基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置的製作方法

2023-12-10 00:43:21 2

專利名稱：基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明土體抗拉強度測定的試驗裝置，具體涉及一種基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置。
背景技術：
在許多巖土工程中，土體受荷過程中會發生開裂，這些裂縫經常是由於土體的拉伸破壞引起的。例如邊坡土體發生一定的變形時，土體中會發生剪切破壞或拉伸破壞，因而產生裂縫，這些裂縫一般規模較大，深入邊坡土體，對於土質邊坡工程產生嚴重危害，尤其是具有結構性的黃土邊坡工程，因其位移變形相對較小、破壞較為突然，往往會產生災難性的後果。另外許多擋土牆後的粘性土及粘性土坡滑坡體都存在開裂現象，雖然這種情況下有些土體單元發生了剪切破壞，但也有些土體單元處於拉伸破壞，而這種拉伸直接導致了土體開裂，且拉裂縫通常為張開裂縫，危害較大。因此，土體的抗拉強度對土工建築物及邊坡穩定性影響很大。近年來，隨著經濟的快速發展，公路、機場、高土石壩的大量修建，土工建築物中產生開裂導致的工程問題逐漸增多，在研究這些裂縫的產生原因和裂縫處理方案的設計中， 對土的抗拉特性的正確認識和抗拉強度指標的正確測量越來越顯得重要。一方面，在我國西北部天然土坡大多處於非飽和狀態，非飽和性對於土體的強度影響亦不容忽視；另一方面，在許多天然土坡及地基位於地下水位以下處於飽和狀態，飽和土體的抗拉強度對巖土體穩定性影響亦不容忽視，因此認識和測量飽和與非飽和土的抗拉強度均具有十分重要的
眉、ο用於土體抗拉強度測試的裝置有直接拉伸儀和間接拉伸儀兩種，目前直接拉伸儀主要指的是單軸拉伸儀。這些抗拉強度試驗裝置雖然能對一定含水量範圍的非飽和原狀土進行試驗，但裝樣困難，對於飽和或更大溼度範圍的重塑或原狀土樣則難以實現，並且土樣兩端由於應力集中極易發生破壞，進而導致試樣成功率下降，此外，手輪轉速很難準確控制拉伸速率，導致試驗結果受人為因素影響較大，當拉伸速度要求很小時，儀器很難實現。直接拉伸儀的操作簡單，但需用專門的方法固定試件，如機械夾具法、高分子材料粘結法、冷凍法等，試驗中容易產生偏心作用力和靠近試件兩端的應力集中現象。同時試樣不易安裝， 試驗過程人為因素影響也較大。目前，間接拉伸試驗裝置主要指土梁彎曲拉伸儀。間接拉伸儀不如直接拉伸試驗中試樣的應力明確，但其優點是試驗過程比較簡便，給出的抗拉強度也比較可靠。目前，該類試驗存在的缺點，一方面，是得到的應力與應變曲線的精度比較低；另一方面，已有的立式土梁彎曲拉伸儀難以實現和考慮試樣土體飽和條件，而臥式土梁彎曲拉伸儀又難以克服和計算土樣與底板之間摩擦力及其受荷時摩擦力不均勻分布的影響。此外，該類試驗裝置不僅缺乏可以控制含水量的重塑土的制樣設備，也同時缺乏可測試原狀土抗拉強度的相應試驗設備和制樣輔助設備，同時沒有實現飽和條件下土的抗拉強度試驗。對比以上幾種粘性土抗拉強度試驗裝置，可以總結如下4個問題
(1)這些試驗裝置均屬於臨時製作使用的試驗設備，它們的功能較少和性能不穩定，試驗操作繁雜且不規範，從制樣到抗拉試驗操作整個過程中受人為因素的影響較大。因此目前並沒有形成一定規模的、控制性能穩定的、操作規範的、適應範圍較廣泛的、測量方便的、定型成熟的同類試驗裝置的正式成品。(2)這些試驗裝置中，立式單軸拉伸儀難以克服試樣重力的影響和夾具導致的不能均勻受力問題，臥式單軸拉伸儀難以克服試樣土樣與底板之間摩擦力的影響和夾具導致的不能均勻受力問題；已有的立式土梁彎曲拉伸儀難以實現和考慮試樣土體飽和條件，而臥式土梁彎曲拉伸儀又難以克服和計算土樣與底板之間摩擦力及其受荷時摩擦力不均勻分布的影響。因此，目前尚缺乏針對克服這些影響的有效的土體抗拉強度的試驗裝置。(3)這些試驗裝置大多數只能是針對重塑土進行，雖然重塑土製樣過程方便，但這與天然原狀土還是有本質的區別，尤其針對具有明顯結構性的土體。因此，目前不僅缺乏可以控制含水量的重塑土的制樣設備，也同時缺乏可測試原狀土抗拉強度的相應試驗設備和制樣輔助設備。