齿轮齿条机构的齿条相互垂直设置；上组齿轮齿条机构的齿条与拉压装置4底部固定连接，下组齿轮齿条机构的齿条与上支座15固定连接，上、下支座匹配对应设置。

如图2、图3所示，基质吸力控制装置E、液桥体积控制器2、作动***C是该仪器的核心部分，包括一个拉压装置4、一个位置调节装置5、一个上支座15和一个下支座14；拉压装置4下方与位置调节装置5连接，位置调节装置5下方与上支座15连接，上支座15左侧开口通过第四端直通接头19、第二截止阀13与第二三通管接头18第一端口连接，第二三通管接头18第二端口通过第三端直通接头17与液桥体积控制器2连接，第三端口与第一截止阀3连接，上支座15右侧开口通过第五端直通接头23、第四截止阀与第一三通管接头8第一端口连接，第一三通管接头8的另两端口的一个端口通过第五截止阀9、第二端直通接头10与烧杯11连通，另一个端口通过第六截止阀25、端直通接头27与量筒12连通，烧杯11置于升降台26上，烧杯11、量筒12、升降台26构成基质吸力控制装置E。

如图4-图6所示，液桥体积控制器2由封头28、第三压环29、T型柱塞30、柱筒31、第二压环32、套环33、第一导键34、第一导筒35、第一压环36、第一轴承盒37、第一步进电机38、第二键环40、第一丝母42、第一丝杠43及第一键环44构成。

第一步进电机38通过第一轴承盒37与第一丝杠43连接并带动第一丝杠43旋转，第一丝杠43从第一丝母42中穿过，第一丝杠43、第一丝母42配套使用，第一丝杠43外侧与第一丝母42内侧有对应的螺旋纹路，第一丝母42左侧接有第一导键34，当第一步进电机38带动第一丝杠43旋转时，第一丝母42随之进行上下运动，第一丝母42外部装有第一导筒35，第一导筒35通过第一压环36和第一键环44与第一轴承盒37连接，第一键环44嵌套于第一导筒35下端外侧的凹槽内，之后用第一压环36固定；第一导筒35内侧开有导槽，与第一导键34对应，使得第一丝母42在第一导筒35中沿竖向运动时不会随第一丝杠43旋转；T型柱塞30装于第一丝母42上，随第一丝母42运动进行上下运动；柱筒31通过套环33和第二压环32与第一导筒35连接，套环33嵌套于第一导筒35和柱筒31外侧，之后用第二压环32固定；封头28通过第二键环40和第三压环29与柱筒35连接，第二键环40嵌套于柱筒35上端外侧的凹槽内，之后用第三压环29固定；封头28中心开口，用于液体的排出；柱筒35下端内侧嵌有两根第一O型密封圈41，上端内侧嵌有一根第二O型密封圈39，使柱筒35、封头28和T型柱塞30形成独立密闭空间，当T型柱塞30向上时即可注射液体。

如图7所示，拉压装置4由第二步进电机45、第二轴承盒46、第三键环47、第二导筒48、第二丝杠49、第二丝母50、拉杆51、封环52、第五压环53、第四压环54及第二导键55构成。

第二步进电机45通过第二轴承盒46内轴承与第二丝杠49连接，第二丝杠49从第二丝母50中穿过，第二丝杠49、第二丝母50配套使用，第二丝杠49外侧与第二丝母50内侧有对应的螺旋纹路，第二丝母50右侧接有第二导键55，当第二步进电机45带动第二丝杠49旋转时，第二丝母50随之进行上下运动，第二丝母50外部装有第二导筒48，第二导筒48通过第四压环54和第三键环47与第二轴承盒46连接，第三键环47嵌套于第二导筒48上端外侧的凹槽内，之后用第四压环54固定；第二导筒48内侧开有导槽，与第二导键55对应，使得第二丝母50在第二导筒48中沿竖向运动时不会随第二丝杠49旋转；拉杆51装于第二丝母50上，随第二丝母50运动进行上下运动；封环52嵌于导筒上端内侧，之后用第五压环53固定。拉压装置通过拉杆51与位置调节装置5连接，通过控制***1控制拉压装置4施加竖向位移。

