土体压剪复合断裂破坏试验方法及试验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种土体压剪复合断裂破坏试验方法及试验装置。该方法，包括以下步骤：1）制备被测试样；所述立方体土块的顶面和底面与水平面垂直；2）在被测试样的其中一个侧面开一条缝隙；3）在所述被测试样的上、下方放置第一加载板和第二加载板；4）对第一加载板和第二加载板同时施加指向被测试样方向、且垂直于水平面的作用力。本发明的试验装置，包括形状相同的第一加载板和第二加载板，所述第一加载板和第二加载板分别位于被测试样上、下方。
【专利说明】土体压剪复合断裂破坏试验方法及试验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及土体断裂试验【技术领域】，具体是一种土体断裂破坏试验方法及试验装置，尤其涉及一种土体压缩与剪切复合型断裂破坏的试验方法及试验装置。
【背景技术】
[0002]断裂是由于新裂缝萌生或已存在裂缝的扩展而引起的一种破坏过程，是材料和结构的破坏失效形式之一。在过去的四十多年中，脆性和准脆性材料断裂力学的发展主要集中在混凝土中，同时，在岩土工程中也确立了其正当地位。断裂力学的应用已经表明，断裂力学可以提供调查和解决岩土力学和岩土工程中许多应用问题的强有力的工具。
[0003]土体中的裂缝是一种自然现象，在许多天然和人为土工结构中经常遇到。许多土工结构物(如土石坝的土质心墙，垃圾填埋场的粘土底层和盖层等)中，土体裂缝问题是关系到工程成败的关键问题，土体裂缝问题也因此成为学术界和工程界的研究热点问题，同时也是当前研究的难点问题。
[0004]多数学者认为，土体中裂缝的产生和扩展是由于裂缝位置的应力状态达到临界值引起的，该应力可以是垂直于裂缝面的拉应力，也可以是平行于裂缝面的剪应力，裂缝产生和扩展的机理可从断裂力学的角度进行解释。含裂缝土体属于非连续介质，其破坏描述和准则应基于非连续介质建立。在断裂力学中，裂缝扩展按其受力状态可分为三种基本类型，即:张开型(或拉伸型)、滑开型(或剪切型)和撕开型(或扭剪型)。在土体断裂破坏中，主要考虑拉伸型和剪切型两种。
[0005]试验研究土体的断裂性状，一直是土体断裂力学的主要研究内容。目前，用于研究土体I型断裂破坏性状的主要试验方法是三点弯曲断裂试验和紧凑拉伸试验，以及对这两种方法的改进试验方法；研究土体II型断裂破坏性状的试验方法主要是非对称四点弯曲试验；尚未见有关研究土体III型断裂破坏性状试验方法的报道。
[0006]由于土体的自身特性，在应用于实际的土工结构物中，土体断裂往往不是由单一的拉、压应力或纯剪切应力引起,而是在复杂的应力状态下由压应力与剪切应力的共同作用引起的压剪复合型断裂破坏；或由拉应力与剪切应力的共同作用引起的拉剪复合型断裂破坏。本发明仅涉及压剪复合型断裂破坏的研究。
[0007]对于土体在压剪状态下的应力变化及开裂状态的试验研究方法，其原理在于施加于土体试样的压剪应力，可分解为垂直于重力方向的剪应力与平行于重力方向的压应力(见图1)，利用所得到的压剪应力与土样应变及临界应力的关系结合一定规律，便可以研究土体在不同压剪应力状态下的断裂破坏问题。根据以上原理，在试验操作中可以利用剪应力与压应力对试样的不同作用位置与数值组合形成对试样有着不同的作用方向的合力，即压剪合力。
[0008]然而，为得到任意作用角度范围内应力与试样应力变化及开裂状态的关系，以上方法在操作过程中必然需要进行数量庞大的试验，通过对压应力与剪应力进行细致的调整配合，得到所需数值与作用角度的压剪合力。同时，即使如此，实际操作中仍难以得到具有较好连续分布特性的压剪合力与土样应变及临界应力关系。
[0009]鉴于通过同时分别施加压应力与剪应力以间接得到压剪合力的试验方法存在的不足，设计新的土体压剪断裂试验方法和装置来直接得到作用于土样的压剪应力有着十分积极的意义。
