一种利用直剪仪测定土体抗拉强度的装置及方法与流程

本发明属于岩土工程土工测试领域，涉及的是一种利用直剪仪测定土体抗拉强度的装置及方法，适用于堤坝、公路、边坡工程等土体抗拉强度的测定，为工程稳定性设计及防止裂缝发生提供数据。

背景技术：

传统土力学认为土体只能够承受压应力，往往忽略了土体的拉应力。近年来，随着越来越多的工程问题的涌现，证明土体抗拉强度在实际工程土体稳定性中扮演着重要的作用，如水利工程中土石坝心墙的水利劈裂、道路工程中路基的裂缝、边坡的滑动、非饱和土地基的干缩裂缝等。因此土体抗拉强度的准确测量，对于工程的稳定性设计及防止裂缝的发生有着重要的意义。

土体的抗拉强度指的是土体在一定的拉应力下达到拉伸破坏时的极限拉应力。现有的直接测试方法主要有单轴拉伸和三轴拉伸等方法，可以通过测得的极限拉力除以断面面积得到极限抗拉强度；间接测试方法主要有巴西劈裂和三点弯曲等试验方法。对于混凝土等脆性材料，发生断裂是瞬时的，因此巴西劈裂和三点弯曲等间接测试方法较为有效。而对于土体，其抗拉强度较低，延性较大，采用间接测试方法时，很难保证断裂面应力的均匀分布，得到的极限抗拉强度失真。目前，三轴拉伸试验较为常见，但端部效应及橡皮膜的约束效果使得试验结果的可靠性降低。总结来说，单轴拉伸试验较为可靠，两端力可以直接作用于拉伸面上，理论上不会带来多余的误差。其中，卧式单轴拉伸试验可以消除土体本身自重的影响，得到广泛的认可。

目前应用较多的卧式单轴拉伸试验装置，其主要的缺陷在于：(1)对于长方形或圆柱形等规则的试样，由于试样是靠夹具与土体之间的摩擦力来提供约束力的，过小的夹力不能有效的夹住试样；而过大的夹力会使试样两端土体发生压缩变形，这样，试样两端的横截面会变小，施加拉力时试样很有可能在夹具边缘发生破坏；(2)对于沙漏型的试样，由于试样土体是在沙漏型模具内直接制得，模具中间部位断开，后通过模具两端的挂耳施加拉力于土体上，这样，模具对内部土体的存在一定的约束作用，这部分约束力对土体的抗拉能力有一定的贡献，变相的增大了测得的土体抗拉强度；(3)卧式拉伸装置中试样与试验平台是直接接触的，存在一定的摩擦力，尽管在试样与平台之间采用滑轨，很难保证土体在拉伸时不被滑轮扰动剥落。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用直剪仪测定土体抗拉强度的装置及方法，借助传统直剪仪，通过分离式拉力盒实现了装样、拉伸、测量等一体式操作。

为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种利用直剪仪测定土体抗拉强度的装置，包括第一拉力盒、第二拉力盒、u型杆和量力环，其中，

所述第一拉力盒呈向左卧倒的l型，即型，并设置于设有滚珠的第一底座上，滚珠设置于第一底座下方；

所述第二拉力盒设置于所述第一拉力盒的左上方，所述第一拉力盒和第二拉力盒的内部分别设置凹槽，同时在所述第一拉力盒和第二拉力盒之间设置模具，从而使第一拉力盒和第二拉力盒之间构成内部空间呈中间窄两端宽的“哑铃”型用于形成土样，所述第一拉力盒和第二拉力盒的外围设置有卡箍用于固定，同时所述第一拉力盒和第二拉力盒在外力作用下可相互分离，构成分离式拉力盒；

所述u型杆的一端穿过第一拉力盒后与第二拉力盒的侧壁固定连接，另一端则与用于测量拉力的量力环接触，其中，所述量力环固定于第二底座上，所述量力环内部设有用于测量位移的测微计。

其中，所述第一底座的一侧设置有受力杆，所述第一底座在滚珠的限制下只能做平行移动。

优选地，所述第一拉力盒与所述第一底座可拆卸的连接，并与所述第一底座同步运动。

本发明进一步提出了一种利用上述装置测定土体抗拉强度的方法，包括步骤如下：

(一)将第一拉力盒可拆卸地安装于第一底座，将第二拉力盒设置于第一拉力盒的左上方，并在第一拉力盒和第二拉力盒之间形成的空间的两侧分别放置模具，使第一拉力盒和第二拉力盒之间构成内部空间呈中间窄两端宽的“哑铃”型用于形成土样，在第一拉力盒和第二拉力盒的外围套紧压实配制土样；将u型杆的一端穿过第一拉力盒后与第二拉力盒的侧壁固定连接；

