專利名稱:類8字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀。
背景技術(shù):
相對于土體的抗壓和抗剪強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度一般非常小,尤其對于一些軟土或飽和度較高的土體而言,其抗拉強(qiáng)度通常只有幾kPa甚至接近于0,在試驗(yàn)中很難進(jìn)行準(zhǔn)確測量,工程中也常常被忽略。此外,大部分地質(zhì)和巖土工程問題都與土體的壓縮變形和剪切破壞有關(guān)。因此,過去在土力學(xué)理論及工程實(shí)踐中很少考慮土體的抗拉特性。然而,但在某些特定工況條件下,土體承受拉應(yīng)力并發(fā)生破壞的現(xiàn)象并不少見。如 干燥環(huán)境中土體中發(fā)育的收縮裂隙(龜裂)實(shí)際是張拉應(yīng)力作用的結(jié)果,龜裂的形成會極大弱化土體的工程性質(zhì),對邊坡工程、水利工程、地基工程、環(huán)境巖土工程等都會產(chǎn)生負(fù)面影響。此外,地裂縫發(fā)育、邊坡后部的張拉裂隙、土石壩心墻在拱效應(yīng)作用下的拉裂破壞、高壓輸電線塔基周圍土體的拉裂隙等,都與土體張拉破壞有關(guān)。因此,近些年來關(guān)于土體的抗拉特性及如何準(zhǔn)確測試土體的抗拉強(qiáng)度受到了許多地質(zhì)和巖土工程專家、學(xué)者的重視。目前我國的土工試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程中還未見有土體拉伸試驗(yàn)的介紹,一些文獻(xiàn)中出現(xiàn)的土體拉伸試驗(yàn)方法基本都是借鑒自巖石或其他材料試驗(yàn)領(lǐng)域。這些方法歸納起來有兩種間接法和直接法。間接法是假設(shè)土體拉伸破壞符合一定的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,根據(jù)相關(guān)理論公式進(jìn)行計算得到抗拉強(qiáng)度,常見的有徑向壓裂、軸向壓裂、土梁彎曲和氣壓劈裂等試驗(yàn)方法。由于間接法存在較多的理論假設(shè),計算得的抗拉強(qiáng)度與實(shí)際情況往往有較大差異,不同試驗(yàn)方法得到的抗拉強(qiáng)度也不同,且多數(shù)情況下不能真實(shí)反映土體的拉伸破壞過程。直接法是指在試樣兩端直接施加拉應(yīng)力直到斷裂破壞,比較常見的為單軸拉伸試驗(yàn)方法,該方法是研究土體抗拉特性和揭示土體拉裂破壞機(jī)制的理想途徑。但在單軸拉伸試驗(yàn)過程中,試樣兩端如何固定一直是難于克服的技術(shù)問題。目前一般采用特制的夾具或膠粘法,但操作過程比較繁瑣,而且容易在試樣端部產(chǎn)生應(yīng)力集中而斷裂,失敗率較高,試驗(yàn)誤差大,尤其對于高含水率的軟土,無論是夾具還是膠粘,都不能達(dá)到理想的效果。此外,大部分的單軸拉伸試樣都是圓柱形,對于原狀土而言,圓柱形試樣易于制備。但對于重塑土而言,圓柱形試樣一般通過分層壓實(shí)進(jìn)行制備,否則難于保證試樣的均質(zhì)性。由于分層壓實(shí)會在試樣中形成潛在的軟弱面,對拉伸試驗(yàn)結(jié)果的可靠性有重要影響。當(dāng)前許多單軸拉伸裝置是在直剪儀的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的,以應(yīng)力控制式為主,即通過逐漸增加砝碼的方式進(jìn)行加載控制,其顯著缺點(diǎn)是無法測得完整的土體拉伸壓力-應(yīng)變關(guān)系曲線,土體在達(dá)到抗拉強(qiáng)度時會出現(xiàn)脆斷的現(xiàn)象,不符合土體作為一種塑性材料所呈現(xiàn)的特性。而土體達(dá)到抗拉強(qiáng)度后的軟化變形過程是研究其斷裂機(jī)理和建立斷裂過程數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵,上述應(yīng)力式拉伸試驗(yàn)儀無法測得軟化變形數(shù)據(jù)。