砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方法技术领域
本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测
量装置及测量方法。
背景技术
岩土工程中对于松散砂土地基可以用纳米硅溶胶溶液渗透加固。纳米硅溶胶溶液
中悬浮着纳米颗粒，这些纳米颗粒在溶液碱性降低的过程中先逐渐凝聚成链状结构进而形
成三维网状结构的凝胶，从而加固松散砂土地基。通过试验来测试颗粒胶结区的细观应变
有助于从细观尺度上建立固化砂土的本构模型。但是砂颗粒之间的胶结区较为细小，传统
接触式的应变测量方式如贴应变片和光纤难以应用，在宏观大尺度上已有应用非接触式的
粒子图像测速系统测量固体应变，这种方式基于PIV照相机记录平面上标识点不同时刻的
位移差，再将这位移差转变为应变，但这种方式要求测量面为平面，而球形颗粒的胶结区在
外观上并无平面，因此需要开发适用于粒子图像测速系统的砂颗粒胶结区成型装置，并发
展相应的测试方法。
发明内容
本发明为了克服现有技术无法提供可应用于无接触式应变测量的颗粒间纳米凝
胶胶结区成型装置、难以测量砂颗粒胶结区细观应变的问题，同时为了有效降低试验过程
中对试样的扰动，本发明提供了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量方
法。
本发明的技术方案：一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，包括载荷施
加装置、胶结区成形装置、标志点喷涂装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统；所
述载荷施加装置包括底座、施力杆和直线式超声电机；所述胶结区成形装置包括两个半球
颗粒以及依次连接的水泵、半圆截面有机玻璃套管、注射细管和纳米硅溶胶储存容器，两个
半球颗粒放置于半圆截面有机玻璃套管内，有机玻璃套管的侧边开两个孔，开孔处位于两
半球颗粒之间，一侧开孔与水泵连接，另一侧开孔与注射细管连接；所述粒子图像测速装置
包括PIV用数码相机和光源设备；所述数据采集及控制系统分别与载荷施加装置和粒子图
像测速装置连接。
优选地，所述水泵、半圆截面有机玻璃套管、注射细管和纳米硅溶胶储存容器之间
可拆卸连接。
优选地，两个半球颗粒分别为A半球颗粒和B半球颗粒，A半球颗粒位于B半球颗粒
上方。
优选地，半圆截面有机玻璃套管横截面上半圆直径与两个半球颗粒的直径相匹
配。
优选地，两个半球颗粒直径为1mm，半球颗粒的材料为二氧化硅。
优选地，所述底座中心设有一凹槽，凹槽形状与二分之一的半球颗粒形状相匹配。
一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量方法，包括下述步骤：
步骤1：半圆截面有机玻璃套管的侧边的一个孔与水泵连接，另一个孔与注射细管
连接，然后有机玻璃套筒中放入点接触的A半球颗粒和B半球颗粒，有机玻璃套筒的开孔处
位于两颗粒之间，然后连接有机玻璃套筒的一个开孔与真空泵，依次连接有机玻璃套筒的
另一个开孔、注射细管和纳米硅溶胶储存容器；
步骤2：开动真空泵，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器流出，依次经过
注射细管、有机玻璃套筒中两个球颗粒之间的空隙、水泵；
步骤3：半圆截面有机玻璃套管中颗粒胶结区养护完成后，将胶结的两个颗粒从有
机玻璃套筒中推出，将B半球颗粒粘至底座的凹槽内，B颗粒的球心与底座上表面齐平；
步骤4：标志点喷涂装置将墨水雾化喷在半球颗粒的截面和胶结区上，从而在半球
颗粒截面和胶结区形成标识点。
步骤5：直线式超声电机通过施力杆对上部A半球颗粒施加水平力，在胶结区形成
应变。
步骤6：直线式超声电机推进过程中，隔两个时间点用相机对颗粒横截面和胶结区
拍照，从而得到标志点的位移；
步骤7：在计算机中将颗粒横截面和胶结区划分为数个矩形网格，将标志点上的位
移拟合到矩形网格节点上，设其中一个矩形网格的节点编号为节点1、节点2、节点3、节点4，
对应每个节点上x方向位移为u1、u2、u3和u4，每个节点上y方向位移为v1、v2、v3和v4，矩形网格
在x轴方向长度为2a，y方向长度为2b，引入如下插值函数N1、N2、N3、N4：
N1＝(1-x/a)(1-y/b)/4
N2＝(1+x/a)(1-y/b)/4
N3＝(1+x/a)(1+y/b)/4
N4＝(1-x/a)(1+y/b)/4
插值得到这个矩形单元内任意一点x方向位移u(x,y)和y方向位移v(x,y)：
u(x,y)＝u1N1+u2N2+u3N3+u4N4
v(x,y)＝v1N1+v2N2+v3N3+v4N4
设矩形单元内任意一个标志点的插值位移为u(xi,yi)和v(xi,yi)，实测位移为ui和
vi，取插值得到的标志点位移和实测位移差值累计之和最小：
Min∑(u(xi,yi)-ui)2+(v(xi,yi)-vi)2
由上式进行寻优计算可拟合得到矩形单元四节点上x方向位移u1、u2、u3和u4，y方
向位移为v1、v2、v3和v4，将拟合得到的节点位移代入应变公式可以得到矩形单元内任意一
点的应变εx(x,y)，εy(x,y)和γxy(x,y)：
优选地，所述步骤1中纳米硅溶胶用醋酸将PH值调节至5至6之间。
