一种排土场散体物料泊松比的测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种排土场散体物料泊松比的测量装置及方法，包括圆柱筒型结构的散体试样侧限盒、轴向加压油缸、压力传感器，在散体试样侧限盒壁面沿周向均匀开设有若干水平缝和竖直缝，在水平缝内侧的散体试样内沿水平方向设置有与水平缝对应的水平薄金属片，在竖直缝内侧的散体试样内沿竖直方向设置有与竖直缝对应的竖直薄金属片，水平薄金属片和竖直薄金属片分别与第一拉拔垫片和第二拉拔垫片连接；拉拔仪设置于拉拔仪支架上，拉拔仪能够朝散体试样侧限盒径向向外拉拔以将水平薄金属片或竖直薄金属片从水平缝或竖直缝拔出。本发明可以真实反应散体物料的侧应力，泊松比测量准确度高，具有更经济、简单、准确的优点。

权利要求

1.一种排土场散体物料泊松比的测量装置，包括设置在底座上的圆柱筒型结构的散体试样侧限盒、用于向散体试样施加轴向荷载的轴向加压油缸、用于检测轴向压力大小的压力传感器，其特征在于，还包括：

在散体试样侧限盒壁面沿周向均匀开设有若干水平缝，在与水平缝不同高度上沿周向均匀开设有若干竖直缝，在水平缝内侧的散体试样内沿水平方向设置有与水平缝对应的水平薄金属片，在竖直缝内侧的散体试样内沿竖直方向设置有与竖直缝对应的竖直薄金属片，水平薄金属片与设置于水平缝外侧的第一拉拔垫片连接，竖直薄金属片与设置于竖直缝外侧的第二拉拔垫片连接，第一拉拔垫片和第二拉拔垫片用于与拉拔仪相连；

拉拔仪设置于拉拔仪支架上，拉拔仪在拉拔仪支架上的高度能调节至与水平缝或竖直缝高度相一致，拉拔仪能够朝散体试样侧限盒径向向外拉拔以将水平薄金属片或竖直薄金属片从水平缝或竖直缝拔出。

2.根据权利要求1所述的排土场散体物料泊松比的测量装置，其特征在于，在所述散体试样侧限盒壁面沿周向以120°为间距设置所述水平缝和竖直缝。

3.根据权利要求1或2所述的排土场散体物料泊松比的测量装置，其特征在于，所述水平薄金属片和竖直薄金属片分别通过穿过竖直缝和水平缝的金属丝连接至第一拉拔垫片和第二拉拔垫片。

4.根据权利要求1所述的排土场散体物料泊松比的测量装置，其特征在于，所述拉拔仪支架上设置有与水平缝和竖直缝高度相同的拉拔仪固定螺丝孔，拉拔仪固定螺丝孔内设置拉拔仪固定螺丝，用于将拉拔仪固定。

5.根据权利要求1或4所述的排土场散体物料泊松比的测量装置，其特征在于，所述拉拔仪支架底部装有滑轮，底座上设置有导轨，拉拔仪支架通过滑轮能够在导轨内沿散体试样侧限盒径向滑动。

6.根据权利要求1、2或4所述的排土场散体物料泊松比的测量装置，其特征在于，所述散体试样侧限盒竖直插装在底座表面的插槽内，底座上固定安装有反力架，轴向加压油缸设置于反力架顶部，轴向加压油缸的活塞杆端部设有压力传感器，压力传感器连接至压力显示器。

7.根据权利要求1、2或4所述的排土场散体物料泊松比的测量装置，其特征在于，所述拉拔仪连接有拉拔仪拉力显示器。

8.一种采用权利要求1～7任一项所述测量装置进行测量排土场散体物料泊松比的方法，其特征在于，包括下述的步骤：

S1. 将制备好的散体试样装入散体试样侧限盒，在装样过程中布设水平薄金属片和第一拉拔垫片以及竖直薄金属片和第二拉拔垫片；

S2. 向散体试样施加轴向荷载，使之等于试验设计所需加载的轴向荷载；

S3. 在拉拔仪支架上调整拉拔仪至水平缝高度，连接第一拉拔垫片，启动拉拔仪，使水平薄金属片被匀速沿散体试样侧限盒径向向外拉并从水平缝拔出，读取拉拔力峰值F拉拔1大小，根据公式η=SF拉拔1/2F轴A计算散体试样平均摩擦系数，其中η为散体试样平均摩擦系数，F拉拔1为水平拉拔力峰值，F轴为轴向加压油缸施加压力数值，A为薄铁片面积，S为散体试样侧限盒内径面积；

