一种颗粒流界面模拟分析试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种颗粒流界面模拟分析试验装置及试验方法，透明环形加载筒的底部外侧设置有进水口接口、出水口接口和用于与加压装置连接的加压接口；环形加载板底面设置有弧形压头，多个弧形压头围合形成能够密封伸入透明环形加载筒内的环形加载件；平行光源通过构件安装在振动台的上表面的中心处用于向透明环形加载筒发射平行光线；摄像装置设置于透明环形加载筒的周围用于采集透明环形加载筒内颗粒试样的应力变化图像；振动台的上表面形成有能够插入透明环形加载筒的环形轨道，环形轨道内设置有半圆形球体。该颗粒流界面模拟分析试验装置可以通过不同的加载方式，模拟工程中的多种工况，实现了对颗粒体系内部的位移场、应力场的可视化。

说明书

技术领域

本发明涉及颗粒力学光弹测试技术领域，具体地，涉及一种颗粒流界面模拟分析试验装置及试验方法。

背景技术

岩土体作为一种三相组成、具有一定结构性的离散的颗粒材料，普遍存在于自然界、日常生活和工程建设中。在过去的研究中，针对岩土体的相关研究一直是建立在连续介质假定之上，并且发展出经典土力学理论体系，但是基于连续体的假设与岩土体的非连续特性不相符，因此岩土体的微观研究显得尤为重要。

光弹实验法是一种颗粒力学实验测试的方法。光弹实验法的原理是在载荷作用下，基于光学敏感材料制作一个与真实物体相似的模型。基于光弹性材料的临时双折射现象，以应力-光学定律为基础，利用偏振光场得到了全场的条纹图，提供了应力波传播的全场信息。很多学者利用光弹实验法进行了一系列的研究，但实验过程中仍存在许多不足之处。

现阶段的光弹实验仪器模型尺寸普遍偏小、颗粒尺寸偏大，存在边界效应，模型受力的局部化特征较为明显；目前光弹实验所使用的颗粒多数为圆柱体堆叠而成，而自然界中的颗粒形状大多数是不规则的，颗粒形状对颗粒间的接触特性影响较大；目前所有的光弹技术进行颗粒试验研究，都只是研究颗粒，而岩土体是一种三相结构，单一的从颗粒角度研究具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种颗粒流界面模拟分析试验装置及试验方法，该颗粒流界面模拟分析试验装置可以通过不同的加载方式，模拟工程中的多种工况，实现了对颗粒体系内部的位移场、应力场的可视化，弥补现有光弹技术边界效应明显、加载种类单一、颗粒间接触特性与自然界不吻合等缺陷，应用应力-光学定律，实现在不同加载方式下颗粒接触应力，力链的分布和走向等参数的可视化。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种颗粒流界面模拟分析试验装置，该颗粒流界面模拟分析试验装置包括：振动台、透明环形加载筒、加载装置、摄像装置、承载装置、加压装置和平行光源；

所述透明环形加载筒的底部外侧设置有进水口接口、出水口接口和用于与所述加压装置连接的加压接口；

所述加载装置底部的环形加载板底面设置有多个弧形压头，多个所述弧形压头围合形成能够密封伸入所述透明环形加载筒内的环形加载件；

所述平行光源通过构件安装在所述振动台的上表面的中心处用于向所述透明环形加载筒发射平行光线；

所述摄像装置设置于所述透明环形加载筒的周围用于采集透明环形加载筒内颗粒试样的应力变化图像；

所述振动台的上表面向下凹陷形成有能够插入所述透明环形加载筒的环形轨道，所述环形轨道内设置有能够移动的半圆形球体。

优选地，所述加载装置包括：承载装置、加载手柄、压力传感器和压力数值显示器；

所述承载装置安装于所述振动台上，所述压力传感器安装于所述承载装置上，所述加载手柄的下端设置有螺旋贯穿所述压力传感器的螺杆，所述螺杆与所述环形加载板上设置的加载块之间设置为转动连接；

