一种基于单轴压缩试验的钙质砂颗粒破碎动态监测装置

摘要

本发明公开了一种基于单轴压缩试验的钙质砂颗粒破碎动态监测装置，该装置包括试件定位机构和试件加载机构；所述试件定位机构包括顶板、环形外壳、刚性护环及底座，所述顶板中央设有内嵌螺孔；所述环形外壳设于顶板和底座之间，刚性护环设于环形外壳内部，且固定设于底座中央；所述刚性护环为上下贯穿的空心圆柱体；所述试件加载机构设置包括螺杆和活塞，螺杆与顶板通过螺纹连接，活塞设于螺杆底部；活塞和螺杆之间设有上部测力机构，刚性护环底部设有下部测力机构，上部测力机构与下部测力机构上下对称。本发明装置能实现钙质砂样本单轴压缩力学特性测试与样本颗粒破碎特性动态监测同时进行；且装置体积小、可拆卸，便于进行运输和试验。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程试验技术领域，具体涉及一种基于单轴压缩试验的钙质砂颗粒破碎动态监测装置。

背景技术

近年来珊瑚岛礁工程的开发建设逐渐成为行业热点。作为南海海域主要粒状沉积物需要满足海洋能源开发过程对结构基础沉降和稳定性等方面的苛刻要求，因此钙质砂的物理性质、力学性质具有相当大的研究价值与研究前景。

钙质砂颗粒具有强度硬度低、内孔隙比高、且形状极不规则的特点，导致钙质砂在受力状态下因颗粒滑移与破碎而体现出跟常见陆源硅质砂不同的力学行为，使其与海工结构物的相互作用会造成伴随着颗粒破碎的土体构造重组，显著改变土体以及土结界面的力学行为，导致结构物基础受力和变形难以预测。

目前，国内学者主要通过传统的单元体试验对钙质砂土力学性质进行研究，基于常规的三轴试验和剪切试验分析钙质砂颗粒尺寸、相对密实度、排水条件等外部因素对颗粒破碎影响，但颗粒微观特性对宏观力学性质的影响研究通过常规的室内试验往往无法实现。因此，通过CT扫描单轴压缩试验来研究微观特性对钙质砂颗粒破碎的影响，极大地深入了对钙质砂颗粒特性的理解。

对于CT扫描试验，现有试验装备往往将加载过程与扫描过程分离，对于加载过程的原位扫描试验，现有的试验装置尚无法实现。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种一种基于单轴压缩试验的钙质砂颗粒破碎动态监测装置，该装置能够实现钙质砂样本单轴压缩力学特性测试与样本颗粒破碎特性动态监测同时进行。

本发明采用以下技术方案：

一种基于单轴压缩试验的钙质砂颗粒破碎动态监测装置，包括试件定位机构和试件加载机构；

所述试件定位机构包括顶板、环形外壳、刚性护环及底座，所述顶板中央设有内嵌螺孔；所述环形外壳设于顶板和底座之间；所述刚性护环设于环形外壳内部，且固定设于底座中央；所述刚性护环为上下贯穿的空心圆柱体，刚性护环内装有样品；

所述试件加载机构设置包括螺杆和活塞，所述螺杆与顶板通过螺纹连接，所述活塞设于螺杆底部，用于向刚性护环内的样品施加压力；

所述活塞和螺杆之间设有上部测力机构，所述刚性护环底部设有下部测力机构，所述上部测力机构与下部测力机构上下对称。

上述技术方案中，进一步地，所述顶板和底座上均设有预制孔，分别用于上部测力机构的导线和下部测力机构的导线通过。

进一步地，所述螺杆突出顶板上部，通过螺纹连接与顶板中央内嵌螺孔相适应，并且螺杆底部与上部测力机构相接触。

进一步地，所述上部测力机构包括上部力传感器和上部力传感器垫片，所述上部力传感器垫片底部设有一圆形凹槽并在侧面设有一拱形开口以卡合上部力传感器。

进一步地，所述下部测力机构包括下部力传感器、下部力传感器垫片和下部力传感器定位环，下部力传感器设于下部力传感器定位环内，下部力传感器垫片设于下部力传感器上部，所述下部力传感器定位环侧面与刚性护环底部设有同样大小、形状的开口以卡合下部力传感器。

进一步地，所述底座中央设有底座中央凸台，所述刚性护环内径与底座中央凸台直径相同以实现卡合固定。

进一步地，所述环形外壳上下两端边缘、顶板下端边缘和底座上端边缘均设有凸起，所述环形外壳与顶板和底座均通过凸起卡合，并通过定位螺栓固定。

更进一步地，所述顶板、底座与环形外壳的卡合处分别设有8个螺孔，所述环形外壳通过螺孔与螺栓相匹配以固定顶板与底座。

进一步地，所述环形外壳和刚性护环由有机玻璃制成，其余部件由聚甲醛材料制成。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的一种基于单轴压缩试验的钙质砂颗粒破碎动态监测装置，利用螺旋副传递运动和动力，工作平稳传动精度高，同时根据螺纹传动摩擦力较大的特点，在加载结束后利用螺纹自锁效应有效克服卸载造成的试样回弹徐变的影响。本发明的装置内部设置有上下对称分布的两个测力机构，实现钙质砂试样内部应力状态实时监控，且装置全部使用非金属高强度材料制成，密度小，扫描效果好，体积小可拆卸，使得采用工业CT 对钙质砂颗粒破碎过程动态监控与单轴压缩试验力学特性测试能够顺利同步进行。