如图8、图9所示，位置调节装置5由第一齿条56、第一齿轮57、第二旋钮58、第一旋钮59、第二齿轮60及第二齿条61构成。上述部件均安装于壳体内，第一旋钮59支撑安装于壳体上的纵向槽中，并能沿纵向槽往复移动；第二旋钮58支撑安装于壳体上的横向槽中，并能沿横向槽往复移动。

构件分为两组，第一齿条56、第一齿轮57及第一旋钮59为一组，第二齿条61、第二齿轮60及第二旋钮58为一组，第一齿条56、第二齿条61相互垂直放置，每组第一齿轮57与第一齿条56啮合、第二齿条61与第二齿轮60啮合，第一齿条56固定于第二齿条61上，再将上支座15固定于第二齿条61下，第一齿轮57、第二齿轮60分别与第一旋钮59、第二旋钮58连接，通过第一旋钮59、第二旋钮58旋转第一齿轮57、第二齿轮61，带动第一齿条59、第二齿轮60进行线性运动，从而控制上支座15前后、左右的移动，第一齿条56与拉压装置4的拉杆51连接，第二齿条61与上支座15连接，结合数据采集与图像处理***D对上支座15与下支座14进行对中，在试验中形成对称性好、不影响试验初始条件的液桥。

如图2所示，通过控制***1控制拉压装置4，设定试验类型、拉伸速率、初始和终点位置、循环次数来进行液桥试验。

如图2、图3、图10-图14所示，上支座15上方开口通过第一端直通接头6与第三截止阀7连接，当第三截止阀7打开时，排除上支座15内气体，防止试验中产生气泡，随后关闭第三截止阀7；下方开口用于安装上颗粒，并向上颗粒注入液体；左侧开口通过第四端直通接头19与液桥体积控制器2连接，通过第二截止阀13开关形成通路，用于进行控制液桥体积条件下的液桥试验；右侧开口通过第五端直通接头23与基质吸力控制装置E连接，通过第四截止阀24开关形成通路，用于进行控制液桥基质吸力条件下的液桥试验。

如图2、图3所示，数据采集和图像处理***主要由计算机16、高精度天平21、第一CCD 20及第二CCD22构成。

下支座14置于高精度天平21上，高精度天平21、第一CCD20和第二CCD22与计算机16连接，记录液桥试验过程中的力学参数数据和视频图像，并通过软件程序进行处理。

如图2、图10-图14所示，试验时将两球颗粒分别装于上支座15和下支座14上，上球颗粒开孔，用于注射液体，通过数据采集和图像处理***D观察颗粒位置并用位置调节装置5使两颗粒对中，以形成对称性好、不影响试验初始条件的液桥。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪的试验方法，其特征在于，包括：

1）.试验仪的初始设置，将待测试的上下颗粒分别安装于试验仪中，并调整到位，实时监控；

2）.进行如下两种试验：

A.控制液桥体积的液桥试验，先将液体注入液桥体积控制器中，控制***控制液桥体积控制器向管路内注入液体，经液桥体积控制器的排气阀排出气体，随后关闭液桥体积控制器的排气阀，通过与液桥体积控制器连通的管路向上支座内注入液体并将上颗粒孔和上支座内内的气体排除；通过控制***设定液体体积，控制液桥体积控制器向上颗粒注射液体；

B.控制基质吸力的液桥试验，向烧杯中倒入液体，液体充分流入管路中以后，打开对应的截止阀，使液体流入量筒中；再打开与上支座连通的管路中的截止阀，使液体流入上支座后，将上支座的排气阀打开，排除上支座内气体，防止试验中产生气泡，随后关闭排气阀；用升降台调节烧杯高度，液体随之从上颗粒流出形成液桥，根据烧杯液面与形成液桥中心截面的高差控制基质吸力；

