CN103411806A - 一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法及其专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法，所述步骤包括：a、制备圆柱形试验土样；b、试样安装；c、拉伸土样，测量土样的应力和应变；d、卸载回弹。本发明还提供了所述操作方法的专用设备。本发明的操作方法进行的直接拉伸试验，试样两端与加载装置联结牢固，试样中应力分布均匀，试样破坏发生在试样的中间部位，可以有效量测拉伸变形和拉伸应力以研究土体的抗拉强度和拉伸应力应变关系的全过程，包括应力应变曲线的下降段、回弹再拉伸的应力应变关系。试验方法易于操作，能够进行加卸载拉伸（回弹再拉伸）试验，所需试验装置和材料易于获取，且成本低廉。

Description

一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法及其专用设备

技术领域

本发明公开了一种土木工程和地质工程中的土体力学特性的试验方法，具体涉及一种可以测试粘性土单向拉伸特性的试验操作方法及其专用设备。

背景技术

抗拉强度及其拉伸条件下的应力应变关系是土体基本力学特性之一。由于土体抗拉强度较之抗压强度和抗剪强度要低得多，且抗拉强度的测试较困难，在许多实际问题中常常被忽略。迄今为止，关于土体拉伸特性测试的仪器和试验方法都无标准可依。然而，粘性土实际上能够承受一定的拉力，实际工程中许多问题也与土体抗拉强度有关，如土坡滑动时坡顶产生的拉裂缝、土石坝心墙水力劈裂、地下水开采引起的地裂缝等。随着社会经济发展以及科学研究的深入，对土体拉伸特性的研究逐步得到重视，并成为土木工程和地质工程领域的重要研究课题。

要研究土体的拉伸特性，不仅需要一个合适的试验仪器，还需要相关的试验操作方法。由于土体抗拉强度较小，试验操作中多种因素对试验结果会具有明显的影响，如土样表面水分的少量蒸发、加载速率、土样两端与试验仪器的联结等。因此，要获得可靠的土体拉伸特性，土体直接拉伸试验的操作方法至关重要。根据国内外相关文献检索，目前在进行测试土体拉伸特性的试验中，不论是直接拉伸，还是间接拉伸，对拉伸试验的加载速率、制样方法、环境影响等很少考虑，导致试验结果离散，极大地制约了土体拉伸特性研究的发展，这也是迄今为止土体拉伸特性研究成果较少的一个重要原因。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用应变控制式单轴拉伸仪直接量测粘性土拉伸特性的试验操作方法。

本发明另一目的，还提供了上述操作方法的专用设备。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法的专用制样装置，所述制样装置包括：立柱、压土器、垫块、上升台、千斤顶、摇杆以及与立柱相连的底座；所述千斤顶设在底座上，上升台与千斤顶相连，所述垫块设在两瓣模与上升台之间，所述压土器一端可插入两瓣模内。

进一步地，所述压土器由三组不同的圆柱体组成，呈“工”字形，且从下到上三部分不同直径圆柱体的高度分别为4、5、1.5cm。这样设计的压土器与高度15cm的两瓣模配合使用，可保证制成土样的高度为8cm。同时，采用不同的横截面积，一方面可节约制作压土器的材料、减小压土器的自重，更重要的是，当压土器在两瓣模内向下压制土样时，可减小压土器与两瓣模侧壁的接触面积，从而减小与两瓣模侧壁的摩阻力。

本发明提供的制样装置能够制备出粘性土单向直接拉伸试验的操作方法所需要的土样，压土器是可以单独拿下来的，制土样时，先将压土器直径较小的一端放在两瓣模内，然后使千斤顶上的工作台上升，随后压土器直径较大的上端与立柱顶部相接触，使两瓣模中的土样压密，这样制成的试样均匀、整体性好，试样中不存在软弱面。

一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法的专用单轴拉伸仪装置，包括三轴仪、拉伸系统和应力量测系统，所述三轴仪包括工作台、调速杆和手轮；拉伸系统包括可升降的底座、试样帽和连杆，试样两端分别与底座和试样帽联接；量测系统包括力传感器和数显仪，数显仪上设有数字显示窗，力传感器的下端端板与试样帽连接，传感器测量试样承受的拉力并通过数显仪进行显示；连杆一端安装在三轴仪横梁上，连杆另一端与传感器的上端连接，所述工作台与横杆之间设置有千分表。

