专利名称：基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置的制作方法
技术领域：
本发明土体抗拉强度测定的试验装置，具体涉及一种基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置。
背景技术：
在许多岩土工程中，土体受荷过程中会发生开裂，这些裂缝经常是由于土体的拉伸破坏引起的。例如边坡土体发生一定的变形时，土体中会发生剪切破坏或拉伸破坏，因而产生裂缝，这些裂缝一般规模较大，深入边坡土体，对于土质边坡工程产生严重危害，尤其是具有结构性的黄土边坡工程，因其位移变形相对较小、破坏较为突然，往往会产生灾难性的后果。另外许多挡土墙后的粘性土及粘性土坡滑坡体都存在开裂现象，虽然这种情况下有些土体单元发生了剪切破坏，但也有些土体单元处于拉伸破坏，而这种拉伸直接导致了土体开裂，且拉裂缝通常为张开裂缝，危害较大。因此，土体的抗拉强度对土工建筑物及边坡稳定性影响很大。近年来，随着经济的快速发展，公路、机场、高土石坝的大量修建，土工建筑物中产生开裂导致的工程问题逐渐增多，在研究这些裂缝的产生原因和裂缝处理方案的设计中， 对土的抗拉特性的正确认识和抗拉强度指标的正确测量越来越显得重要。一方面，在我国西北部天然土坡大多处于非饱和状态，非饱和性对于土体的强度影响亦不容忽视；另一方面，在许多天然土坡及地基位于地下水位以下处于饱和状态，饱和土体的抗拉强度对岩土体稳定性影响亦不容忽视，因此认识和测量饱和与非饱和土的抗拉强度均具有十分重要的
眉、ο用于土体抗拉强度测试的装置有直接拉伸仪和间接拉伸仪两种，目前直接拉伸仪主要指的是单轴拉伸仪。这些抗拉强度试验装置虽然能对一定含水量范围的非饱和原状土进行试验，但装样困难，对于饱和或更大湿度范围的重塑或原状土样则难以实现，并且土样两端由于应力集中极易发生破坏，进而导致试样成功率下降，此外，手轮转速很难准确控制拉伸速率，导致试验结果受人为因素影响较大，当拉伸速度要求很小时，仪器很难实现。直接拉伸仪的操作简单，但需用专门的方法固定试件，如机械夹具法、高分子材料粘结法、冷冻法等，试验中容易产生偏心作用力和靠近试件两端的应力集中现象。同时试样不易安装， 试验过程人为因素影响也较大。目前，间接拉伸试验装置主要指土梁弯曲拉伸仪。间接拉伸仪不如直接拉伸试验中试样的应力明确，但其优点是试验过程比较简便，给出的抗拉强度也比较可靠。目前，该类试验存在的缺点，一方面，是得到的应力与应变曲线的精度比较低；另一方面，已有的立式土梁弯曲拉伸仪难以实现和考虑试样土体饱和条件，而卧式土梁弯曲拉伸仪又难以克服和计算土样与底板之间摩擦力及其受荷时摩擦力不均勻分布的影响。此外，该类试验装置不仅缺乏可以控制含水量的重塑土的制样设备，也同时缺乏可测试原状土抗拉强度的相应试验设备和制样辅助设备，同时没有实现饱和条件下土的抗拉强度试验。对比以上几种粘性土抗拉强度试验装置，可以总结如下4个问题
(1)这些试验装置均属于临时制作使用的试验设备，它们的功能较少和性能不稳定，试验操作繁杂且不规范，从制样到抗拉试验操作整个过程中受人为因素的影响较大。因此目前并没有形成一定规模的、控制性能稳定的、操作规范的、适应范围较广泛的、测量方便的、定型成熟的同类试验装置的正式成品。(2)这些试验装置中，立式单轴拉伸仪难以克服试样重力的影响和夹具导致的不能均勻受力问题，卧式单轴拉伸仪难以克服试样土样与底板之间摩擦力的影响和夹具导致的不能均勻受力问题；已有的立式土梁弯曲拉伸仪难以实现和考虑试样土体饱和条件，而卧式土梁弯曲拉伸仪又难以克服和计算土样与底板之间摩擦力及其受荷时摩擦力不均勻分布的影响。因此，目前尚缺乏针对克服这些影响的有效的土体抗拉强度的试验装置。(3)这些试验装置大多数只能是针对重塑土进行，虽然重塑土制样过程方便，但这与天然原状土还是有本质的区别，尤其针对具有明显结构性的土体。因此，目前不仅缺乏可以控制含水量的重塑土的制样设备，也同时缺乏可测试原状土抗拉强度的相应试验设备和制样辅助设备。(4)这些试验装置中尚难以实现饱和土的抗拉强度试验，尤其在研究含水量变化导致土体抗拉强度变化的试验中，对于饱和土体在抗拉试验过程中如何保证试样始终处于饱和状态一直是土体抗拉强度试验面临的难点问题。