綜上所述,目前國內(nèi)外現(xiàn)有的土體單軸拉伸試驗(yàn)儀主要存在以下不足(1)拉伸試驗(yàn)過程中試樣難于固定,操作繁瑣,試樣斷點(diǎn)位置隨機(jī)性較大;(2)重塑土樣制備過程會導(dǎo)致人為軟弱面,降低試驗(yàn)結(jié)果的可靠度;(3)采用應(yīng)力控制式加載,不能測得完整的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,加載過程受人為因素影響,試驗(yàn)結(jié)果精度差。因此,開發(fā)和研制一套操作簡便、性能穩(wěn)定、測量方便、結(jié)果可靠、適應(yīng)范圍廣的土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,對深入研究土體的抗拉特性和指導(dǎo)巖土工程實(shí)踐具有重要意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,可用于研究土體的抗拉特性,具有操作簡便、性能穩(wěn)定、測量方便、結(jié)果可靠、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,包括主體平臺、加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和試樣定位拉伸系統(tǒng),其特征在于所述加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和試樣定位拉伸系統(tǒng)均安裝在主體平臺上。
優(yōu)選的,所述加載系統(tǒng)包括電機(jī)、剛性傳動軸和控制箱,所述測量系統(tǒng)包括導(dǎo)軌、滑軌導(dǎo)向塊、拉力傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器和剛性連接桿,所述試樣定位拉伸系統(tǒng)包括類“8”字型拉鉤、滾動平臺、滾珠、固定平臺、剛性固定桿和和后固定擋板,所述電機(jī)通過導(dǎo)線與控制箱相連,控制箱的作用是控制電機(jī)的電源及加載速率,電機(jī)的動力輸出端與剛性傳動軸一端相連,剛性傳動軸的另一端與測量系統(tǒng)的滑軌導(dǎo)向塊相連,滑動導(dǎo)向塊安裝在導(dǎo)軌上,其作用是引導(dǎo)滑動導(dǎo)向塊沿拉伸方向作直線運(yùn)動。在滑動導(dǎo)向塊上固定一個拉力傳感器,其作用是測量試驗(yàn)過程中試樣承受的拉應(yīng)力,拉力傳感器可以與滑動導(dǎo)向塊一起滑動,拉力傳感器的一端與剛性連接桿相連,剛性連接桿的另一端與試樣定位拉伸系統(tǒng)的類“8”字型拉鉤的前半部分相連,在類“8”字型拉鉤前端安裝有兩個位移傳感器,其作用是測量拉伸過程中試驗(yàn)的變形。所述拉力傳感器和位移傳感器通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器相連,類“8”字型拉鉤的前半部分置于試樣定位拉伸系統(tǒng)的滾動平臺上,滾動平臺和主體平臺間放置滾珠,其作用是減少摩擦。類“8”字型拉鉤的后半部分置于固定平臺上,通過剛性固定桿與固定平臺的后固定擋板相連,類“8”字型試樣置于類“8”字型拉鉤內(nèi)。優(yōu)選的,所述類“8”字型試樣通過類“8”字型壓樣模具和類“8”字型壓樣活塞進(jìn)行制備,壓樣模具中間開有類“8”字型活塞孔,該活塞孔的尺寸與類“8”字型壓樣活塞相匹配,所述類“8”字型壓樣活塞上開有若干定位孔,定位銷置于定位孔中。其作用是精確控制壓樣高度。優(yōu)選的,所述類“8”字型拉鉤為前后對稱的兩部分組成,兩部分之間不連接,類“8”字型試樣尺寸與類“8”字型拉鉤內(nèi)部尺寸一致,所述固定平臺上有兩塊擋板將類“8”字型拉鉤的前后兩部分分隔開來。在拉動類“8”字型拉鉤的前半部分時,后半部分不隨著移動產(chǎn)生位移,拉伸應(yīng)力作用在類“8”字型試樣中間最窄的部分。優(yōu)選的,所述電機(jī)為無級變速電機(jī)或多級變速電機(jī),可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變控制式加載。優(yōu)選的,所述位移傳感器數(shù)量至少為兩個。優(yōu)選的,所述類“8”字型土體試樣具有兩端大中間小的對稱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1.本發(fā)明采用應(yīng)變控制式加載,與傳統(tǒng)單軸拉伸試驗(yàn)儀相比,可獲得完整的土體拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可分析加載速率對土體抗拉特性的影響;