进一步地，所述横杆上设有对连杆起导向作用的竖直导轨。

本发明提供的单轴拉伸仪装置采用应变控制方式对土样施加拉力，用力传感器量测土样承受的拉力精度达到0.01N，用千分表量测土样的拉伸变形量精度可达到0.0001mm，同时可以校正土样的拉伸速率，从而提高了土样拉伸应力应变的量测精度。

一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法，所述具体操作步骤为：

a、制备圆柱形试验土样；

b、试样安装；

c、拉伸土样，测量土样的应力和应变：向下启动单轴拉伸仪装置的按钮，使应变控制式单轴拉伸仪的底座以0.012mm/min的速率下降，对土样施加拉力；分别运用力传感器和千分表量测土样承受的力和土样的变形量，再通过换算得到土样承受的应力和相应的应变，土样承受的力通过数字显示仪显示，每30秒对数字显示仪和千分表进行一次读数，直至试样拉断、破坏；

d、卸载回弹：如果进行加卸载单轴拉伸试验，则在土样达到抗拉强度之前的某一应变值（为峰值应变的0.2～0.8之间）时，停止底座的下降，静置，直至在5min之间数字显示仪的读数变化不超过0.3；然后，向上启动按钮使底座上升，直至数字显示仪的读数回到初始读数，在这一过程中，千分表的长指针每转过20小格，读一个对应的数显仪的读数，当数字显示仪显示为初始读数时，底座停止上升，然后，再使底座下降，继续进行土样的拉伸；重复这一步骤，可进行多次加卸载拉伸试验。

进一步地，所述步骤a的具体操作步骤：①将风干粘性土碾碎，过1mm的筛；按所测地区土体的含水量与干密度的要求，量取相应质量的水和风干粘性土，遵循一边喷水一边搅拌土样的原则进行土样调制；将调好的土样放在保鲜袋中，封口并置于密封容器中24h，保证土样中水分均匀分布；②将静置24h的土倒进内壁抹有凡士林的两瓣模里，两瓣模的底部和中部用圆环箍紧以保证两瓣模中无缝隙、上下面对齐，在两瓣模的底端放置一个保鲜袋以防土漏出，一边上下轻轻抖动两瓣模，一边往里面倒土直至土完全倒入两瓣模里；将装有土的两瓣模放在垫块上，在两瓣模的上方放置压土器，压土器下部的圆柱体的直径与两瓣模内径相同，转动摇杆使千斤顶上放置土样的工作台上升，随后压土器直径较大的上端与立柱顶部相接触，继续使工作台上升，直至两瓣模上方的压土器中间5cm高的圆柱体只剩1cm在两瓣模的外面，停止工作台的上升，静置3min后，取下两瓣模，将两瓣模倒置放在千斤顶上的工作台上，再在两瓣模上方放置压土器，转动摇杆使工作台上升，直至两瓣模上方的压土器中间5cm高的圆柱体完全进入两瓣模中，静置5min后取出土样，用保鲜膜将土样封装并置于密封容器里24h；③将充分静置后的土样取出，使用内径3.91cm，高8cm的标准三瓣模将土样上下表面切削修平，留置待用。

进一步地，所述步骤b的具体操作步骤：①在单轴拉伸仪装置的试样帽抹上502强力胶水，将土样的上端固定在试样帽处，然后将联结有土样的试样帽用螺丝固定在单轴拉伸仪装置的力传感器的下端板上；②通过转动手轮使单轴拉伸仪装置的底座上升，当底座接近土样时，调节千分表；③在单轴拉伸仪装置的底座抹上502强力胶水，转动手轮使底座与土样刚好接触，拔出手轮；④用两瓣有机玻璃圆柱体围在土样的外面，再用湿布覆在有机玻璃圆柱体上面以防止试验过程中土样表面水分受周围环境的影响而蒸发，保证试验结果的稳定性，由于土样直接拉伸试验的时间较长，含水量对土体拉伸特性有显著影响，试验过程中保持土样含水量的稳定相当重要，否则试验数据不易稳定；⑤静置5min，观察数字显示仪读数，若上下浮动不超过0.3，则继续试验；反之，则需把手轮推进去继续调整底座高度，静置观察，保证底座与土样完全接触。

