专利名称：土体断裂参数的测试方法及其测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是低强度材料断裂参数的测试方法及其测试仪器，属于土体断裂参数测试仪器技术领域。
背景技术：
现有技术中常用的是标准三点弯曲断裂试验方法。所述标准三点弯曲试验是测试金属和混凝土断裂参数的标准方法，试验中加荷方向和试样的自重方向一致。现有技术测试土体等抗断裂性能较差材料的断裂参数时，试样可能在加荷前发生因试样自重引起的断裂破坏，即使不发生这种破坏，也因试样自重与断裂荷载相比不可忽略而明显影响试验结果；另外，现有技术用位移引伸仪测量裂缝口张开位移，这使得试样裂缝切口质量和引伸仪的安装质量对试验结果存在较大影响，对土样而言，位移引伸仪更是难以安装；再者，用现有的方法试验土样时很难获得荷载峰值后的试验曲线；对于荷载—位移曲线中无明显荷载峰值的情况，用现有的方法确定裂缝起裂的临界荷载的精度很难保证。
发明内容
本发明的目的在于克服上述常规断裂试验方法和测试仪器的缺陷，提出一种适用于研究土体断裂特性的测试方法和仪器，具有既操作简便又能保证精度的土体断裂仪。它不仅消除了试样自重对试验过程和试验结果的影响，而且提高了测试精度，适宜土体这类抗断裂性能较差材料的断裂特性试验研究。本发明的技术解决方案土体断裂参数的测试方法是加荷方式为简单加荷或循环加荷，加荷方向为水平方向，荷载由一小量程高精度荷重传感器测量，加荷杆位移由百分表测量，试样电导由电导仪测量，临界荷载由荷载位移曲线和电导增量位移曲线确定。
土体断裂参数测试仪，其结构是加荷手柄连接变速箱，变速箱连接传力杆，传力杆连接荷重传感器，荷重传感器连接加荷杆，百分表与试样加荷杆相连，电导仪中的电极直接插入试样两端，万向滚轮支撑放置于试样底部。
本发明的优点测量精度高、可消除试样自重影响的新断裂参数测试仪器，其操作简便，对试样裂缝切口质量要求不高，试样质量易于保证。加荷方向与试样自重方向垂直，消除了试样自重对试验过程和试验结果的影响；可量测整个加荷过程的荷载位移曲线，包括软化段；小量程高精度的荷重传感器可以测得足够精度的荷载值；百分表测量加荷杆位移，避免了试样裂缝切口质量和引伸仪安装质量对试验结果的影响；电导仪测量试验中试样的电导变化；通过荷载位移曲线和电导位移曲线两种方法确定裂缝起裂的临界荷载，保证了临界荷载的准确性。
附图1是本发明简单加荷时的荷载位移曲线的试验成果图。
附图2是本发明简单加荷时的电导增量位移曲线的试验成果图。
附图3是本发明循环加荷时的荷载位移曲线的试验成果图。
附图4是本发明循环加荷时的电导增量位移曲线的试验成果图。
附图5是本发明的结构示意图。
附图6是本发明结构原理示意图。
附图7是本发明结构中电导仪的电路结构示意图。
图中的1’是加荷手柄、2’是变速箱、3’是传力杆、4’是荷重传感器、5’是加荷杆、6’是百分表、7’是电导仪、8’是万向滚轮支撑、9’是试样、AA、BB是试样支点、CC是试样加荷杆、DD是电极、F是裂缝切口、W是试样宽度、B是试样厚度、P是载荷、a是裂缝深度、S是试样有效长度、10’是电极；11’是传感器12’是放大器；13’是A/D转换；14’是数据采集；15’是中央处理器；16’是数据输出。
具体实施例方式
对照附图1，加荷方式为简单加荷，加荷方向为水平方向，荷载由一小量程高精度荷重传感器测量，加荷杆位移由百分表测量，试样电导由电导仪测量，临界荷载由荷载位移曲线或电导增量位移曲线表示。依据荷载P和加荷杆位移绘制荷载位移曲线。
