专利名称：土体数控拉伸试验系统及其试验方法
技术领域：
本发明涉及一种试验技术，尤其是一种土木、水电、交通等工程领域土体拉伸试验中使用的土体数控拉伸试验系统及其试验方法。
背景技术：
目前，近年来，随着公路、机场、高土石坝、深基坑等工程的逐渐增多，土工结构物因土体受拉开裂而造成的工程损失越来愈严重 。在研究土坝、土堤、路基中是否出现拉裂缝和对已产生裂缝的原因进行分析和处理时，对土体拉伸变形特性的正确认识以及其抗拉强度指标的准确测量越来越重要。但是在以往研究土体的力学性能时，考虑最多的是土体的抗剪性能和抗压性能，只注重抗剪强度和压缩模量等指标的测试，往往忽略了土体的抗拉变形和抗拉强度，在土体结构物的力学分析时认为土体不能抗拉，即土体的抗拉强度为零，实际上土体具备一定的抗拉强度特性。由于对土体抗拉变形与抗拉强度特性研究的不足，导致了土体拉伸试验装置发展的严重滞后。为了正确认识土体拉伸变形和准确测量土体抗拉强度，本发明研制了土体数控拉伸试验系统，该系统有效解决了土体拉伸试验中容易产生的偏心受拉和应力集中问题，利用本发明可以准确测量土体的拉伸变形模量和抗拉强度，从而进一步揭示清楚土体的抗拉变形特性，必将为土工结构物的合理设计与安全控制提供重要试验力学参数。目前关于土体拉伸试验装置的研究现状如下(I)《水利学报》1995年第6期介绍了一种拉伸试验装置，该装置由试验台架、传力板、砝码和测量装置组成。试件的两端用环氧树脂与端板粘结，通过加砝码的方式对试件施加拉力。该装置不能精确控制试件所受的拉力，应用环氧树脂粘结试件对土体力学性能有较大的影响，同时不能实现对拉伸变形数据的自动采集与分析处理。(2)《大坝观测与土工测试》1997年第4期介绍了一种单轴静动拉压试验仪，该仪器可对土体试件施加静力拉压和周期动力荷载，测定土的静、动强度。试件的变形采用电涡位移传感器进行非接触量测，埋设螺钉、用环氧树脂将加载板与试件端部粘结来传递拉力。该系统不能实现位移数据的自动采集与分析处理，对试件施加拉力的方式也难以消除偏心受拉的影响。(3)《力学学报》1997第5期介绍了一种用于测量软煤或土的拉伸实验装置。该装置利用模具压制出均匀的环形试件，对环形试件内壁施加均布径向水压力使其拉伸变形和破坏，由压力传感器和位移传感器测量，并由动态数据采集器记录。该装置测量方法属于间接测量方法，环形试件在受拉破坏时承受了较大的压力，与实际工程条件差距较大，并且试验过程较为复杂不易控制。(4)《陕西水力发电》1998第4期介绍了一种单轴拉伸仪，该仪器主要由台架、传力板、加力台和砝码几部分组成，用502瞬间粘结剂将试件与传力板连接，加砝码于加力盘上进行抗拉试验。该系统不能实现拉力的精确控制，不能实现位移数据的自动采集与分析处理，利用粘结剂连接试件与传力板对土体的力学性能有较大的影响。
(5)《水利水电科技进展》2001年第5期介绍了一种单轴土工拉伸仪，该仪器是在原直接剪切仪的基础上改造的，由拉伸系统和测力系统组成。该仪器通过手轮控制拉力，利用普通夹具对土体试件施加拉力，通过百分表和测力环来测量应力和应变。该系统不能实现拉力的精确控制，普通夹具容易使试件产生应力集中，不能实现位移数据的自动采集与分析处理。(6)《岩石力学与工程学报》2005年10月增刊介绍了一种能进行土体单轴拉伸试验的夹具安装于电子万能试验机上，该仪器能对试样进行连续均匀加载，通过夹具对土体施加拉力。该仪器存在拉力偏心的问题，并且在夹具和试件之间容易产生应力集中或相对滑移。