一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置的制作方法

本实用新型涉及土体的抗拉强度测量技术领域，尤其涉及一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置。

背景技术：

传统的土体强度理论往往忽略抗拉强度，然而，在诸多岩土工程中，土体抗拉特性都起着不可忽视的重要作用。例如，在土坝、垃圾填埋场防渗层、高速公路路堤填土等工程中的压实粘土，均能够承受由于抗拉破坏引起的开裂；一些土质边坡滑坡的产生也是源于其顶部土体的拉裂。因此，抗拉强度指标是评价相关岩土工程问题中不可缺少的重要参数。

现有技术中的一种对土体的抗拉强度进行试验的方法为：直接拉伸仪，直接拉伸仪分为垂直拉伸和平卧式拉伸两类，平卧式土体抗拉强度试验装置能有效避免重力的影响，已被证实具有较好的试验效果。平卧式直接拉伸仪的相关研究中，试样的固定问题是限制其发展的难点。其解决方案之一，是采用粘合剂将其端部与拉伸仪粘紧，另外一种解决方案，是将拉伸夹具平面设计成“两端宽、中间窄”的形式。

上述现有技术中的的一种对土体的抗拉强度进行试验的方法的缺点为：在平卧式拉伸试验中，对试样的固定问题的研究，解决方案之一是采用粘合剂将其端部与拉伸仪粘紧，该方法一方面操作繁琐，另外也容易在试样端部产生应力集中；另外一种解决方案，是将拉伸夹具平面设计成“两端宽、中间窄”，但现有的研究中对过渡倾角的设计大都依靠经验，并且倾角都是固定的，不能根据测量土体的不同选择合适的角度。

平卧式土体抗拉强度试验装置设计中，固定模具侧壁的倾斜角度是设计的关键，一个合理的角度，一方面使模具能提供足够的“持握力”以避免土体出现端部效应，另一方面也保证土体与模具侧壁之间不出现滑动。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供了一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置，以克服上述背景技术中的技术缺陷。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。

本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供了一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置，其特征在于，包括：底座，拉伸系统，数据采集系统和加载系统，所述拉伸系统和所述加载系统机械连接，所述数据采集系统和所述拉伸系统、加载系统连接，所述拉伸系统和所述底座机械连接；

所述拉伸系统包括第一拉伸模具、第二拉伸模具和楔形块，所述第一拉伸模具和第二拉伸模具分别都包括侧壁，旋转螺杆，T型端壁和旋钮，第二拉伸模具还包括导轨，两个拉伸模具的所述侧壁分别绕着对应的所述旋转螺杆转动用于改变倾角，所述T型端壁与所述侧壁被所述旋钮固定后，分别形成两个封闭的具有开口的梯形容土空间，所述第一拉伸模具和第二拉伸模具的开口相对放置，通过所述楔形块固定形成封闭的容土空间用于放置土体试样；

所述加载系统，提供牵引力与所述第二拉伸模具在固定于底座的所述导轨上联动，用于拉伸土体试样；

所述数据采集系统，用于采集可变倾角拉伸试验过程中的数据。

优选地，所述的拉伸系统，还包括：模具底板和角度刻度尺；

所述角度刻度尺在所述模具底板上，所述拉伸模具侧壁围绕顶部的所述旋转螺杆转动时，根据角度刻度尺确定转到目的角度，并用所述旋钮将所述侧壁固定在底板上。

优选地，所述的装置，还包括：计算机；

所述数据采集系统采集可变倾角拉伸试验过程中的数据，将数据同步传到计算机中，并通过所述计算机同步智能记录试验过程中的应力和位移，进行计算分析，得到土体试样与时间及位移相关的抗拉强度。

优选地，在所述T型端壁的一端设置中空的壁槽；

所述T型端壁的位置随所述侧壁的转动而移动，所述侧壁转动后，所述旋钮固定不动，所述T型端壁的中空的壁槽沿旋钮移动，将所述T型端壁与所述侧壁形成封闭的具有开口的梯形容土空间后旋紧所述旋钮。

优选地，所述拉伸系统通过楔形块连接固定所述第一拉伸模具和所述第二拉伸模具，所述楔形块通过两个旋钮分别固定在两个模具下方的所述底座上；

所述第一拉伸模具的T型端壁中空的壁槽的所述旋钮以及所述旋转螺杆上的所述旋钮都伸入到所述底座上，旋钮旋紧时使第一拉伸模具固定在底座上保持不动；

所述第二拉伸模具的旋钮向下伸入并保持到和所述模具底板持平与所述模具底板随动。

优选地，所述第一拉伸模具固定在底座上保持不动；

所述第二拉伸模具的所述模具底板放置在所述导轨上沿导轨无摩擦滑动，所述导轨固定在所述底座上；

所述第一拉伸模具和所述第二拉伸模具保持在同一水平线上。

优选地，所述的加载系统，包括：电动机、电动机连接单元和加载控制器；

所述第二拉伸模具通过所述电动机连接单元与所述电动机联动；

所述电动机和所述加载控制器连接，所述加载控制器智能调控所述电动机的制动。

优选地，所述的数据采集系统，包括：数采百分表和应力传感器；

所述数采百分表设置在所述第二模具的所述T型端壁的有中空滑动壁槽的一端；

所述应力传感器设置在所述拉伸系统和所述加载系统之间，通过所述电动机连接单元与所述电动机连接联动。

由上述本实用新型的实施例提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例采用可变倾角的梯形结构拉伸模具，在有效防止土体滑动的同时，避免模具梯形结构角度过大使土体产生端部应力集中而产生试验误差；本装置可根据不同土体提供不同的倾角，具有较强的适应性，且本装置整体结构简单，操作简便，成本低廉制造方便。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置和方法的抗拉强度试验装置俯视图；

