CN103674723B - 一种测定土体单轴抗拉强度的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定土体单轴抗拉强度的试验方法，该方法采用试样制备系统、拉伸系统和数据采集系统组成试验设备，其中试样制备系统包括：固定底座、压板、成样器、固定螺丝；拉伸系统包括：三速电剪仪和试样夹具；数据采集系统包括：数显式推拉力计、百分表和计算机。该方法采用一次静压成型技术制备试样，可避免了分层击实制样造成的薄弱面；试样呈哑铃状，两端作为固定端，使操作更简单，连接更牢固，而且试样固定端和试样中间部分通过渐变段连接，避免了直径突变产生应力集中对试验的影响。此外，数显式推拉力计与计算机连接，可以实时记录拉力的大小，准确记录试样断裂时的最大拉力值。

Description

一种测定土体单轴抗拉强度的试验方法

技术领域

本发明属于土木工程测试技术领域，特别涉及一种测定土体抗拉强度的试验方法，主要用于水利工程、道路工程和农业工程等土体抗拉强度测定，为工程设计与施工管理提供可靠数据。

背景技术

土作为一种主要建筑材料，普遍应用在水利工程、道路工程和农业工程中，是主要的受压材料。在工程实践中发现土质堤坝心墙的水力劈裂、道路路基的开裂、边坡滑动产生的张拉裂缝等都与土体的抗拉强度有关。所以准确测定土体的抗拉强度，对工程的设计、施工与管理具有重要的意义，可预防工程事故的发生，保证工程的安全。

土体的抗拉强度一般通过单轴抗拉强度来反映，其是土样只在单向拉力作用下达到断裂破坏时的极限正应力。目前，针对土体抗拉强度的测定方法主要分为直接测量法和间接测量法两类。其中直接测量法有单轴拉伸法和三轴拉伸法，间接测量法有土梁弯曲法、空心圆柱法、径向压裂法、轴向压裂法。以往的单轴拉伸试验仪器存在较多的弊端，试验结果有较大的误差。譬如，《土工试验规程》（SDS01-79）中关于黏性土单轴抗拉强度试验，其土样的制备是采用分层击实，先制成方形样，然后削成圆柱形的试样，这样在分层处容易形成薄弱面，而且削制试样的过程，如果用力不稳、过大，很容易使试样受到扰动，强度降低。同时，削试样时容易导致试验轴心偏离中心，拉伸时试样断面受力不均匀，很难保证拉力与试样横截面垂直。此外，试样两端采用粘合剂胶结的方法与试样帽固定，然后与拉伸的仪器连接，土与粘合剂之间的胶结力很小，且试样表面比较粗糙更降低了胶结面的面积，所以这种方法连接面不易固定牢固，拉伸时容易从胶结面断开。更为重要的是，拉伸时采用逐级加载的方式施加拉伸荷载，计算拉应力时取试样破坏前两次荷载的平均值作为断裂时的荷载值，这种方法不能精确确定试样断裂时的最大拉力。由于以上各方面因素的影响，导致测定的土体抗拉强度值存在很大的误差。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种测定土体单轴抗拉强度的试验方法，以精确测定土体的抗拉强度，为工程设计与施工管理提供可靠的试验数据。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术解决方案予以实现：

