CN102980816B - 土体剪切断裂破坏试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
土体剪切断裂破坏试验装置，包括有底座、前挡板、推力提供装置、荷重传感器、位移传感器和数据采集器。土体剪切断裂破坏试验方法，1）将试样放置在前挡板与推力板之间的第二滑轨上；2）启动推力提供装置，向试样施加压力，并记录；3）生成试样受力和形变的曲线图。将试样放置在推力板和前挡板之间的底座上，前挡板和推力板位于试样裂缝的左右两侧，推力板向正对的试样一侧施加推力，前挡板挡住试样，防止试样滑动。试样以裂缝为界，左右两侧受方向相反的两个力作用，直到试样被破坏。试验过程中试样受到的力可以通过荷重传感器读取，形变位置可以通过位移传感器读取，试验过程简单，读取的试验结果不受操作误差和摩擦的影响，准确度高。
Description
技术领域
本发明涉及土体断裂试验技术领域，特别是一种土体剪切断裂破坏的试验装置及方法。
背景技术
含裂缝土体属于非连续介质，其破坏描述和准则应基于非连续介质建立。在断裂力学中，裂缝扩展按其受力状态可分为三种基本类型，即：张开型（或拉伸型）、滑开型（或剪切型）和撕开型（或扭剪型）。在土体断裂破坏中，主要考虑拉伸型和剪切型两种，本发明仅涉及剪切型。
在土体剪切型断裂破坏中，当裂纹体应力强度因子KII达到材料的II型断裂韧性KIIC时，裂纹即要向前扩展。因此，测试出土体的II型断裂韧度KIIC对于研究土体裂纹的扩展机理来说至关重要。
目前，用于研究岩石及其它脆性材料剪切型断裂破坏的试验方法较多，主要有非对称四点弯曲方法、半圆弯曲方法、非对称半圆弯曲方法、短梁剪切破坏试验方法、巴西圆盘方法和剪切盒试验方法等。但是，用于研究土体剪切型断裂破坏的试验方法很少，仅两种，如附图1所的单侧开缝土梁试样非对称四点弯曲试验方法，和如附图2所示的单侧开缝矩形土饼试样水平剪切试验方法。
单侧开缝土梁试样非对称四点弯曲试验方法：该方法的基本原理是通过调节作用在土体试样中的两个加载点（A、B）和在两个支撑点（C、D）的位置，使得在裂缝断面处，试样所受弯矩为零，只承受剪力作用。利用该方法，通过结构力学和材料力学的知识，能求出试样裂缝断面上的剪力，进而利用断裂力学理论可计算出应力强度因子KII。当施加于试样的荷载为临界荷载时，应力强度因子KII的值就等于II型断裂韧度KIIC。虽然该方法从原理上可以求出KIIC，但在使用时，如果试验前两个加载点（A，B）和两个支撑点(C,D)位置的调节出现误差，或者试验中试样变形过大，都可能引起裂缝断面处的弯矩不为零。因此在使用单侧开缝土梁试样非对称四点弯曲试验方法研究土体剪切型断裂破坏时，其结果可能会产生很大的误差。
单侧开缝矩形土饼试样水平剪切试验方法：该方法是针对单侧开缝土梁试样非对称四点弯曲试验方法在研究土体剪切型断裂破坏问题时存在的局限性提出的一种新试验方法，公开号为CN102128742B的发明专利公开了一种土体II型断裂破坏的试验装置及方法。该方法的优点是，确保在整个试验过程中试样的加载状态保持为剪切型，试样的破坏为剪切型断裂破坏，使试验数据准确可信，便于后期的力学分析。但从附图2可知，由于受到裂缝面以上部分土体自重的影响，在试验过程中裂缝面上存在因土样自重引起的摩擦力，该摩擦力可能影响试验的结果，因而该方法也存在不足之处。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种土体剪切断裂破坏试验装置，它为准确的测出试样受力破坏试验过程和结果提供了硬件基础，试验结果不受试样本身摩擦力的误差影响。
本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有底座、前挡板、推力提供装置、荷重传感器、位移传感器和数据采集器；前挡板安装在底座的端部，推力提供装置安装在底座上，推力提供装置的动力输出端通过荷重传感器与推力板连接，位移传感器设置在推力板和推力提供装置之间，推力板通过第一滑轨设置在底座上，在推力板与前挡板之间用于安放试样的底座上设置有第二滑轨，推力板与前挡板分别位于试样裂缝的左右两侧，位移传感器和荷重传感器的数据输出端与数据采集器的数据接收端连接。
进一步，所述推力提供装置的控制输入端与数据采集器的指令输出端连接。
进一步，所述装置还包括有两块垫板，两块垫板安装在底座的第二滑轨上，并且分别位于试样裂缝的左右两侧。
本发明的另一个目的是提供一种土体剪切断裂破坏试验方法，它可以准确测出试样受力破坏试验过程和结果。
本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：
1）将试样放置在前挡板与推力板之间的第二滑轨上，前挡板和推力板均与试样紧密贴合，前挡板和推力板相近的两个边均与试样裂缝位置相对齐；
2）启动推力提供装置，向试样施加压力，荷重传感器实时记录向试样施加的压力大小，位移传感器实时记录试样在压力下的形变位移，直到试样被破坏；
3）数据采集器保存接收到的位移传感器和荷重传感器的数据，生成试样受力和形变的曲线图。
进一步，步骤2）中推力提供装置由数据采集器控制。
进一步，步骤3）中生成的曲线图以形变位移数据为横坐标，以荷重数据为纵坐标，或者以荷重数据为横坐标，以形变位移数据为纵坐标。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
