依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试装置及方法
【专利摘要】本发明提出一种依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试装置及方法，该测试装置包括测试平台和土梁模具；测试平台包括基础平台、固定支座和滑动支座；基础平台为平板结构；固定支座为横截面为矩形的长条且固定在基础平台上平面的一侧，滑动支座放置在基础平台上平面且可在平面上滑动；滑动支座的横截面为矩形且在矩形上、下平面内设置有滚动轴承或滚珠；所述土梁模具的内空为长方形且为可拆开的刚性结构。采用本发明依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试方法能较为真实、客观的反应土体开裂情况，记录裂缝初始扩展长度即可确定出土体断裂韧度参数，并且，操作简单，装置简易，测量精度较高，能满足工程土体断裂参数精度需求。
【专利说明】依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试装置及方法 发明领域
[0001] 本发明涉及到边滑坡、地面塌陷、地面沉降等地质灾害形成的土体裂缝参数测试
【技术领域】，尤其是涉及一种依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试装置及方法。
【背景技术】
[0002] 我国山地丘陵占国土总面积2/3以上，随着我国大型工程项目的建立和山区城镇 建设高速发展，边滑坡、地面塌陷、地面沉降等地质灾害数量日益增多，地质灾情愈发严重， 地质安全问题则日益凸显。由边滑坡、地面塌陷以及地面沉降形成的地裂缝是目前常见的 伴生地质灾害，具有数量多、覆盖面积广、贯穿深度大、裂缝延伸长、裂缝宽度大等特点。如： 2001年重庆市巫山县发生塔坪滑坡灾情，体积达数百万立方米，一旦滑塌，将严重影响长 江航道，滑坡范围内产生明显的四条张拉和剪切裂缝，裂缝长10?22m，宽1?5m，深度达 0. 2m。2009年重庆市云阳县凉水井滑坡，滑坡边界裂缝已全部贯通，延伸至长江，裂缝宽 5?30cm，局部超过I. 0m，下错高度10?45cm，局部超过I. 5m。2010年湖南宁乡多处发生 地面塌陷，最大直径达80余米。2012年1月至2月24日，位于洞庭湖区湖南省益阳市岳家 桥镇发生大面积岩溶塌陷地质灾害，上千当地村民的生成和生活受到影响。2006年8月31 日，河北省隆尧县西店子村因地下水过量开采出现多条地裂缝，最长达2. 5公里，横跨2个 镇3个村，造成部分农田和住宅不同程度的破坏。2010年7月4日，山西省运城市稷山县稷 峰镇管村发现一条地裂缝，裂缝长约200米，宽不等，最宽处约2米，最窄处约10厘米，数米 深。这些地裂缝穿越城镇居民、厂矿、农田，横切道路、铁路、地下管道和隧道等，造成大量建 筑物破损、农田毁坏、道路变形、管道破裂等，严重影响了人民生活、厂矿生产和安全。每年 因地裂缝灾害造成的经济损失达数亿元元之多。因此，土体裂缝的形成机制研宄及有效防 治显得尤为重要。
[0003] 目前，土体裂缝按成因可分为构造裂缝、非构造裂缝和混合成因裂缝三类，体现了 土体裂缝的宏观因素。但现在越来越多的学者开始从宏观机制向微观机理转化，研宄土体 受力特性和参数研宄。其中，最重要的即是断裂力学机制。断裂力学可以从微观角度可有 效解释土体开裂、扩展以及开口程度、深度估算等问题，有效评价地裂缝发展情况，因此，得 到迅速发展。而在土体断裂力学微观机理研宄中，断裂韧度Krc能有效表征土体性能，成为 分析土体裂缝形成的重要环节。目前，断裂韧度1。的测试方法通常采用标准三点弯曲试 验，三点弯矩试验针对于钢筋、混凝土、岩石等脆性材料较为可行，但针对松散介质如土体， 则存在困难。首先，采用土体制梁有难度；其次，试验过程中土梁易在梁自重的作用下发生 断裂破坏。而在紧凑拉伸试验中，由于试样施力点的局部强度不够，可能出现施力点的破坏 先于试样断裂破坏的情况。显然，现有技术土体断裂韧度测定方法存在着土体制梁困难，试 验难进行和试验结果不准确等问题。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术土体断裂韧度测定方法存在的土体制梁困难，试验难进行和试验 结果不准确等问题，本发明提出一种依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试装置及方法。 本发明依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试装置，包括，测试平台和土梁模具；所述测试 平台包括基础平台、固定支座和滑动支座；基础平台为平板结构且上平面的长和宽分别大 于a和b;固定支座为横截面为矩形的长条且固定在基础平台上平面的一侧，滑动支座放置 在基础平台上平面且可在平面上滑动；滑动支座的横截面为矩形且在矩形上、下平面内设 置有滚动轴承或滚珠；所述土梁模具的内空为长方形且为可拆开的刚性结构，其内空的长、 宽、高的尺寸分别为a、b和h，模具壁厚度为d;其中，模具壁厚度d大于Icm;且2. 5h<b < 4h;a> 3b;a、b和h的计量单位均为cm。
[0005] 本发明依靠土体自重测定土体断裂韧度的方法，包括以下步骤：