S4. 在拉拔仪支架上调整拉拔仪至竖直缝高度，连接第二拉拔垫片，启动拉拔仪，使竖直薄金属片被匀速沿散体试样侧限盒径向向外拉并从竖直缝拔出，读取拉拔力峰值F拉拔2大小，利用公式σ侧=F拉拔2/2ηA计算竖直薄金属片上作用的平均侧向土压力数值σ侧，式中F拉拔2为竖直拉拔力峰值，η为散体试样平均摩擦系数；

S5. 根据广义胡克定律公式计算侧限应力条件下散体试样泊松比。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S2根据排土场粒度分布特征和稳定性分析实际工程所需，试验前预先设计需要施加的各等级轴向荷载大小。

说明书

一种排土场散体物料泊松比的测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于采矿工程和岩土工程试验技术领域，涉及一种排土场散体物料泊松比的测量装置及方法。

背景技术

[0002] 排土场散体物料泊松比是反映散体物料横向变形的系数，也是在进行排土场岩土工程设计、计算及数值模拟等中必不可少的参数之一；排土场散体物料具有土粒尺寸相差
悬殊、不均匀程度高，粗粒土的力学性质复杂，在高度上呈现明显的粒度分级规律等特征；
为得到粗粒土的泊松比参数常用到室内三轴压缩仪进行试验，而传统三轴试验仪外置位移
传感器测得的轴向变形比实际变形偏大，并且目前尚无圆柱体试样径向变形位移传感器直
接测量，而需经过复杂的推导过程推算，且排土场散体物料因其有上述特殊性，测量往往需
要特制大型三轴压缩仪，此方法不仅对人力和财力提出较高要求，且试验过程又较为繁琐。

[0003] 公开号为CN110567429A的中国专利，公开了一种侧限应力条件下地基土体实际泊松比测量装置及方法，该专利利用侧置的微型土压力计及轴向放置的应力传感器，直接测
量出水平侧向应力大小，并结合广义胡克定律来测算土体泊松比，本质上属于直接量测法，
但该专利仅适用于地基土体，一般仅适用于试样表面光滑的粘性土泊松比测试。排土场散
体物料本质上属于粒度级配不均匀的巨粒无粘性土，考虑到排土场散体物料存在土粒尺寸
相差悬殊、不均匀程度高等前述不同于地基土体的特征，制备好的排土场散体物料试样中
也会存在土粒间大大小小的间隙。利用该专利的侧置微型土压力计测量排土场散体物料侧
应力时，由于散体物料土粒形状各异和土粒间间隙的存在，导致微型土压力计表面无法充
分和土粒接触，有限的受力部分产生受力不均而无法真实反应散体物料的侧应力，导致该
方法针对排土场散体物料的泊松比测量存在测量准确度低甚至无法测量的弊端，无法真实
反应排土场散体物料的泊松比。因此该专利并不适用于测量排土场散体物料的泊松比。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种排土场散体物料泊松比的测量装置及方法，符合排土场散体物料的真实应力条件，测量
准确度更高。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

[0006] 一种排土场散体物料泊松比的测量装置，包括设置在底座上的圆柱筒型结构的散体试样侧限盒、用于向散体试样施加轴向荷载的轴向加压油缸、用于检测轴向压力大小的
压力传感器，还包括：

[0007] 在散体试样侧限盒壁面沿周向均匀开设有若干水平缝，在与水平缝不同高度上沿周向均匀开设有若干竖直缝，在水平缝内侧的散体试样内沿水平方向设置有与水平缝对应
的水平薄金属片，在竖直缝内侧的散体试样内沿竖直方向设置有与竖直缝对应的竖直薄金
属片，水平薄金属片和竖直薄金属片分别与设置于水平缝和竖直缝外侧的第一拉拔垫片和
第二拉拔垫片连接，第一拉拔垫片和第二拉拔垫片用于与拉拔仪相连；

[0008] 拉拔仪设置于拉拔仪支架上，拉拔仪在拉拔仪支架上的高度能调节至与水平缝或竖直缝高度相一致，拉拔仪能够朝散体试样侧限盒径向向外拉拔以将水平薄金属片或竖直
薄金属片从水平缝或竖直缝拔出。

