一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置，其特征在于，包括以下组成部分：用于为整个装置提供动力的、由步进电机与直流电机组成的动力装置；用于调节电机工作情况的控制器；用于将电机高速转动力矩转换为低速水平拉力的传动转换装置；用于为试样提供均匀、稳定拉应力的拉伸装置；用于采集试验数据的数据采集装置；用于固定数据采集装置的固定挡板。本发明研制了一个能够制取不同长度拉伸段试样的制样模具和一套适用于该组试验装置的试验方法。本装置结构紧凑、简单，易于实现，在为建设工程的设计提供指导作用的同时，也能作为专业学科的教学与科研实验设备之用。
【专利说明】一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩土工程中的一种测试手段，具体涉及一种用于测试土体单轴拉伸特 性的试验方法及装置。
【背景技术】
[0002] 土体强度主要取决于土颗粒间的作用力，土颗粒间的作用力不仅能表现有抗压、 抗剪强度，还能够表现在抗拉强度方面。但是，在实际的岩土工程设计与建设中，人们往往 只考虑土体的抗压与抗剪强度，而忽略其抗拉强度或者视其为零，主要原因是土体的抗拉 强度相对于其抗压与抗剪强度而言较小。然而，土体的抗拉强度是确实存在的，尤其对于粘 性土、黄土、冻土等土体而言，其抗拉强度更是不能忽视的。
[0003]目前常用的拉伸试验包括直接拉伸与间接拉伸两大类，其中间接拉伸由于本身存 在一定的假设条件以及较多的影响因素，限制了其在土体拉伸试验中的广泛应用，所以目 前对土体拉伸特性的测试方法主要集中在直接拉伸方面。直接拉伸包括单轴拉伸与三轴拉 伸，其中单轴拉伸也是水利部规定的用于测试土体抗拉强度的试验方法。但是常规的单轴 拉伸试验方法在使用过程中也暴露出了一些问题，如加载端的应力松弛、集中与偏心力，夕卜 力因素(重力、摩擦力）以及不同拉伸段长度等因素的影响都会在一定程度上影响试验结果 的准确性，所以目前国内并没有一套统一用于测试土体拉伸特性的试验方法及装置。因此， 如果能在单轴拉伸试验装置的基础上，研制一套更加准确、简单、直观、影响因素少的单轴 卧式拉伸试验装置，将有助于推动在土体拉伸特性方面更深层次的研究。
【发明内容】
[0004] 本发明为了提高在土体拉伸特性方面的研究水平，提出一种能够较准确测试土体 单轴拉伸特性的试验方法及装置。
[0005] 本发明通过以下技术方案实现： 一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置，包括以下组成部分： 用于为整个装置提供动力的动力装置，所述动力装置包括步进电机与直流电机，所述 步进电机与直流电机并联连接； 用于调节电机工作情况的控制器； 用于将电机高速转动力矩转换为低速水平拉力的传动转换装置； 用于为试样提供均匀、稳定拉应力的拉伸装置，所述试样通过制样模具制得； 用于采集试验数据的数据采集装置； 用于固定数据采集装置的固定挡板； 其中，所述动力装置一端与控制器连接，动力装置另一端同时与传动转换装置和拉伸 装置连接；所述数据采集装置一端连接于拉伸装置上，数据采集装置另一端固定于固定挡 板上。
[0006] 本发明所述步进电机的转速为10-200r/min，直流电机的转速为2800r/min。
[0007] 本发明所述传动转换装置包括丝杆，丝杆一端与动力装置连接，丝杆另一端与拉 伸装置连接。
[0008] 本发明所述拉伸装置包括轴向双导轨、滑动底板及夹具，夹具固定在滑动底板上， 滑动底板固定在轴向双导轨上。
[0009] 本发明所述数据采集装置包括力传感器、位移传感器、应变仪及计算机，其中所述 力传感器一端安装在固定挡板上，另一端安装在滑动底板上；所述位移传感器安装在滑动 底板的外侧；所述力传感器、位移传感器通过应变仪与计算机连接。
[0010] 本发明所述制样模具包括四开模与制样底板，四开模固定在制样底板上，四开模 由左右两个夹持段模具与设置在左右两个夹持段模具中间的上下两个拉伸段模具组成，拉 伸段模具与夹持段模具之间可拆卸式连接；其中，左边的夹持段模具为第一模具，右边的加 持段模具为第二模具，第一模具与第二模具沿四开模宽度方向的中心线对称设置，并且对 称开设球状缺口；第一模具固定于制样底板上，第二模具在制样底板上的安装位置，相对第 一模具的距离可调；上下两个拉伸段模具分别为第三模具、第四模具，第三模具、第四模具 沿四开模长度方向的中心线对称设置；第三模具与试样接触的面和第四模具与试样接触的 面与所述制样底板的边缘平行；所述第一模具、第二模具上的球状缺口与所述第三模具、第 四模具的下边缘相连，围合形成制样腔。