附图说明

图1为本发明基于单轴压缩试验的钙质砂颗粒破碎动态监测装置的结构示意图。

图2为本发明顶板的结构示意图；

图3为本发明环形外壳的结构示意图；

图4为本发明底座的结构示意图；

图5为本发明上部测力机构的结构示意图；

图6为本发明刚性护环的结构示意图；

图7为本发明下部测力机构的结构示意图。

其中：1-螺杆，2-顶板，3-环形外壳，4-底座，5-上部测力机构，6-活塞，7-刚性护环，8-下部测力机构，9-定位螺栓，21-顶板预制定位螺孔，22-内嵌螺孔，23-顶板预制导线孔，41-底座预制定位螺孔，42-底座中央凸台，43-底座预制导线孔，51-上部力传感器垫片，52-上部力传感器，71-拱形开口，81-下部力传感器定位环，82-下部力传感器垫片，83-下部力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种基于单轴压缩试验的钙质砂颗粒破碎动态监测装置，包括螺杆1、顶板2、环形外壳3、底座4、上部测力机构5、活塞6、刚性护环7、下部测力机构8、定位螺栓9，所述底座4中心设有底座中央凸台42，所述底座中央凸台42高5mm，直径 25mm，与刚性护环7相卡合，所述环形外壳3设于顶板2与底座4之间，所述环形外壳 3上下两端边缘设有凸起，通过卡合与顶板2、底座4相连接，且分别通过顶板预制定位螺孔21、底座预制定位螺孔41及定位螺栓9固定。

如图2所示，顶板2中央设有内嵌螺孔22，用以插接螺杆1，旋转螺杆1顶部螺纹使其发生向下转动从而对试样施加轴向压力，上部力传感器5的导线从顶板预制导线孔 23处与外部仪器连接。顶板2底部边缘处设置有宽度为2.5mm，高度为10mm的凸起，且在凸起中部均匀设置8个顶板预制定位螺孔21，当顶板2外缘凸起部分与环形外壳3 相应部分卡合后，通过定位螺栓9固定以限制其轴向移动。

上述实施例中，顶板2中央内嵌螺孔22的螺纹直径14mm，高15mm，螺杆1通过螺纹连接与顶板2相对固定，穿过内嵌螺孔22与上部测力机构5相接触，用于提供钙质砂单轴压缩试验轴向压力，环形外壳高73mm，厚5mm，材料为强度高、质地透明的有机玻璃，用于监测内部试样安装、加载情况，从而保证轴向压缩的准确进行。

如图3为本发明环形外壳的结构示意图。所述环形外壳3上下两端边缘设有凸起，所述环形外壳与顶板和底座均通过凸起卡合，并通过定位螺栓9固定。

如图4为本发明底座的结构示意图；所述底座4中央设有底座中央凸台42，所述刚性护环3内径与底座中央凸台42直径相同以实现卡合固定。底座4上端边缘均设有凸起，与刚性护环3卡合固定，底座与环形外壳的卡合处均设有8个螺孔，通过定位螺栓 9固定。

如图5为本发明上部测力机构的结构示意图；上部测力机构5包括上部力传感器52和上部力传感器垫片51，所述上部力传感器垫片51底部设有一圆形凹槽并在侧面设有一拱形开口以卡合上部力传感器52。上部测力机构5设于活塞6和螺杆1之间。

如图6所示，刚性护环7为上下贯穿的空心圆柱体，刚性护环7内径与底座中央凸台42直径相同以实现卡合固定，且刚性护环7下方设有拱形开口71以卡合下部力传感器，且通过限制拱形宽度约束力传感器的周向移动，实现下部力传感器83、下部力传感器定位环81、刚性护环7与底座4的相互配合。

上述实施例中，所述刚性护环7外径37mm，内径25mm，高46mm，厚7mm，且在刚性护环7下方开有高为12.5mm、宽为8mm的拱形开口以供下部传感器安装，刚性护环7 是钙质砂完成轴向压缩的区域，样品在其中受到活塞6传递的轴压，发生颗粒移动、翻转、破碎等现象。

上述实施例中，所述试验装置的具体步骤如下：(1)试验前将下部力传感器83置于底座4上，传感器导线穿过底座预制导线孔43，然后再将刚性护环7通过下部力传感器定位环81与底座4和下部力传感器83相固定，再将下部力传感器垫片82安装至刚性护环7中；(2)在刚性护环7中加入适量钙质砂试样，通过活塞6分层轻轻夯实；(3) 在钙质砂表面放上活塞6，确定压缩初始位置，在活塞6上方分别安装上部力传感器52 及传感器垫片51，将上部力传感器52导线穿过顶板预制导线孔23后安装顶板2和环形外壳3，旋转定位螺栓9将其固定；(4)旋转螺杆1使其底部圆心触头与上部测力机构 5相接触，当上部力传感器52出现示数时视为加载开始，旋转螺杆1一定圈数，分别读取并记录上部测力机构5和下部测力机构8的示数视为一级轴向压缩试验完成，后进行 CT扫描试验，分析单级压缩下钙质砂颗粒的运动和破碎情况；(5)在CT机内重复进行上述压缩试验操作，后进行原位扫描，以完成单轴压缩过程中颗粒运动、破碎情况的动态监测；(6)试验结束后分别拆卸并整理仪器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。