(二)调节第一底座至u型杆的另一端与量力环紧密接触，记录量力环的初始读数，调零测微计，并依次卸除卡箍和模具；

(三)在第一底座的一侧设置受力杆，在受力杆上匀速施加平行推力，使第一拉力盒与第一底座同步移动，同时记录量力环和测微计的读数；

(四)继续施加平行推力，直至土样受拉破坏。

优选地，所述步骤(一)中在第一拉力盒与第二拉力盒接触面，以及第一拉力盒、第二拉力盒、模具与土样的接触面上分别均匀涂抹凡士林。

有益效果：本发明提供的试验装置借助传统直剪仪，结构简单、操作方便、费效比高，通过第一拉力盒、第二拉力盒和u型杆的组合将施加在受力杆的作用力转化为对土样的拉力，实现对土样抗拉强度的准确测量；中间窄两端宽的土样省去了现有的单向拉伸装置所必须的夹具以及模具两端的挂耳，从而克服了土样的自重影响和现有装置对试样两端粘结产生的端部效应。

附图说明

图1为本发明实施例的测定土体抗拉强度的装置剖面图；

图2为本发明实施例测定土体抗拉强度的装置平面图；

图3为本发明实施例的拉力盒装样过程示意图；

图4为本发明实施例的拉力盒装样后示意图。

图中主要附图标记含义如下：

1-第一拉力盒；2-第二拉力盒；3-u型杆；4-土样；5-受力杆；6-第一底座；7-滚珠；8-第二底座；9-量力环；10-测微计；11-模具；12-卡箍。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明的技术方案做具体的介绍。

如图1-2所示，本实施例是一种利用直剪仪测定土体抗拉强度的装置，包括第一拉力盒1、第二拉力盒2、u型杆3等。第一拉力盒1呈型，可以替换传统直剪仪中的剪力盒后固定在第一底座6上，保证二者同步运动；第一底座6一侧设有受力杆5，在滚珠7的限制下只能做平行移动；第二拉力盒2位于第一拉力盒1左上方，在外力作用下可以相互分离，构成分离式拉力盒；u型杆3一端穿过第一拉力盒1后与第二拉力盒2的侧壁固定连接，另一端则与固定于第二底座8、用于测量拉力的量力环9接触；量力环9内部设有用于测量第二拉力盒2位移的测微计10，一般选用百分表。第一拉力盒和第二拉力盒的内部分别设置凹槽，同时在第一拉力盒和第二拉力盒之间设置模具，从而使第一拉力盒和第二拉力盒之间构成内部空间呈中间窄两端宽的“哑铃”型用于形成土样，第一拉力盒和第二拉力盒的外围设置有卡箍用于固定，同时第一拉力盒和第二拉力盒在外力作用下可相互分离，构成分离式拉力盒。

如图3所示：本实施例中，第一拉力盒1和第二拉力盒2之间设有两个相同的模具11，使第一拉力盒和第二拉力盒之间的内部空间呈中间窄两端宽的哑铃型，通过外围卡箍12的固定，可以直接压实配制出“哑铃”型土样4，减少了土样扰动对抗拉强度的影响。当土样4两端受到拉力作用后，最终拉裂破坏面会发生在“哑铃”型土样4的中间某一部位，不会发生在土样两端，能够体现真实的土体抗拉强度。而且，本实施例中的土样4水平放置，横向受拉，不会因自重应力而发生断裂。

下面参照附图对本实施例测定土体抗拉强度的方法进行说明：

(一)首先在第一底座6中间安装固定第一拉力盒1，再依次安装第二拉力盒2和两侧模具11，最后在外围套紧卡箍12，压实配制形成中间窄两端宽的土样4(图3)。其中，在第一拉力盒1与第二拉力盒2的接触面，第一拉力盒1、第二拉力盒2、模具11与土样4的接触面上均匀涂抹凡士林，从而消除接触面摩擦力的影响；

(二)通过在受力杆5上施加外力，调节第一底座6直至u型杆3与量力环9紧密接触，记录量力环9的初始读数f0，调零测微计10，并依次卸除卡箍12和模具11(图4)；

(三)在受力杆5上匀速施加平行推力，使第一拉力盒1与第一底座6同步移动，同时观察并记录量力环9和测微计10的读数变化，记为fi和si；

(四)继续施加平行推力，直至土样4受拉破坏。最后，根据量力环9和测微计10的数据绘制土样4在受拉过程中的应力-应变曲线，得到该土样的抗拉强度。

本发明的测量原理为：以传统直剪仪为基础，将剪力盒替换为第一拉力盒、第二拉力盒和u型杆，第一拉力盒在外力作用下发生位移，与第二拉力盒发生分离，相当于在“哑铃”型土样两端施加拉力，即将施加在受力杆的作用力转化为对土样的拉力，直至土样拉裂破坏。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。