一种粘性土应变控制式Ⅰ型断裂韧度测试仪及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种粘性土应变控制式Ⅰ型断裂韧度测试仪及测试方法，该测试仪包括安装台，所述安装台上安装有电机，所述电机与可伸缩的连杆连接，所述连杆的前端连接有传感器，所述传感器与推杆连接；所述安装台上设有底座，底座上设有滑轨，滑轨上设有被测试试样，底座上固定连接有一对挡杆，被测试试样一面与挡杆连接，另一面与推杆连接，被测试试样设有初始裂缝。本发明的一种粘性土应变控制式Ⅰ型断裂韧度测试仪，通过将被测试试样平躺着进行断裂测试，消除了重力影响，通过将被测试试样放置在滑轨上，消除了摩擦力的影响。
【专利说明】
一种粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪及测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪及测试方法，属于土木工程和 地质工程中土体断裂测试领域。
【背景技术】
[0002] 土体中应力状态的改变可能导致土体开裂。初始裂缝形成后，裂缝还会进一步扩 展，造成土体破坏。土体断裂韧度是涉及土体裂缝扩展的一个基本力学性能指标，它反映了 土体抵抗裂纹失稳扩展的能力。根据断裂力学理论，当土体中应力强度因子增大到某一临 界值，裂缝便失稳扩展，导致土体断裂、破坏，这个临界或失稳扩展的应力强度因子即断裂 韧度。由于土体抗拉强度较之金属、混凝土等材料的抗拉强度低得多，较之其本身的抗压强 度和抗剪强度也低得多，因此，在许多实际问题中常常被忽略。迄今为止，对土的I型断裂韧 度及其断裂过程研究很少，土的断裂韧度试验仪器也无标准可依。
[0003] 然而，实际工程中许多问题都与土体I型裂缝开展有关，如土坡滑动时坡顶产生的 拉裂缝、土石坝心墙水力劈裂、地下水开采引起的地裂缝等。随着社会经济发展和建设的需 要以及科学研究的深入，对土体断裂韧度特性的研究逐步得到重视，并成为土木工程和地 质工程领域的重要研究课题。要研究土体的断裂特性，一个合适的试验仪器是必不可少的。 土体断裂韧度较小，对断裂试验仪器的性能要求较高。传统的测量金属、混凝土等材料断裂 韧度的三点弯曲试验并不适用于土的断裂韧度测试，因为土的断裂韧度与其他材料相比要 小得多，土试样在自重作用下就可能发生断裂。如将试样平放于操作台上，试样底部与操作 台之间的摩擦力对试验结果的影响也不可忽视。因此，研究适用于土体I型断裂韧度的测试 仪器成为当务之急。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种粘性土应变控制式I 型断裂韧度测试仪及测试方法，通过将被测试试样平躺着进行断裂测试，消除了重力影响， 通过将被测试试样放置在滑轨上，消除了摩擦力的影响。
[0005] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种粘性土应变控制式I型断裂韧度测 试仪，包括安装台，所述安装台上安装有电机，所述电机与可伸缩的连杆连接，所述连杆的 前端连接有传感器，所述传感器与推杆连接;所述安装台上设有底座，底座上设有滑轨，滑 轨上设有被测试试样，底座上固定连接有一对挡杆，被测试试样一面与挡杆连接，另一面与 推杆连接，被测试试样设有初始裂缝。
[0006] 作为优选，所述传感器与数显仪连接。
[0007] 作为优选，所述滑轨为若干个平行安装的滚轴，滚轴通过轴承安装在底座上。
[0008] -种上述的粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪的测试方法，包括以下步骤：
[0009] (1)将被测试试样夹持在推杆和挡杆之间，被测试试样设有初始裂缝，测量初始裂 缝的长度为a，被测试试样的跨度为S，即两根挡杆轴线之间的距离，被测试试样的宽度为B， 被测试试样的高度为w;
[0010] (2)电机带动推杆持续对被测试试样施压，传感器获得试样的荷载-位移曲线，在 临界荷载出现之前，随着裂缝张开位移增加，试样承受的荷载也在增加。在临界荷载出现 后，随着裂缝张开位移增加，试样承受荷载减小，并最终断裂为两部分，通过传感器获得荷 载-位移曲线从中获取临界荷载P;
[0011] (3)被测试试样的断裂韧度K::
[0014] P为临界荷载;S为试样的长度(跨度）;B为试样的宽度;W为试样的高度;a为初始裂 纹的长度。
[0015] 有益效果:本发明的粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪及测试方法，与现有技 术相比，具有以下优点：
[0016] 1、本发明构思巧妙、结构独特，只需在常规土体直接剪切仪上进行改进，就可以对 符合试验要求尺寸的试样进行断裂试验，具有操作简单、方便和成本低廉的优点；
[0017] 2、采用本发明的I型断裂韧度测试仪进行的断裂试验，试样中应力分布较均匀，消 除了传统测试方法中自重对试验结果影响，试样破坏发生在试样的中间部位，可以有效量 测临界荷载以研究土体断裂现象；
[0018] 3、采用本发明将土样置于可自由滚动的滑轨之上，有效地消除了试样与操作台之 间的摩擦力对试验结果的影响；
[0019] 4、本发明通过采用传感器测量试样承受的荷载，能够克服原有直接剪切仪量力环 刚度过大、变形过小的缺点，可以提高测试精度和稳定性。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明的主视结构示意图。
[0021] 图2为本发明俯视图旋转90°的示意图。