一种测定土体单轴抗拉强度的试验方法，其特征在于，该方法采用由试样制备系统、拉伸系统和数据采集系统组成的试验设备，其中：

试样制备系统包括：固定底座、压板、成样器和固定螺丝；

拉伸系统包括：三速电剪仪和试样夹具；

数据采集系统包括：数显式推拉力计、百分表和计算机；

具体操作步骤如下：

步骤一，按试验要求组装成样器，采用一次静压成型技术制样，试样呈哑铃状；

步骤二，将试样放入夹具内，夹具一端通过活动挂钩与三速电剪仪的动力转轮拉杆连接，另一端与数显式推拉力计连接，数显式推拉力计与计算机通过数据线连接；

步骤三，调节三速电剪仪的拉伸速率，调整百分表示数归零，打开计算机中的测试软件。

步骤四，开启拉伸动力系统电源，开始拉伸。观察数显式推拉力计示数，当示数突然变小，切断电源停止拉伸，记录百分表读数，即为最大拉力所对应的位移；

步骤五，保存计算机的测试数据，记录最大拉力，取下试样，用直尺测量断面距有效长度端部的距离；

步骤六，用削土刀取适量断面处的土，测定其含水率；

步骤七，根据下式计算试样断面应力、应变：

试样断面应力：σ=F_N/S

试样断面应变：ε=△L/L₀

式中：

σ：断面处的最大拉应力，即单轴抗拉强度；

ε：与最大拉应力相对应的应变；

F_N：最大拉力，试样断裂时的拉力；

S：试样的断面面积；

△L：与最大拉力对应的位移；

L₀：试样的有效长度。

本发明的测定土体单轴抗拉强度的试验方法，采用一次静压成型的方法制备试样，避免了分层击实制样造成的薄弱面；试样呈哑铃状，可采用试样两端作为固定端，使操作更简单，连接更牢固；固定端和试样中间部分通过渐变段连接，避免了试样直径突变产生应力集中对试验的影响；此外，数显式推拉力计与计算机连接，可以实时记录拉力的大小，准确记录试样断裂时的最大拉力值。

附图说明

图1是制样模具图，图中的标记分别表示：A、固定底座，B、压板，C、成样器，D、固定螺栓；

图2是成样器顶盖结构示意图；

图3是成样器底槽结构示意图；

图4是试验设备连接示意图。

图中的标记分别表示：1、滚轮，2、螺钉，3、试样，4、试样夹具，5、活动挂钩，6、百分表，7、数显式推拉力计，8、数据线，9、计算机，10、三速电剪仪。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本实施例给出一种测定土体抗拉强度的试验方法，具体包括：

实验设备：

试样制备系统：包括固定底座、压板、成样器和固定螺丝；

拉伸系统：包括三速电剪仪和试样夹具；

数据采集系统：包括数显式推拉力计、百分表和计算机；

还包括有活口扳手、直尺、刷子、百分表、凡士林、千斤顶、反力框架等辅助器械与材料。

具体操作步骤：

1）按试验要求选择试样长度（6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm、12cm），将成样器底座部分按选定的试样长度组装，放入底槽内，四周放入压板定位，用扳手将四周螺丝拧紧（保证螺丝要对称平行拧紧），压紧各部分之间的缝隙；

2）用刷子清除槽内杂物（杂土等），并在槽子内部四周涂抹适量凡士林，可避免试样与仪器粘结，同时也减少了试样含水率的变化；

3）根据控制条件（压实度、含水率等）称取一定质量的土，放入组装好的底槽内，均匀铺平，并轻微压实；

4）将顶盖放入底槽相应的位置，顶盖上部放置和选定试样同样长度的顶部压板；

5）用千斤顶和反力框架缓慢施加荷载，将顶盖压入底槽内，至压板与底槽顶面紧密结合为止，保持压紧状态，静置2～3min；

6）卸载，拧松四周螺丝，将试样取出；

7）打开数显式推拉力计，通过数据线与计算机连接，启动测试软件；

8）将试样放入夹具内，四角上用螺丝固定牢固。将夹具一端的活动挂钩与数显式推拉力计连接，另一端与三速电剪仪的动力转轮拉杆连接，调整夹具位置，使其位于轨道中心轴线上，即与拉伸轴线重合；