因此，目前尚缺乏针对严格饱和条件下实现土体抗拉强度的试验装置。综上所述，目前这些为临时应用而制作的土体抗拉强度试验装置，由于功能较少和性能不稳定，试验操作繁杂且不规范，受人为因素的影响较大，并且并不适应饱和土抗拉强度测定，更不适用于具有特殊结构性的原状土。因此，基于针对具有非饱和性和结构性的土体抗拉力学特性的研究，借鉴土梁弯曲拉伸试验装置的思路，研制开发并形成一定规模的、控制性能稳定的、操作规范的、适应范围较广泛的、测量方便的、定型成熟的同类试验装置的正式成品，以适应特殊性质土体的抗拉力学特性研究，无论是对实际岩土工程研究的需要还是对土体抗拉试验装置研发创新都具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置，解决了现有装置不能适用于饱和或湿度较大的原状或重塑土的问题。本发明所采用的技术方案是，一种基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置，包括从上到下依次固定连接的横梁、立柱以及底座，底座上设置有土梁定位操作系统，横梁上设置有加载系统和量测系统；土梁定位操作系统包括固定在底座上的压力室侧板，压力室侧板的上方可拆卸安装有透明上罩，透明上罩上开有注水孔、抽气孔和真空压力计安装孔；在底座上且位于透明上罩和压力室侧板形成的封闭空间内，固定有用来放置土样的微气槽板，微气槽板的上表面开有多个微气槽孔，微气槽板上端的中心位置上开有纵向的贯通孔一，微气槽板左右两端的上方均纵向设置有用于限制土样向上移动的限位销；还包括中支承板，中支承板为两个竖直板和一个水平板组成的直角拱形，中支承板的两个竖直板分别贴合设置在微气槽板的前后两侧，在该两个竖直板上与贯通孔一相对应的位置均开有贯通孔二，两个贯通孔二的宽度小于或等于贯通孔一的宽度，贯穿两个贯通孔二水平放置有均能自由抽出的活动板和推力销，推力销位于贯通孔二的底部，活动板位于推力销的上方，且活动板和推力销的上表面平齐；中支承板的水平板的上端固定有用于和量测系统相连接的连接部；加载系统包括伺服电机，以及连接在伺服电机的输出轴上并由其带动工作的应变控制加载器，应变控制加载器的输出轴竖直向下设置；量测系统包括固定连接在应变控制加载器的输出轴上的位移感应支架，位移感应支架上固定有数显测力计，数显测力计为竖直向下设置，且其下端部能通过挂钩与土梁定位操作系统的连接部相连接，在横梁上通过传感器支架固定有位移传感器，位移传感器为竖直设置且其测试端抵在位移感应支架上。连接部为中销座以及水平穿插在所述中销座上的中销。在微气槽板左右两端部，均前后对称安装有两个限位销安装板，限位销穿插设置在对应的两个限位销安装板的安装孔内。微气槽板的前后两侧端均设置有肩台，中支承板的两个竖直板的下端面分别抵在两肩台上。中支承板的两个竖直板的外侧均设置有侧板，两个侧板通过螺钉安装在微气槽板上，在两个侧板上与贯通孔一相对应的位置均开有贯通孔三，两个贯通孔三的宽度均小于或等于贯通孔一的宽度。两个贯通孔二均由方向相反设置的上拱形孔和下拱形孔组成，且上拱形孔的宽度大于下拱形孔的宽度。活动板和推力销位于下拱形孔内，且活动板的上表面和下拱形孔的上表面平齐。贯通孔一的形状和下拱形孔的形状相同。两个贯通孔三的形状均为弧形端朝下的拱形孔。本发明装置不仅适用于一般非饱和原状或重塑土抗拉强度测定，而且尤其适用于饱和条件下重塑土和原状样的抗拉强度测试。本发明通过电动控制加载速率，采用有记忆功能的数显测力计自动采集试验数据，并通过真空抽气机对土样进行原位饱和，且可在水中进行抗拉试验，减小重力以及饱和度失真的影响，同时微气槽板还可减少土样与其接触时产生的吸力作用，有效保证了试验的精度，具有结构简单，操作方便，控制稳定，数据可靠，安全经济等特点
