CN102128742B - 土体ii型断裂破坏的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土体II型断裂破坏的试验装置，前挡铁和推力提供装置分别连接在底座的两端，且前挡铁和推力提供装置，二者中的一者与底座滑动连接；推力提供装置的动力输出部与荷重传感器的一端连接，荷重传感器的另一端与推力板连接；荷重传感器和位移传感器的信号输出端都连接到计算机；荷重传感器检测施加于试样的荷载；位移传感器检测试样在试验中的变形。本发明的有益技术效果是：确保在整个试验过程中试样的加载状态保持为纯II型，试样的破坏为II型断裂破坏，使试验数据准确可信，便于后期的力学分析。
Description
技术领域
本发明涉及断裂力学试验装置及方法，尤其涉及一种土体II型断裂破坏的试验装置及方法。
背景技术
断裂是由于新裂缝萌生或已存在裂缝的扩展而引起的一种破坏过程，是材料和结构的破坏失效形式之一。在过去的四十多年中，脆性和准脆性材料断裂力学的发展主要集中在混凝土中，同时，在岩土工程中也确立了其正当地位。断裂力学的应用已经表明，断裂力学可以提供调查和解决岩土力学和岩土工程中许多应用问题的强有力的工具。
在断裂力学中，裂缝按受力状态可分为三种基本类型（图1），即张开型（I型）、滑开型（II型）和撕开型（III型）。土体中的裂缝是一种自然现象，在许多天然和人为土工结构中经常遇到。许多土工结构物（如土石坝的土质心墙，垃圾填埋场的粘土底层和盖层等）中，土体裂缝问题是关系到工程成败的关键问题，土体裂缝问题也因此成为学术界和工程界的研究热点问题，同时也是当前研究的难点问题。多数学者认为，土体中裂缝的产生和扩展是由于裂缝位置的应力状态达到临界值引起的，该应力可以是垂直于裂缝面的拉应力，也可是平行于裂缝面的剪应力，裂缝产生和扩展的机理可从断裂力学的角度进行解释。
试验研究土体的断裂性状，一直是土体断裂力学的主要研究内容。目前，用于研究土体I型断裂破坏性状的主要试验方法是三点弯曲断裂试验和紧凑拉伸试验，以及对这两种方法的改进试验方法；研究土体II型断裂破坏性状的试验方法主要是非对称四点弯曲试验（图2）；尚未见有关研究土体III型断裂破坏性状试验方法的报道。
尽管非对称四点弯曲试验（图2）被用于研究土体的II型断裂破坏性状，但是在这种试验方法中，很难确保试样的断裂破坏确实是在II型加载条件下发生的。在非对称四点弯曲试验中，为了确保试样所受的加载条件为纯II型，必须精确调节仪器两个加载点和两个支撑点的距离，使试样预制裂缝所在平面为纯剪状态（即作用于裂缝所在平面的弯矩为零），并在试验过程中保持不变。事实上，这一点是很难做到的，或者说是几乎不可能完全做到的。首先，试验加载前对两个加载点和两个支撑点距离的精确调节就很困难；更困难的是，在试验过程中，由于试样的变形，作用于试样中预制裂缝所在平面的弯矩不可能始终保持为零。一旦作用于试样中预制裂缝所在平面的弯矩不为零，则试样的受荷状态就不是纯II型，而是I－II复合型，试样的破坏也就不能算是II型断裂破坏，而是I-II复合型断裂破坏，这就使后期的分析工作没有可靠的依据，导致误差增大。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种土体II型断裂破坏的试验装置，其结构为：它由底座、前挡铁、推力板、荷重传感器、位移传感器、推力提供装置和计算机组成；前挡铁和推力提供装置分别连接在底座的两端，且前挡铁和推力提供装置，二者中的一者与底座滑动连接；推力提供装置的动力输出部与荷重传感器的一端连接，荷重传感器的另一端与推力板连接；荷重传感器和位移传感器的信号输出端都连接到计算机；荷重传感器检测施加于试样的荷载；位移传感器检测试样在试验中的变形。
所述推力提供装置采用推力油缸。
所述试样为单侧预制有水平裂缝的长方体试样。
本发明还提出了一种采用如前所述试验装置的试验方法，其步骤为：1）制备单侧预制有水平裂缝的长方体试样；
2）将试样置于前挡铁和推力板之间，并使前挡铁与试样接触区的最上端与试样上的水平裂缝的中心线持平，同时使推力板与试样接触区的最下端与试样上的水平裂缝的中心线持平；前挡铁和推力板都与试样完全接触，且无相互作用力；
3）启动推力提供装置，向前挡铁所在方向施加水平推力，直至试样沿裂缝所在平面发生II型断裂破坏；同时，记录从开始施力时到试样破坏后荷重传感器和位移传感器采集到的数据，以荷载数据为横坐标，位移数据为纵坐标，绘制荷载-位移曲线；
4）更换试样，调整试样的尺寸、水平缝的深度以及水平缝的水平高度，重复步骤1）至4）。