9）用手转动三速电剪仪的动力转轮，使中间部分拉紧，数显式推拉力计刚显示数据为宜，调节转速档位位于0.8mm/min，调整百分表示数归零；

10）开启拉伸动力系统电源，开始拉伸。拉伸时注意观察数显式推拉力计示数变化，当示数突然变小时，切断电源停止拉伸，记录百分表读数，即为最大拉力所对应的位移；

11）保存计算机的测量数据，记录最大拉力，取下试样，用直尺测量断面距有效长度端部的距离；

12）用削土刀取适量断面处的土，测定其含水率。

13）根据下式计算试样断面应力、应变：

试样断面应力：σ=F_N/S

试样断面应变：ε=△L/L₀

式中：

σ：断面处的最大拉应力，即单轴抗拉强度；

ε：与最大拉应力相对应的应变；

F_N：最大拉力，试样断裂时的拉力；

S：试样的断面面积；

△L：与最大拉力对应的位移；

L₀：试样的有效长度。

以下是发明人具体的试验：

一、试样制备：

1、制样模具：

试样制备系统主要包括固定底座A、压板B、成样器C、固定螺丝D四部分，见附图1和附图2。

固定底座A，用厚度为1cm的钢板焊接成长方形槽子，槽子内部长、宽、高分别为25cm、9cm、5cm，槽子四个边的钢板上有两个直径12mm的螺丝孔，用于安装固定螺丝D。在固定底座A四周设置压板B，压板B的尺寸按槽子尺寸确定。固定底座A中间用于放置成样器C，固定底座A上部有压板B，压板B和试样长度相等，宽度略大于固定底座A宽度。固定螺丝D为直径12mm，长度80mm的螺栓，满足强度和长度要求即可。

成样器C，断面内圆外方，内部呈哑铃状，由底槽和顶盖两部分组成（图2和图3），内部采用线切割加工工艺按试样要求切割出中空的圆柱体，两端圆柱体的直径为5cm，中空圆柱体的长度为1.5cm；中间直径为4cm，长度为12cm。为了避免试样断面突变，两端与中间的连接段为渐变段，呈中空圆台状，圆台长度为1.0cm。直径4cm的部分是试样的有效长度L₀，试件端部圆台和渐变段为固定端，用于和两端试件夹具连接。

为了方便取出试样和满足试样不同有效长度的要求，将有效长度部分垂直轴向切割成7段，即1个长度为6cm的基础段（即图2、图3中的2段）和6个长度为1cm自由段（即图2中的3、4、5、6、7、8段），用于调节试样长度，底槽和基础段沿轴线方向从中间切开，方便试样取出。

2、试样制作：

1）按照试样长度选取配套的底槽和顶盖组装成样器，底槽放置在固定底座A内，四周用压板B和螺栓D固定；

2）将一定质量的土放入成样器C的底槽内，使其均匀铺平，稍微压实，然后将顶盖放入底槽的相应位置，并用四周的螺栓D通过四周压板B将中间的成样器C压紧，注意同侧的固定螺栓D一定要同步拧进，避免偏心，出现缝隙；

3）顶盖上面放置压板B后，用千斤顶、反力框架将上部顶盖压入底槽内，至压板B下表面和成样器C的底槽上表面紧密接触为止，此时顶盖上表面也恰好和底槽上表面齐平，为了避免试样体积反弹，压的过程要缓慢施加压力，并且齐平后静置2～3分钟，再取出试样，试样呈哑铃状。

二、试样拉伸：

试验设备主要包括三速电剪仪10和试件夹具4（见附图4）。

利用已有的三速电剪仪10的动力部分（电动转轮）和水平支座。经研究确定，三速电剪仪10的拉伸速率用0.8mm/min比较合适。在三速电剪仪10的水平支座上放置表面光滑的有机玻璃平直轨道。

试件夹具4由两部分组成，分别用于固定试样的两端。采用有机玻璃制作，分上下两半，用螺丝2固定四个角部位，外部为方形，内部为和试样两端形状一样的中空圆柱和圆台。试件夹具4两端的直径分别为4.1cm、5.1cm，直径4.1cm部分的长度为1cm、直径5.1cm部分的长度为2cm，中间为中空圆台，长度1cm。