(4)這些試驗裝置中尚難以實現飽和土的抗拉強度試驗，尤其在研究含水量變化導致土體抗拉強度變化的試驗中，對於飽和土體在抗拉試驗過程中如何保證試樣始終處於飽和狀態一直是土體抗拉強度試驗面臨的難點問題。因此，目前尚缺乏針對嚴格飽和條件下實現土體抗拉強度的試驗裝置。綜上所述，目前這些為臨時應用而製作的土體抗拉強度試驗裝置，由於功能較少和性能不穩定，試驗操作繁雜且不規範，受人為因素的影響較大，並且並不適應飽和土抗拉強度測定，更不適用於具有特殊結構性的原狀土。因此，基於針對具有非飽和性和結構性的土體抗拉力學特性的研究，借鑑土梁彎曲拉伸試驗裝置的思路，研製開發並形成一定規模的、控制性能穩定的、操作規範的、適應範圍較廣泛的、測量方便的、定型成熟的同類試驗裝置的正式成品，以適應特殊性質土體的抗拉力學特性研究，無論是對實際巖土工程研究的需要還是對土體抗拉試驗裝置研發創新都具有非常重要的意義。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置，解決了現有裝置不能適用於飽和或溼度較大的原狀或重塑土的問題。本發明所採用的技術方案是，一種基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置，包括從上到下依次固定連接的橫梁、立柱以及底座，底座上設置有土梁定位作業系統，橫梁上設置有加載系統和量測系統；土梁定位作業系統包括固定在底座上的壓力室側板，壓力室側板的上方可拆卸安裝有透明上罩，透明上罩上開有注水孔、抽氣孔和真空壓力計安裝孔；在底座上且位於透明上罩和壓力室側板形成的封閉空間內，固定有用來放置土樣的微氣槽板，微氣槽板的上表面開有多個微氣槽孔，微氣槽板上端的中心位置上開有縱向的貫通孔一，微氣槽板左右兩端的上方均縱向設置有用於限制土樣向上移動的限位銷；還包括中支承板，中支承板為兩個豎直板和一個水平板組成的直角拱形，中支承板的兩個豎直板分別貼合設置在微氣槽板的前後兩側，在該兩個豎直板上與貫通孔一相對應的位置均開有貫通孔二，兩個貫通孔二的寬度小於或等於貫通孔一的寬度，貫穿兩個貫通孔二水平放置有均能自由抽出的活動板和推力銷，推力銷位於貫通孔二的底部，活動板位於推力銷的上方，且活動板和推力銷的上表面平齊；中支承板的水平板的上端固定有用於和量測系統相連接的連接部；加載系統包括伺服電機，以及連接在伺服電機的輸出軸上並由其帶動工作的應變控制加載器，應變控制加載器的輸出軸豎直向下設置；量測系統包括固定連接在應變控制加載器的輸出軸上的位移感應支架，位移感應支架上固定有數顯測力計，數顯測力計為豎直向下設置，且其下端部能通過掛鈎與土梁定位作業系統的連接部相連接，在橫梁上通過傳感器支架固定有位移傳感器，位移傳感器為豎直設置且其測試端抵在位移感應支架上。連接部為中銷座以及水平穿插在所述中銷座上的中銷。在微氣槽板左右兩端部，均前後對稱安裝有兩個限位銷安裝板，限位銷穿插設置在對應的兩個限位銷安裝板的安裝孔內。微氣槽板的前後兩側端均設置有肩臺，中支承板的兩個豎直板的下端面分別抵在兩肩臺上。中支承板的兩個豎直板的外側均設置有側板，兩個側板通過螺釘安裝在微氣槽板上，在兩個側板上與貫通孔一相對應的位置均開有貫通孔三，兩個貫通孔三的寬度均小於或等於貫通孔一的寬度。兩個貫通孔二均由方向相反設置的上拱形孔和下拱形孔組成，且上拱形孔的寬度大於下拱形孔的寬度。活動板和推力銷位於下拱形孔內，且活動板的上表面和下拱形孔的上表面平齊。貫通孔一的形狀和下拱形孔的形狀相同。兩個貫通孔三的形狀均為弧形端朝下的拱形孔。本發明裝置不僅適用於一般非飽和原狀或重塑土抗拉強度測定，而且尤其適用於飽和條件下重塑土和原狀樣的抗拉強度測試。本發明通過電動控制加載速率，採用有記憶功能的數顯測力計自動採集試驗數據，並通過真空抽氣機對土樣進行原位飽和，且可在水中進行抗拉試驗，減小重力以及飽和度失真的影響，同時微氣槽板還可減少土樣與其接觸時產生的吸力作用，有效保證了試驗的精度，具有結構簡單，操作方便，控制穩定，數據可靠，安全經濟等特點


