一种测定加筋土抗拉强度的试验装置和方法与流程

本发明涉及土力学领域，特别是涉及一种测定加筋土抗拉强度的试验装置及方法。

背景技术：

相对于土体的抗压和抗剪强度，抗拉强度一般非常小，尤其对于一些软土或饱和度较高的土体，其抗拉强度通常只有几kPa甚至接近于0，在试验中很难进行准确测量，工程中也常常被忽略。因此，过去在土力学理论及工程实践中很少考虑土体的抗拉特性。但在某些特定工况条件下，土体承受拉应力并发生破坏的现象并不少见。如干燥环境下土体中发育的收缩裂隙，这就是张拉应力作用的结果，裂隙的形成会极大弱化土体的工程性质，对边坡工程、水利工程、地基工程、环境岩土工程等都会产生负面影响。所以，对土体的抗拉强度进行研究，并采取相应的工程措施提高土体的抗拉强度具有重要的工程意义，近些年来逐渐受到岩土工程专家和学者的重视。纤维加筋土技术是一种广泛应用，且具有很大潜力的土工加筋技术。纤维与土等混合能大大提高土的粘聚力而不改变原始材料的其他形状。它是采用很细的纤维材料同土体结合在一起形成的一种土工复合材料，它具有一般加筋土所没有的近似各向同性的力学性质以及良好的工程性质。

目前，国内外对纤维加筋土的抗压和抗剪强度试验研究较多，但关于纤维加筋土抗拉强度的研究资料不多，特别是对纤维加筋土抗拉强度的影响因素分析研究不多。测定土体抗拉强度的试验方法主要有直接法和间接法。直接法指在试样两端直接施加拉应力直到断裂破坏，常见的有单轴拉伸试验，但在试验过程中试样的固定问题比较复杂。一般采用夹具或胶黏法，但操作过程比较繁琐，而且容易在试样端部产生应力集中而断裂，造成较大的误差。此外，直接法的制样过程对试验结果也有较大影响。目前许多文献中都采用圆柱形试样，即将土样在模具中一次性压实(上下不均匀)或分层压实(存在人为软弱结构面)成形，其压实方向与后续拉伸方向均沿试样轴向，则拉伸试验结果明显受试样压实过程的制约。并且考虑到纤维加筋土的拉伸强度很低，直接试验难度较大，所以需要研发一种间接测量纤维加筋土抗拉强度的试验装置来测量其抗拉强度。

技术实现要素：

本发明提供了一种测定加筋土抗拉强度的试验装置及方法，其采用三腔式旁压器进行压力施加，在两个护腔的辅助下，测量腔可以在整个测量腔竖壁上提供持续稳定均衡的压力，有效改善了试验效果。提供了一种有效测定土样抗拉强度的方法，可以做对比试验，研究各种加筋材料对土体抗拉强度的影响和加筋效果；

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种测定加筋土抗拉强度的试验装置，其特征在于：包括用于制作环形土试样的制备模具、用于放置环形土试样的支架、设于环形土试样内的三腔式旁压器、用于向三腔式旁压器内加压的压力加载系统、用于测量三腔式旁压器内压力的压力传感器和数据采集系统，压力加载系统通过三腔式旁压器对环形土试样的内壁加压，所述数据采集系统采集压力传感器检测的压力信息。

在上述技术方案基础上，所述制备模具主要由环形底座、外环体和内环体组成。

在上述技术方案基础上，所述外环体由第一半圆形外环钢片、第二半圆形外环钢片和可将第一半圆形外环钢片、第二半圆形外环钢片紧固于一体的紧固装置组成，所述第一半圆形外环钢片和第二半圆形外环钢片组合于一起可拼接成一整圆，所述外环体包围环形底座且其内径与环形底座的外径相一致。

在上述技术方案基础上，所述内环体由第一内环钢片、第二内环钢片和第三内环钢片，所述第三内环钢片弧长最短，所述第三内环钢片高于第一内环钢片和第二内环钢片，所述第一内环钢片、第二内环钢片和第三内环钢片组合于一起可拼接成一整圆，所述内环体可插入环形底座中心的圆孔中且其外径与环形底座中心的圆孔的直径相一致。