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种能够更真实反映土体拉伸变形与强度特性的土体数控拉伸试验系统及其试验方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种土体数控拉伸试验系统，包括拉伸加载装置、液压加载数字伺服控制系统和位移拉力自动测试分析系统，所述拉伸加载装置分别与液压加载数字伺服控制系统和位移拉力自动测试分析系统相连；所述拉伸加载装置包括拉伸工作平台，所述拉伸工作平台设有两个相对的固定支架，相对侧的其中一个固定支架上设有第一对中传力轴承装置，另一个固定支架上设有水平放置的拉伸千斤顶，千斤顶的推拉杆外端部与第二对中传力轴承装置固定连接，第一对中传力轴承装置和第二对中传力轴承装置之间设有哑铃型半开钢制模具，哑铃型半开钢制模具中放置拉伸试件，哑铃型半开钢制模具的两端分别与第一对中传力轴承装置和第二对中传力轴承装置相连。所述拉伸千斤顶上设有拉力传感器，拉力传感器与位移拉力自动测试分析系统相连。所述第一、第二对中传力轴承装置均包括一个轴承支座，轴承支座通过其内的滚动球铰与传力拉杆相连，传力拉杆与哑铃型半开钢制模具一端相连。所述哑铃型半开钢制模具由沿纵向断开的对称两部分组成，两部分对接后的中心形成一哑铃型空腔，哑铃型空腔中放置土体拉伸试件，所述断开的对称两部分的两端分别与第一、第二对中传力轴承装置相连。所述液压加载数字伺服控制系统包括相连的数字伺服控制试验台和伺服电机系统，伺服电机系统包括油箱，油箱上设有伺服电机和压力表，油箱通过油路与拉伸千斤顶的进出口相连，油路上设有电磁控制阀。所述位移拉力自动测试分析系统包括相连的光栅尺位移传感器、拉力传感器和计算机数据采集处理系统，所述光栅尺位移传感器设置于与拉伸千斤顶相连端的哑铃型半开钢制模具上。一种利用土体数控拉伸试验系统进行拉伸试验的方法，步骤如下I)将土体拉伸试件放置于哑铃型半开钢制模具的空腔中；2)将包括土体拉伸试件的哑铃型半开钢制模具两端分别与第一第二对中传力轴承装置相连；
3)启动液压加载数字伺服控制系统，按等应力或等应变加载方式控制拉伸千斤顶拉伸与其相连的哑铃型半开钢制模具沿试件轴向移动；4)拉力传感器将拉伸千斤顶所施加的拉力大小传递给计算机数据采集处理系统；光栅尺位移传感器将哑铃型半开钢制模具的轴向位移也传递给计算机数据采集处理系统；5)计算机数据采集处理系统将光栅尺位移传感器所测试的位移和拉力传感器所测试的拉力进行自动存储和实时显示，通过计算机数据采集处理系统内部编制的数据处理计算程序自动获得土体试件的拉力 位移曲线和应力 应变曲线，并依此获得土体抗拉强度和拉伸弹性模量。本发明中的计算机数据采集处理系统包括计算机本机和其内编制的数据处理计
算程序。·本发明包括拉伸加载装置、液压加载数字伺服控制系统和位移拉力自动测试分析系统。拉伸加载装置主要用于进行土体试件的轴向拉伸加载，拉伸荷载量值大小通过液压加载数字伺服控制系统进行控制，加载方式有等应力和等应变两种。拉伸加载装置主要由拉伸千斤顶、拉力传感器、对中传力轴承装置和哑铃型半开钢制模具组成。哑铃型半开钢制模具用于放置受拉土体试件，钢制模具由在中间断开的对称两部分组成，其右半部分与对中传力轴承装置连接，并固定在试验台架上，其左半部分与对中传力轴承装置连接，并承受千斤顶拉力，承受拉力时左半部分会沿试件轴向移动，直至土体试样被拉坏。哑铃型钢制模具可保证试件均匀受拉，避免试件因端部夹持出现应力集中问题。