图1是本发明基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置的结构示意图；图2是图1的侧视图；图3是本发明的土梁定位操作系统与外部抽真空注水装置相连接的示意图；图4是本发明的中支承板的结构示意图；图5是本发明的侧板的结构示意图；图6是本发明的微气槽板的结构示意图。其中，1.加载系统，2.应变控制加载器，3.横梁，4.量测系统，5.立柱，6. 土梁定位操作系统，7.底座，8.伺服电机，9.角钢，10.传感器支架，11.位移传感器，12.位移感应支架，13.螺栓，14.数显测力计，15.透明上罩，16.中销，17.中销座，18.中支承板，19.压力室侧板，20.限位销，21.限位销安装板，22.活动板，23.推力销，24.侧板，25.微气槽板， 26.真空压力计，27.手轮，28.注水管，29.抽气管，30. 二通阀，31.管卡，32.抽气机，33.贯通孔二，34.贯通孔三，35.微气槽孔，36.贯通孔一，37.肩台。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。如图1和图2所示，本发明基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置，包括从上到下依次固定连接的横梁3、立柱5以及底座7，底座7上设置有土梁定位操作系统6，横梁3上设置有加载系统1和量测系统4。其中，土梁定位操作系统6包括压力室侧板19、透明上罩15、微气槽板25、限位销 20、中支承板18、活动板22和推力销23。压力室侧板19固定在底座7上，透明上罩15可拆卸安装在压力室侧板19的上方，透明上罩15上开有注水孔、抽气孔和真空压力计安装孔。如图1、图2和图6所示，位于透明上罩15和压力室侧板19形成的封闭空间即真空压力室内，在底座7上，通过螺钉安装有用来放置土样的微气槽板25。微气槽板25的上表面开有多个微气槽孔35，微气槽板25上端的中心位置上开有纵向的贯通孔一 36。在微气槽板25左右两端部，均前后对称设置有两个限位销安装板21，限位销安装板21通过螺钉安装在微气槽板25上，还包括两个纵向水平设置的限位销20，个限位销20用于限制土样向上移动，且限位销20分别穿插设置在对应的两个限位销安装板21的安装孔内。如图4所示，中支承板18为两个竖直板和一个水平板组成的直角拱形，中支承板 18的两个竖直板分别贴合设置在所述微气槽板25的前后两侧。微气槽板25的前后两侧端均设置有肩台37，中支承板18的两个竖直板的下端面分别抵在两肩台37上。在该两个竖直板上与贯通孔一 36相对应的位置均开有贯通孔二 33。贯穿两个贯通孔二 33水平放置有活动板22和推力销23，推力销23位于贯通孔二 33的底部，活动板22位于推力销23的上方，且活动板22和推力销23的上表面平齐。为了保证活动板22和推力销23均能自由水平抽出，两个贯通孔二 33的宽度小于或等于贯通孔一 36的宽度。中支承板18的水平板的上端固定有用于和量测系统4相连接的连接部。连接部为中销座17以及水平穿插在中销座17上的中销16。如图1和图2所示，加载系统1包括伺服电机8，以及连接在伺服电机8的输出轴上并由其带动工作的应变控制加载器2，应变控制加载器2的输出轴竖直向下设置。加载系统1通过角钢9固定在横梁3的上方。如图1和图2所示，量测系统4包括传感器支架10、位移传感器11、位移感应支架 12和数显测力计14。位移感应支架12固定连接在应变控制加载器2的输出轴上，数显测力计14通过螺栓13固定在位移感应支架12上上，数显测力计14为竖直向下设置，且数显测力计14的下端部能通过挂钩与中销16相连接。传感器支架10通过螺钉安装在横梁3 上，位移传感器11竖直安装在传感器支架10上，且位移传感器11的测试端抵在位移感应支架12的上端。如图1、图2和图5，为保证中支承板18在水平方向上不移动，在中支承板18的两个竖直板的外侧均设置有侧板对，两个侧板M通过螺钉连接在微气槽板25上。为了保证活动板22和推力销23均能自由水平抽出，在两个侧板M上与贯通孔一 36相对应的位置均开有贯通孔三34，且两个贯通孔三34的宽度均小于或等于贯通孔一 36的宽度。贯通孔一 36、贯通孔二 33和贯通孔三34的形状设置要求保证活动板22和推力销 23均能自由水平抽出即可。如图4所示，本实施例中，在中支承板18上，两个贯通孔二 33 均由方向相反设置的上拱形孔和下拱形孔组成，且上拱形孔的宽度大于下拱形孔的宽度。 