在上述技术方案基础上，所述支架主要由用于放置环形土试样的托盘、上顶板和连接件组成，所述上顶板通过连接件与托盘相连接并位于环形土试样的上方不与环形土试样相接触，所述三腔式旁压器固定安装于上顶板上。

在上述技术方案基础上，所述三腔式旁压器主要由壳体、上隔膜和下隔膜组成，所述上隔膜和下隔膜将壳体的腔体分隔为由上至下的上护腔、测量腔(和下护腔，所述壳体、上隔膜和下隔膜均采用弹性材料制成，所述测量腔的外壁面与环形土试样的内壁面相契合。

在上述技术方案基础上，还包括三通接头，其第一端与三腔式旁压器的测量腔相连通，第二端与压力加载系统相连接，第三端与压力传感器相连接。

在上述技术方案基础上，还包括用于检测环形土试样径向膨胀量的位移传感器，其检测端设于环形土试样的外壁面上，所述数据采集系统采集位移传感器检测的位移信息。

一种测定加筋土抗拉强度的方法，其特征在于，按如下步骤进行：

a)组装制备模具并加固，在外环体与环形底座相接触的面上涂抹凡士林，将第一半圆形外环钢片和第二半圆形外环钢片对接形成外环体并包围环形底座，在外环体的外部采用紧固装置使第一半圆形外环钢片和第二半圆形外环钢片固定于一起，在内环体与环形底座相接触的面上涂抹凡士林，将第一内环钢片、第二内环钢片和第三内环钢片插入环形底座中心的圆孔中并组成内环体，在内环体中插入刚性圆柱体；

b)制备环形土试样，将适量土样倒入制备模具内作第一层土，第一层采用手动击实仪击实，边锤击，边移动导筒，导筒垂直于底座，第一层土击实完后，将第一层上表面拉毛，将适量土样倒入制备模具内作第二层土并击实，以此类推直至最后一层，最后一层应使土样略高于模具的顶面，将高出的土用刀齐口修平；

c)拆除制备模具，拆除外环体时，先拆除紧固装置，然后将第一半圆形外环钢片和第二半圆形外环钢片分开移去；拆除内环体时，先拔除作为内支撑的刚性圆柱体，然后先拔除第三内环钢片，最后拆除第一内环钢片和第二内环钢片；

d)固定环形土试样，将环形底座连同制备好的环形土试样放置于托盘上，环形底座和环形土试样一同套于三腔式旁压器上使三腔式旁压器的测量腔外壁与环形土试样内壁契合，将上顶板通过连接件与托盘相连接并位于环形土试样的上方，其下表面不与环形土试样接触，将三腔式旁压器固定安装于上顶板上；

e)将三通接头第一端与三腔式旁压器的测量腔相连通，第二端与压力加载系统相连接，第三端与压力传感器相连接，检查各接头保证无漏水或油，并且水或油里不含气泡；

f)打开水管各处阀门，调节压力传感器和位移传感器，开启数据采集系统，启动压力加载系统，保持压力缓慢增加；

g)仔细观察压力传感器的仪表盘和环形土试样状态，当压力突然下降时，说明环形土试样破坏，关闭水管各处阀门，停止数据采集，解析并保存数据；

h)根据采集到的数据和公式(3)计算环形土试样的抗拉强度；

公式(3)：

σ_θ为环向正应力，总为拉应力；为试样的拉伸破坏强度；q_max为环形土试样出现裂纹时的最大内压力；a为环形土试样的内径；b为环形土试样的外径；r为环形土试样上任意一点到圆心的距离且a≤r≤b。

本发明具有如下优点：

1.环形土试样上部表面不受摩擦力影响，试验结果更准确。

2.本发明可以通过组装试样制备模具制备出高质量的环形土试样。

3.本发明可以通过位移传感器测量试样破坏过程中环形土试样体积的变化，为研究试样应力-应变关系提供了一定的条件。

4.本发明采用三腔式旁压器进行压力施加，在上下两个护腔的辅助下，测量腔可以在整个测量腔竖壁上提供持续稳定均衡的压力，有效的改善了试验效果。

5.本发明提供了一种有效测定土样抗拉强度的方法，可以做对比试验，研究各种加筋材料对土体抗拉强度的影响和加筋效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1是本发明所述制备模具俯视结构示意图；