【发明内容】
[0010]本发明创造的目的之一是提供了一种土体压剪断裂破坏的试验方法。
[0011]为实现本发明创造目的而采用的技术方案是这样的，土体压剪复合断裂破坏试验方法，包括以下步骤:
[0012]I)制备被测试样，所述被测试样为立方体土块，包括顶面、底面和四个侧面；所述立方体土块的顶面和底面与水平面垂直；
[0013]2)在被测试样的其中一个侧面开一条缝隙，即所述被测试样单侧开缝；
[0014]3)在所述被测试样的上、下方放置第一加载板和第二加载板；所述第一加载板和第二加载板为L型板，或所述第一加载板和第二加载板的内侧具有L型缺口；即使得所述被测试样的两个相邻的侧面与第一加载板的内侧接触，而未与所述第一加载板接触的两个侧面与第二加载板的内侧接触；
[0015]4)对第一加载板和第二加载板同时施加指向被测试样方向、且垂直于水平面的作用力。作为优选，加载的方向与重力方向垂直。
[0016]本发明创造的另一个目的是提供了一种土体压剪断裂破坏的试验装置。
[0017]为实现上述目的而采用的技术方案是这样的，土体压剪复合断裂破坏试验装置，包括形状相同的第一加载板和第二加载板，所述第一加载板和第二加载板分别位于被测试样两侧。所述被测试样是一个具有顶面、底面、第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的立方体土块，所述顶面和底面与水平面垂直。
[0018]所述第一加载板面向被测试样的一侧具有两个相互垂直的面，即α面和β面。试验时，所述α面与被测试样的第三侧面接触，所述β面与被测试样的第二侧面接触。
[0019]所述第二加载板面向被测试样的一侧具有两个相互垂直的面，S卩Y面和δ面。试验时，所述Y面与被测试样的第一侧面接触，所述δ面与被测试样的第四侧面接触。
[0020]本发明的技术效果是毋庸置疑的，施加于土体试样的作用力，可分解为剪力与压力，可以真实地模拟存在裂缝的土体在压剪应力复合作用下断裂破坏的过程。进一步通过改变所述作用力的方向、大小，同时作相应的记录，就可以轻松得到任意作用角度范围内应力与试样应力变化及开裂状态的关系。本发明所公开的方法及其装置的操作过程简单、准确，避免了现有技术中需要进行数量庞大的试验，并通过对压力与剪力进行细致的调整配合，才能得到所需结果(模拟过程或数值分析)的弊病，进一步还能够得到具有较好连续分布特性的压剪合力与土样应变及临界应力关系。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]本发明创造的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。
[0022]图1 土体压剪断裂破坏原理；
[0023]图2 土体压剪断裂破坏试验方法；[0024]图3 土体剪切断裂破坏试验系统立体图；
[0025]图4为图3中试验系统的另一个视角的立体图；
[0026]图5 土体剪切断裂破坏试验系统结构拆分示意图；
[0027]图6 土体剪切断裂破坏试验0°加载示意图；
[0028]图7 土体剪切断裂破坏试验30°加载示意图；
[0029]图8 土体剪切断裂破坏试验60°加载示意图。
[0030]图中:1 一第一加载销，2 —第一钎杆，3-裂缝，4 一第一加载板通孔，5 —第一加载板，6 —被测试样,7 —荷重传感器,8 —位移传感器,9 一第二加载板,10 —第二加载销，11 一第二加载板通孔，12 —第二钎杆。
【具体实施方式】
[0031]下面结合实施例对本发明创造作进一步说明，但不应该理解为本发明创造上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明创造上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明创造的保护范围内。