将试样放置在推力板和前挡板之间的底座上，前挡板和推力板位于试样裂缝的左右两侧，推力板向正对的试样一侧施加压力，前挡板挡住试样，防止试样滑动。试样以裂缝为界，左右两侧受方向相反的两个力作用，直到试样被破坏。试验过程中试样受到的力可以通过荷重传感器读取，形变位移可以通过位移传感器读取，试验过程简单，读取的试验结果不受操作误差和摩擦的影响，准确度高。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为背景技术四点非对称弯曲试验方法的原理图；
图2为背景技术水平剪切断裂试验方法的原理图；
图3为本发明试验原理图；
图4为本发明的装置结构示意图；
图5为本发明实验状态示意图。
本发明的结构示意图。
图中：1.底座；2.前挡板；3.推力提供装置；4.荷重传感器；5.位移传感器；6.数据采集器；7.推力板；8.第一滑轨；9.试样；10.第二滑轨；11.裂缝；12.垫板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
土体剪切断裂破坏试验装置，所述装置包括有底座1、前挡板2、推力提供装置3、荷重传感器4、位移传感器5和数据采集器6；前挡板2安装在底座1的端部，推力提供装置3安装在底座1上，推力提供装置3的动力输出端通过荷重传感器4与推力板7连接，位移传感器5设置在推力板7和推力提供装置3之间，推力板7通过第一滑轨8设置在底座1上，在推力板7与前挡板2之间用于安放试样9的底座1上设置有第二滑轨10，推力板7与前挡板2分别位于试样9裂缝11的左右两侧，位移传感器5和荷重传感器4的数据输出端与数据采集器6的数据接收端连接。
将试样9放置在推力板7和前挡板2之间的底座1上，前挡板2和推力板7位于试样9裂缝11的左右两侧，推力板7向正对的试样9一侧施加压力，前挡板2挡住试样9的另一侧，防止试样9滑动。试样9以裂缝11为界，左右两侧受方向相反的两个力作用，直到试样9被破坏。试验过程中试样受到的力可以通过荷重传感器4读取，形变位移可以通过位移传感器5读取，试验过程简单，读取的试验结果不受操作误差和摩擦的影响，准确度高。
所述推力提供装置3的控制输入端与数据采集器的指令输出端连接。从而只需对数据采集器进行操作就可以完成整个实验过程。
所述装置还包括有两块垫板12，两块垫板12安装在底座1的第二滑轨10上，并且分别位于试样9裂缝11的左右两侧。垫板12可以有效减小试样9与底座1之间的摩擦力，使试验结果更准确，两块垫板12之间应保留空隙，空隙宽度应不小于1～2mm。试验时，将试样9放置在两块垫板12上，两块垫板12之间的空隙与试样9裂缝11相对齐。
土体剪切断裂破坏试验方法，具体步骤如下：
1）将试样放置在前挡板2与推力板7之间的第二滑轨10上，前挡板2和推力板7均与试样9紧密贴合，前挡板2和推力板7相近的两个边均与试样9裂缝11位置相对齐；
2）启动推力提供装置3，向试样9施加压力，荷重传感器4实时记录向试样9施加的压力大小，位移传感器5实时记录试样9在压力下的形变位移，直到试样9被破坏；
3）数据采集器6保存接收到的位移传感器5和荷重传感器4的数据，生成试样受力和形变的曲线图。
步骤2）中推力提供装置由数据采集器控制。
步骤3）中生成的曲线图以形变位移数据为横坐标，以荷重数据为纵坐标，或者以荷重数据为横坐标，以形变位移数据为纵坐标。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.土体剪切断裂破坏试验装置，其特征在于：所述装置包括有底座、前挡板、推力提供装置、荷重传感器、位移传感器和数据采集器；前挡板安装在底座的端部，推力提供装置安装在底座上，推力提供装置的动力输出端通过荷重传感器与推力板连接，位移传感器设置在推力板和推力提供装置之间，推力板通过第一滑轨设置在底座上，在推力板与前挡板之间用于安放试样的底座上设置有第二滑轨，推力板与前挡板分别位于试样裂缝的左右两侧，位移传感器和荷重传感器的数据输出端与数据采集器的数据接收端连接；所述装置还包括有两块垫板，两块垫板安装在底座的第二滑轨上，并且分别位于试样裂缝的左右两侧。
2.如权利要求1所述的土体剪切断裂破坏试验装置，其特征在于：所述推力提供装置的控制输入端与数据采集器的指令输出端连接。
3.采用如权利要求1至2任意一项所述装置进行土体剪切断裂破坏试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)将试样放置在前挡板与推力板之间的第二滑轨上，前挡板和推力板均与试样紧密贴合，前挡板和推力板相近的两个边均与试样裂缝位置相对齐；
2)启动推力提供装置，向试样施加压力，荷重传感器实时记录向试样施加的压力大小，位移传感器实时记录试样在压力下的形变位移，直到试样被破坏；
3)数据采集器保存接收到的位移传感器和荷重传感器的数据，生成试样受力和形变的曲线图。
4.如权利要求3所述的土体剪切断裂破坏试验方法，其特征在于：步骤2)中推力提供装置由数据采集器控制。
5.如权利要求3所述的土体剪切断裂破坏试验方法，其特征在于：步骤3)中生成的曲线图以形变位移数据为横坐标，以荷重数据为纵坐标，或者以荷重数据为横坐标，以形变位移数据为纵坐标。
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