图2是图1的A-A向剖面结构示意图；

图3是本发明所述手动击实仪的剖面结构示意图；

图4是本发明所述环形土试样计算模型示意图；

图5是本发明所述定加筋土抗拉强度的试验装置的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2和图5所示，本实施例的一种测定加筋土抗拉强度的试验装置，其特征在于：包括用于制作环形土试样100的制备模具、用于放置环形土试样100的支架2、设于环形土试样内的三腔式旁压器3、用于向三腔式旁压器内加压的压力加载系统4例如空压机、用于测量三腔式旁压器内压力的压力传感器5和数据采集系统8，压力加载系统4通过三腔式旁压器3对环形土试样100的内壁加压，所述数据采集系统采集压力传感器5检测的压力信息。

优选的，所述制备模具主要由环形底座10、外环体11和内环体12组成。

为了方便拆去外环体11并减少拆除时对环形土试样100的破坏，优选的，所述外环体11由第一半圆形外环钢片11-1、第二半圆形外环钢片11-2和可将第一半圆形外环钢片11-1、第二半圆形外环钢片11-2紧固于一体的紧固装置组成，所述第一半圆形外环钢片11-1和第二半圆形外环钢片11-2组合于一起可拼接成一整圆，所述外环体11包围环形底座10且其内径与环形底座10的外径相一致。其中紧固装置可为钢箍或钢丝绳等，箍于或缠绕于外环体11外侧。

为了方便拆去内环体12并减少拆除时对环形土试样100的破坏，优选的，所述内环体12由第一内环钢片12-1、第二内环钢片12-2和第三内环钢片12-3，所述第三内环钢片12-3弧长最短，所述第三内环钢片12-3高于第一内环钢片12-1和第二内环钢片12-2，所述第一内环钢片12-1、第二内环钢片12-2和第三内环钢片12-3组合于一起可拼接成一整圆，所述内环体12可插入环形底座10中心的圆孔中且其外径与环形底座10中心的圆孔的直径相一致。

为了方便固定环形土试样100及三腔式旁压器3，优选的，所述支架2主要由用于放置环形土试样100的托盘20、上顶板21和连接件22组成，所述上顶板21通过连接件22与托盘20相连接并位于环形土试样100的上方不与环形土试样100相接触，所述三腔式旁压器3固定安装于上顶板21上。

作为三腔式旁压器3的一个具体示例，优选的，所述三腔式旁压器3主要由壳体30、上隔膜32和下隔膜33组成，所述上隔膜32和下隔膜33将壳体30的腔体分隔为由上至下的上护腔3-1、测量腔3-2和下护腔3-3，所述壳体30、上隔膜32和下隔膜33均采用弹性材料制成，所述测量腔3-2的外壁面与环形土试样100的内壁面相契合。其中弹性材料宜选厚度很薄的橡胶。其中测量腔和上、下护腔互不相通，但上、下护腔互通，并把测量腔夹在中间。试验时有压介质(水)通过中间管路系统进入测量腔，使壳体沿径向膨胀，环形土试样受压呈圆柱形扩张，从而可量测土试样内壁压力。

采用三腔结构的三腔式径向加压仪，且上护腔和下护腔连通，有利于确保测量腔、上护腔和下护腔的压力一致，利于对环形土样的内壁均匀施加压力。可通过加压监测来实现护腔与测量腔的压力一致。

优选的，该测定加筋土抗拉强度的试验装置还包括三通接头6，其第一端与三腔式旁压器3的测量腔3-2相连通，第二端与压力加载系统4相连接，第三端与压力传感器5相连接。

为了给研究试样应力的应变的关系提供一种途径，优选的，该测定加筋土抗拉强度的试验装置还包括用于检测环形土试样100径向膨胀量的位移传感器7，其检测端设于环形土试样100的外壁面上，所述数据采集系统采集位移传感器7检测的位移信息。

