一种土工单轴拉伸试验装置及方法

本发明属于土木工程试验设备，特别涉及一种土工单轴拉伸试验装置及方法。

背景技术：

1、土体物理力学特性的准确描述是工程设计、施工以及灾害防治的关键；其中，土体的抗拉强度、抗压强度及抗剪强度作为土体的重要物理力学性质；而在土体滑坡、崩塌、地裂缝及地基沉降等灾害的发展过程均与土的抗拉强度有关，土体是否出现拉裂缝和对已产生裂缝工程的原因分析及处理时，对土体抗拉强度的准确测试变得尤为重要；目前，土体的抗拉强度试验关于制样标准与试验方法并无明确规定。

2、目前，土体抗拉强度试验中的单轴拉伸试验普遍通过固定试样两端，并在无侧限压力条件下对试样直接施加拉力从而测试抗拉强度；因此，如何将试样与拉伸设备连接并有效传递拉力是单轴拉伸的核心问题；现有技术中，常用的连接方式包括：粘接法、锚固法或摩擦力传递法；而无论是粘结、锚固或摩擦力传递法，试验时都发现试样断面位置比较随机，且多数情况下试样端部即联接位置易在拉伸过程中断开，导致试验失败。

3、除此之外，现有试样的断面形状往往不规则，对抗拉强度的计算造成较大的误差；其中，对于粘结法而言，粘胶的强度和固化时间对试验结果有重要影响，试验后需去除拉伸设备上的已凝固胶水，过程较为麻烦；对于锚固法而言，难以将锚固体快速有效地置入待锚固试样内部，且土体在锚固过程中极易产生裂缝，对于摩擦力传递法而言，主要是利用夹具与试样之间的摩擦力传递拉力，但是夹具与试样之间的夹持力难以控制；若夹持力的过紧，易导致试样夹碎，若夹持力过松，拉伸时试样与夹具之间会发生相对滑动；其次，采用楔形模具夹持实验装置中，由于试样与夹持器械无法分开，从而对土样进行生物试验，例如真菌或细菌改良或其他如干湿循环或冻融循环等实验措施，且移动安装会扰动土样，使试验结果可信度降低；并且，在一些分层制样而成的试样中，拉伸时断裂面极易在分层处产生，使得测得的抗拉强度与实际有较大出入。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种土工单轴拉伸试验装置及方法，以解决现有的土体抗拉试验中，土样制作过程难度大，夹具与试样之间的夹持力难以控制，易造成试样端部断裂，导致试验结果准确性差的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明提供了一种土工单轴拉伸试验装置，包括土样模具、拉伸土样、万能试验机、上夹持机构及下夹持机构；所述土样模具包括上下对称设置的第一模具单元及第二模具单元；

4、所述第一模具单元的上端通过上夹持机构与所述万能试验机的试验机移动横梁相连，所述第一模具单元的下端设置有上梯形腔；所述第二模具单元的下端通过下夹持机构与所述万能试验机的试验机底座相连，所述第二模具单元的上端设置有下梯形腔；

5、其中，所述上梯形腔的下端与所述下梯形腔的上端贯通设置，并拼接形成沙漏型内腔；所述拉伸土样为沙漏型结构，所述拉伸土样配合设置在所述沙漏型内腔中。

6、进一步的，所述土样模具还包括限位机构，所述限位机构对称设置在所述土样模具的两侧；所述限位机构的上端与所述第一模具单元的下端外侧壁可拆卸相连，所述限位机构的下端与所述第二模具单元的上端外侧壁可拆卸相连。

7、进一步的，所述第一模具单元的下端外侧设置有上限位孔，所述第二模具单元的上端外侧设置有下限位孔；

8、所述限位机构包括限位板、上限位柱及下限位柱，所述限位板竖向设置在所述第一模具单元与所述第二模具单元的连接端外侧；所述上限位柱的一端与所述限位板的上端固定连接，所述上限位柱的另一端配合插设在所述在上限位孔中，所述下限位柱的一端与所述限位板的下端固定连接，所述下限位柱的另一端配合插设在所述下限位孔中。

9、进一步的，所述上夹具机构包括上夹持体及上定位棒；所述第一模具单元的上端设置有上定位孔，所述上定位孔水平通长设置；所述上定位棒水平穿设在所述上定位孔中，且所述上定位棒的两端分别出露所述上定位孔的两端；