[0032]实施例1:
[0033]土体压剪复合断裂破坏试验方法，包括以下步骤:
[0034]I)制备被测试样，所述被测试样为立方体土块，包括顶面、底面和四个侧面；放置时，使得所述立方体土块的顶面与水平面垂直，所述立方体土块的底面亦和水平面垂直；试验中，可以任意旋转立方体土块，但需要保持块所述顶面和底面与水平面垂直的状态。
[0035]2)在被测试样的其中一个侧面开一条缝隙，即所述被测试样单侧开缝。开缝的方法可以采用本领域制备土样常用的方法，如用刀刃切入等。
[0036]3)在所述被测试样的两侧放置第一加载板和第二加载板。
[0037]本实施例有两种方案，其一是:所述第一加载板和第二加载板为L型板，(或)其二是:所述第一加载板和第二加载板的内侧具有L型缺口。但无论采用那一种方案，即使得所述被测试样的两个相邻的侧面与第一加载板的内侧接触，而未与所述第一加载板接触的两个侧面与第二加载板的内侧接触。
[0038]4)对第一加载板和第二加载板同时施加指向被测试样方向的作用力。
[0039]参见图1或图2，图中所示的a部分即为预先按照试验要求制得的立方体土块的后视图。图中b所示即为开在立方体土块一侧的缝隙。该缝隙的存在，模拟了实际岩土中既有的裂缝。同样参见图1，A、B为加载点；C、D为支撑点；T为施加于试样的剪切荷载；Ν为施加于试样的压荷载。该过程模拟了既有缝隙的岩土体在剪切荷载和压荷载共同作用下发生的变化。实施例中，需要记录各个载荷的大小，以及加载板的位移。
[0040]进一步地，步骤2)中，所述缝隙(即b部分)开于被测试样的第一侧面，该缝隙垂直于所述第一侧面、顶面和底面，所述缝隙将被测试样的第一侧面分为面积相等的两部分。如图2中所述，所述缝隙即为模拟现实中土体中的裂缝，该裂缝贯穿被测土样的顶面和底面。
[0041]作为优选，本实施例的步骤3)中，第一加载板和第二加载板的内侧缺口的截面为L型，所述L型中，长边的长度等于被测试样的棱长，短边的长度等于被测试样的棱长的一半。即试样的第三侧面与第一加载板完全接触，而试样的第二侧面(与第三侧面相邻)只有一半的面积与第一加载板接触；同样试样的第四侧面与第一加载板完全接触，而试样的第一侧面(与第四侧面相邻)只有一半的面积与第一加载板接触。
[0042]实施例的步骤4)中，对第一加载板和第二加载板同时施加的作用力分别为F1和F2 ;所述F1和F2大小相等、方向相反，且在同一条直线上。
[0043]作为优选，调整被测试样、第一加载板和第二加载板的位置，使得F1的方向与重力方向相同。
[0044]实施例2:
[0045]本实施例提供一种装置，能够实现实施例1所述的方法。
[0046]土体压剪复合断裂破坏试验装置，包括形状相同的第一加载板5和第二加载板9，所述第一加载板5和第二加载板9分别位于被测试样的上、下方。所述被测试样是一个具有顶面、底面、第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的立方体土块，所述顶面和底面与水平面垂直。本实施例中，所述第一加载板5的上端可以连接在力学加载装置上，所述第二加载板9的下端同样可以连接在力学加载装置上。
[0047]参见图3，图中被测试样被标记为编号6，被测试样6的第三侧面的两侧分别与第二侧面和第一侧面相邻，被测试样的第四侧面与第三侧面相对。在被测试样6的第一侧面开有一条贯穿所述顶面和底面的裂缝3。所述裂缝3与顶面、底面、第一侧面均垂直，与第三侧面和第四侧面平行。
[0048]所述第一加载板5和第二加载板9均是具有一定厚度的刚性板。作为优选，所述第一加载板5和第二加载板9在水平方向上的厚度大于或等于被测试样的棱长。