[0011] 一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置的拉伸方法，包括以下步骤： 第一步，确定试样尺寸及制样：根据试验方案，通过制样模具制取不同拉伸段长度的试 样； 第二步，拆模并装样：将第一步中的制样模具开模得到所需试样，并将试样固定于拉伸 装置上； 第三步，设定拉伸速率：通过控制器设定步进电机的转速以达到试验方案中要求的拉 伸速率； 第四步，检查并标定数据采集装置； 第五步，通过控制器启动步进电机，进行试验； 第六步，采集并分析数据采集装置所获取的试验数据。 第七步，暂停步进电机，观察试样是否破坏或者达到破坏标准，如果试样还未破坏，重 新启动步进电机直到试样发生破坏； 第八步，确定试验结束后，停止数据的采集与步进电机的工作，更换传送带利用直流电 机将滑动底板快速复位。
[0012] 本发明所述方法第二步中，在固定试样时先将试样的两端置于夹具中，然后根据 试样长度调节夹具在滑动底板上的安装位置。
[0013] 本发明所述方法第三步中，拉伸速率的范围为0. 005mm/min-0. lmm/min。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下技术效果： 本发明不仅给出了主要包括动力装置、传动转换装置、控制装置、拉伸装置及数据采集 装置的用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置，还研制了一个能够制取不同长度拉伸段试 样的制样模具；结合制样模具的特点，本装置可以适用于不同长度试样的土体单轴拉伸试 验，结合所研制的试验装置，又拟定了一套适用于改组试验装置的试验方法。
[0015] 本装置结构紧凑、简单，易于实现，在为建设工程的设计提供指导作用的同时，也 能作为专业学科的教学与科研实验设备之用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为制样模具平面图； 图2为本装置结构示意图； 图3为本发明试验方法流程图。
[0017] 图中，1、四开模；2、制样底板；3、步进电机；4、直流电机；5、轴向双导轨；6、滑动底 板；7、夹具；8、丝杆；9、螺栓；10、力传感器；11、位移传感器；12、应变仪；13、计算机；14、固 定挡板；15、控制器；1-1、第一模具；1-2、第二模具；1-3、第三模具；1-4、第四模具。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于 所述实施例。
[0019] 如图1所示，本发明中所述的用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置的制样模 具，制样模具包括四开模1与制样底板2,四开模1固定在制样底板2上，四开模1由左右两 个夹持段模具与设置在左右两个夹持段模具中间的上下两个拉伸段模具组成，拉伸段模具 与夹持段模具之间可拆卸式连接；其中，左边的夹持段模具为第一模具1-1，右边的加持段 模具为第二模具1-2,第一模具1-1与第二模具1-2沿四开模1宽度方向的中心线对称设 置，并且对称开设球状缺口；第一模具1-1固定于制样底板2上，第二模具1-2在制样底板 2上的安装位置，相对第一模具1-1的距离可调；上下两个拉伸段模具分别为第三模具1-3、 第四模具1-4,第三模具1-3、第四模具1-4沿四开模1长度方向的中心线对称设置；第三模 具1-3与试样接触的面和第四模具1-4与试样接触的面与所述制样底板2的边缘平行；所 述第一模具1-1、第二模具1-2上的球状缺口与所述第三模具1-3、第四模具1-4下边缘相 连，围合形成制样腔，。
[0020] 如图2所示，本发明所述的用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置包括以下组成 部分： 1)用于为整个装置提供动力的动力装置，包括步进电机3与直流电机4;其中，步进电 机3与直流电机4并联连接。优选地，步进电机3的工作转速为10-200r/min，主要为试样 提供拉伸动力，直流电机4的转速为固定值2800r/min，主要在拉伸试验结束后为拉伸装置 的复位提供动力，双电机的组合利用可提高工作效率。
[0021] 2)用于调节电机工作情况的控制器15 ;通过控制器15调节两个电机的工作情况。
[0022] 3)用于将电机高速转动力矩转换为低速水平拉力的传动转换装置；其中，传动转 换装置主要包括双级变速箱、传送带、皮带盘、丝杆8与丝杆螺母9,双级变速箱的变速倍数 分别为10倍与150倍，分别安装在传送带的上下两侧，丝杆8-端通过轴承底座与下部变 速箱（150倍）连接，另一端与丝杆螺母连接，丝杆螺母固定在拉伸装置上，并牵引其沿轴向 移动，滑动底板6则通过与固定挡板14的连接而浮动固定在轴向双导轨5上。
[0023] 4)用于为试样提供均匀、稳定拉应力的拉伸装置，所述试样制样模具制得；所述拉 伸装置由轴向双导轨5、轴向轴承（6个)、滑动底板6及夹具7组成，夹具7通过螺栓固定在 滑动底板6上，其中滑动底板6上有四排螺孔，分别用于固定四组不同长度的试样，而滑动 底板6通过轴向轴承固定在轴向双导轨5上，本发明所述螺栓9即固定在滑动底板6上的 四排螺孔中。