所述压力数值显示器安装于所述承载装置上并与所述压力传感器连接用于显示压力值。

优选地，所述承载装置包括：承载板和多个承载柱，所述压力传感器和压力数值显示器安装于所述承载板上，多个所述承载柱设置于所述振动台和所述承载板之间用于提供支撑。

优选地，多个所述弧形压头的底部设置有O形密封圈。

优选地，所述环形加载板以及加载块与每个所述弧形压头之间通过螺栓连接；

所述螺栓螺旋贯穿所述加载块和环形加载板后与所述弧形压头之间限位转动连接，所述螺栓帽端与所述加载块之间套设有第一限位螺母；

每个所述螺栓的两侧均设置有至少两个导向杆，所述导向杆的下端固定于所述弧形压头内，上端设置有第二限位螺母。

优选地，所述振动台设置有振动频率调节旋钮，以及用于调节所述半圆形球体位于所述环形轨道内移动方向的顺时针转动调节旋钮和逆时针转动调节旋钮。

优选地，所述透明环形加载筒的外侧和内侧分别设置有第二1/4波片和第一1/4波片，所述第二1/4波片外设置有检偏振片，所述第一1/4波片外设置有起偏振片。

本发明另一方面提供一种颗粒流界面模拟分析试验方法，该颗粒流界面模拟分析试验方法使用所述颗粒流界面模拟分析试验装置，所述颗粒流界面模拟分析试验方法包括以下步骤：

1)在透明环形加载筒内部填满颗粒试样，并开启平行光源；

2)打开进水口接口止水阀，关闭出水口接口止水阀，关闭加压接口止水阀，直至水将颗粒试样全部覆盖，关闭进水口接口止水阀；

3)通过加载装置将多个弧形压头下压，至弧形压头与颗粒试样接触且无力链产生时停止操作加载装置下压；

4)打开加压接口止水阀，调节与加压接口相连接的加压装置，得到实验所需要的压强，此时将压力数值显示器读数校零；

5)通过加载装置将多个弧形压头下压，给颗粒试样施加一个上部荷载，并根据实验要求调节所需要的荷载值；

6)开启摄像装置，使平行光源穿过颗粒试样后被摄像装置采集；

7)通过电脑对摄像装置所采集的颗粒试样的应力变化图像进行分析。

优选地，在步骤5)和步骤6)之间还包括：依次调节多个弧形压头，使得多个弧形压头依次向下位移一段距离。

优选地，在步骤5)和步骤6)之间还包括：启动振动台，打开振动频率旋钮，根据实验要求调节所需要的振动频率，同时，调节半圆形球体沿顺时针方向或逆时针方向运动。

根据上述技术方案，本发明中的颗粒流界面模拟分析试验装置可以通过不同的加载方式，模拟工程中的多种工况，实现了对颗粒体系内部的位移场、应力场的可视化，弥补现有光弹技术边界效应明显、加载种类单一、颗粒间接触特性与自然界不吻合等缺陷，应用应力-光学定律，实现在不同加载方式下颗粒接触应力，力链的分布和走向等参数的可视化。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是颗粒流界面模拟分析试验装置的一种优选方式的整体示意图；

图2是颗粒流界面模拟分析试验装置的一种优选方式的局部示意图；

图3是填装有颗粒试样的透明环形加载筒的俯视结构示意图；

图4是透明环形加载筒的一种优选方式的侧面结构示意图；

图5是加载装置的一种优选方式的结构示意图；

图6振动台的一种优选方式的结构示意图；

图7是弧形压头的一种优选方式的安装结构示意图；

图8是加压装置的一种优选方式的结构示意图。

附图标记说明

1-振动台；101-振动频率调节旋钮；102-顺时针转动调节旋钮；103-逆时针转动调节旋钮；104-环形轨道；105-半圆形球体；106-构件；2-透明环形加载筒；201-起偏振片；202-第一1/4波片；203-颗粒试样；204-第二1/4波片；205-检偏振片；206-进水口接口；207-出水口接口；208-加压接口；3-加载装置；301-加载手柄；302-压力传感器；303-压力数值显示器；304-环形加载板；305-弧形压头；306-O形密封圈；307-螺杆；311-导向杆；312-第二限位螺母；313-螺栓；314-第一限位螺母；4-摄像装置；5-承载柱；6-加压装置；7-平行光源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

参见图1-8所示的颗粒流界面模拟分析试验装置，该颗粒流界面模拟分析试验装置包括：振动台1、透明环形加载筒2、加载装置3、摄像装置4、承载装置、加压装置6和平行光源7；所述透明环形加载筒2的底部外侧设置有进水口接口206、出水口接口207和用于与所述加压装置6连接的加压接口208；所述加载装置3底部的环形加载板304底面设置有多个弧形压头305，多个所述弧形压头305围合形成能够密封伸入所述透明环形加载筒2内的环形加载件；所述平行光源7通过构件106安装在所述振动台1的上表面的中心处用于向所述透明环形加载筒2发射平行光线；所述摄像装置4设置于所述透明环形加载筒2的周围用于采集透明环形加载筒2内颗粒试样203的应力变化图像；所述振动台1的上表面向下凹陷形成有能够插入所述透明环形加载筒2的环形轨道104，所述环形轨道104内设置有能够移动的半圆形球体105。