在试件夹具4上安装滚轮1，可减小与轨道之间的摩擦力。试件夹具4一端通过活动挂钩5与数显式推拉力计7连接，另一端与三速电剪仪的动力转轮的拉杆连接。在三速电剪仪的动力转轮拉杆和试件夹具4之间安装百分表6。活动挂钩5的中心位于试样夹具4的中心线上。通过控制滚轮1的高度，保证三速电剪仪动力转轮的轴心、试样3轴心与数显式推拉力计7的轴心相重合。

三、数据采集

数据采集包括应力部分和应变部分两部分。

应力部分，利用数据线8将数显式推拉力计7与计算机9连接，计算机9内安装测试软件，实时记录荷载值。

应变部分，在三速电剪仪的基座上安置百分表6，其测量杆与试样夹具4接触，用于测定拉伸过程中试样的变形。

以下是发明人给出的具体实施例。

实施例1：

一、制备试样

土样：

选用一种非分散性土，制样含水率18.6%，制样密度1.70g/cm³。

仪器及辅助设备与材料：

1）制样模具：制样模具包括固定底座A、压板B、成样器C、固定螺丝D四部分；

2）活口扳手：1把

3）刷子：小型号油漆刷

4）凡士林：普通白色凡士林

5）千斤顶、反力框架：起重量8T

6）天平：精度值0.01g

操作方式：

1）按试验要求选择试样，试样的长度10cm，即选取1个长度为6cm的基础段和4个长度为1cm自由段。将成样器底座部分按选定的试样长度组装，放入底槽内，四周放入压板定位，用扳手将四周螺丝拧紧（保证螺丝要对称平行拧紧），压紧各部分之间的缝隙；

2）用刷子清除槽内杂物（杂土等），并在槽子内部四周涂抹适量凡士林，可避免试样与仪器粘结，同时也减少了试样含水率的变化；

3）根据控制条件（压实度、含水率等）称取一定质量的土，放入组装好的底槽内，均匀铺平，并轻微压实；

4）将顶盖放入底槽相应的位置，顶盖上部放置和选定试样同样长度的顶部压板；

5）用千斤顶和反力框架缓慢施加荷载，将顶盖压入底槽内，至压板与底槽顶面紧密结合为止，保持压紧状态，静置2～3min；

6）卸载，拧松四周螺丝，将试样取出。

二、拉伸

仪器设备：

1）单轴拉伸仪：采用三速电剪仪，具有退/停/进的功能。

2）直尺规格：20cm，最小刻度mm

3）铝盒：4个

4）削土刀：1把

5）天平：精度值0.01g

6）推拉力计：本试验采用Sandoo品牌的数显式推拉力计，配带测试软件、数据线。

7）百分表

8）计算机：带有串行接口的计算机1台

操作方式：

1）打开数显式推拉力计7，通过数据线8与计算机9连接，启动测试软件；

2）把试样3放入夹具4内，四角上用螺丝2固定牢固，将夹具4一端活动挂钩5与数显式推拉力计7连接，另一端与三速电剪仪连接，调整夹具4位置，使其位于轨道中心轴线上，即与拉伸轴线重合；