[0009] 进一步的，在所述散体试样侧限盒壁面沿周向以120为间距设置所述水平缝和竖直缝。

[0010] 进一步的，所述水平薄金属片和竖直薄金属片分别通过穿过竖直缝和水平缝的金属丝连接至第一拉拔垫片和第二拉拔垫片。

[0011] 进一步的，所述拉拔仪支架上设置有与水平缝和竖直缝高度相同的拉拔仪固定螺丝孔，拉拔仪固定螺丝孔内设置拉拔仪固定螺丝，用于将拉拔仪固定。

[0012] 进一步的，所述拉拔仪支架底部装有滑轮，底座上设置有导轨，拉拔仪支架通过滑轮能够在导轨内沿散体试样侧限盒径向滑动。

[0013] 进一步的，所述散体试样侧限盒竖直插装在底座表面的插槽内，底座上固定安装有反力架，轴向加压油缸设置于反力架顶部，轴向加压油缸的活塞杆端部设有压力传感器，
压力传感器连接至压力显示器。

[0014] 进一步的，所述拉拔仪连接有拉拔仪拉力显示器。

[0015] 本发明提供的采用所述测量装置进行测量排土场散体物料泊松比的方法，包括下述的步骤：

[0016] S1.将制备好的散体试样装入散体试样侧限盒，在装样过程中布设水平薄金属片和第一拉拔垫片以及竖直薄金属片和第二拉拔垫片；

[0017] S2.向散体试样施加轴向荷载，使之等于试验设计所需加载的轴向荷载；

[0018] S3.在拉拔仪支架上调整拉拔仪至水平缝高度，连接第一拉拔垫片，启动拉拔仪，使水平薄金属片被匀速沿散体试样侧限盒径向向外拉并从水平缝拔出，读取拉拔力峰值大
小，并计算散体试样平均摩擦系数；

[0019] S4.在拉拔仪支架上调整拉拔仪至竖直缝高度，连接第二拉拔垫片，启动拉拔仪，使竖直薄金属片被匀速沿散体试样侧限盒径向向外拉并从竖直缝拔出，读取拉拔力峰值大
小，计算竖直薄金属片上作用的平均侧向土压力数值；

[0020] S5.根据广义胡克定律公式计算侧限应力条件下散体试样泊松比。

[0021] 进一步的，所述S2根据排土场粒度分布特征和稳定性分析实际工程所需，试验前预先设计需要施加的各等级轴向荷载大小。

[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0023] 本发明充分考虑散体物料的特征，利用了与CN110567429A完全不同的测量原理方法和装置，本质上属于间接量测方法，总体分为两步：第一步通过拉拔水平薄铁片，测量出
散体物料与薄铁片之间的摩擦系数；第二步利用所量测出的摩擦系数，通过拉拔竖直薄铁
片，测量出散体物料的侧应力并通过计算得到泊松比。利用薄铁片具有受力面积更大、更均
匀的特点，使得测量值更符合真实值，且具有测试方便，成本低廉的优点。

[0024] 所以，本发明符合排土场散体物料的真实应力条件，并结合测量力、滑动摩擦力计算方法及排土场散体物料应力应变关系的间接力学方法测量泊松比。相较于
CN110567429A，可以真实反应散体物料的侧应力，泊松比测量准确度高。相较于传统大型三
轴试验仪从应变关系测量泊松比的方法，本发明只需进行单轴试验，具有更经济、简单、准
确的优点，有效解决现有技术中的弊端。

附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明
的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
这些附图获得其他的附图。

[0026] 图1为本发明一个具体实施例的排土场散体物料泊松比的测量装置的结构示意图，同时为实施例的步骤六中水平缝薄铁片拉拔过程示意图；

[0027] 图2为图1中A‑A剖视图；

[0028] 在以上图中：1、轴向加压油缸；2、传压板；3、垫片；4、散体试样；5、散体试样侧限盒；6、底座；7、反力架；8、压力传感器；9‑1、竖直薄铁片；9‑2、水平薄铁片；10‑1、第二拉拔垫
片；10‑2、第一拉拔垫片；11、拉拔盒；12‑1、拉拔仪支架竖直部分；12‑2、拉拔仪支架水平部
分；13、拉拔仪固定螺丝孔；14、拉拔仪固定螺丝；15、拉拔仪；16、滑轮；17、导轨；18、拉拔仪
支架固定螺丝；19、压力显示器；20、拉拔仪拉力显示器；21、水平缝；22、竖直缝。

具体实施方式

[0029] 为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

[0030] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的
保护范围。

[0031] 如图1、2所示，本实施例的排土场散体物料泊松比的测量装置，包括底座6、反力架7、轴向加压油缸1、散体试样侧限盒5、薄铁片、压力传感器8、拉拔仪15及拉拔仪支架、导轨
17。