图2为本实用新型实施例提供的一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置和方法的抗拉强度试验装置侧视图；

图3为本实用新型实施例提供的一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置和方法的受拉土体受力分析图；

图4为本实用新型实施例提供的一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置和方法的针对图3中右侧受拉土体的受力分析图1；

图5为本实用新型实施例提供的一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置和方法的针对图3中右侧受拉土体整体受力分析图2；

其中，1—T型端壁中空的壁槽，2—T型端壁，3—可转动侧壁，4—旋钮(共有10个旋钮)，5—旋转螺杆，6—数采百分表，7—应力传感器，8—电动机及传动系统，9—电动机传动杆，10—楔形块，11—梯形角度刻度尺(共4个)，12—应力传感器，13—梯形模具底板，14—底座，15—导轨，16—电动机，17—控制与传动系统。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。

本实用新型实施例为测量不同土体的抗拉强度，根据土体的不同设计固定模具侧壁的合适倾斜角度，本发明实施例提供了一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置和方法，测试时，可以根据土样的物理力学性质调节可转动的侧壁，得到不同角度的梯形结构模具，选择合适的倾角减少实验误差，采用数采百分表和应力传感器，时刻记录下试验过程土体的变形和所受应力，并通过计算机智能记录试验中的应力和位移，得到土体试样与时间及位移相关的抗拉强度，很好地解决了目前抗拉强度仪残留的弊端。

本实用新型实施例提供了一种测量抗拉强度的可变倾角拉伸试验装置的试验装置图如图1、2所示，该装置包括：底座，加载系统，数据采集系统和一个可变倾角的拉伸系统；其中，拉伸系统和加载系统机械连接，数据采集系统和拉伸系统、加载系统连接，拉伸系统和底座机械连接。

1、拉伸系统

拉伸系统包括第一拉伸模具、第二拉伸模具和楔形块，第一拉伸模具和第二拉伸模具分别都包括可调节角度的侧壁，侧壁的旋转螺杆，T型端壁，用于固定的旋钮，模具底板和角度刻度尺，第二拉伸模具还包括导轨；运用这些器件可根据土体的不同对拉伸系统进行不同的设置。

拉伸系统的设置包括：

(1)侧壁的转动

两个拉伸模具为侧壁角度可调节的梯形，将两个拉伸模具的侧壁分别绕着对应的所述旋转螺杆转动用于改变倾角，所述角度刻度尺在所述模具底板上，所述拉伸模具侧壁围绕顶部的所述旋转螺杆转动时，根据角度刻度尺确定转到目的倾角，并用固定旋钮将所述侧壁固定在模具底板上，保证侧壁不再发生转动。

角度刻度尺共有4个，角度大小不定，可根据土体控制在一定范围，控制模具底板的大小。

(2)T型端壁的移动

在所述T型端壁的一端设置中空的壁槽；所述T型端壁的位置随所述侧壁的转动而移动，所述侧壁转动后，旋钮固定不动，T型端壁的中空的壁槽沿旋钮移动，将所述T型端壁与所述侧壁形成封闭的具有开口的梯形容土空间后旋紧旋钮，保证T型端壁固定不动。

(3)楔形块的固定

所述T型端壁与所述侧壁被所述旋钮固定后，分别形成两个封闭的具有开口的梯形容土空间，所述第一拉伸模具和第二拉伸模具的开口相对放置，通过不锈钢的楔形块进行固定；不锈钢楔形块卡入旋转螺杆并通过两个旋钮分别固定在两个模具底座上，使第一拉伸模具和第二拉伸模具形成两个开口相对的矩形的容土空间。

综上所述，运用拉伸系统中的器件，可针对不同土体进行设置，土体的物理力学性质不同，侧壁转动的角度不同，T型端壁随之移动的距离也不同，通过楔形块的固定后得到的开口相对的封闭梯形容土空间也不同。