[0024] 5)用于采集试验数据的数据采集装置；数据采集装置包括力传感器10、位移传感 器11、应变仪12及计算机13,其中所述力传感器10的量程为500kg，精度为0. 05%，位移传 感器11的量程为20mm，精度为0. 001mm，安装在滑动底板6的外侧，并在试验底板上设置一 个有一定移动范围的固定挡板，用于固定位移传感器的探头；应变仪12为静态应变仪，可 自动采集数据。
[0025] 6)用于固定数据采集装置的固定挡板14 ;所述力传感器10 -端安装在固定挡板 14上，另一端安装在滑动底板6上，整体呈浮动固定的形式。
[0026] 其中，所述动力装置一端与控制器15连接，另一端与传动转换装置和拉伸装置连 接；所述传动转换装置安装于动力装置与拉伸装置之间；所述数据采集装置一端连接于拉 伸装置上，另一端固定于固定挡板14上。
[0027] 本发明还给出了利用本发明所述装置用于测试土体单轴拉伸特性的试验方法，包 括以下步骤： 第一步，确定试样尺寸及制样：根据试验方案，通过制样模具制取不同拉伸段长度的试 样； 第二步，拆模并装样：将第一步中的制样模具开模得到所需试样，并将试样固定于拉伸 装置上； 第三步，设定拉伸速率：通过控制器15设定步进电机3的转速以达到试验方案中要求 的拉伸速率； 第四步，检查并标定数据采集装置； 第五步，启动步进电机3,在其作用下开始进行拉伸试验，同时开始对其数据进行自动 米集。
[0028] 第六步，对试验获得的数据进行整理分析，并在此基础上探讨土体在单轴拉伸过 程中其拉伸特性的变化规律。
[0029] 优选地，在本发明所述的试验方法第一步中给出四个实施例，即拉伸段有四组不 同的长度，分别为10mm、20mm、40mm与80mm，具体根据试验方案的要求确定。
[0030] 根据试验方法第一步中的试样，结合本发明给出的制样模具给出一个实施例：根 据土料的最大干密度Y max=1.75g/cm3,晒干过筛后的初始含水率w=4.6%，试验方案中要求 试样的压实度为95%，含水率为最优含水率19. 5%，拉伸速率为0. 005mm/min，拉伸段长度为 10mm (V=156 cm3)，计算试样质量为309. 75g，配土闷料养护24h后分5层压实，每层质量为 61. 95g，层间刨毛，压实前在模具内壁涂一层润滑油。
[0031] 优选地，在试验方法弟_步中，拆|旲后将试样的两端部固定在夹具7中，后将夹具 7与试样整体移动到10_拉伸段对应的螺孔位置，通过螺栓9将夹具7固定在滑动底板6 上。
[0032] 根据试验方法第三步给出一个实施例：调节控制器，由拉伸速率（0. 005mm/min)、 传动比（3000倍）及丝杆螺距（1. 5mm)计算出步进电机3的工作转速n=10r/min，通过控制 器15将步进电机的转速调为10r/min。
[0033] 优选地，本试验第三步中，拉伸速率的范围为0. 005mm/min-0. lmm/min。
[0034] 根据试验方法第四步给出一个实施例：利用弹簧秤对力传感器10进行标定时，首 先设定力传感器10的灵敏系数（2. 0)，然后更具弹簧秤与力传感器10的数值设定修正系数 (760);利用百分表对位移传感器11进行标定时，同样需要根据二者的数值设定修正系数 (200)，这样即可准确测得试样在拉伸过程中的拉力（N)与位移（_)。
[0035] 本试验方法第四步中，在力传感器10的标定方面，先将夹具7左侧固定在滑动底 板6上，然后通过弹簧秤给夹具7施加水平作用力，通过对比弹簧秤与力传感器10采集的 数据进行标定；在位移传感器11的标定方面，将百分表的探头接触在滑动底板6的右端面， 滑动底板6在移动过程中位移传感器11与百分表同时发生变化，通过对比二者的数据来对 位移传感器11进行标定，在此基础上，还可通过设定的拉伸速率对标定效果进行佐证。
[0036] 如图3所示，优选地，在本试验方法第六步后还包括以下步骤： 第七步，暂停步进电机3,观察试样是否破坏或者达到破坏标准，如果试样还未破坏，重 新启动步进电机3直到试样发生破坏； 第八步，确定试验结束后，停止数据的采集与步进电机3的工作，更换传送带利用直流 电机4将滑动底板6快速复位。
[0037] 本发明中没有详细说明的技术特征为现有技术。尽管参照特定的优选实施例已经 表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义 的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
【权利要求】
1. 一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置，其特征在于，包括以下组成部分： 用于为整个装置提供动力的动力装置，所述动力装置包括步进电机（3)与直流电机 (4)，所述步进电机（3)与直流电机（4)并联连接； 用于调节电机工作情况的控制器（15); 用于将电机高速转动力矩转换为低速水平拉力的传动转换装置； 用于为试样提供均匀、稳定拉应力的拉伸装置，所述试样通过制样模具制得； 用于采集试验数据的数据采集装置； 用于固定数据采集装置的固定挡板（14); 其中，所述动力装置一端与控制器（15)连接，动力装置另一端同时与传动转换装置和 拉伸装置连接；所述数据采集装置一端连接于拉伸装置上，数据采集装置另一端固定于固 定挡板（14)上。