对中传力轴承装置连接在钢制模具两端，主要由传力拉杆、滚动球铰和球铰支座组成，连接传力拉杆的滚动球绞可在轴承支座内自由转动，从而保证试件严格轴向受拉，避免偏心受拉造成试验失败。拉力传感器和拉伸千斤顶与计算机数据采集处理系统连接，主要用于测试千斤顶所施加的拉力大小。液压加载数字伺服控制系统主要用于拉伸加载装置的自动、伺服、高精度、数字液压加载，实现拉伸加载的数字化、可视化和智能化精确控制，可以按等应力和等应变两种加载。液压加载数字伺服控制系统主要由数控试验台和伺服电机系统组成。数控试验台包括控制柜、柜内安装的电子元器件以及编制的液压加载控制程序；伺服电机系统包括伺服电机、电磁控制阀、油箱、油压表等。通过数控试验台控制伺服电机系统来实现拉伸装置液压加载的数字化、可视化和智能化。位移拉力自动测试分析系统主要包括光栅尺位移传感器、拉力传感器和计算机数据采集处理系统，光栅尺位移传感器是利用莫尔条纹移动来测量位移的高精度光学测试元件，通过计算机数据采集处理系统可将光栅尺位移传感器所测试的位移和拉力传感器所测试的拉力进行自动存储和实时显示，通过计算处理自动获得土体试件的拉力 位移曲线、应力 应变曲线、抗拉强度和拉伸弹性模量等力学参数。本发明与国内外同类型的试验装置相比具有如下显著的技术优势(I)本发明实现了拉伸液压加载的数字化、可视化和伺服化，实现对拉伸位移和拉力的自动采集和分析处理。(2)本发明通过设置对中传力轴承装置保证了拉伸试件严格轴向受拉，有效避免传统拉伸试验容易出现的偏心受拉问题。
(3)本发明通过设置哑铃型半开钢制模具保证了拉伸试件均匀受力，有效避免传统拉伸试验因试件端部采用夹具夹持容易产生的应力集中或拉伸滑移问题。(4)本发明是直接测定土体抗拉强度和变形模量的试验装置，相比其它间接的测定方法(如劈裂法、土梁法和环形试件法)具有明显的优势，可以直接测定土体的抗拉强度和拉伸变形模量等力学参数。(5)本发明除适用于土体拉伸外，也适用于石膏、水泥砂浆、树脂类材料的拉伸试验，应用范围广泛。(6)本发明结构紧凑、操作简单、使用界面友好。 (7)本发明可广泛应用于土木、水电、交通、能源、资源和国防等工程领域的拉伸试验研究，应用前景广阔，经济效益显著。
图I是土体拉伸试验系统结构示意图；图2是对中传力轴承结构示意图；图3是哑铃型半开钢制模具结构示意图；I.拉伸加载装置；2.液压加载数字伺服控制系统；3.位移拉力自动测试分析系统；4.拉力传感器；5.拉伸千斤顶；6.对中传力轴承装置；7.哑铃型半开钢制模具；8.光栅尺位移传感器；9.固定支架；10.拉伸工作平台；11.数字伺服控制试验台；12.油箱；13.电磁控制阀；14.伺服电机；15.油压表；16.传力拉杆；17.滚动球铰；18.轴承支座；19.拉伸试件；20.计算机数据采集处理系统
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图I中，土体数控拉伸试验系统主要由拉伸加载装置I、液压加载数字伺服控制系统2和位移拉力自动测试分析系统3组成。拉伸加载装置I主要由拉力传感器4、拉伸千斤顶5、对中传力轴承装置6、哑铃型半开钢制模具7、固定支架9和拉伸工作平台10组成。哑铃型半开钢制模具7用于放置土体拉伸试件19,试件中间断面尺寸为50mmX 50mm,中间部位直线长度为100mm。钢制模具7由在中间断开的对称两部分组成，其右半部分与对中传力轴承装置6连接，并固定在固定支架9上，其左半部分与对中传力轴承装置6连接，并承受拉伸千斤顶5的拉力，拉伸千斤顶5的最大拉伸荷载可达20kN，最大行程50mm。