圖1是本發明基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置的結構示意圖；圖2是圖1的側視圖；圖3是本發明的土梁定位作業系統與外部抽真空注水裝置相連接的示意圖；圖4是本發明的中支承板的結構示意圖；圖5是本發明的側板的結構示意圖；圖6是本發明的微氣槽板的結構示意圖。其中，1.加載系統，2.應變控制加載器，3.橫梁，4.量測系統，5.立柱，6. 土梁定位作業系統，7.底座，8.伺服電機，9.角鋼，10.傳感器支架，11.位移傳感器，12.位移感應支架，13.螺栓，14.數顯測力計，15.透明上罩，16.中銷，17.中銷座，18.中支承板，19.壓力室側板，20.限位銷，21.限位銷安裝板，22.活動板，23.推力銷，24.側板，25.微氣槽板， 26.真空壓力計，27.手輪，28.注水管，29.抽氣管，30. 二通閥，31.管卡，32.抽氣機，33.貫通孔二，34.貫通孔三，35.微氣槽孔，36.貫通孔一，37.肩臺。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。如圖1和圖2所示，本發明基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置，包括從上到下依次固定連接的橫梁3、立柱5以及底座7，底座7上設置有土梁定位作業系統6，橫梁3上設置有加載系統1和量測系統4。其中，土梁定位作業系統6包括壓力室側板19、透明上罩15、微氣槽板25、限位銷 20、中支承板18、活動板22和推力銷23。壓力室側板19固定在底座7上，透明上罩15可拆卸安裝在壓力室側板19的上方，透明上罩15上開有注水孔、抽氣孔和真空壓力計安裝孔。如圖1、圖2和圖6所示，位於透明上罩15和壓力室側板19形成的封閉空間即真空壓力室內，在底座7上，通過螺釘安裝有用來放置土樣的微氣槽板25。微氣槽板25的上表面開有多個微氣槽孔35，微氣槽板25上端的中心位置上開有縱向的貫通孔一 36。在微氣槽板25左右兩端部，均前後對稱設置有兩個限位銷安裝板21，限位銷安裝板21通過螺釘安裝在微氣槽板25上，還包括兩個縱向水平設置的限位銷20，個限位銷20用於限制土樣向上移動，且限位銷20分別穿插設置在對應的兩個限位銷安裝板21的安裝孔內。如圖4所示，中支承板18為兩個豎直板和一個水平板組成的直角拱形，中支承板 18的兩個豎直板分別貼合設置在所述微氣槽板25的前後兩側。微氣槽板25的前後兩側端均設置有肩臺37，中支承板18的兩個豎直板的下端面分別抵在兩肩臺37上。在該兩個豎直板上與貫通孔一 36相對應的位置均開有貫通孔二 33。貫穿兩個貫通孔二 33水平放置有活動板22和推力銷23，推力銷23位於貫通孔二 33的底部，活動板22位於推力銷23的上方，且活動板22和推力銷23的上表面平齊。為了保證活動板22和推力銷23均能自由水平抽出，兩個貫通孔二 33的寬度小於或等於貫通孔一 36的寬度。中支承板18的水平板的上端固定有用於和量測系統4相連接的連接部。連接部為中銷座17以及水平穿插在中銷座17上的中銷16。如圖1和圖2所示，加載系統1包括伺服電機8，以及連接在伺服電機8的輸出軸上並由其帶動工作的應變控制加載器2，應變控制加載器2的輸出軸豎直向下設置。加載系統1通過角鋼9固定在橫梁3的上方。如圖1和圖2所示，量測系統4包括傳感器支架10、位移傳感器11、位移感應支架 12和數顯測力計14。位移感應支架12固定連接在應變控制加載器2的輸出軸上，數顯測力計14通過螺栓13固定在位移感應支架12上上，數顯測力計14為豎直向下設置，且數顯測力計14的下端部能通過掛鈎與中銷16相連接。傳感器支架10通過螺釘安裝在橫梁3 上，位移傳感器11豎直安裝在傳感器支架10上，且位移傳感器11的測試端抵在位移感應支架12的上端。如圖1、圖2和圖5，為保證中支承板18在水平方向上不移動，在中支承板18的兩個豎直板的外側均設置有側板對，兩個側板M通過螺釘連接在微氣槽板25上。為了保證活動板22和推力銷23均能自由水平抽出，在兩個側板M上與貫通孔一 36相對應的位置均開有貫通孔三34，且兩個貫通孔三34的寬度均小於或等於貫通孔一 36的寬度。貫通孔一 36、貫通孔二 33和貫通孔三34的形狀設置要求保證活動板22和推力銷 23均能自由水平抽出即可。如圖4所示，本實施例中，在中支承板18上，兩個貫通孔二 33 均由方向相反設置的上拱形孔和下拱形孔組成，且上拱形孔的寬度大於下拱形孔的寬度。 