2.本發(fā)明采用類“8”字型拉鉤對類“8”字型試樣進(jìn)行拉伸,無需附加夾具,且試樣斷點(diǎn)位置和斷面面積固定,試驗(yàn)重復(fù)性好;
3.本發(fā)明采用類“8”字型模和活塞全面積壓制試樣,試樣各處受力均勻,在拉伸方向上無人為軟弱面,提高了試驗(yàn)精度;
4.本發(fā)明涉及的儀器裝置結(jié)構(gòu)簡單,操作簡便,成本低,數(shù)據(jù)可靠。
下面結(jié)合附圖 及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述
圖I為類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀主視 圖2為類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀俯視 圖3為類“8”字型壓樣模具示意 圖4為類“8”字型壓樣活塞示意 圖5為類“8”字型拉鉤示意 圖6為類“8”字型土樣示意圖。其中1、主體平臺,2、加載系統(tǒng),3、測量系統(tǒng),4、試樣定位拉伸系統(tǒng),5、剛性傳動軸,6、導(dǎo)軌,7、滑軌導(dǎo)向塊,8、拉力傳感器,9、剛性連接桿,10、類“8”字型拉鉤,11、滾動平臺,12、滾珠,13、固定平臺,14、剛性固定桿,15、后固定擋板,16、控制箱,17、數(shù)據(jù)采集器,18、類“8”字型試樣,19、類“8”字型壓樣模具,20、類“8”字型壓樣活塞,21、定位孔,22、定位銷,23、位移傳感器,24、電機(jī),25、擋板,26、類“8”字型活塞孔。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例如圖I所示,本發(fā)明包括主體平臺I、加載系統(tǒng)2、測量系統(tǒng)3和試樣定位拉伸系統(tǒng)4,所述加載系統(tǒng)2、測量系統(tǒng)3和試樣定位拉伸系統(tǒng)4均安裝在主體平臺I上。如圖I圖2所示,所述加載系統(tǒng)2包括電機(jī)24、剛性傳動軸5和控制箱16,所述測量系統(tǒng)3包括導(dǎo)軌6、滑軌導(dǎo)向塊7、拉力傳感器8、位移傳感器23、數(shù)據(jù)采集器17和剛性連接桿9,所述試樣定位拉伸系統(tǒng)4包括類“8”字型拉鉤10、滾動平臺11、滾珠12、固定平臺13、剛性固定桿14和和后固定擋板15,所述電機(jī)24通過導(dǎo)線與控制箱16相連,控制箱16的作用是控制電機(jī)24的電源及加載速率,電機(jī)24的動力輸出端與剛性傳動軸5 —端相連,剛性傳動軸5的另一端與測量系統(tǒng)3的滑軌導(dǎo)向塊7相連,滑動導(dǎo)向塊7安裝在導(dǎo)軌6上,其作用是引導(dǎo)滑動導(dǎo)向塊7沿拉伸方向作直線運(yùn)動。在滑動導(dǎo)向塊7上固定一個拉力傳感器8,其作用是測量試驗(yàn)過程中試樣18承受的拉應(yīng)力,拉力傳感器8可以與滑動導(dǎo)向塊7 一起滑動,拉力傳感器8的一端與剛性連接桿9相連,剛性連接桿9的另一端與試樣定位拉伸系統(tǒng)4的類“8”字型拉鉤10的前半部分相連,在類“8”字型拉鉤10前端安裝有兩個位移傳感器23,其作用是測量拉伸過程中試樣18的變形。所述拉力傳感器8和位移傳感器23通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器17相連,類“8”字型拉鉤10的前半部分置于試樣定位拉伸系統(tǒng)4的滾動平臺11上,滾動平臺11和主體平臺I間放置滾珠12,其作用是減少摩擦。類“8”字型拉鉤10的后半部分置于固定平臺13上,通過剛性固定桿14與固定平臺的后固定擋板15相連,類“8”字型試樣18置于類“8”字型拉鉤10內(nèi)。優(yōu)選的,所述類“8”字型試樣18通過類“8”字型壓樣模具19和類“8”字型壓樣活塞20進(jìn)行制備,壓樣模具19中間開有類“8”字型活塞孔26,該活塞孔26的尺寸與類“8”字型壓樣活塞20相匹配,所述類“8”字型壓樣活塞20上開有若干定位孔21,定位銷22置于定位孔21中。其作用是精確控制壓樣高度。優(yōu)選的,所述類“8”字型拉鉤10為前后對稱的兩部分組成,兩部分之間不連接,類“8”字型試樣18尺寸與類“8”字型拉鉤10內(nèi)部尺寸一致,所述固定平臺13上有兩塊擋板25將類“8”字型拉鉤10的前后兩部分分隔開來。