[发明专利]湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪

说明书

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，包括可轴向拉伸和压缩的作动系统、液桥体积控制器、基质吸力控制装置、控制系统和数据采集与图像处理系统五个部分；控制系统分别控制作动系统和液桥体积控制器，液桥体积控制器与作动系统连接，作动系统与基质吸力控制装置连接，数据采集与图像处理系统采集作动系统产生的数据。本发明既可在自动、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。

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装置，尤其是一种湿颗粒间液桥拉伸-压缩力学性能试验仪。

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CCD相机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，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：