[0049]所述第一加载板5面向被测试样的一侧具有两个相互垂直的面，S卩α面和β面，其形成的方式是在第一加载板5面向被测试样的一侧切割出一个直角缺口。由于第一加载板5的一个面被切去一角，因此多出的两个相互垂直的面就是α面和β面。所述α面和β面均可以随第一加载板5的旋转而旋转，使其具有一定倾斜角度。试验时，所述α面与被测试样的第三侧面接触，所述β面与被测试样的第二侧面接触。由于所述第二加载板9位于被测试样的下方，因此，所述被测试样搁置在第二加载板9上，即所述第二加载板9承载被测试样的重量。
[0050]所述第二加载板9面向被测试样的一侧具有两个相互垂直的面，S卩Y面和δ面，其形成的方式是在第二加载板9面向被测试样的一侧切割出一个直角缺口。由于第二加载板9的一个面被切出一角，因此多出的两个相互垂直的面就是Y面和δ面。所述Υ面和δ面均可以随第一加载板5的旋转而旋转，使其具有一定倾斜角度。试验时，所述Y面与被测试样的第一侧面接触，所述S面与被测试样的第四侧面接触。
[0051]实施例中，所述第一加载板5的上端与加载装置连接,第二加载板9的下端同样与加载装置连接。被测试样的第四侧面搁置在S面上。
[0052]本实施例中，所述被测试样的第一侧面开有一条垂直于被测试样顶面和底面的缝隙，所述缝隙将被测试样的第一侧面分为面积相等的两部分。所述α面和δ面在平行于试样顶面(或者说是底面)方向上的宽度等于被测试样的棱长，所述β面和Y面在平行于被测试样顶面(或者说是底面)方向上的宽度等于被测试样的棱长的一半。这样就使得被测试样的第三侧面完全与α面接触，被测试样的第二侧面的上半部分与β面接触。同样，被测试样的第四侧面完全与δ面接触，被测试样的第一侧面的下半部与Y面接触，优选地，Y面的上缘与所述裂缝3重合。[0053]试验时,通过向第一加载板5和第二加载板9向被测试样施加作用力。由于第一加载板5和第二加载板9与被测试样均为L型接触，使得最终作用在被测试样的力分解为四个方向的力，即模拟了土体同时受压、剪作用的现象。优选地，旋转被测试样、第一加载板5和第二加载板9，使得所述作用力的方向与重力在同一直线上。
[0054]进一步，还包括第一加载销I和第二加载销10 (分别属于第一加载板5上方和第二加载板9下方的力学加载系统)。所述第一加载板5的上表面开有若干第一加载板通孔4，所述第一加载板通孔4的轴线平行于α面和β面的交线。所述第二加载板9的上表面开有若干第二加载板通孔11，所述第二加载板通孔11的轴线平行于Y面和S面的交线。所述第一加载销I的前端具有第一钎杆2。所述第二加载销10的前端具有第二钎杆12。试验时，所述第一钎杆2插入第一加载板5上表面的第一加载板通孔4中，所述第二钎杆12插入第二加载板9上表面的第二加载板通孔11中。通过作用于第一加载销I和第二加载销10的力，向被测试样施加作用力。
[0055]实施例中，还包括测量第一加载板5和第二加载板9位移的位移传感器8，以及测量施加在第一加载板5和第二加载板9上作用力大小的荷重传感器7。在模拟土体受力作用的同时，精确记录试验数据。
[0056]实施例3:
[0057]本实施例提供一种装置，形状结构完全同图3、4和5所示，能够较优地实现实施例1所述的方法。
[0058]土体压剪复合断裂破坏试验装置，包括形状相同的第一加载板5和第二加载板9，所述第一加载板5位于被测试样上方，第二加载板9位于被测试样下方。所述被测试样是一个具有顶面、底面、第二侧面、第一侧面、第三侧面和第四侧面的立方体土块(同实施例2所制备的试样)。
[0059]所述第一加载板5和第二加载板9均是具有一定厚度的刚性板。作为优选，所述第一加载板5和第二加载板9在水平方向上的厚度大于或等于被测试样的棱长。本实施例中，所示第一加载板5和第二加载板9的上端侧均是90°的圆弧(从主视图上看)、下端是L型缺口(同样从主视图上看)。即所述第一加载板5面向被测试样的一侧具有两个相互垂直的面，g卩α面和β面，其形成的方式是在第一加载板5面向被测试样的一侧切割出一个直角缺口。由于第一加载板5的一个面被切出一角，因此多出的两个相互垂直的面就是α面和β面。所述α面和β面均可以随第一加载板5的旋转而旋转，使其具有一定倾斜角度。试验时，所述α面与被测试样的第三侧面接触，所述β面与被测试样的第二侧面接触。