此时，活动板22和推力销23位于下拱形孔内，且活动板22的上表面和下拱形孔的上表面平齐。如图5所示，在侧板M上，贯通孔三34的形状均为弧形端朝下的拱形孔。贯通孔一 36的形状通常为，如图6所示，在微气槽板25上，贯通孔一 36的形状和下拱形孔的形状相同。对于一般非饱和原状或重塑土样，试验前，打开透明上罩15，将事先切削好的原状土梁或制备好的重塑土梁试样置于微气槽板25上，安装四个限位销安装板21，将两个限位销20穿插在相对应的限位销安装板21上，两个限位销20能限制的土梁向上移动；然后将中支承板18置于土梁左右，用侧板M固定。试验时，将数显测力计14下端通过挂钩连接于中销16上，通过应变控制加载器2上的手轮27将应变控制加载器2调至试验所需的加载速率，由伺服电机8带动应变控制加载器2的加载轴承前进，将位移传感器11下端抵在位移感应支架12的上端；随着应变控制加载器2的加载轴承的上升，位移感应支架12也随之上升，此时位移传感器11将显示位移的进程，同时中销16随之上升，推力销23也会向上运动，此时水平抽出活动板22，待推力销23上升接触土梁底部表面时，将数显测力计14调零；此时，由推力销23提供向上推力推动土梁，而土梁的左右两端受到限位销20的约束，将发生弯曲，当推力到达一定程度时，土梁将会破坏，此时数显测力计14所记录数字即为所求荷载，位移传感器11所记录数字为所求位移。该过程中微气槽板25可以减小土梁与底板之间的吸力作用。当土梁破坏后，关闭伺服电机8，取出土样，试验结束。对于饱和重塑或者原状土样，操作步骤不同的是，在将土梁安装好后，在透明上罩 15的注水孔、抽气孔和真空压力计安装孔上对应连接注水管观、抽气管四和真空压力计沈，其中，注水管观上安装有管卡31，抽气管四上安装有二通阀30并与抽气机32相连接。 使用抽气机32对真空压力室抽真空，真空压力计沈显示真空压力室内的负压值，当压力到达一定值后，通过注水管观向真空压力室注水，当水淹没过土梁一定高度后，关闭管卡31 停止注水。继续抽真空一段时间，以保证土梁在原位充分饱和，关闭二通阀30停止抽气。此时，土梁充分饱和，打开透明上罩15，将压力室内水吸干或将土梁置于水中进行试验，将数显测力计14下端通过挂钩连接于中销16，开始试验，此步骤要求在打开透明上罩15后尽快完成。此外，本装置也可以实现土梁在水中的试验，此种试验方法还可以减小土梁重力及饱和度失真的影响。本发明采用立式加荷承载模式，有效避开了现有技术的卧式装置中土梁与底板的摩擦力问题；采用土梁定位操作系统的特殊设计，在土梁试验原位设计了可拆卸的真空压力室，实现了相应严格的真空饱和功能，有效地拓展了设备的试验功能；采用可调速的电机驱动设计，实现了控制性能稳定的、操作规范的技术措施；采用数显测力计的设计，实现了测量数据自动采集，使得数据采集方便且可靠；土梁与底板之间采用微气槽板设计，在饱和条件下有效减小土梁与底板接触的的吸力、吸附作用，提高了试验精度。
权利要求
1.一种基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置，其特征在于，包括从上到下依次固定连接的横梁(3)、立柱(5)以及底座(7)，所述底座(7)上设置有土梁定位操作系统(6)，所述横梁(3)上设置有加载系统⑴和量测系统⑷；所述土梁定位操作系统(6)包括固定在所述底座(7)上的压力室侧板(19)，所述压力室侧板(19)的上方可拆卸安装有透明上罩(15)，所述透明上罩(15)上开有注水孔、抽气孔和真空压力计安装孔；在所述底座(7)上且位于所述透明上罩(15)和压力室侧板(19)形成的封闭空间内，固定有用来放置土样的微气槽板(25)，所述微气槽板(25)的上表面开有多个微气槽孔(35)，所述微气槽板(25)上端的中心位置上开有纵向的贯通孔一(36)，所述微气槽板(25)左右两端的上方均纵向设置有用于限制土样向上移动的限位销(20)；还包括中支承板(18)，所述中支承板(18)为两个竖直板和一个水平板组成的直角拱形，所述中支承板(18)的两个竖直板分别贴合设置在所述微气槽板(25)的前后两侧，在该两个竖直板上与所述贯通孔一(36)相对应的位置均开有贯通孔二(33)，所述两个贯通孔二(33)的宽度小于或等于贯通孔