通过上述技术方案的实施，该颗粒流界面模拟分析试验装置可以通过不同的加载方式，模拟工程中的多种工况，实现了对颗粒体系内部的位移场、应力场的可视化，弥补现有光弹技术边界效应明显、加载种类单一、颗粒间接触特性与自然界不吻合等缺陷，应用应力-光学定律，实现在不同加载方式下颗粒接触应力，力链的分布和走向等参数的可视化。

包括如下步骤：首先把颗粒试样203放入透明环形加载筒2中，然后开启平行光源7，使平行光源7依次沿着起偏振片201、第一1/4波片202、颗粒试样203、第二1/4波片204、检偏振片205和摄像装置4传播，摄像装置4会采集到颗粒试样203的应力变化图像，最后通过电脑对其应力图像进行分析。

如在一种实施方式中，所述的加压装置6是通过控制进水量来改变透明环形加载筒2内部的压强。所述的透明环形加载筒2由内外两个透明空心圆柱体组成，由亚克力板制作而成，材料内部没有残余应力，可以提升试验数据的准确性。所述的颗粒试样203为一种无色透明透光、具有暂时双折射等特点的材料，颗粒形状为球状。所述的摄像装置4共有3个，呈正三角形三个顶点分布在透明环形加载筒2周围。

在该实施方式中，为了进一步提供一种加载装置3，所述加载装置3包括：承载装置、加载手柄301、压力传感器302和压力数值显示器303；所述承载装置安装于所述振动台1上，所述压力传感器302安装于所述承载装置上，所述加载手柄301的下端设置有螺旋贯穿所述压力传感器302的螺杆307，所述螺杆307与所述环形加载板304上的设置的加载块之间设置为转动连接；所述压力数值显示器303安装于所述承载装置上并与所述压力传感器302连接用于显示压力值。使用时，通过摇动加载手柄301带动螺杆307转动，由于螺杆307与加载块之间是转动连接，在螺杆307转动的时候加载块不旋转，只做竖直移动，带动环形加载板304和弧形压头305竖直移动。压力传感器302内的受力结构可以为管状的，其中管状的受力结构中间设置有与螺杆307相匹配的内螺纹，弧形压头305所受到的挤压力通过螺纹传递至压力传感器302并通过压力数值显示器303显示。

在该实施方式中，为了进一步提供一种承载装置，所述承载装置包括：承载板和多个承载柱5，所述压力传感器302和压力数值显示器303安装于所述承载板上，多个所述承载柱5设置于所述振动台1和所述承载板之间用于提供支撑。通过这样的设置，使得侧面的遮挡最少化，通常使用四个承载柱5，在强度足够的情况下，承载柱5的直径越小越好，可以减小光线的遮挡。承载柱5可以为不锈钢管，可以增加防腐蚀能力。

在该实施方式中，为了进一步提升密封效果，多个所述弧形压头305的底部设置有O形密封圈306。O形密封圈306可以采用分体式的也可以采用一体式的，若采用分体式的则与每个弧形压头305一一对应设置，且相邻两个O形密封圈306片段的端部之间始终需要保持接触，实现接触密封。此外，在一种实施方式中，O形密封圈306为橡胶材质，可以增加密封效果。

在该实施方式中，所述环形加载板304以及加载块与每个所述弧形压头305之间通过螺栓313连接；所述螺栓313螺旋贯穿所述加载块和环形加载板304后与所述弧形压头305之间限位转动连接，所述螺栓313帽端与所述加载块之间套设有第一限位螺母314；每个所述螺栓313的两侧均设置有至少两个导向杆311，所述导向杆311的下端固定于所述弧形压头305内，上端设置有第二限位螺母312。通过这样的设置，使得弧形压头305相对环形加载板304之间的间距位置可调，具体的调节方式为：向上旋转第二限位螺母312，然后向上旋转第一限位螺母314，再转动螺栓313使得弧形压头305向下移动到合适的位置，该合适的位置可以根据压力读数获得，然后向下旋第一限位螺母314和第二限位螺母312至贴近加载块上表面的位置为止。