[0060]所述第二加载板9面向被测试样的一侧具有两个相互垂直的面，S卩Y面和δ面，其形成的方式是在第二加载板9面向被测试样的一侧切割出一个直角缺口。由于第二加载板9的一个面被切出一角，因此多出的两个相互垂直的面就是Y面和δ面。所述Υ面和δ面均可以随第一加载板5的旋转而旋转，使其具有一定倾斜角度。试验时，所述Y面与被测试样的第一侧面接触，所述S面与被测试样的第四侧面接触。
[0061]本实施例中，所述被测试样的第一侧面开有一条垂直于被测试样顶面和底面的缝隙，所述缝隙将被测试样的第一侧面分为面积相等的上、下两部分。所述α面和δ面在平行于被测试样顶面(底面)方向上的宽度等于被测试样的棱长，所述β面和Y面在平行于被测试样顶面(底面)方向上的宽度等于被测试样的棱长的一半。这样就使得被测试样的第三侧面完全与α面接触，被测试样的第二侧面的一半与β面接触。同样，被测试样的第四侧面完全与δ面接触，被测试样的第一侧面的一半与Y面接触，S卩Y面的边界与所述裂缝3重合。
[0062]本实施例中，所不第一加载板5的上表面具有两排第一加载板通孔4,所述第一加载板通孔4的轴线平行于α面和β面的交线。每一排的若干个第一加载板通孔4分布在同一圆周上，所述圆周与第一加载板5的外侧圆弧同心。所述第二加载板9的上表面同样具有两排第二加载板通孔11，所述第二加载板通孔11的轴线平行于Y面和δ面的交线。每一排的若干个第二加载板通孔11分布在同一圆周上，所述圆周与第二加载板9的外侧圆弧同心。
[0063]本实施例中，还包括棍状的第一加载销I和第二加载销10。所述第一加载销I的首端安装有两根棍状的第一钎杆2，所述第一钎杆2与第一加载销I相互垂直，使得安装有第一钎杆2的第一加载销I整体呈F型。
[0064]所述第二加载销10的首端安装有两根棍状的第二钎杆12，所述第二钎杆12与第二加载销10相互垂直，使得安装有第二钎杆12的第二加载销10整体呈F型。
[0065]上述第一钎杆2的直径均小于或等于第一加载板通孔4的孔径；第二钎杆12的直径均小于或等于第二加载板通孔11的孔径。试验时，由于第一加载板通孔4和第二加载板通孔11均具有若干个，所述两根第一钎杆2可以插入第一加载板5上表面的任意两个第一加载板通孔4中。所述两根第二钎杆12可以插入第二加载板9上表面的任意两个第二加载板通孔11中。通过向第一加载销I和第二加载销10的尾端施加作用力，就可以使得该作用力传递到第一加载板5和第二加载板9上，进而可以控制施加在被测试样上作用力的方向。
[0066]作为优选，需要旋转被测试样、第一加载板5和第二加载板9,使得向第一加载销I和第二加载销10的尾端施加作用力与重力在同一直线上。实施例中，可以先确定第一加载销I与裂缝3的夹角,然后调整被测试样、第一加载板5和第二加载板9,再将第一加载销I与第一加载板5上的第一加载板通孔4连接，这样就保证了第一加载销I是垂直于水平面的，施加在第一加载销I尾端的作用力与重力方向一致。同理，第二加载销10的安装方法与第一加载销I类似，只是其上面的第二钎杆12插入第二加载板9上表面的任意两个第二加载板通孔11中。即如图6中，所述第一加载销I与裂缝3的夹角为0° ;图7中，所述第一加载销I与裂缝3的夹角为30° ;图8中，所述第一加载销I与裂缝3的夹角为60°。这三幅图中，第一加载销I和第二加载销10均与水平面保持垂直。
[0067]通过上述方式对第一加载板5和第二加载板9施加不同方向的作用力。由于第一加载板5和第二加载板9与被测试样均为L型接触，使得最终作用在被测试样的力分解为四个可选择方向的力，且避免了重力的干扰，即模拟了土体同时受某个方向的压、剪作用的现象。
【权利要求】