[0032] 反力架7固定安装在底座6上，轴向加压油缸1竖直吊装在反力架7顶部正中位置，轴向加压油缸1的活塞杆竖直朝下设置，在轴向加压油缸1的活塞杆端部设有压力传感器8。
压力传感器8通过传感器导线连接至压力显示器19，通过电脑软件直接读取、采集压力传感
器8的轴向加压油缸压力数据。

[0033] 散体试样侧限盒5采用圆柱筒型结构，竖直插装在底座6表面正中央的插槽内，散体试样侧限盒5的外径、内径分别等于侧限盒插槽的外径、内径。在散体试样侧限盒5壁面以
120°为间距分别开设一条，例如长×宽＝30.0mm×1.0mm的水平缝21和竖直缝22，竖直缝22
在水平缝21的上方。也可以90°为间距开设4条水平缝21或竖直缝22。

[0034] 在一个具体实施例中，薄铁片规格为长×宽＝70.0mm×30.0mm长方形薄铁片，包括竖直薄铁片9‑1和水平薄铁片9‑2，分别按照竖直和水平两种方式安装在散体试样4内，并
分别通过穿过竖直缝22和水平缝21的铁丝连接至设置于散体试样侧限盒5外壁开缝处的第
二拉拔垫片10‑1和第一拉拔垫片10‑2。拉拔垫片与拉拔仪15的拉拔盒11相连，拉拔垫片长
度等于拉拔盒11开口宽度，考虑到力的传导更均匀，拉拔垫片刚好卡入到拉拔盒内。

[0035] 拉拔仪15水平固定于拉拔仪支架上，拉拔作用方向沿散体试样侧限盒径向朝外。拉拔仪支架包括拉拔仪支架竖直部分12‑1和设置于其底部的拉拔仪支架水平部分12‑2。拉
拔仪支架竖直部分12‑1上设置有两个拉拔仪固定螺丝孔13，拉拔仪固定螺丝孔13内设置拉
拔仪固定螺丝14，用于固定拉拔仪15。两个拉拔仪固定螺丝孔13分别与散体试样侧限盒壁
上所开水平缝21、竖直缝22位置水平对应。拉拔仪支架水平部分12‑2装有滑轮16，导轨17固
定于底座6上表面。拉拔仪支架通过滑轮16可在导轨17内滑动，并由拉拔仪支架固定螺丝18
将拉拔仪支架与底座6固定，防止拉拔过程中拉拔仪支架滑动。

[0036] 本实施例拉拔仪15型号为HC‑30型拉拔仪，连接有拉拔仪拉力显示器20，可直接读取拉拔力数据。

[0037] 上述的排土场散体物料泊松比的测量装置，其原理包括以下三点：

[0038] 一、通过水平薄铁片9‑2拉拔试验得到散体物料试样的平均摩擦系数η。考虑到水平薄铁片9‑2在拉拔过程中受散体物料试样的摩擦力2f、轴向加压活塞施加的轴应力σ轴及
拉拔仪15施加的拉拔力，结合摩擦力定义，可将σ轴视为作用于水平薄铁片9‑2的正应力，结
合摩擦力公式F拉拔1＝2f＝2ησ轴A→η＝SF拉拔1/2F轴A得到散体物料试样的平均摩擦系数η，其中
峰值拉拔力F拉拔1可通过拉拔仪拉力显示器20读取，F轴可通过压力显示器19读取；

[0039] 二、通过竖直薄铁片9‑1拉拔试验得到散体物料试样的平均侧向土压力数值σ侧。考虑到竖直薄铁片9‑1在拉拔过程中受散体物料试样的摩擦力2f、散体物料试样的侧应力σ侧
及拉拔仪施加的拉拔力，结合摩擦力定义，可将σ侧视为作用于竖直薄铁片9‑1的正应力，结
合摩擦力公式F拉拔2＝2f＝2ησ侧A→σ侧＝F拉拔2/2ηA得到散体物料试样中的侧应力σ侧，其中峰值
拉拔力F拉拔2可通过拉拔仪拉力显示器20读取；

[0040] 三、根据广义胡克定律公式σ侧＝μ/(1‑μ)σ轴→μ＝σ侧/(σ侧+σ轴)计算侧限应力条件下排土场散体物料泊松比。

[0041] 本实施例的排土场散体物料泊松比的测量方法，采用上述的排土场散体物料泊松比的测量装置，包括以下步骤：

[0042] 步骤一：排土场现场粒度调查，并根据相似级配法配置多组试样级配方案；

[0043] 例如，在排土场有代表性的测试区段设置上部(坡顶)、中部和下部(坡底)3个测试区，每个测试区各设3个试验工点进行筛网筛分或筛网筛分与直接测量相结合得到排土场
现场粒度测试结果，对于粒径大于60mm的散体物料根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123‑
2019)提出的相似级配法配置多组试样级配方案；