2. 根据权利要求1所述的一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置，其特征在于， 所述步进电机（3)的转速为10-200r/min，直流电机（4)的转速为2800r/min。
3. 根据权利要求1所述的一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置，其特征在于， 所述传动转换装置包括丝杆（8)，丝杆（8)-端与动力装置连接，丝杆（8)另一端与拉伸装 置连接。
4. 根据权利要求1所述的一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置，其特征在于， 所述拉伸装置包括轴向双导轨（5 )、滑动底板（6 )及夹具（7 )，夹具（7 )固定在滑动底板（6 ) 上，滑动底板（6)固定在轴向双导轨（5)上。
5. 根据权利要求1所述的一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置，其特征在于， 所述数据采集装置包括力传感器（10)、位移传感器（11)、应变仪（12)及计算机（13)，其中 所述力传感器（10)-端安装在固定挡板（14)上，另一端安装在滑动底板（6)上；所述位移 传感器（11)安装在滑动底板（6 )的外侧；所述力传感器（10 )、位移传感器（11)通过应变仪 (12)与计算机（13)连接。
6. 根据权利要求1所述的一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置，其特征在于， 所述制样模具包括四开模（1)与制样底板（2)，四开模（1)固定在制样底板（2)上，四开 模（1)由左右两个夹持段模具与设置在左右两个夹持段模具中间的上下两个拉伸段模具 组成，拉伸段模具与夹持段模具之间可拆卸式连接；其中，左边的夹持段模具为第一模具 (1-1)，右边的加持段模具为第二模具（1-2)，第一模具（1-1)与第二模具（1-2)沿四开模 (1) 宽度方向的中心线对称设置，并且对称开设球状缺口；第一模具（1-1)固定于制样底板 (2) 上，第二模具（1-2)在制样底板（2)上的安装位置，相对第一模具（1-1)的距离可调； 上下两个拉伸段模具分别为第三模具（1-3)、第四模具（1-4)，第三模具（1-3)、第四模具 (1-4)沿四开模（1)长度方向的中心线对称设置；第三模具（1-3)与试样接触的面和第四模 具（1-4)与试样接触的面与所述制样底板（2)的边缘平行；所述第一模具（1-1 )、第二模具 (1-2)上的球状缺口与所述第三模具（1-3)、第四模具（1-4)下边缘相连，围合形成制样腔。
7. -种根据权利要求1所述的一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置的拉伸方 法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步，确定试样尺寸及制样：根据试验方案，通过制样模具制取不同拉伸段长度的试 样； 第二步，拆模并装样：将第一步中的制样模具开模得到所需试样，并将试样固定于拉伸 装置上； 第三步，设定拉伸速率：通过控制器（15)设定步进电机（3)的转速以达到试验方案中 要求的拉伸速率； 第四步，检查并标定数据采集装置； 第五步，通过控制器（15)启动步进电机（3)，进行试验； 第六步，采集并分析数据采集装置所获取的试验数据。 第七步，暂停步进电机（3)，观察试样是否破坏或者达到破坏标准，如果试样还未破坏， 重新启动步进电机（3)直到试样发生破坏； 第八步，确定试验结束后，停止数据的采集与步进电机（3)的工作，更换传送带利用直 流电机（4)将滑动底板（6)快速复位。
8. 根据权利要求7所述的一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置的拉伸方法，其 特征在于，第二步中，在固定试样时先将试样的两端置于夹具（7)中，然后根据试样长度调 节夹具（7 )在滑动底板（6 )上的安装位置。
9. 根据权利要求7所述的一种用于测试土体单轴拉伸特性的试验装置的拉伸方法，其 特征在于，第三步中，拉伸速率的范围为0. 〇〇5mm/min-〇. lmm/min。
【文档编号】G01N3/08GK104062180SQ201410247739
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】崔猛, 徐奋强, 刘鑫, 洪宝宁, 易进翔 申请人:河海大学