优选地，所述步骤3中养护时间大于36小时。
本发明的有益效果是克服现有装置无法提供可应用于无接触式应变测量的颗粒
间纳米凝胶胶结区成型装置、难以测量砂颗粒胶结区细观应变的问题，同时有效降低试验
过程中对试样的扰动，本发明提供了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置及测量
方法。
附图说明
图1为本发明应变测量时的结构侧视图；
图2为本发明应变测量时的结构俯视图；
图3为本发明中胶结区成形装置的侧视图；
图4为本发明中胶结区成形装置的俯视图；
图5为本发明胶结区和颗粒截面上矩形单元网格示意图；
图6为本发明每个矩形单元节点编号示意图；
图中1.数据采集及控制系统，2.标志点喷涂装置，3.直线式超声波电机，4.施力
杆，5.数码相机，6.光源，7.胶结区，8.A半球颗粒，9.B半球颗粒，10.底座，11.凹槽，12.半圆
截面有机玻璃套管，13.水泵，14.注射细管，15.纳米硅溶胶储存容器。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结
合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-4所示的砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量装置，包括载荷施加装置、胶
结区成形装置、标志点喷涂装置2、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统1；所述载荷施
加装置包括底座10、施力杆4和直线式超声电机3；所述胶结区成形装置包括A半球颗粒8、B
半球颗粒9以及依次连接的水泵13、半圆截面有机玻璃套管12、注射细管14和纳米硅溶胶储
存容器15，两个半球颗粒放置于半圆截面有机玻璃套管12内，有机玻璃套管12的侧边开两
个孔，开孔处位于两颗粒之间，一侧开孔与水泵13连接，另一侧开孔与注射细管14连接；所
述粒子图像测速装置包括PIV用数码相机5和光源设备6；所述数据采集及控制系统1分别与
载荷施加装置和粒子图像测速装置连接。水泵13、半圆截面有机玻璃套管12、注射细管14和
纳米硅溶胶储存容器15之间可拆卸连接。A半球颗粒8位于B半球颗粒9上方。半圆截面有机
玻璃套管12横截面上半圆直径与两个半球颗粒的直径相匹配。两个半球颗粒直径为1mm，半
球颗粒的材料为二氧化硅。底座10中心设有一凹槽11，凹槽11形状与二分之一的半球颗粒
形状相匹配。
本发明砂颗粒纳米凝胶胶结区细观应变测量方法的工作过程如下：
步骤1：如图3所示的半圆截面有机玻璃套管12的侧边的一个孔与水泵13连接，另
一个孔与注射细管14连接，然后有机玻璃套筒12中放入点接触的A半球颗粒8和B半球颗粒
9，有机玻璃套筒12的开孔处位于两颗粒之间，然后连接有机玻璃套筒12的一个开孔与真空
泵13，依次连接有机玻璃套筒12的另一个开孔、注射细管14和纳米硅溶胶储存容器15；
步骤2：开动真空泵13，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器15流出，依次
经过注射细管14、有机玻璃套筒12中两个球颗粒之间的空隙、水泵13；
步骤3：半圆截面有机玻璃套管12中颗粒胶结区养护完成后，将胶结的两个颗粒从
有机玻璃套筒12中推出，将B半球颗粒9粘至底座10的凹槽11内，B颗粒9的球心与底座10上
表面齐平；
步骤4：标志点喷涂装置2将墨水雾化喷在半球颗粒的截面和胶结区7上，从而在半
球颗粒截面和胶结区7形成标识点。
步骤5：如图1所示直线式超声电机3通过施力杆4对上部A半球颗粒8施加水平力，
在胶结区7形成应变。
步骤6：直如图1所示线式超声电机3推进过程中，隔两个时间点用相机5对颗粒横
截面和胶结区7拍照，从而得到标志点的位移；
步骤7：如图5所示，在计算机中将颗粒横截面和胶结区7划分为数个矩形网格，将
标志点上的位移拟合到矩形网格节点上，如图6所示设其中一个矩形网格的节点编号为节
点1、节点2、节点3、节点4，对应每个节点上x方向位移为u1、u2、u3和u4，每个节点上y方向位
移为v1、v2、v3和v4，矩形网格在x轴方向长度为2a，y方向长度为2b，引入如下插值函数N1、N2、
N3、N4：
N1＝(1-x/a)(1-y/b)/4
N2＝(1+x/a)(1-y/b)/4
N3＝(1+x/a)(1+y/b)/4
N4＝(1-x/a)(1+y/b)/4
插值得到这个矩形单元内任意一点x方向位移u(x,y)和y方向位移v(x,y)：
u(x,y)＝u1N1+u2N2+u3N3+u4N4
v(x,y)＝v1N1+v2N2+v3N3+v4N4
设矩形单元内任意一个标志点的插值位移为u(xi,yi)和v(xi,yi)，实测位移为ui和
vi，取插值得到的标志点位移和实测位移差值累计之和最小：
Min∑(u(xi,yi)-ui)2+(v(xi,yi)-vi)2
由上式进行寻优计算可拟合得到矩形单元四节点上x方向位移u1、u2、u3和u4，y方
向位移为v1、v2、v3和v4，将拟合得到的节点位移代入应变公式可以得到矩形单元内任意一
点的应变εx(x,y)，εy(x,y)和γxy(x,y)：
步骤1中纳米硅溶胶用醋酸将PH值调节至5至6之间。
步骤3中养护时间大于36小时。