一种测定加筋土抗拉强度的方法，其特征在于，按如下步骤进行：

a)组装制备模具并加固，在外环体11与环形底座10相接触的面上涂抹凡士林，如此可减少摩擦，减小拆除外环体时对环形土试样100的破坏，将第一半圆形外环钢片11-1和第二半圆形外环钢片11-2对接形成外环体11并包围环形底座10，在外环体11的外部采用紧固装置使第一半圆形外环钢片11-1和第二半圆形外环钢片11-2固定于一起，在内环体12与环形底座10相接触的面上涂抹凡士林，如此可减少摩擦，减小拆除内环体时对环形土试样100的破坏，将第一内环钢片12-1、第二内环钢片12-2和第三内环钢片12-3插入环形底座10中心的圆孔中并组成内环体12，在内环体中插入刚性圆柱体；

b)制备环形土试样100，将适量土样倒入制备模具内作第一层土，第一层采用手动击实仪击实，边用击锤51锤击，边移动导筒50，导筒50垂直于底座，第一层土击实完后，将第一层上表面拉毛，将适量土样倒入制备模具内作第二层土并击实，以此类推直至最后一层，最后一层应使土样略高于模具的顶面，将高出的土用刀齐口修平；优选，分三层击实；

c)拆除制备模具，拆除外环体11时，先拆除紧固装置，然后将第一半圆形外环钢片11-1和第二半圆形外环钢片11-2分开移去；拆除内环体12时，先拔除作为内支撑的刚性圆柱体，然后先拔除第三内环钢片12-3，最后拆除第一内环钢片12-1和第二内环钢片12-2；

d)固定环形土试样100，将环形底座10连同制备好的环形土试样100放置于托盘20上，环形底座10和环形土试样100一同套于三腔式旁压器3上使三腔式旁压器3的测量腔3-2外壁与环形土试样100内壁契合，将上顶板21通过连接件22与托盘20相连接并位于环形土试样100的上方，其下表面不与环形土试样100接触，将三腔式旁压器3固定安装于上顶板21上；

e)将三通接头6第一端与三腔式旁压器3的测量腔3-2相连通，第二端与压力加载系统4相连接，第三端与压力传感器5相连接，将位移传感器7的检测端设于环形土试样100的外壁面上，检查各接头保证无漏水，并且水里不含气泡；

f)打开水管各处阀门，调节压力传感器和位移传感器，开启数据采集系统，启动压力加载系统，保持压力缓慢增加；

g)仔细观察压力传感器5的仪表盘和环形土试样100状态，当压力突然下降时，说明环形土试样100破坏，关闭水管各处阀门，停止数据采集，解析并保存数据；

h)根据采集到的数据和公式(3)计算环形土试样的抗拉强度；

公式(3)：

σ_θ为环向正应力，总为拉应力；为试样的拉伸破坏强度；q_max为环形土试样出现裂纹时的最大内压力；a为环形土试样的内径；b为环形土试样的外径；r为环形土试样上任意一点到圆心的距离且a≤r≤b。

如图4所示，根据弹性力学理论，内、外半径分别为a和b的环形土试样在内侧压力q作用下：σ_r和σ_θ的表达式为：

式中：σ_r为径向正应力，总为压应力；σ_θ为环向正应力，总为拉应力。且a≤r≤b。由此可见，拉应力在环形土试样内壁最大。由于|σ_θ|＞|σ_r|，而纤维加筋土的抗拉强度远小于其抗压强度，因此环形土试样的破坏只能是首先出现在内壁的拉伸破坏。当q不断增大时，环形土试样内壁的拉应力σ_θ达到材料的抗拉强度σ_t，内壁出现裂纹；由于裂纹尖端的应力集中，裂纹迅速扩展而使试样拉断破坏。因此，圆环出现裂纹时的最大内压力q_max所对应的内壁环向拉应力就是试样的拉伸破坏强度σ_t。由公式(1)得，其表达式如下：

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在实例中，并未详细示出公知的结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的装置解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的装置中的部件进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个装置中。可以把实施例中的部件组合成一个部件，以及此外可以把它们分成多个子部件。除了这样的特征中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何装置的所有部件进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以它们的组合实现。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或组件。位于部件或组件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件或组件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的装置来实现。在列举了若干部件的权利要求中，这些部件中的若干个可以是通过同一个部件项来具体体现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。