CN114397197A - 一种岩土微观力学性质测试仪 - Google Patents

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张琛
何欢
刘松玉
何勇
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Abstract

本发明设计一种岩土微观力学性质测试仪，属于岩土工程领域的室内微观试验装置。基于底座平台上布置在垂直方向上施加法向荷载的加载装置及水平方向上施加剪切切向位移的位移装置，所述施加法向荷载的加载装置的施压端设有上颗粒安装板，所述施加剪切切向位移的位移装置的施压端设有下颗粒安装板；所述上颗粒板与所述下颗粒板之间用于安装颗粒‑颗粒测试件、颗粒‑块体测试件及块体‑块体测试件。本发明提供的岩土微观力学性质测试仪，该测试仪能够测试颗粒‑颗粒、颗粒‑块体、块体‑块体不同的接触模式，研究其法向和切向的力‑位移行为，包括颗粒间摩擦和接触刚度。并能够通过伺服电机任意控制颗粒之间碰撞的力、位移以及碰撞速度。

Description

一种岩土微观力学性质测试仪
技术领域
本发明设计一种岩土微观力学性质测试仪，属于岩土工程领域的室内微观试验装置。
背景技术
随着离散元（DEM）数值分析技术的不断发展，对岩土工程材料微观力学性质的研究越来越被重视。如今人们普遍认为，微观和宏观尺度下颗粒材料的力学行为受小尺度颗粒特性的显著影响，包括颗粒界面的行为（即法向刚度和剪切刚度），颗粒的破碎行为以及它们的形态特征。
岩土工程材料微观力学性质的研究中比较重要的一部分是研究速度对颗粒材料微观和宏观尺度行为的影响。在微观力学框架内，人们普遍认为剪切速度对接触界面的颗粒间摩擦有影响。然而，就颗粒接触类型的实验室研究(包括真实的土壤颗粒以及复合颗粒材料，如砂-橡胶混合物)而言，这一主题在很大程度上还未被探索。
目前已有的仪器大多只能施加法向荷载，而无法对颗粒材料施加切向荷载，且现有的仪器只能以几种固定的速度进行加载，无法任意控制颗粒之间碰撞的力、位移以及碰撞速度，无法研究速率对颗粒材料加载效应的影响。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种新型岩土微观力学性质测试仪。可以进行微观颗粒间剪切试验，同时可以扩展到非常高的剪切速度，从而可以在至少五个数量级的速度范围内研究颗粒间的摩擦。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的岩土微观力学性质测试仪，基于底座平台上布置在垂直方向上施加法向荷载的加载装置及水平方向上施加剪切切向位移的位移装置，所述施加法向荷载的加载装置的施压端设有上颗粒安装板，所述施加剪切切向位移的位移装置的施压端设有下颗粒安装板；所述上颗粒板与所述下颗粒板之间用于安装颗粒-颗粒测试件、颗粒-块体测试件及块体-块体测试件。
本发明所述的岩土微观力学性质测试仪，所述的施加法向荷载的加载装置包括垂直伺服电机，垂直固定支架，直角支架，垂直荷载传感器；所述的垂直固定支架上设有垂直伺服电机，所述垂直伺服电机驱动直角支架上下运动，所述直角支架的底端设有垂直载荷传感器，所述垂直载荷传感器与上颗粒板相连。
本发明所述的岩土微观力学性质测试仪，所述的施加剪切切向位移的位移装置包括水平微步电机，水平荷载传感器，滚珠滑橇，颗粒底座；所述滚珠滑橇的上端布置颗粒底座，所述颗粒底座上布置下颗粒板，所述水平微步电机的施压端向颗粒底座施压使得颗粒底座发生剪切切向位移；水平微步电机的施压端与颗粒底座之间还设有水平荷载传感器相。
本发明所述的岩土微观力学性质测试仪，所述的水平微步电机布置在水平支架上，所述水平支架上还设有呈水平放置的直线导轨二，所述直线导轨二上设有沿直线导轨二滑动的水平连接轴，所述水平微步电机的施压端通过水平连接轴与水平荷载传感器相连。
本发明所述的岩土微观力学性质测试仪，所述颗粒底座相对于水平荷载传感器的一端面设有呈竖向放置的直线导轨一，所述水平荷载传感器与颗粒底座的连接端设有与直线导轨一相匹配的滑块。