此時，活動板22和推力銷23位於下拱形孔內，且活動板22的上表面和下拱形孔的上表面平齊。如圖5所示，在側板M上，貫通孔三34的形狀均為弧形端朝下的拱形孔。貫通孔一 36的形狀通常為，如圖6所示，在微氣槽板25上，貫通孔一 36的形狀和下拱形孔的形狀相同。對於一般非飽和原狀或重塑土樣，試驗前，打開透明上罩15，將事先切削好的原狀土梁或製備好的重塑土梁試樣置於微氣槽板25上，安裝四個限位銷安裝板21，將兩個限位銷20穿插在相對應的限位銷安裝板21上，兩個限位銷20能限制的土梁向上移動；然後將中支承板18置於土梁左右，用側板M固定。試驗時，將數顯測力計14下端通過掛鈎連接於中銷16上，通過應變控制加載器2上的手輪27將應變控制加載器2調至試驗所需的加載速率，由伺服電機8帶動應變控制加載器2的加載軸承前進，將位移傳感器11下端抵在位移感應支架12的上端；隨著應變控制加載器2的加載軸承的上升，位移感應支架12也隨之上升，此時位移傳感器11將顯示位移的進程，同時中銷16隨之上升，推力銷23也會向上運動，此時水平抽出活動板22，待推力銷23上升接觸土梁底部表面時，將數顯測力計14調零；此時，由推力銷23提供向上推力推動土梁，而土梁的左右兩端受到限位銷20的約束，將發生彎曲，當推力到達一定程度時，土梁將會破壞，此時數顯測力計14所記錄數字即為所求荷載，位移傳感器11所記錄數字為所求位移。該過程中微氣槽板25可以減小土梁與底板之間的吸力作用。當土梁破壞後，關閉伺服電機8，取出土樣，試驗結束。對於飽和重塑或者原狀土樣，操作步驟不同的是，在將土梁安裝好後，在透明上罩 15的注水孔、抽氣孔和真空壓力計安裝孔上對應連接注水管觀、抽氣管四和真空壓力計沈，其中，注水管觀上安裝有管卡31，抽氣管四上安裝有二通閥30並與抽氣機32相連接。 使用抽氣機32對真空壓力室抽真空，真空壓力計沈顯示真空壓力室內的負壓值，當壓力到達一定值後，通過注水管觀向真空壓力室注水，當水淹沒過土梁一定高度後，關閉管卡31 停止注水。繼續抽真空一段時間，以保證土梁在原位充分飽和，關閉二通閥30停止抽氣。此時，土梁充分飽和，打開透明上罩15，將壓力室內水吸乾或將土梁置於水中進行試驗，將數顯測力計14下端通過掛鈎連接於中銷16，開始試驗，此步驟要求在打開透明上罩15後儘快完成。此外，本裝置也可以實現土梁在水中的試驗，此種試驗方法還可以減小土梁重力及飽和度失真的影響。本發明採用立式加荷承載模式，有效避開了現有技術的臥式裝置中土梁與底板的摩擦力問題；採用土梁定位作業系統的特殊設計，在土梁試驗原位設計了可拆卸的真空壓力室，實現了相應嚴格的真空飽和功能，有效地拓展了設備的試驗功能；採用可調速的電機驅動設計，實現了控制性能穩定的、操作規範的技術措施；採用數顯測力計的設計，實現了測量數據自動採集，使得數據採集方便且可靠；土梁與底板之間採用微氣槽板設計，在飽和條件下有效減小土梁與底板接觸的的吸力、吸附作用，提高了試驗精度。
權利要求
1.一種基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置，其特徵在於，包括從上到下依次固定連接的橫梁(3)、立柱(5)以及底座(7)，所述底座(7)上設置有土梁定位作業系統(6)，所述橫梁(3)上設置有加載系統⑴和量測系統⑷；所述土梁定位作業系統(6)包括固定在所述底座(7)上的壓力室側板(19)，所述壓力室側板(19)的上方可拆卸安裝有透明上罩(15)，所述透明上罩(15)上開有注水孔、抽氣孔和真空壓力計安裝孔；在所述底座(7)上且位於所述透明上罩(15)和壓力室側板(19)形成的封閉空間內，固定有用來放置土樣的微氣槽板(25)，所述微氣槽板(25)的上表面開有多個微氣槽孔(35)，所述微氣槽板(25)上端的中心位置上開有縱向的貫通孔一(36)，所述微氣槽板(25)左右兩端的上方均縱向設置有用於限制土樣向上移動的限位銷(20)；還包括中支承板(18)，所述中支承板(18)為兩個豎直板和一個水平板組成的直角拱形，所述中支承板(18)的兩個豎直板分別貼合設置在所述微氣槽板(25)的前後兩側，在該兩個豎直板上與所述貫通孔一(36)相對應的位置均開有貫通孔二(33)，所述兩個貫通孔二(33)的寬度小於或等於貫通孔