钢制模具7承受拉力时左半部分会发生位移，直至土体试样被拉坏。哑铃型钢制模具7可保证试件均匀受拉，避免试件因端部夹持出现应力集中或相对滑移问题。对中传力轴承装置6连接在钢制模具7两端，主要由传力拉杆16、滚动球铰17和轴承支座18组成，连接传力拉杆16的滚动球绞17可在轴承支座18内自由转动，从而保证试件严格轴向拉伸，避免偏心受拉造成试验失败。拉力传感器4和拉伸千斤顶5与计算机数据采集处理系统20连接，主要用于测试千斤顶5所施加的拉力大小。液压加载数字伺服控制系统2主要用于拉伸加载装置I的自动、伺服、高精度、数字液压加载，实现对拉伸装置I液压加载的精确控制，可以按等应力和等应变两种方式加载。液压加载数字伺服控制系统2主要由数字伺服控制试验台11和伺服电机系统组成。数字伺服控制试验台11包括控制柜、柜内安装的电子元器件以及编制的液压加载控制程序；伺服电机系统包括油箱12、电磁控制阀13、伺服电机14和压力表15。通过数字伺服控制试验台11控制伺服电机系统，从而实现拉伸装置I液压加载的数字化、可视化和智能化。位移拉力自动测试分析系统3主要包括光栅尺位移传感器8、拉力传感器4和计算机数据采集处理系统20。光栅尺位移传感器8是利用莫尔条纹移动来测量位移的高精度光学测试元件,光栅尺位移传感器8最大量程为50mm，测量精度可达l/1000mm。通过计算机数据采集处理系统20可将光栅尺位移传感器8所测试的位移和拉力传感器所测试的拉力进行自动存储和实时显示，通过计算处理自动获得土体试件的拉力 位移曲线、应力 应变曲线、抗拉强度以及拉伸弹性模量等力学参数。图2为对中传力轴承装置6结构示意图，主要由传力拉杆16、滚动球铰17和轴承支座18组成，连接传力拉杆16的滚动球绞17可在轴承支座18内自由转动，从而保证试件严格轴向受拉，避免偏心受拉造成试验失败。
图3为哑铃型半开钢制模具7结构示意图，该模具用于放置土体拉伸试件19，试件中间断面尺寸为50mmX 50mm，中间部位直线长度为100mm。开始试验时将钢制模具7从试验台架上取下，将土体填满整个模具并压实，土体试件19制作完成后连同模具7 —起安放在试验台架上，并与对中传力轴承装置6相连接，然后开始拉伸试验。对水泥砂浆进行拉伸试验时，将钢制模具7从试验台架上取下，在模具7内壁涂抹脱模剂，将水泥砂浆灌满模具7，待达到设计强度后，再将模具与对中传力轴承装置6相连接，然后进行拉伸试验。利用土体数控拉伸试验系统进行拉伸试验的方法，步骤如下I)将土体拉伸试件放置于哑铃型半开钢制模具的空腔中；2)将包括土体拉伸试件的哑铃型半开钢制模具两端分别与第一第二对中传力轴承装置相连；3)启动液压加载数字伺服控制系统，按等应力或等应变加载方式控制拉伸千斤顶拉伸与其相连的哑铃型半开钢制模具沿试件轴向移动；4)拉力传感器将拉伸千斤顶所施加的拉力大小传递给计算机数据采集处理系统，光栅尺位移传感器将哑铃型半开钢制模具的轴向位移也传递给计算机数据采集处理系统；5)计算机数据采集处理系统将光栅尺位移传感器所测试的位移和拉力传感器所测试的拉力进行自动存储和实时显示，通过计算机数据采集处理系统内部编制的数据处理计算程序自动获得土体试件的拉力 位移曲线和应力 应变曲线，并依此获得土体抗拉强度和拉伸弹性模量。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.