3）.通过控制***设定液桥试验类型：

A.液桥拉伸试验，通过控制***控制拉压装置向下移动上支座，使上、下颗粒相互靠近形成液桥，并靠近至将接触未接触状态，设定拉伸速率，数据采集与图像处理***记录高精度天平的实时数据和液桥拉伸全过程的位移数据和视频图像，通过控制***开始拉伸至液桥断裂后停止，通过数据采集与图像处理***对数据和图像进行处理；

B液桥压缩试验，先进行液桥拉伸试验步骤获得液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置，通过控制***将液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置分别设定为液桥压缩试验的终点位置和初始位置，设定拉伸速率，数据采集与图像处理***记录高精度天平的实时数据和液桥压缩全过程的位移数据和视频图像，通过控制***开始试验，使上颗粒由上之下移动压缩液桥，使颗粒相互靠近，通过数据采集与图像处理***对数据和图像进行处理；

C.液桥拉伸-压缩循环试验，先进行液桥拉伸试验步骤获得液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置，通过控制***将液桥拉伸初始位置和即将断裂的终点位置分别设定为液桥压缩试验的初始位置和终点位置，通过控制***控制拉压装置向下移动上支座，使上、下颗粒相互靠近形成液桥，并靠近至将接触未接触状态，设定拉伸速率、循环次数，数据采集与图像处理***记录高精度天平的实时数据和液桥拉伸-压缩全过程的位移数据和视频图像，通过控制***开始试验，使上颗粒循环移动，拉伸-压缩循环交替进行，通过数据采集与图像处理***对数据和图像进行处理。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述步骤1）中，将控制***、数据采集与图像处理***打开，高精度天平数值归零，调节数据采集与图像处理***显示的视频图像；将上颗粒和下颗粒分别安装于上支座和下支座上，上颗粒有开孔，下支座置于高精度天平上，上支座与位置调节装置连接；

启动第二步进电机，第二步进电机驱动第二丝杠旋转，第二丝杠旋转带动第二丝母旋转，从而带动固定于上的拉杆进行上、下移动，调节颗粒的间距；旋转第一旋钮带动第一齿轮旋转，第一齿轮旋转带动相互啮合的第一齿条在槽内前、后运动；旋转第二旋钮带动第二齿轮旋转，第二齿轮旋转带动相互啮合的第二齿条在槽内左、右运动，从而带动固定于第二齿条的上支座进行前后、左右位置的调节包括第一旋钮、第二旋钮和两组相互啮合的齿轮、齿条；在调节颗粒的间距和上支座前后、左右位置的过程中，根据数据采集与图像处理***进行实时监控。

3.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述数据和图像进行处理包括液桥毛细力的计算和图像处理。

4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，液桥毛细力的计算方法为：在形成液桥前记录在高精度天平上放置下支座和下颗粒的示数

，液桥形成后，在液桥拉伸、压缩、拉伸-压缩循环试验过程中，记录高精度天平的示数

，毛细力

为公式（1）：

（1）。

5.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，液桥图像的处理方法如下：先利用第一、第二工业电子显微镜获取液桥断裂过程中颗粒不同位置的高清图片，将其导入Image J软件进行二值化处理，提高图片的清晰度至液桥与颗粒轮廓鲜明、易辨别，以便于利用AutoCAD软件绘制出颗粒轮廓线与液桥轮廓线，对颗粒进行定位以确定圆心，测量图中颗粒半径，结合颗粒实际半径以确定图片比例尺；在确定液桥轮廓后，利用最小二乘法用圆逼近液桥的轮廓，通过吻合度选出最优圆，再配合图片比例尺计算弯液面的曲率半径；利用最小二乘法用圆逼近液桥轮廓线，连接左右最优圆圆心，并配合图片比例尺得到液桥最窄颈部截面，从而可计算其最窄颈部半径。

6.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，上、下颗粒及液体选取的原则：

颗粒选取物性为土壤或沙粒的钠钙玻璃抛光圆球，直径范围为2~5mm；在进行小体积液桥试验时，为模拟工程实际情况，液桥选取水进行试验；当进行大体积液桥试验时，液桥选取丙三醇进行试验，丙三醇的具体指标为：25ºC时，黏度为800mPa·s，表面张力为61.9mN/m，相对密度为1.255。

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