对照附图2，依据试样的电导变化量或电导值和加荷杆位移绘制电导增量位移曲线或者电导位移曲线。
上述两种曲线均可用于确定临界荷载的大小。对于附图1、2所示曲线，在荷载达峰值前，试样电导没有变化，即裂缝没有发生扩展，荷载达峰值后，电导随位移发生变化，即裂缝发生扩展，荷载峰值就是裂缝起裂的临界荷载，临界荷载对应的位移正好是电导增量位移曲线的拐点对应的位移，两种方法确定的结果一致。有些情况的荷载位移曲线并不出现明显的荷载峰值，临界荷载可依据电导增量位移曲线的拐点确定，临界荷载的准确性可以保证。
对照附图3、4，加荷方式为循环加荷，加荷方向为水平方向，荷载由一小量程高精度荷重传感器测量，加荷杆位移由百分表测量，试样电导由电导仪测量，临界荷载由荷载位移曲线或电导增量位移曲线表示。依据荷载P和加荷杆位移绘制荷载位移曲线，如附图3。或依据试样的电导变化量或电导值和加荷杆位移绘制电导增量位移曲线或者电导位移曲线，如附图4。上述两种曲线同样均可用于确定临界荷载的大小。对于附图3、4所示曲线，荷载峰值就是裂缝起裂的临界荷载，临界荷载对应的位移正好是电导增量位移曲线的第一拐点对应的位移，两种方法确定的结果一致。在荷载达峰值前的卸荷—加荷循环中，电导没有发生变化，表明裂缝没有发生扩展；在荷载达峰值后的卸荷—加荷循环中，卸荷时电导保持不变，加荷时电导缓慢变化，当荷载达再加荷的峰值后，电导沿原曲线变化，表明卸荷时裂缝没有发生扩展，加荷时裂缝发生扩展。
对照附图5，其结构是加荷手柄1’连接变速箱2’，按照一定加荷速率施加荷载；变速箱2’连接传力杆3’，控制荷载方向和根据试样尺寸调节加荷杆位置；传力杆3’连接荷重传感器4’，用以测量施加于试样的荷载大小；荷重传感器4’连接加荷杆5’，给试样施加均布线荷载；百分表6’与试样加荷杆相连，测量加荷过程中试样加荷杆的位移；电导仪7’中的电极DD直接插入试样9’两端，测量试验过程中试样电导的变化；万向滚轮支撑8’放置于试样底部，用以平衡试样9’自重和消除试样底部摩擦。
对照附图6，其工作过程是首先把制备好的试样安装在土体断裂仪中，通过试样加荷杆CC给试样施加均布线荷载P，通过百分表6’测量试验中试样加荷杆的位移，同时通过插入试样两端的电极DD，用电导仪7’测量试验过程中试样的电导值。
实施例1、2、3试样有效长度S＝18.50cm，试样宽度W分别为4.40、4.60、4.80cm，试样厚度B分别为2.20、2.30、2.40cm，裂缝深度a分别为2.00、2.25、2.50cm。
加荷方向为水平向，荷载由一小量程高精度荷重传感器测量，加荷杆位移由百分表测量，试样电导由电导仪测量，临界荷载由荷载位移曲线或电导增量位移曲线表示。
对于简单加荷情况，试验中荷载、加荷杆位移、试样电导测量值示于附表1，表中电导增量由电导计算得到。临界荷载可由荷载位移曲线或电导增量位移曲线得到。依据荷载P和加荷杆位移绘制荷载位移曲线，如附图1所示。附图1中横轴为加荷杆位移，纵轴为荷载。附图1中可以看出，当荷载小于峰值时，荷载随加荷杆位移基本呈线性增大，荷载峰值就是临界荷载。依据试样的电导变化量和加荷杆位移绘制电导增量位移曲线，如附图2所示。附图2中横轴为加荷杆位移，纵轴为电导增量。
比较附图2和附图1可知，在加荷杆位移小于荷载峰值对应的位移时，试样电导增量为零，即裂缝没有发生扩展；当加荷杆位移大于荷载峰值对应的位移时，试样电导发生变化，即裂缝发生扩展；荷载峰值对应的加荷杆位移正好是电导增量位移曲线的拐点对应的位移，即裂缝起裂的位移，荷载峰值就是临界荷载。两种方法确定的结果一致。