一(36)的宽度，贯穿所述两个贯通孔二(33)水平放置有均能自由抽出的活动板(22)和推力销(23)，所述推力销(23)位于贯通孔二(33)的底部，所述活动板(22)位于推力销(23)的上方，且活动板(22)和推力销(23)的上表面平齐；所述中支承板(18)的水平板的上端固定有用于和所述量测系统(4)相连接的连接部；所述加载系统(1)包括伺服电机(8)，以及连接在所述伺服电机(8)的输出轴上并由其带动工作的应变控制加载器(2)，所述应变控制加载器(2)的输出轴竖直向下设置；所述量测系统(4)包括固定连接在所述应变控制加载器(2)的输出轴上的位移感应支架(12)，所述位移感应支架(12)上固定有数显测力计(14)，所述数显测力计(14)为竖直向下设置，且其下端部能通过挂钩与所述土梁定位操作系统(6)的连接部相连接，在所述横梁(3)上通过传感器支架(10)固定有位移传感器(11)，所述位移传感器(11)为竖直设置且其测试端抵在位移感应支架(12)上。
2.按照权利要求1所述的基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置， 其特征在于，所述连接部为中销座(17)以及水平穿插在所述中销座(17)上的中销(16)。
3.按照权利要求1所述的基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置，其特征在于，在所述微气槽板(25)左右两端部，均前后对称安装有两个限位销安装板 (21)，所述限位销(20)穿插设置在对应的两个限位销安装板(21)的安装孔内。
4.按照权利要求1所述的基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置， 其特征在于，所述微气槽板(25)的前后两侧端均设置有肩台(37)，所述中支承板(18)的两个竖直板的下端面分别抵在所述两肩台(37)上。
5.按照权利要求1所述的基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置， 其特征在于，所述中支承板(18)的两个竖直板的外侧均设置有侧板(24)，所述两个侧板 (24)通过螺钉安装在所述微气槽板(25)上，在两个侧板(24)上与所述贯通孔一(36)相对应的位置均开有贯通孔三(34)，所述两个贯通孔三(34)的宽度均小于或等于贯通孔一 (36)的宽度。
6.按照权利要求1或5所述的基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置，其特征在于，所述两个贯通孔二(33)均由方向相反设置的上拱形孔和下拱形孔组成， 且所述上拱形孔的宽度大于所述下拱形孔的宽度。
7.按照权利要求6所述的基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置， 其特征在于，所述活动板(22)和推力销(23)位于所述下拱形孔内，且所述活动板(22)的上表面和所述下拱形孔的上表面平齐。
8.按照权利要求6或7所述的基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置，其特征在于，所述贯通孔一(36)的形状和所述下拱形孔的形状相同。
9.按照权利要求5所述的基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置， 其特征在于，所述两个贯通孔三(34)的形状均为弧形端朝下的拱形孔。
全文摘要
本发明公开了一种基于电动控制加载的非饱和与饱和土体抗拉强度试验装置，包括从上到下依次固定连接的横梁、立柱以及底座，底座上设置有土梁定位操作系统，横梁上设置有加载系统和量测系统。本发明在有效克服了摩擦力、土梁底部和底座吸附作用的基础上，解决了现有装置不能适用于饱和或湿度较大的原状或重塑土的问题。
文档编号G01N3/08GK102156073SQ201110052708
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者吴利言, 李荣建, 郑文 申请人:西安理工大学