[0022] 图3为I型断裂韧度试验荷载-位移关系曲线图。
【具体实施方式】
[0023]如图1和图2所示，本发明的一种粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪，包括放置 试样的平台、使试样发生断裂的加载施力系统和荷载-位移量测系统，放置试样的平台包括 底座1、挡杆2和滑轨3;加载施力系统包括电机4、可伸缩的连杆5，连杆前端连接有传感器6， 传感器前连接推杆7;量测系统包括传感器6和数显仪8,被测试试样9承受的推力并通过数 显仪进行显示，底座和电机安装在安装台上。本发明中，连杆的伸缩速率可以控制，能够在 较大范围内选择不同的伸缩速率。
[0024]本发明中，试样两端与挡杆2接触，可以确保连杆5以一定的速率向前移动时，试样 能够受到推力;连杆5的伸缩速率由电机4控制;连杆5连接传感器6,传感器6连接推杆7。本 实施例中，传感器6的量程为20kg，能够满足土体试样断裂需要。
[0025] 现以粘性土 I型断裂韧度测试研究的试验作为具体实施例进行说明：
[0026] 试验所用土料风干粉碎后过0.5mm筛，用压实法制备试样，制得含水率ω = 18 %， 干密度Pd = 1.5g/cm3，高度40mm、长度(跨度）160mm、宽度20mm的试样3个。在试样中部进行预 开口，开□长度为16mm，如图2所示。分别对上述3个试样进行I型断裂试验，通过数显仪测量 值，并获得各试样的荷载-位移曲线，计算I型断裂韧度。图3为试样断裂时的荷载-位移曲 线，曲线具有明显的上升段和下降段，在临界荷载出现之前，随着裂缝张开位移增加，试样 承受的荷载也在增加。在临界荷载出现后，随着裂缝张开位移增加，试样承受荷载减小，并 最终断裂为两部分，可取曲线的峰值荷载作为土体的断裂临界荷载。
[0027] 从图3可以看出，在达到临界荷载之前，荷载一位移关系接近直线变化，试样处于 弹性阶段；到达临界应力后，荷载一位移曲线迅速下降，下降的速率略小于上升期间的速 率;当到达临界荷载点后，随着位移增大，试样表面出现沿预开口方向拓展的肉眼可见的裂 缝，随着加载继续，试样承受推力的能力逐渐消失，试样表面形成裂缝，左右两端逐渐分离。 [0028] 一种上述的粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪的测试方法，包括以下步骤：
[0029] (1)将被测试试样夹持在推杆和挡杆之间，被测试试样设有初始裂缝，测量初始裂 缝的长度为a，被测试试样的跨度为S，即两根挡杆轴线之间的距离，被测试试样的宽度为B， 被测试试样的高度为W;
[0030] (2)电机带动推杆持续对被测试试样施压，传感器获得试样的荷载-位移曲线，在 临界荷载出现之前，随着裂缝张开位移增加，试样承受的荷载也在增加。在临界荷载出现 后，随着裂缝张开位移增加，试样承受荷载减小，并最终断裂为两部分，通过传感器获得荷 载-位移曲线从中获取临界荷载P;
[0031] (3)被测试试样的断裂韧度KI:
[0034] Ρ为临界荷载;S为试样的长度(跨度）;Β为试样的宽度;W为试样的高度;a为初始裂 纹的长度。根据临界荷载，可得到三个试样的I型断裂韧度分别为4.8635、4.6075和 4.8635N · cnf372。可见，采用本发明的I型断裂韧度测试仪进行的断裂试验，试样中应力分 布较均匀，试样破坏发生在试样的中间部位;而且，本发明只需在常规土体直接剪切仪上进 行改进，就可以对符合试验要求的试样进行I型断裂韧度测试，具有操作简单、方便和成本 低廉的优点。
[0035] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪，其特征在于:包括安装台，所述安装台 上安装有电机，所述电机与可伸缩的连杆连接，所述连杆的前端连接有传感器，所述传感器 与推杆连接;所述安装台上设有底座，底座上设有滑轨，滑轨上设有被测试试样，底座上固 定连接有一对挡杆，被测试试样一面与挡杆连接，另一面与推杆连接，被测试试样设有初始 裂缝。2. 根据权利要求1所述的粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪，其特征在于:所述传 感器与数显仪连接。3. 根据权利要求1所述的粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪，其特征在于:所述滑 轨为若干个平行安装的滚轴，滚轴通过轴承安装在底座上。4. 一种如权利要求1至3任一项所述的粘性土应变控制式I型断裂韧度测试仪的测试方 法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 将被测试试样夹持在推杆和挡杆之间，被测试试样设有初始裂缝，测量初始裂缝的 长度为a，被测试试样的跨度为S，即两根挡杆轴线之间的距离，被测试试样的宽度为B，被测 试试样的高度为W; (2) 电机带动推杆持续对被测试试样施压，传感器获得试样的荷载-位移曲线，在临界 荷载出现之前，随着裂缝张开位移增加，试样承受的荷载也在增加。在临界荷载出现后，随 着裂缝张开位移增加，试样承受荷载减小，并最终断裂为两部分，通过传感器获得荷载-位 移曲线从中获取临界荷载P; (3) 被测试试样的断裂韧度KI: V 汗八 JΡ为临界荷载;S为试样的长度(跨度）；Β为试样的宽度;W为试样的高度;a为初始裂纹的 长度。
【文档编号】G01N1/28GK105865924SQ201610412961
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】张云, 马维俊, 李泽华
【申请人】南京大学