[0006]Sl、针对具体的粘土或碎石土，现场取样并在实验室采用本发明依靠土体自重测 定土体断裂韧度装置的土梁模具制作土梁，分2?3层击实；所述土梁模具的内空为长方形 且为可拆开的刚性结构，其内空的长、宽、高的尺寸分别为a、b和h，模具壁厚度为d;所述模 具壁厚度d大于Icm;且2. 5h<b< 4h;a> 3b;a、b和h的计量单位均为cm;
[0007] S2、打开土梁模具，取出土梁，测量土梁的实际尺寸长度a、宽度b、厚度h，单位为 cm;且测定土体平均容重γ，单位为g/cm;
[0008] S3、调整本发明依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试装置的测试平台固定支座 与滑动支座之间的间距小于b，以土梁水平放置在两支座上后，固定支座一侧不出现裂缝或 较大变形为准；所述测试平台包括基础平台、固定支座和滑动支座；基础平台为平板结构 且上平面的长和宽分别大于a和b;固定支座为横截面为矩形的长条且固定在基础平台上 平面的一侧，滑动支座放置在基础平台上平面且可在平面上滑动；滑动支座的横截面为矩 形且在矩形上、下平面内设置有滚动轴承或滚珠；
[0009] S4、缓慢移动滑动支座并观察土梁底部变形及裂缝情况，移动速度不大于0. 5mm/ s，当土梁底部出现裂缝时即停止移动滑动支座，测量裂缝深度％以及支座间距S，计量单位 均为cm;
[0010] S5、重复步骤SI至S4,分别测定三组数据；
[0011] S6、数据处理；
[0012] S61、将三组试验数据中土梁尺寸a、b和h，平均容重γ、裂缝深度％以及支座间 距S取平均值；
[0013] S62、考虑土梁自重荷载为均布竖向荷载，其均匀荷载为：
[0014] q=yh (1)
[0015] 利用上式（1)计算均勾荷载q;式中，γ为土体平均容重，单位为g/cm;h为土梁 厚度，单位为cm;
[0016]S62、利用下式（2)计算裂缝处应力
[0017]
【权利要求】
1. 一种依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试装置，其特征在于，该装置包括测试平 台和土梁模具；所述测试平台包括基础平台、固定支座和滑动支座；基础平台为平板结构 且上平面的长和宽分别大于a和b;固定支座为横截面为矩形的长条且固定在基础平台上 平面的一侧，滑动支座放置在基础平台上平面且可在平面上滑动；滑动支座的横截面为矩 形且在矩形上、下平面内设置有滚动轴承或滚珠；所述土梁模具的内空为长方形且为可拆 开的刚性结构，其内空的长、宽、高的尺寸分别为a、b和h，模具壁厚度为d;其中，模具壁厚 度d大于lcm;且2. 5h<b< 4h;a> 3b;a、b和h的计量单位均为cm。
2. -种依靠土体自重测定土体断裂韧度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 51、 针对具体的粘土或碎石土，现场取样并在实验室采用本发明依靠土体自重测定土 体断裂韧度装置的土梁模具制作土梁，分2?3层击实；所述土梁模具的内空为长方形且为 可拆开的刚性结构，其内空的长、宽、高的尺寸分别为a、b和h，模具壁厚度为d;所述模具壁 厚度d大于lcm ;且2. 5h<b<4h ;a>3b ;a、b和h的计量单位均为cm ; 52、 打开土梁模具，取出土梁，测量土梁的实际尺寸长度a、宽度b、厚度h，单位为cm;且 测定土体平均容重Y，单位为g/cm; 53、 调整本发明依靠土体自重测定土体断裂韧度的测试装置的测试平台固定支座与滑 动支座之间的间距小于b，以土梁水平放置在两支座上后，固定支座一侧不出现裂缝或较大 变形为准；所述测试平台包括基础平台、固定支座和滑动支座；基础平台为平板结构且上 平面的长和宽分别大于a和b;固定支座为横截面为矩形的长条且固定在基础平台上平面 的一侧，滑动支座放置在基础平台上平面且可在平面上滑动；滑动支座的横截面为矩形且 在矩形上、下平面内设置有滚动轴承或滚珠； 54、 缓慢移动滑动支座并观察土梁底部变形及裂缝情况，移动速度不大于0. 5mm/s，当 土梁底部出现裂缝时即停止移动滑动支座，测量裂缝深度％以及支座间距S，计量单位均为 cm； 55、 重复步骤S1至S4,分别测定三组数据； 56、 数据处理； 561、 将三组试验数据中土梁尺寸a、b和h，平均容重丫、裂缝深度％以及支座间距S 取平均值； 562、 考虑土梁自重荷载为均布竖向荷载，其均匀荷载为：
利用上式（1)计算均匀荷载q;式中，Y为土体平均容重，单位为g/cm;h为土梁厚度， 单位为cm; 562、 利用下式（2)计算裂缝处应力〇max:
式中，M为裂缝开裂弯矩，M=yhS2/8 ;1为截面惯性矩，I=bh3/12 ;h、b和S分别为 土梁厚度、宽度和土梁出现裂缝时的支座间距，计量单位均为cm;y为土体平均容重，单位 为g/cm; 563、 利用下式（3)计算土梁的断裂韧度Kk:
式中，h、b和S分别为土梁厚度、宽度和土梁出现裂缝时的支座间距，计量单位均为cm;Y为土体平均容重，单位为g/cm为裂缝深度，单位均为cm。
【文档编号】G01N3/14GK104483203SQ201410827366
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】唐红梅, 周云涛, 陈洪凯 申请人:唐红梅, 周云涛, 陈洪凯