[0044] 对于其中的某个试验工点进行下述步骤二～八；

[0045] 步骤二：根据排土场现场散体物料粒度分布特征和稳定性分析实际工程所需，试验前预先设计需要施加的各等级轴向荷载大小。

[0046] 因排土场物料土体粒径不均，由于重力原因造成物料随高度变化呈现不同的粒径组成(一般是上部土粒粒径小、下部土粒粒径大)。根据各试验工点的粒度测试结果，可分为
上部、中部、下部三部分来提出上部、中部、下部的试样级配方案。若所需计算泊松比的点位
于上部则用F轴＝ρ上gh计算，若点位于中部则用F轴＝ρ上gh1+ρ中gh，若点位于下部则用F轴＝ρ上
gh1+ρ中gh2+ρ下gh计算。ρ为密度，g为重力加速度，h1、h2为上部、中部高度，h为计算点在该部
分的埋深。

[0047] 步骤三：将散体试样侧限盒5插装到底座6上表面，根据《土工试验方法标准》(GB/T50123‑2019)将该试验工点位置的散体物料制备成散体试样4，将散体物料振捣装样至水
平缝21高度并将散体物料的上表面平整成水平面，布设水平薄铁片9‑2及第一拉拔垫片10‑
2，振捣装样至竖直缝22缝底高度，布设竖直薄铁片9‑1及第二拉拔垫片10‑1，再以相同方法
装样至距离散体试样侧限盒5筒口位置约3cm处；

[0048] 步骤四：在散体试样4上表面布设垫片3、传压板2；

[0049] 步骤五：启动轴向加压油缸1，使轴向加压油缸1活塞匀速向下伸出，直至活塞端部压力传感器8顶靠传压板2，然后轴向加压油缸1匀速施加轴向荷载，并通过压力显示器19监
测直至荷载数值等于步骤二中计算轴向荷载数值；

[0050] 步骤六：在拉拔仪支架上调整拉拔仪15至水平缝21高度，组装拉拔盒11与第一拉拔垫片10‑2，并将拉拔仪15用拉拔仪固定螺丝14固定，启动拉拔仪15，使水平薄铁片9‑2被
匀速水平朝径向外方向拔出，待3组水平缝拉拔试验结束后，通过拉拔仪拉力显示器20读取
拉拔力峰值大小，并根据摩擦力公式F拉拔1＝2f＝2ησ轴A→η＝SF拉拔1/2F轴A计算出3组水平缝拉
拔试验的散体试样平均摩擦系数η，式中F拉拔1为水平拉拔力数值，f为薄铁片与散体试样的
滑动摩擦力，σ轴为轴向加压油缸施加应力数值，F轴为轴向加压油缸施加压力数值，A为薄铁
片面积，S为散体试样侧限盒内径面积；

[0051] 步骤七：在拉拔仪支架上调整拉拔仪15至竖直缝22高度，组装拉拔盒11与第二拉拔垫片10‑1，并将拉拔仪15用拉拔仪固定螺丝14固定，启动拉拔仪15，使竖直薄铁片9‑1被
匀速竖直朝径向外方向拔出，待3组竖直缝拉拔试验结束后，通过拉拔仪拉力显示器20读取
拉拔力峰值大小，并根据摩擦力公式F拉拔2＝2f＝2ησ侧A→σ侧＝F拉拔2/2ηA计算出3组竖直缝拉
拔试验中的竖直薄铁片9上作用的平均侧向土压力数值σ侧，式中F拉拔2为竖直拉拔力数值，η
为散体试样平均摩擦系数；

[0052] 步骤八：根据广义胡克定律公式σ侧＝μ/(1‑μ)σ轴→μ＝σ侧/(σ侧+σ轴)计算侧限应力条件下排土场散体物料泊松比；

[0053] 步骤九：重复步骤一至八，获得不同现场粒度调查试验工点处的散体物料泊松比，例如分别获得排土场上部、中部、下部各3处现场粒度调查试验工点处的散体物料泊松比，
为了进一步提高测量排土场散体物料实际泊松比准确性，可以进行多次的平行试验，并求
取各试验工点平行试验的泊松比平均值，使测试结果更贴近真实值。

[0054] 上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等
同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。