在拉伸系统中，拉伸系统与底座的连接关系和位置关系为：

A、连接关系：

所述拉伸系统通过楔形块连接固定所述第一拉伸模具和所述第二拉伸模具，所述楔形块通过两个旋钮分别固定在两个模具下方的所述底座上。

所述第一拉伸模具的T型端壁中空的壁槽的旋钮以及对应旋转螺杆上的旋钮都伸入到所述底座上，旋钮旋紧时使第一拉伸模具固定在底座上保持不动。

所述第二拉伸模具的旋钮向下伸入并保持到和所述模具底板持平与所述模具底板随动。

B、位置关系：

所述第一拉伸模具固定在底座上保持不动。

所述第二拉伸模具的模具底板放置在导轨上沿导轨无摩擦滑动，所述导轨固定在所述底座上。

第一拉伸模具和第二拉伸模具保持在同一水平线上。

2、加载系统

所述加载系统，提供牵引力与所述第二拉伸模具在固定于底座的所述导轨上联动，用于拉伸试样。

加载系统包括：电动机、电动机连接单元和加载控制器。

电动机提供牵引力，电动机连接单元连有应力传感器，所述第二拉伸模具通过所述电动机连接单元与所述电动机联动。

所述电动机和所述加载控制器连接，所述加载控制器智能调控所述电动机的制动。

在实际应用中，上述加载系统也可以设置在拉伸系统内部或外部的其它位置提供牵引力。本实用新型实施例并不局限上述加载系统对拉伸系统提供牵引力的具体方式，上述加载系统对拉伸系统提供牵引力的任何方式都在本实用新型实施例的保护范围中。

3、数据采集系统

所述数据采集系统，用于采集可变倾角拉伸试验过程中的数据。

数据采集系统，包括：数采百分表和应力传感器；所述数采百分表设置在所述第二模具的T型端壁的有中空滑动壁槽的一端；所述应力传感器设置在所述拉伸系统和所述加载系统之间，通过所述电动机连接单元与所述电动机连接联动。

本领域技术人员应能理解上述所举的数据采集系统的采集实验数据的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的采集并记录实验数据的方式如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

利用本装置，本实用新型实施例选用非饱和细砂为试验材料，对侧壁倾角所需转动的具体角度的最小值的计算过程如下：

对所述拉伸系统内的土体整体进行受力分析如图3所示，土体受到沿所述侧壁斜面的均布压力p及均布摩擦力f，考虑到此处是针对受拉土体整体进行受力分析，为更加直观地描述受拉土体的受力情况，将土体所受均布荷载等效简化为集中荷载。

选取图3中右侧受拉土体进行受力分析如图4所示，所述侧壁对土体施加两个力：垂直于斜面AB的压力FN、沿斜面AB的摩擦力Fμ，这两个力的合力为FS，与x轴方向夹角为β-α，α为所述侧壁斜面AB与x轴方向夹角，β为合力方向与所述侧壁斜面夹角，F为土体所受拉力，则：

FN＝pS (1)

Fμ＝μFN＝fS (2)

其中：S为所述侧壁斜面AB和CD的总面积，μ为土体与所述侧壁间的静摩擦系数。

为了分析所述拉伸系统内的土体在F作用下由于受到加载系统所施加的约束而导致的变形，对右侧的受拉土体所受力FS沿x、y方向进行分解如图5所示，根据受力分析有：

F＝2FSx (4)

FSy＝FSx tan(β-α) (5)

其中，FSx、FSy分别为FS沿x、y方向的分量。

为了更精确地测得土体的抗拉强度，应使模具内部土体在受拉时保持形状和位置的不变，即保证土体沿侧壁边缘不出现滑移。由于土体具有剪胀性，所以保证x方向的实际变形量不大于土体由于剪胀引起的x方向的变形量，即可达到上述目的。

土体沿x、y方向的应变增量分别可表示为：

对于x方向：

对于y方向：

其中：Δξx、Δξy为x、y方向的应变增量，Δlx、Δly为x、y方向的变形量，lx、ly为受力土体在x、y方向的特征长度，ES为土体的压缩模量。根据对受拉土体的受力分析，选用刚度参数为土体的压缩模量，并且刚度参数的大小并不影响夹具倾角的最终确定。

根据上述约束条件，有：

其中，ψ为土体剪胀角。

联立方程(1)-(8)可求解得：

化简有：

tan[arctan(1/μ)-α]tanα≥tanψ (10)

由此求得侧壁倾角的最小值α，确定侧壁倾角所需转动的角度最小值后，在此基础上，选择大于最小角度适当值的角度值便可满足试验要求。

对本实用新型实施例所选用的非饱和细砂，取摩擦系数μ为0.45，剪胀角ψ为20°，将值代入上式方程(10)中求解可得α的设计要求为：α≥18.4°，本实用新型实施例中取α＝20°。在模具底板上的角度刻度尺上找到20°，将侧壁转到该位置。

综上所述，本实用新型实施例通过可转动调节的侧壁，得到不同角度的梯形结构模具，确定一个合理的角度，在大于这个角度时使模具能提供足够的“持握力”以避免滑动，同时避免选择的角度过大产生端部应力集中。而拉伸系统通过不锈钢的楔形块连接固定第一拉伸模具和第二拉伸模具，不锈钢的楔形块卡入旋转螺杆并通过两个旋钮分别固定在两个模具底座上，使第一拉伸模具和第二拉伸模具严丝合缝的连接在一起，并形成了两个开口相对的矩形的容土空间。本装置中采用的数采百分表和应力传感器，能实时同步地记录下试验过程中土体的变形和所受应力，便于对试验情况进行实时或后续分析。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。