进一步地，所述两瓣有机玻璃圆柱体高12cm，内径8cm。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1）采用本发明的操作方法进行的直接拉伸试验，试样两端与加载装置联结牢固，试样中应力分布均匀，试样破坏发生在试样的中间部位，可以有效量测拉伸变形和拉伸应力以研究土体的抗拉强度和拉伸应力应变关系的全过程，包括应力应变曲线的下降段、回弹再拉伸的应力应变关系。

2）本发明的试验操作方法通过采用力传感器测量试样承受的拉力，可以提高拉力测试精度和稳定性。由于土体拉伸破坏的应变很小，只有百分之零点几（多小于0.5%），本发明采用千分表量测土样的拉伸变形，可提高变形测试的精度。采用固定时间和变形量方法来读取试验数据，能够得到完整的、包括回弹再拉伸过程的拉伸应力应变曲线。

3）本发明通过用两瓣有机玻璃圆柱体围在土样的外面，再在有机玻璃圆柱体上部覆以湿布，可有效防止试验过程中水分的蒸发，从而保证试验结果的稳定性。土体的抗拉强度较小，只有几～几十千帕（kPa），而含水量对土体拉伸特性有显著影响，试验过程中的少许水分变化就会造成土中应力的不稳定，反映为数字显示仪的读数离散、不稳定。

4）本发明采用0.012mm/min的拉伸速率。一般而言，对同一土样，拉伸速率大，所测得抗拉强度高，在工程上来说是偏于不安全的。采用0.012mm/min的拉伸速率既可使所测抗拉强度具有较高的安全储备，也不致使试验时间过长。

5）本发明的试验方法易于操作，能够进行加卸载拉伸（回弹再拉伸）试验，所需试验装置和材料易于获取，且成本低廉。

附图说明

图1为本发明采用的制样装置示意图。

图2为本发明采用的土体单轴直接拉伸仪结构示意图。

图3为单轴拉伸试验应力-应变关系曲线图。

图4为加卸载单轴拉伸试验应力-应变关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法的专用制样装置，所述制样装置包括：立柱2、压土器1、垫块4、上升台5、千斤顶6、摇杆7以及与立柱2相连的底座8；所述千斤顶6设在底座8上，上升台5与千斤顶6相连，所述垫块4设在两瓣模3与上升台5之间，所述压土器1一端可插入两瓣模3内。所述压土器1由三组不同的圆柱体组成，呈“工”字形，且从下到上三部分不同直径圆柱体的高度分别为4、5、1.5cm。

如图2所示，一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法的专用单轴拉伸仪装置，所述单轴拉伸仪装置包括三轴仪、拉伸系统和应力量测系统，所述三轴仪包括工作台15、调速杆17和手轮16；拉伸系统包括可升降的底座14、试样帽12和连杆9，试样13两端分别与底座14和试样帽12联接；量测系统包括力传感器11和数显仪19，数显仪19上设有数字显示窗20，力传感器11的下端端板与试样帽12连接，传感器11测量试样承受的拉力并通过数显仪19进行显示；连杆9一端安装在三轴仪横梁22上，连杆9另一端与力传感器11的上端连接，所述工作台15与横杆23之间设置有千分表21。所述横杆23上设有对连杆9起导向作用的竖直导轨10。

本发明中，试样13两端通过502强力胶分别与底座14和试样帽12联接，可以确保当底座14以一定的速率下降时，试样13能够相应的拉伸；底座14的下降速率由调速杆17控制；三轴仪上安装有横杆23，横杆上设有对连杆9起导向作用的竖直导轨10，可以使上端连杆9在试验过程中始终保持竖直；连杆9两端分别设有可以调节连杆9位置的螺母，能够防止连杆9在拉伸过程中产生晃动。本实施例中，传感器11的量程为20㎏，能够满足土体拉伸试样需要。