ー种土体数控拉伸试验系统，其特征是，包括拉伸加载装置、液压加载数字伺服控制系统和位移拉カ自动测试分析系统，所述拉伸加载装置分别与液压加载数字伺服控制系统和位移拉カ自动测试分析系统相连；所述拉伸加载装置包括拉伸工作平台，所述拉伸エ作平台设有两个相对的固定支架，相对侧的其中ー个固定支架上设有第一对中传力轴承装置，另ー个固定支架上设有水平放置的拉伸千斤顶，千斤顶的推拉杆外端部与第二对中传カ轴承装置固定连接，第一对中传カ轴承装置和第二对中传カ轴承装置之间设有哑铃型半开钢制模具，哑铃型半开钢制模具中放置拉伸试件，哑铃型半开钢制模具的两端分别与第一对中传カ轴承装置和第二对中传カ轴承装置相连。
2.如权利要求I所述的系统，其特征是，所述拉伸千斤顶上设有拉カ传感器，拉カ传感器与位移拉カ自动测试分析系统相连。
3.如权利要求I所述的系统，其特征是，所述第一、第二对中传カ轴承装置均包括ー个轴承支座，轴承支座通过其内的滚动球铰与传カ拉杆相连，传カ拉杆与哑铃型半开钢制模具一端相连。
4.如权利要求I所述的系统，其特征是，所述哑铃型半开钢制模具由沿纵向断开的对称两部分组成，两部分对接后的中心形成一哑铃型空腔，哑铃型空腔中放置土体拉伸试件，所述断开的对称两部分的两端分别与第一、第二对中传カ轴承装置相连。
5.如权利要求I所述的系统，其特征是，所述液压加载数字伺服控制系统包括相连的数字伺服控制试验台和伺服电机系统，伺服电机系统包括油箱，油箱上设有伺服电机和压力表，油箱通过油路与拉伸千斤顶的进出口相连，油路上设有电磁控制阀。
6.如权利要求I所述的系统，其特征是，所述位移拉カ自动测试分析系统包括相连的光栅尺位移传感器、拉カ传感器和计算机数据采集处理系统，所述光栅尺位移传感器设置于与拉伸千斤顶相连端的哑铃型半开钢制模具上。
7.ー种利用权利要求I所述的土体数控拉伸试验系统进行拉伸试验的方法，其特征是，步骤如下 1)将士体拉伸试件放置于哑铃型半开钢制模具的空腔中； 2)将包括土体拉伸试件的哑铃型半开钢制模具两端分别与第一、第二对中传力轴承装置相连； 3)启动液压加载数字伺服控制系统，按等应カ或等应变加载方式控制拉伸千斤顶拉伸与其相连的哑铃型半开钢制模具沿试件轴向移动； 4)拉カ传感器将拉伸千斤顶所施加的拉カ大小传递给计算机数据采集处理系统；光栅尺位移传感器将哑铃型半开钢制模具的轴向位移也传递给计算机数据采集处理系统； 5)计算机数据采集处理系统将光栅尺位移传感器所测试的位移和拉カ传感器所测试的拉カ进行自动存储和实时显示，通过计算机数据采集处理系统内部編制的数据处理计算程序自动获得土体试件的拉力 位移曲线和应力 应变曲线,并依此获得土体抗拉强度和拉伸弹性模量。
全文摘要
本发明公开了一种土体数控拉伸试验系统，拉伸加载装置分别与液压加载数字伺服控制系统和位移拉力自动测试分析系统相连；拉伸加载装置包括拉伸工作平台，拉伸工作平台设有两个相对的固定支架，相对侧其中一个固定支架上设有第一对中传力轴承装置，另一个固定支架上设有水平放置的拉伸千斤顶，千斤顶推拉杆外端部与第二对中传力轴承装置固定连接，第一第二对中传力轴承装置之间设有放置拉伸试件的哑铃型半开钢制模具，哑铃型半开钢制模具两端分别与第一第二对中传力轴承装置相连。本发明可以更准确测试土体拉伸变形模量与抗拉强度，更有效揭示土体拉伸变形与强度特性，为土工结构物的合理设计与安全控制提供重要力学试验参数。
文档编号G01N3/10GK102854064SQ20121037961
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者张强勇, 张绪涛, 向文 申请人:山东大学