本发明的有益技术效果是：确保在整个试验过程中试样的加载状态保持为纯II型，试样的破坏为II型断裂破坏，使试验数据准确可信，便于后期的力学分析。
附图说明
图1、裂缝受力状态分类示意图；
图2、现有技术四点弯曲试验的试样受力示意图；
图3、本发明制备的试样及其受力立体示意图；
图4、本发明制备的试样及其受力侧向示意图；
图5、本发明结构示意图。
具体实施方式
本发明的装置为：它由底座1、前挡铁2、推力板3、荷重传感器4、位移传感器5、推力提供装置6和计算机7组成；前挡铁2和推力提供装置6分别连接在底座1的两端，且前挡铁2和推力提供装置6，二者中的一者与底座1滑动连接；推力提供装置6的动力输出部与荷重传感器4的一端连接，荷重传感器4的另一端与推力板3连接；荷重传感器4和位移传感器5的信号输出端都连接到计算机7；荷重传感器4检测施加于试样的荷载；位移传感器5检测试样在试验中的变形。
所述推力提供装置6采用推力油缸。
所述试样为单侧预制有水平裂缝的长方体试样。
该装置的配件还有等高调整块8，等高调整块8用于垫在试样下部，调整裂缝与装置施力部之间的位置。
采用本发明试验装置的试验方法的步骤为：1）制备单侧预制有水平裂缝的长方体试样；
2）将试样置于前挡铁2和推力板3之间，并使前挡铁2与试样接触区的最上端与试样上的水平裂缝的中心线持平，同时使推力板3与试样接触区的最下端与试样上的水平裂缝的中心线持平；前挡铁2和推力板3都与试样完全接触，且无相互作用力；
3）启动推力提供装置6，向前挡铁2所在方向施加水平推力，直至试样沿裂缝所在平面发生II型断裂破坏，参见图3、4，图中所示P方向即为推力板3所施加的推力方向，Q方向即为前挡铁2所施加的支挡力方向，这种施力方式不同于现有技术的试验装置的施力方式（参见图2，图中所示即为现有技术中四点弯曲试验的试样受力示意图）；同时，记录从开始施力时到试样破坏后荷重传感器4和位移传感器5采集到的数据，以荷载数据为横坐标，位移数据为纵坐标，绘制荷载-位移曲线；
4）更换试样，调整试样的尺寸、水平裂缝的深度以及水平裂缝的水平高度，重复步骤1）至4）。
由试验得到的荷载-位移曲线，可得到试样发生II断裂破坏的临界荷载，再结合试样尺寸和预制裂缝深度等，进而得到II型土体断裂韧度KIIC。本发明的方案保证了试样的加载状态保持为纯II型，试样的破坏为II型断裂破坏，这为后期的II型断裂破坏的力学分析提供了准确的试验依据。
Claims (3)
1.一种土体II型断裂破坏的试验装置，其特征在于：它由底座（1）、前挡铁（2）、推力板（3）、荷重传感器（4）、位移传感器（5）、推力提供装置（6）、等高调整块（8）和计算机（7）组成；前挡铁（2）和推力提供装置（6）分别连接在底座（1）的两端，且前挡铁（2）和推力提供装置（6），二者中的一者与底座（1）滑动连接；推力提供装置（6）的动力输出部与荷重传感器（4）的一端连接，荷重传感器（4）的另一端与推力板（3）连接；荷重传感器（4）和位移传感器（5）的信号输出端都连接到计算机（7）；荷重传感器（4）检测施加于试样的荷载；位移传感器（5）检测试样在试验中的变形；
所述试样为单侧预制有水平裂缝的长方体试样；所述试样置于前挡铁（2）和推力板（3）之间，并使前挡铁（2）与试样接触区的最上端与试样上的水平裂缝的中心线持平，同时使推力板（3）与试样接触区的最下端与试样上的水平裂缝的中心线持平；前挡铁（2）和推力板（3）都与试样完全接触，且无相互作用力；所述等高调整块（8）垫在所述试样下部。
2.根据权利要求1所述的土体II型断裂破坏的试验装置，其特征在于：所述推力提供装置（6）采用推力油缸。
3.一种采用如权利要求1所述试验装置的试验方法，其特征在于：1）制备单侧预制有水平裂缝的长方体试样；
2）将试样置于前挡铁（2）和推力板（3）之间，并使前挡铁（2）与试样接触区的最上端与试样上的水平裂缝的中心线持平，同时使推力板（3）与试样接触区的最下端与试样上的水平裂缝的中心线持平；前挡铁（2）和推力板（3）都与试样完全接触，且无相互作用力；
3）启动推力提供装置（6），向前挡铁（2）所在方向施加水平推力，直至试样沿裂缝所在平面发生II型断裂破坏；同时，记录从开始施力时到试样破坏后荷重传感器（4）和位移传感器（5）采集到的数据，以荷载数据为横坐标，位移数据为纵坐标，绘制荷载-位移曲线；
4）更换试样，调整试样的尺寸、水平裂缝的深度以及水平裂缝的水平高度，重复步骤1）至4）。
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