对于循环加荷情况，试验中荷载、加荷杆位移、试样电导测量值示于附表2，表中电导增量由电导计算得到。临界荷载可由荷载位移曲线或电导增量位移曲线得到。依据荷载P和加荷杆位移绘制荷载位移曲线，如附图3所示，附图3中横轴为加荷杆位移，纵轴为荷载。依据试样的电导变化量和加荷杆位移绘制电导增量位移曲线，如附图4所示，附图4中横轴为加荷杆位移，纵轴为电导增量。依据附图3、4均可确定临界荷载，其方法与简单加荷情况相似。
从附图3、4还可以看出，在荷载达峰值前的卸荷—加荷循环中，电导没有发生变化，表明裂缝没有发生扩展；在荷载达峰值后的卸荷—加荷循环中，卸荷时电导保持不变，加荷时电导缓慢变化，当荷载达再加荷的峰值后，电导沿原曲线变化，表明卸荷时裂缝没有发生扩展，加荷时裂缝发生扩展。
试用证明，消除了土样自重对试验过程和试验结果的影响。对传统的标准三点弯曲断裂试验方法进行了改进，加载方向由竖直向改为水平向，从而使加载方向与土样自重方向垂直。小量程高精度的荷重传感器保证了荷载测量精度。试样底部应用万向滚轮支撑，消除试验底部摩擦力的同时并不约束试样的变形。百分表用于测量试样加荷杆的位移。试样的电导用电导仪测得。该电导仪由现有技术电极10’、传感器11’、放大器12’、A/D转换13’、数据采集14’、中央处理器15’、数据输出16’串接而成。
用荷载—加荷杆位移曲线法和电导增量位移曲线或电导位移曲线法确定试样起裂的临界荷载，可以确保临界荷载的准确性。可以测得试样整个断裂过程中的荷载—加荷杆位移曲线。可分别进行三点弯曲断裂试验和四点非对称断裂试验。可分别测试土样I型和II型裂缝问题的断裂韧度KIC、KIIC和I-II复合裂缝问题的K因子。
表1 简单加荷试验测试数据
表2 循环加荷试验测试数据
权利要求
1.土体断裂参数的测试方法，其特征是加荷方式为简单加荷或循环加荷，加荷方向为水平方向，荷载由一小量程高精度荷重传感器测量，加荷杆位移由百分表测量，试样电导由电导仪测量，临界荷载由荷载位移曲线或电导增量位移曲线表示。
2.土体断裂参数测试仪，其特征是加荷手柄(1’)连接变速箱(2’)，变速箱(2’)连接传力杆(3’)，传力杆(3’)连接荷重传感器(4’)，荷重传感器(4’)连接加荷杆(5’)，百分表(6’)与试样加荷杆(5’)相连，电导仪(7’)中的电极(DD)直接插入试样(9’)两端，万向滚轮支撑(8’)放置于试样(9’)底部。
全文摘要
本发明是土体断裂参数的测试方法及其测试仪，其测试方法在于加荷方向为水平方向，荷载由一小量程高精度荷重传感器测量，加荷杆位移由百分表测量，试样电导由电导仪测量，临界荷载由荷载位移曲线和电导增量位移曲线确定。测试仪由加荷手柄、变速箱、传力杆、荷重传感器、加荷杆、百分表、电导仪、万向滚轮支撑、试样组成。优点测量精度高、可消除试样自重影响的新断裂参数测试仪器，操作简便，试样质量易于保证。消除试样自重对试验过程和试验结果的影响；测量整个加荷过程的荷载一位移曲线；避免试样裂缝切口质量和引伸仪安装质量对试验结果的影响；通过荷载位移曲线和电导增量位移曲线方法确定裂缝起裂的临界荷载，保证了临界荷载的准确性。
文档编号G01N3/40GK1699955SQ20051004001
公开日2005年11月23日 申请日期2005年5月16日 优先权日2005年5月16日
发明者朱俊高, 王俊杰, 陈亮 申请人:河海大学