一(36)的寬度，貫穿所述兩個貫通孔二(33)水平放置有均能自由抽出的活動板(22)和推力銷(23)，所述推力銷(23)位於貫通孔二(33)的底部，所述活動板(22)位於推力銷(23)的上方，且活動板(22)和推力銷(23)的上表面平齊；所述中支承板(18)的水平板的上端固定有用於和所述量測系統(4)相連接的連接部；所述加載系統(1)包括伺服電機(8)，以及連接在所述伺服電機(8)的輸出軸上並由其帶動工作的應變控制加載器(2)，所述應變控制加載器(2)的輸出軸豎直向下設置；所述量測系統(4)包括固定連接在所述應變控制加載器(2)的輸出軸上的位移感應支架(12)，所述位移感應支架(12)上固定有數顯測力計(14)，所述數顯測力計(14)為豎直向下設置，且其下端部能通過掛鈎與所述土梁定位作業系統(6)的連接部相連接，在所述橫梁(3)上通過傳感器支架(10)固定有位移傳感器(11)，所述位移傳感器(11)為豎直設置且其測試端抵在位移感應支架(12)上。
2.按照權利要求1所述的基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置， 其特徵在於，所述連接部為中銷座(17)以及水平穿插在所述中銷座(17)上的中銷(16)。
3.按照權利要求1所述的基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置，其特徵在於，在所述微氣槽板(25)左右兩端部，均前後對稱安裝有兩個限位銷安裝板 (21)，所述限位銷(20)穿插設置在對應的兩個限位銷安裝板(21)的安裝孔內。
4.按照權利要求1所述的基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置， 其特徵在於，所述微氣槽板(25)的前後兩側端均設置有肩臺(37)，所述中支承板(18)的兩個豎直板的下端面分別抵在所述兩肩臺(37)上。
5.按照權利要求1所述的基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置， 其特徵在於，所述中支承板(18)的兩個豎直板的外側均設置有側板(24)，所述兩個側板 (24)通過螺釘安裝在所述微氣槽板(25)上，在兩個側板(24)上與所述貫通孔一(36)相對應的位置均開有貫通孔三(34)，所述兩個貫通孔三(34)的寬度均小於或等於貫通孔一 (36)的寬度。
6.按照權利要求1或5所述的基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置，其特徵在於，所述兩個貫通孔二(33)均由方向相反設置的上拱形孔和下拱形孔組成， 且所述上拱形孔的寬度大於所述下拱形孔的寬度。
7.按照權利要求6所述的基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置， 其特徵在於，所述活動板(22)和推力銷(23)位於所述下拱形孔內，且所述活動板(22)的上表面和所述下拱形孔的上表面平齊。
8.按照權利要求6或7所述的基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置，其特徵在於，所述貫通孔一(36)的形狀和所述下拱形孔的形狀相同。
9.按照權利要求5所述的基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置， 其特徵在於，所述兩個貫通孔三(34)的形狀均為弧形端朝下的拱形孔。
全文摘要
本發明公開了一種基於電動控制加載的非飽和與飽和土體抗拉強度試驗裝置，包括從上到下依次固定連接的橫梁、立柱以及底座，底座上設置有土梁定位作業系統，橫梁上設置有加載系統和量測系統。本發明在有效克服了摩擦力、土梁底部和底座吸附作用的基礎上，解決了現有裝置不能適用於飽和或溼度較大的原狀或重塑土的問題。
文檔編號G01N3/08GK102156073SQ201110052708
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月7日 優先權日2011年3月7日
發明者吳利言, 李榮建, 鄭文 申請人:西安理工大學