1.土体压剪复合断裂破坏试验方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)制备被测试样，所述被测试样为立方体土块，包括顶面、底面和四个侧面；所述立方体土块的顶面和底面与水平面垂直； 2)在被测试样的其中一个侧面开一条缝隙，即所述被测试样单侧开缝； 3)在所述被测试样的上、下方放置第一加载板和第二加载板；所述第一加载板和第二加载板为L型板，或所述第一加载板和第二加载板的内侧具有L型缺口；即使得所述被测试样的两个相邻的侧面与第一加载板的内侧接触，而未与所述第一加载板接触的两个侧面与第二加载板的内侧接触； 4)对第一加载板和第二加载板同时施加指向被测试样方向、且垂直于水平面的作用力。
2.根据权利要求1所述的土体压剪复合断裂破坏试验方法，其特征在于:所述被测试样的四个侧面分别为:第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；步骤2)中，所述缝隙开于被测试样的第一侧面，该缝隙垂直于所述第一侧面、顶面和底面，所述缝隙将被测试样的第一侧面分为面积相等的两部分；步骤3)中，第一加载板和第二加载板的内侧缺口的截面为L型，所述L型中，长边的长度等于被测试样的棱长，短边的长度等于被测试样的棱长的一半。
3.根据权利要求1所述的土体压剪复合断裂破坏试验方法，其特征在于:步骤4)中，对第一加载板和第二加载板同时施加的作用力分别为F1和F2 ;所述F1和F2大小相等、方向相反，且在同一条直线上。
4.土体压剪复合断裂破坏试验装置，其特征在于:包括形状相同的第一加载板(5)和第二加载板(9),所述第一加载板(5)和第二加载板(9)分别位于被测试样的上、下方；所述被测试样是一个具有顶面、底面`、第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的立方体土块；所述顶面和底面与水平面垂直； 所述第一加载板(5)面向被测试样的一侧具有两个相互垂直的面，即α面和β面；试验时，所述α面与被测试样的第三侧面接触，所述β面与被测试样的第二侧面接触； 所述第二加载板(9)面向被测试样的一侧具有两个相互垂直的面，即Y面和δ面；试验时，所述Y面与被测试样的第一侧面接触，所述δ面与被测试样的第四侧面接触。
5.根据权利要求4所述的土体压剪复合断裂破坏试验装置，其特征在于:所述被测试样的第一侧面开有一条垂直于被测试样顶面和底面的缝隙，所述缝隙将被测试样的第一侧面分为面积相等的两部分；所述α面和δ面在平行于被测试样顶面或底面方向上的宽度等于被测试样的棱长，所述β面和Y面在平行于被测试样顶面或底面方向上的宽度等于被测试样的棱长的一半。
6.根据权利要求4或5所述的土体压剪复合断裂破坏试验装置，其特征在于:还包括第一加载销(I)和第二加载销(10) 所述第一加载板(5)的上表面开有若干第一加载板通孔(4)，所述第一加载板通孔(4)的轴线平行于α面和β面的交线；所述第二加载板(9)的上表面开有若干第二加载板通孔(11)，所述第二加载板通孔(11)的轴线平行于β面和Y面的交线； 所述第一加载销(I)的前端具有第一钎杆(2);所述第二加载销(10)的的前端具有第二钎杆(12)；试验时，所述第一钎杆(2)插入第一加载板(5)上表面的第一加载板通孔(4)中，所述第二钎杆(12 )插入第二加载板(9 )上表面的第二加载板通孔(11)中。
7. 根据权利要求4或5所述的土体压剪复合断裂破坏试验装置，其特征在于:还包括测量第一加载板(5)和第二加载板(9)位移的位移传感器(8),以及测量施加在第一加载板(5)和第二加载板(9)上作用力大小的荷重传感器(7)。
【文档编号】G01N3/24GK103487324SQ201310430894
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】张慧萍, 王俊杰, 温雨眠, 刘明维 申请人:重庆交通大学