如在一种实施方式中，环形压头共6组，每组环形压头上都有一个螺栓313和两个导向杆311，所述的环形加载板304与环形压头初始状态是锁紧状态。

在该实施方式中，所述振动台1设置有振动频率调节旋钮101，以及用于调节所述半圆形球体105位于所述环形轨道104内移动方向的顺时针转动调节旋钮105和逆时针转动调节旋钮103。通过振动频率调节旋钮101可以调节振动台1的振动频率，通过调节顺时针转动调节旋钮105和逆时针转动调节旋钮103可以调节半圆形球体105的运动方向。半圆形球体105可以采用金属球，如铁球。

半圆形球体105的上表面设置为球面，半圆形球体105位于环形轨道104中沿环形轨道104的路径移动可以模拟土体滑坡，当然，为了能够驱动半圆形球体105移动，在振动台1的内部应当设置驱动机构。

驱动机构如电机和设置于设置于电机侧方的竖直的齿轮轴，齿轮轴和电机的输出轴之间通过齿轮啮合，通过电机的转动带动齿轮轴绕着电机的输出轴公转，齿轮轴的上端设置为能够伸出至环形轨道104表面并连接半圆形球体105，环形轨道104中也设置有提供输出轴周向移动的环形开口，另外，在振动台1的内部也可以设置提供齿轮轴外套设的齿轮行走的槽体，在槽体的侧面设置相应的环形齿条。当然，在槽体的下方也可以设置用于齿轮轴下端限位的环形限位槽。

当然，作为另外一种驱动机构的替代结构，可以直接在电机的输出轴外套设L形连杆，其中L形连杆垂直部分的上端伸出至环形开口与半圆形球体105连接，电机可以使用能够控制转速的减速电机。

在本发明中，构件106的中部设置有安装平行光源7的槽口，平行光源7可以是圆柱形的光源，且竖直设置在透明环形加载筒2的轴线位置。

在本发明中，为了进一步提升应力-光的转化效果，所述透明环形加载筒2的外侧和内侧分别设置有第二1/4波片204和第一1/4波片202，所述第二1/4波片204外设置有检偏振片205，所述第一1/4波片202外设置有起偏振片201。

本发明另一方面提供一种颗粒流界面模拟分析试验方法，该颗粒流界面模拟分析试验方法使用所述颗粒流界面模拟分析试验装置，所述颗粒流界面模拟分析试验方法包括以下步骤：

1)在透明环形加载筒2内部填满颗粒试样203，并开启平行光源7；

2)打开进水口接口206止水阀，关闭出水口接口207止水阀，关闭加压接口208止水阀，直至水将颗粒试样203全部覆盖，关闭进水口接口206止水阀；

3)通过加载装置3将多个弧形压头305下压，至弧形压头305与颗粒试样203接触且无力链产生时停止操作加载装置3下压；

4)打开加压接口208止水阀，调节与加压接口208相连接的加压装置6，得到实验所需要的压强，此时将压力数值显示器303读数校零；

5)通过加载装置3将多个弧形压头305下压，给颗粒试样203施加一个上部荷载，并根据实验要求调节所需要的荷载值；

6)开启摄像装置4，使平行光源7穿过颗粒试样203后被摄像装置4采集；

7)通过电脑对摄像装置4所采集的颗粒试样203的应力变化图像进行分析。

在该实施方式中，在步骤5)和步骤6)之间还包括：依次调节多个弧形压头305，使得多个弧形压头305依次向下位移一段距离。

通过上述技术方案的实施，该加载方式用于模拟土体上部有移动荷载经过时其内部应力及位移的变化情况，具体的说，通过摄像装置4拍摄颗粒试样203的运动过程中应力和位移变化图像，将图像导入电脑，对其应力和位移图像进行分析。

在该实施方式中，在步骤5)和步骤6)之间还包括：启动振动台，打开振动频率旋钮，根据实验要求调节所需要的振动频率，同时，调节半圆形球体105沿顺时针方向或逆时针方向运动。

通过上述技术方案的实施，该加载方式用于模拟在地震过程中土体滑坡时内部应力及位移的变化情况；

具体的说，启动振动台1，打开振动频率旋钮，根据实验要求调节所需要的振动频率；

打开顺时针转动旋钮或者逆时针转动旋钮，如果轨道上铁球沿着一个方向运动被颗粒试样203卡死，可以调节旋钮选择换一个方向继续运动；

通过摄像装置4拍摄颗粒试样203的运动过程中应力和位移变化图像，将图像导入电脑，对其应力和位移图像进行分析。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。