10、所述上夹持体包括倒u型夹具本体及上连接柱，所述倒u型夹具本体的下端与所述上定位棒的出露端相连；所述上连接柱竖向设置在所述倒u型夹具本体的上方，所述上连接柱的上端与所述试验机移动横梁相连，所述上连接柱的下端与所述倒u型夹具本体的上端连接。

11、进一步的，所述下夹具机构包括下夹持体及下定位棒；所述第二模具单元的下端设置有下定位孔，所述下定位孔水平通长设置；所述下定位棒水平穿设在所述下定位孔中，且所述下定位棒的两端分别出露所述下定位孔的两端；

12、所述下夹持体包括u型夹具本体及下连接柱，所述u型夹具本体的上端与所述下定位棒的出露端相连；所述下连接柱竖向设置在所述u型夹具本体的下方，所述下连接柱的下端与所述试验机底座相连，所述下连接柱的上端与所述u型夹具本体的下端连接。

13、进一步的，还包括制样模具，所述制样模具，用于在土样模具中制备拉伸土样；所述制样模具包括压实底座、压实模具及击实器；

14、所述压实底座水平设置，所述土样模具水平设置在所述压实底座的上表面；所述压实模具水平设置在所述土样模具的上方，所述压实模具中开设有压实内腔；其中，所述压实内腔的结构与所述沙漏型内腔的结构相匹配，且所述压实内腔与所述沙漏型内腔上下贯通设置；

15、所述击实器包括击实部和固定板，所述击实部为沙漏型凸起结构；其中，所述沙漏型凸起结构的外形与所述压实内腔或所述沙漏型内腔的结构匹配设置；所述击实部的一端与所述固定板固定连接，所述击实部的另一端能够贯穿所述压实内腔设置。

16、进一步的，所述压实底座的上表面设置有底座凹槽，所述土样模具的一表面配合设置在所述底座凹槽中。

17、进一步的，所述压实模具的下表面设置有模具凹槽，所述土样模具的另一表面配合设置在所述模具凹槽中。

18、本发明还提供了一种土工单轴拉伸试验方法，利用所述的一种土工单轴拉伸试验装置；

19、其中，所述土工拉伸试验方法，包括以下步骤：

20、将所述上夹持机构安装在所述试验机移动横梁上，将所述下夹持机构安装在所述试验机底座上；

21、在土样模具的沙漏型内腔中，制备拉伸土样，得到带有拉伸土样的土样模具；

22、将所述带有拉伸土样的土样模具竖向设置在所述上夹持机构与所述下夹持架构之间；其中，将所述土样模具的上端与所述上夹持机构相连，将所述土样模具的下端与所述下夹持机构相连；

23、启动万能试验机，对所述拉伸土样进行拉伸，记录试验数据，得到土工单轴拉伸试验结果。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

25、本发明提供了一种土工单轴拉伸试验装置及方法，采用两个模具单元拼接形成土样模具，土样模具既具有制样的功能，也具有拉伸夹具的作用，减少了拉伸土样的脱模工序，大大降低了土样制作难度，并有效避免了对拉伸土样的扰动；将拉伸土样设置在土样模具的沙漏型内腔中，拉伸时依靠土样模具的夹持是土样断裂位置位于拉伸土样的中间部位，土样的断裂位置明确，避免土样端部断裂，有效提高了单轴拉伸试验的准确性；同时，能够有效控制夹具与土样之间的夹持力，便于对拉伸土样进行土壤改良或干湿循环的土工试验；其次，拉伸土样与土样模具之间无需采用粘结材料粘接固定，避免了由粘结材料带来的误差，同时也无需锚固，避免了锚固件对土样的扰动。

26、进一步的，利用限位机构对第一模具单元与第二模具单元进行固定，确保了制样过程中土样模具的稳定性，且避免了由于两个模具单元之间的相对位移造成对拉伸土样的扰动，确保了拉伸试验结果的准确性。

27、进一步的，上夹持体或下夹持体均通过定位棒与土样模具相连，结构简单，操作方便，有效提高了拉伸试验的效率。

28、进一步的，利用压实底座、压实模具及击实器组合形成制样模具，制样时才用于拉伸方向垂直的角度，避免了分层制样导致土样存在薄弱面层，制样过程简单，土样的可用性强。