本发明所述的岩土微观力学性质测试仪，还包括用于测量所述上颗粒板与所述下颗粒板相位移的测量装置。
本发明所述的岩土微观力学性质测试仪，所述的测量装置包括垂直位移传感器，水平位移传感器一，水平位移传感器二，基准面一，基准面二，基准面三；所述上颗粒板的相对两侧壁分别设有垂直位移传感器及基准面一；所述基准面一平行于垂直固定支架，所述水平位移传感器一用于监测基准面一上下位移；所述基准面二固定在颗粒底座于直线导轨一之间；且部分基准面二延伸至颗粒底座的一侧，所述水平位移传感器二用于监测基准面二水平位移；所述的颗粒底座与下颗粒板之间布置呈水平放置的基准面三，所述基准面三的延伸至垂直位移传感器的下方。
有益效果
本发明提供的岩土微观力学性质测试仪，该测试仪能够测试颗粒-颗粒、颗粒-块体、块体-块体不同的接触模式，研究其法向和切向的力-位移行为，包括颗粒间摩擦和接触刚度。并能够通过伺服电机任意控制颗粒之间碰撞的力、位移以及碰撞速度。与其他仪器最大的区别是，可以在更大范围内应用剪切速度(以及法向载荷)，因此可以更容易地研究速率效应。
本发明提供的岩土微观力学性质测试仪，测试对象为1-5mm大小的岩土材料，可以对颗粒材料施加垂直和水平方向的力，因此除研究颗粒材料的法向力学特性外，还可以研究颗粒材料的切向力学特性，另外还能研究大范围剪切速度下的接触响应，该装置还能够研究颗粒-块体或块体-块体类型的法向和切向接触行为，为相关的理论分析和宏观力学性质分析提供微观层面的实验基础。
附图说明
图1是本发明的岩土微观力学性质测试仪主视图；
图2是本发明的岩土微观力学性质测试仪侧视图。
图中1-垂直伺服电机、2-垂直固定支架、3-垂直荷载传感器、4-基准面一、5-水平位移传感器一、6-基准面二、7-垂直位移传感器、8-基准面三、9-直线导轨一、10-水平荷载传感器、11-水平位移传感器二、12-直线导轨二、13-水平连接轴、14-水平微步进电机、15-直角支架、16-上颗粒安装板、17-下颗粒安装板、18-水平固定支架、19-颗粒底座、20-滚珠滑橇。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
如图1、图2所示：岩土微观力学性质测试仪该装置包括两套加载***，一套在垂直方向上施加法向载荷，另一套在水平方向上对颗粒接触施加剪切。该仪器能够测试颗粒-颗粒、颗粒-块体、块体-块体不同的接触模式，研究其法向和切向的力-位移行为，包括颗粒间摩擦和接触刚度，但主要的创新在于，该设备可以在更大范围内应用剪切速度(以及法向载荷)，因此可以更容易地研究速率效应，而普通的垂直加载***不具有该功能。该设备中的法向加载***、切向加载***均由一个电机、一组连接和线性轴承和高分辨率传感器组成，测量力（精确度为0.01N）和位移（精确度为0.01μm）。
垂直***采用垂直伺服电机1控制，垂直伺服电机1通过垂直固定支架2固定，水平***采用水平微步进电机14控制，水平微步进电机14通过水平支架18固定。垂直伺服电机1和水平微步进电机14的运动可以通过指定的输出力、速度或位移来控制。两个电机的力控制精度为25mN。
电机内置直线工作台，只保证垂直或水平方向的运动。一个直角支架15用螺丝固定在移动平台上，以安装力传感器、位移传感器和上颗粒安装板，垂直位移传感器7安装在垂直荷载传感器3和上颗粒安装板16之间；其基准面三8安装在下颗粒安装板17上。这种结构显著减少了垂直***的长度，从而增加了它的刚度。
本发明所述的岩土微观力学性质测试仪中上颗粒板16的相对两侧壁分别设有垂直位移传感器7及基准面一4；所述基准面一4平行于垂直固定支架2，水平位移传感器一5用于监测基准面一4上下位移；基准面二6固定在颗粒底座于直线导轨一9之间；且部分基准面二6延伸至颗粒底座19的一侧，水平位移传感器二11用于监测基准面二6水平位移；颗粒底座19与下颗粒板17之间布置呈水平放置的基准面三8，基准面三8的延伸至垂直位移传感器7的下方。