现以粘性土抗拉强度研究的试验作为具体实施例进行说明：

试验所用土料选用南京地区的粘性土，风干粉碎后过1mm筛，粘性土的塑性指数为17.8，最优含水率为18.6%，最大干密度为1.73g/cm³。用图1的制样装置制备试样，制得圆柱形试样的高度为80mm，横截面积为12cm²，含水率分别为14、16、18、20、22、24%，干密度分别为1.29、1.38、1.47、1.56、1.64g/cm³。将制备的土样安装于图2所示的应变控制式单轴拉伸仪上，用两瓣有机玻璃圆柱体围在土样的外面，再在有机玻璃圆柱体上部覆以湿布。对土样进行拉伸试验，通过千分表21读取土样的拉伸变形测量值，通过数显仪19的数字显示窗20读取作用于土样上的拉力测量值，从而可以获得各试样的应力应变曲线。图3为一次拉伸时的应力应变曲线，曲线具有明显的上升段和下降段，在峰值拉应力出现之前，随着拉伸应变增加，拉应力也在增加。在峰值拉应力出现后，随着拉伸应变增加，试样承受拉应力在减小，并最终断裂为两部分。在拉应力达到峰值时试样13并没有突然断裂，而是仍具有一定的抗拉能力，可取曲线的峰值应力作为土体的抗拉强度，峰值应力对应的峰值应变为0.13%。

图4为对土样进行加卸载单轴拉伸试验的应力应变曲线，分别在土样拉伸应变达到0.042%和0.084%时使底座上升、拉力减小，土样产生回弹。

采用本发明的方法进行单轴直接拉伸试验，试样两端与加载装置联结牢固，试样中应力分布较均匀，试样破坏发生在试样的中间部位，可以有效量测拉伸变形和拉伸应力以研究土体拉伸的应力应变关系的全过程，包括应力应变曲线的下降段、回弹再拉伸的应力应变关系。试验过程稳定，操作简单，试验所需装置和材料获取方便且成本低廉。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法的专用制样装置，其特征在于：所述制样装置包括：立柱（2）、压土器（1）、垫块（4）、上升台（5）、千斤顶（6）、摇杆（7）以及与立柱（2）相连的底座（8）；所述千斤顶（6）设在底座（8）上，上升台（5）与千斤顶（6）相连，所述垫块（4）设在两瓣模（3）与上升台（5）之间，所述压土器（1）一端可插入两瓣模（3）内。

2.根据权利要求1所述的粘性土单向直接拉伸试验的操作方法的专用制样装置，其特征在于：所述压土器由三组不同的圆柱体组成，呈“工”字形，且从下到上三部分不同直径圆柱体的高度分别为4、5、1.5cm。

3.一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法的专用单轴拉伸仪装置，其特征在于：包括三轴仪、拉伸系统和应力量测系统，所述三轴仪包括工作台（15）、调速杆（17）和手轮（16）；拉伸系统包括可升降的底座（14）、试样帽（12）和连杆（9），试样（13）两端分别与底座（14）和试样帽（12）联接；量测系统包括力传感器（11）和数显仪（19），数显仪（19）上设有数字显示窗（20），力传感器（11）的下端端板与试样帽（12）连接，力传感器（11）测量试样承受的拉力并通过数显仪（19）进行显示；连杆（9）一端安装在三轴仪横梁（22）上，连杆（9）另一端与力传感器（11）的上端连接，所述工作台（15）与横杆（23）之间设置有千分表（21）。