在拉動類“8”字型拉鉤10的前半部分時,后半部分不隨著移動產(chǎn)生位移,拉伸應(yīng)力作用在類“8”字型試樣18中間最窄的部分。優(yōu)選的,所述電機(jī)24為無級變速電機(jī)或多級變速電機(jī),可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變控制式加載。優(yōu)選的,所述位移傳感器23數(shù)量至少為兩個。優(yōu)選的,所述類“8”字型土體試樣18具有兩端大中間小的對稱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的工作原理如下
主體平臺I的電機(jī)24通過剛性傳動軸5以恒定的位移速率拖動滑動導(dǎo)向塊7及固定在滑動導(dǎo)向塊7之上的拉力傳感器8一起向主體平臺I左側(cè)移動,從而通過剛性連接桿9對類“8”字型拉鉤10中的類“8”字型試樣18施加拉應(yīng)力,拉應(yīng)力的大小和試樣18的拉伸變形通過拉力傳感器8和位移傳感器23進(jìn)行測量,并通過連接的數(shù)據(jù)采集器17進(jìn)行采集保存。本發(fā)明開展土體單軸拉伸試驗(yàn)的典型步驟為
(1)在類“8”字型壓樣模具19中倒入適量的土體,輕輕撫平表面,將類“8”字型壓樣活塞20置于類“8”字型壓樣模具19中,根據(jù)設(shè)計壓樣高度在相應(yīng)定位孔21中插入定位銷22,在壓力機(jī)上壓制成樣;
(2)將壓制好的類“8”字型試樣18從類“8”字型壓樣模具19中推出,置于類“8”字型拉鉤10中;
(3)將類“8”字型拉鉤10連同類“8”字型試樣18—起安裝在試樣定位拉伸系統(tǒng)4中,類“8”字型拉鉤10前端同剛性連接桿9相連,類“8”字型拉鉤10后端通過剛性固定桿14與固定平臺13的后固定擋板15相連。固定平臺13上的兩塊擋板25將類“8”字型拉鉤10的前后兩部分分隔開來。在拉動類“8”字型拉鉤10的前半部分時,后半部分不隨著移動產(chǎn)生位移,拉伸應(yīng)力作用在類“8”字型試樣18中間最窄的部分。(4)設(shè)定控制箱16的拉伸位移速率,開啟電機(jī)2的電源,進(jìn)行勻速拉伸試驗(yàn),同時通過數(shù)據(jù)采集器17采集拉力和位移數(shù)據(jù),直到試樣完全斷裂;
(5)移除已拉裂的類“8”字型試樣18,仿照步驟(I)、(2)、(3)和(4)對新的類“8”字型試樣18進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn),直至完成所有試樣的測試工作。當(dāng)然上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn),其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施,并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明主要技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)所做的修飾,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,包括主體平臺(I)、加載系統(tǒng)(2)、測量系統(tǒng)(3)和試樣定位拉伸系統(tǒng)(4),其特征在于所述加載系統(tǒng)(2)、測量系統(tǒng)(3)和試樣定位拉伸系統(tǒng)(4)均安裝在主體平臺上(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,其特征在于所述加載系統(tǒng)(2)包括電機(jī)(24)、剛性傳動軸(5)和控制箱(16),所述電機(jī)(24)通過導(dǎo)線與控制箱(16)相連,電機(jī)(24)的動力輸出端與剛性傳動軸(5)—端相連,剛性傳動軸(5)的另一端與測量系統(tǒng)(3)的滑軌導(dǎo)向塊(7)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,其特征在于所述測量系統(tǒng)(3)包括導(dǎo)軌(6)、滑軌導(dǎo)向塊(7)、拉力傳感器(8)、位移傳感器(23)、數(shù)據(jù)采集器(17)和剛性連接桿(9),滑動導(dǎo)向塊(7)安裝