水平加载***包括下颗粒安装板17和颗粒底座19，滚珠滑橇20，以及直线导轨二12和连接轴13。该微型步进电机在水平方向的微步大小为0.048 μm，保证了精细的运动，其最大速度可达8 mm/s (=28800 mm/h)。水平位移传感器二11固定在底部铝板上，而位移传感器的基准面二6附着在颗粒底座19上。在切向剪切试验中，下颗粒安装板17通过底座19固定在导向橇上，在垂直***施加于颗粒接触的给定法向载荷下，由水平加载***推动。剪切过程中上颗粒可能会发生水平移动，因此使用另一个水平位移传感器一5捕捉剪切引起的上颗粒可能的运动，该水平位移传感器可以监测垂直***沿剪切方向的运动。将竖向加载***考虑为悬臂梁，可估算出上部颗粒在剪切过程中的水平位移，即竖向荷载箱水平位移的两倍。通过水平位移传感***测得的位移减去上颗粒的位移，就可以计算出上下颗粒之间的真实相对运动。
高精度涡流位移传感器中，位移传感器和测压元件的模拟信号输出由高稳定电源供电，首先通过模拟信号滤波器进行滤波，然后由具有高采样率能力(高达20 Hz)的数据记录器进行采集。这些数据随后被一个定制的LabView软件记录下来，该软件也用于控制电机和实时监控测试。所有的传感器都经过仔细校准。当***处于静止状态时，从位移和负载读数可以分别观察到±1.4 × 10−4mm和±0.06 N的噪声水平。噪声水平略高于现有仪器，因为数据记录频率明显更高。尽管如此，该精度仍然足以在微观尺度上解析颗粒间的机械响应，在接触刚度方面显示出良好的质量数据高性能电机、精密传感器以及高频数据记录***使动态设备能够根据测试材料的不同，在速度范围从0.18 mm/h扩展到超过1000 mm/h的范围内进行剪切测试。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种岩土微观力学性质测试仪，其特征在于：基于底座平台上布置在垂直方向上施加法向荷载的加载装置及水平方向上施加剪切切向位移的位移装置，所述施加法向荷载的加载装置的施压端设有上颗粒安装板，所述施加剪切切向位移的位移装置的施压端设有下颗粒安装板；所述上颗粒板与所述下颗粒板之间用于安装颗粒-颗粒测试件、颗粒-块体测试件及块体-块体测试件。
2.根据权利要求1所述的岩土微观力学性质测试仪，其特征在于：所述的施加法向荷载的加载装置包括垂直伺服电机，垂直固定支架，直角支架，垂直荷载传感器；所述的垂直固定支架上设有垂直伺服电机，所述垂直伺服电机驱动直角支架上下运动，所述直角支架的底端设有垂直载荷传感器，所述垂直载荷传感器与上颗粒板相连。
3.根据权利要求1所述的岩土微观力学性质测试仪，其特征在于：所述的施加剪切切向位移的位移装置包括水平微步电机，水平荷载传感器，滚珠滑橇，颗粒底座；所述滚珠滑橇的上端布置颗粒底座，所述颗粒底座上布置下颗粒板，所述水平微步电机的施压端向颗粒底座施压使得颗粒底座发生剪切切向位移；水平微步电机的施压端与颗粒底座之间还设有水平荷载传感器相。
4.根据权利要求3所述的岩土微观力学性质测试仪，其特征在于：所述的水平微步电机布置在水平支架上，所述水平支架上还设有呈水平放置的直线导轨二，所述直线导轨二上设有沿直线导轨二滑动的水平连接轴，所述水平微步电机的施压端通过水平连接轴与水平荷载传感器相连。
5.根据权利要求3所述的岩土微观力学性质测试仪，其特征在于：所述颗粒底座相对于水平荷载传感器的一端面设有呈竖向放置的直线导轨一，所述水平荷载传感器与颗粒底座的连接端设有与直线导轨一相匹配的滑块。
6.根据权利要求1所述的岩土微观力学性质测试仪，其特征在于：还包括用于测量所述上颗粒板与所述下颗粒板相位移的测量装置。
7.根据权利要求1或2或5所述的岩土微观力学性质测试仪，其特征在于：所述的测量装置包括垂直位移传感器，水平位移传感器一，水平位移传感器二，基准面一，基准面二，基准面三；所述上颗粒板的相对两侧壁分别设有垂直位移传感器及基准面一；所述基准面一平行于垂直固定支架，所述水平位移传感器一用于监测基准面一上下位移；所述基准面二固定在颗粒底座于直线导轨一之间；且部分基准面二延伸至颗粒底座的一侧，所述水平位移传感器二用于监测基准面二水平位移；所述的颗粒底座与下颗粒板之间布置呈水平放置的基准面三，所述基准面三的延伸至垂直位移传感器的下方。
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