4.根据权利要求3所述粘性土单向直接拉伸试验的操作方法的专用单轴拉伸仪装置，其特征在于：所述横杆（23）上设有对连杆（9）起导向作用的竖直导轨（10）。

5.一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法，其特征在于：所述具体操作步骤为：

a、制备圆柱形试验土样；

b、试样安装；

c、拉伸土样，测量土样的应力和应变：向下启动单轴拉伸仪装置的按钮（18），使应变控制式单轴拉伸仪的底座（14）以0.012mm/min的速率下降，对土样施加拉力；分别运用力传感器（11）和千分表（21）量测土样承受的力和土样的变形量，再通过换算得到土样承受的应力和相应的应变，土样承受的力通过数字显示仪显示，每30秒对数字显示仪和千分表进行一次读数，直至试样拉断、破坏；

d、卸载回弹：如果进行加卸载单轴拉伸试验，则在土样达到抗拉强度之前，当应变值为峰值应变的0.2～0.8时，停止底座的下降，静置，直至在5min之内数字显示仪的读数变化不超过0.3；然后，向上启动按钮（18）使底座（14）上升，直至数字显示仪的读数回到初始读数，在这一过程中，千分表的长指针每转过20小格，读一个对应的数显仪的读数，当数字显示仪显示为初始读数时，底座（14）停止上升，然后，再使底座（14）下降，继续进行土样的拉伸；重复这一步骤，可进行多次加卸载拉伸试验。

6.根据权利要求5所述的一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法，其特征在于：所述步骤a的具体操作步骤：①将风干粘性土碾碎，过1mm的筛；按所测地区土体的含水量与干密度的要求，量取相应质量的水和风干粘性土，遵循一边喷水一边搅拌土样的原则进行土样调制；将调好的土样放在保鲜袋中，封口并置于密封容器中24h，保证土样中水分均匀分布；②将静置24h的土倒进内壁抹有凡士林的两瓣模（3）里，两瓣模（3）的底部和中部用圆环箍紧以保证两瓣模（3）中无缝隙、上下面对齐，在两瓣模（3）的底端放置一个保鲜袋以防土漏出，一边上下轻轻抖动两瓣模（3），一边往里面倒土直至土完全倒入两瓣模（3）里；将装有土的两瓣模（3）放在垫块（4）上，在两瓣模的上方放置压土器（1），压土器（1）下部的圆柱体的直径与两瓣模（3）内径相同，转动摇杆（7）使千斤顶（6）上放置土样的工作台（5）上升，随后压土器（1）直径大的上端与立柱（2）顶部相接触，继续使工作台（5）上升，直至两瓣模（3）上方的压土器（1）中间5cm高的圆柱体只剩1cm在两瓣模（3）的外面，停止工作台（5）的上升，静置3min后，取下两瓣模（3），将两瓣模（3）倒置放在千斤顶（6）上的工作台（5）上，再在两瓣模上方放置压土器（1），转动摇杆（7）使工作台（5）上升，直至两瓣模（3）上方的压土器（1）中间5cm高的圆柱体完全进入两瓣模（3）中，静置5min后取出土样，用保鲜膜将土样封装并置于密封容器里24h；③将充分静置后的土样取出，使用内径3.91cm，高8cm的标准三瓣模将土样上下表面切削修平，留置待用。

7.根据权利要求5所述的一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法，其特征在于：所述步骤b的具体操作步骤：①在单轴拉伸仪装置的试样帽（12）抹上502强力胶水，将土样的上端固定在试样帽（12）处，然后将联结有土样的试样帽用螺丝固定在单轴拉伸仪装置的力传感器（11）的下端板上；②通过转动手轮（16）使单轴拉伸仪装置的工作台（15）上升，当底座（14）靠近土样时，调节千分表（21），使千分表的初读数为零；③在单轴拉伸仪装置的底座（14）抹上502强力胶水，转动手轮（16）使底座（14）与土样刚好接触，拔出手轮（16）；④用两瓣有机玻璃圆柱体围在土样（13）的外面，再用湿布覆在有机玻璃圆柱体上面以防止试验过程中土样表面水分受周围环境的影响而蒸发，保证试验结果的稳定性；⑤静置5min，观察数字显示仪（18）读数，若上下浮动不超过0.3，则继续试验；反之，则需把手轮（16）推进去继续调整工作台（15）的高度，静置观察，保证底座（14）与土样完全接触。

8.根据权利要求7所述的一种粘性土单向直接拉伸试验的操作方法，其特征在于：所述两瓣有机玻璃圆柱体高12cm，内径8cm。

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