在導(dǎo)軌(6)上,在滑動導(dǎo)向塊(7)上固定一個拉力傳感器(8),拉力傳感器(8)可以與滑動導(dǎo)向塊(7)—起滑動,拉力傳感器(8)的一端與剛性連接桿(9)相連,剛性連接桿(9)的另一端與試樣定位拉伸系統(tǒng)(4)的類“8”字型拉鉤(10)的前半部分相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,其特征在于所述試樣定位拉伸系統(tǒng)(4)包括類“8”字型拉鉤(10)、滾動平臺(11)、滾珠(12)、固定平臺(13)、剛性固定桿(14)和后固定擋板(15),在類“8”字型拉鉤(10)前端安裝有兩個位移傳感器(23),所述拉力傳感器(8)和位移傳感器(23)通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器(17)相連,類“8”字型拉鉤(10)的前半部分置于試樣定位拉伸系統(tǒng)(4)的滾動平臺(11)上,滾動平臺(11)和主體平臺(I)間放置滾珠(12),類“8”字型拉鉤(10)的后半部分置于固定平臺(13)上,通過剛性固定桿(14)與固定平臺(13)的后固定擋板(15)相連,類“8”字型試樣(18)置于類“8”字型拉鉤(10)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,其特征在于所述類“8”字型試樣(18)通過類“8”字型壓樣模具(19)和類“8”字型壓樣活塞(20)進(jìn)行制備,壓樣模具(19)中間開有類“8”字型活塞孔(26),該活塞孔(26)的尺寸與類“8”字型壓樣活塞(20)相匹配,所述類“8”字型壓樣活塞(20)上開有若干定位孔(21 ),定位銷(22)置于定位孔中。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,其特征在于所述類“8”字型拉鉤(10)為前后對稱的兩部分組成,兩部分之間不連接,類“8”字型試樣(18)尺寸與類“8”字型拉鉤(10)內(nèi)部尺寸一致,所述固定平臺(13)上有兩塊擋板(25)將類“8”字型拉鉤(10)的前后兩部分分隔開來。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,其特征在于所述電機(jī)(24)為無級變速電機(jī)或多級變速電機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,其特征在于所述位移傳感器(23)數(shù)量至少為兩個。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,其特征在于所述類“8”字型土體試樣(18)具有兩端大中間小的對稱結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種類“8”字型土體單軸拉伸試驗(yàn)儀,包括主體平臺、加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和試樣定位拉伸系統(tǒng),其特征在于所述加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和試樣定位拉伸系統(tǒng)均安裝在主體平臺上;類“8”字型試樣通過類“8”字型壓樣模具和類“8”字型壓樣活塞進(jìn)行制備,試驗(yàn)時放在類“8”字型拉鉤內(nèi)部進(jìn)行拉伸。本發(fā)明采用應(yīng)變控制式加載,與傳統(tǒng)單軸拉伸試驗(yàn)儀相比,可獲得完整的土體拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可分析加載速率對土體抗拉特性的影響;本發(fā)明采用類“8”字型拉鉤對類“8”字型試樣進(jìn)行拉伸,無需附加夾具,且試樣斷點(diǎn)位置和斷面面積固定,試驗(yàn)重復(fù)性好;本發(fā)明采用類“8”字型模和活塞全面積壓制試樣,試樣各處受力均勻,在拉伸方向上無人為軟弱面,提高了試驗(yàn)精度;裝置結(jié)構(gòu)簡單,操作簡便,成本低,數(shù)據(jù)可靠。
文檔編號G01N3/08GK102901669SQ20121030136
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月23日
發(fā)明者唐朝生, 施斌 申請人:蘇州南智傳感科技有限公司