3）用手转动三速电剪仪的动力转轮，使中间部分拉紧，数显式推拉力计7刚显示数据为宜，调节转速档位位于0.8mm/min，调整百分表6示数归零；

4）开启拉伸动力系统电源，开始拉伸。拉伸时注意观察数显式推拉力计7的示数，当示数突然变小时，切断电源停止拉伸，记录百分表6的读数，即为最大拉力所对应的位移；

5）保存计算机的测量数据，记录最大拉力，取下试样3，用直尺测量断面距有效长度端部的距离；

6）用削土刀取适量断面处的土，测定其含水率；

7）根据下式计算试样断面应力和应变：

试样断面应力：σ=F_N/S

试样断面应变：ε=△L/L₀

式中：

σ：断面处的最大拉应力，即单轴抗拉强度；

ε：与最大拉应力相对应的应变；

F_N：最大拉力，试样断裂时的拉力；

S：试样的断面面积；

△L：与最大拉力对应的位移；

L₀：试样的有效长度（直径为4cm的试样的长度）。

8）计算结果：

σ=48.2÷12.56=3.838N/cm²=38.38kPa

ε=0.46÷10÷10×100%=0.46%

实施例2：

一、制备试样

土样：

选用一种分散性土，制样含水率18.6%，制样密度1.70g/cm³。

仪器及辅助设备与材料：

1）制样模具：制样模具包括固定底座A、压板B、成样器C、固定螺丝D四部分；

2）活口扳手：1把

3）刷子：小型号油漆刷

4）凡士林：普通白色凡士林

5）千斤顶、反力框架：起重量8T

6）天平：精度值0.01g

操作方式：

1）按试验要求选择试样长度8cm，即选取1个长度为6cm的基础段和2个长度为1cm自由段。将成样器底座部分按选定的试样长度组装，放入底槽内，四周放入压板定位，用扳手将四周螺丝拧紧（保证螺丝要对称平行拧紧），压紧各部分之间的缝隙；

2）用刷子清除槽内杂物（杂土等），并在槽子内部四周涂抹适量凡士林，可避免试样与仪器粘结，同时也减少了试样含水率的变化；

3）根据控制条件（压实度、含水率等）称取一定质量的土，放入组装好的底槽内，均匀铺平，并轻微压实；

4）将顶盖放入底槽相应的位置，顶盖上部放置和选定试样同样长度的顶部压板；

5）用千斤顶和反力框架缓慢施加荷载，将顶盖压入底槽内，至压板与底槽顶面紧密结合为止，保持压紧状态，静置2～3min；

6）卸载，拧松四周螺丝，将试样取出。

二、拉伸

仪器设备：

1）单轴拉伸仪：采用三速电剪仪，具有退/停/进的功能。

2）直尺：20cm，最小刻度mm

3）铝盒：4个

4）削土刀：1把

5）天平：精度值0.01g

6）推拉力计：本试验采用Sandoo品牌数显式推拉力计，配带测试软件、数据线

7）百分表

8）计算机：带有串行接口的计算机1台

操作方式：

1）打开数显式推拉力计7，通过数据线8与计算机9连接，启动测试软件；

2）把试样3放入夹具4内，四角上用螺丝2固定牢固，将夹具4一端活动挂钩5与数显式推拉力计7连接，另一端与三速电剪仪连接，调整夹具4位置，使其位于轨道中心轴线上，即与拉伸轴线重合；

3）用手转动三速电剪仪的动力转轮，使中间部分拉紧，数显式推拉力计7刚显示数据为宜，调节转速档位位于0.8mm/min，调整百分表6示数归零；

4）开启拉伸动力系统电源，开始拉伸。拉伸时注意观察数显式推拉力计7的示数，当示数突然变小时，切断电源停止拉伸，记录百分表6的读数，即为最大拉力所对应的位移；

5）保存计算机的测量数据，记录最大拉力，取下试样3，用直尺测量断面距有效长度端部的距离；

6）用削土刀取适量断面处的土，测定其含水率；

7）根据下式计算试样断面应力和应变：

试样断面应力：σ=F_N/S

试样断面应变：ε=△L/L₀

式中：

σ：断面处的最大拉应力，即单轴抗拉强度；

ε：与最大拉应力相对应的应变；

F_N：最大拉力，试样断裂时的拉力；

S：试样的断面面积；

△L：与最大拉力对应的位移；

L₀：试样的有效长度（直径为4cm的试样的长度）。

8）计算结果：

σ=46.3÷12.56=3.686N/cm²=36.86kPa

ε=0.90÷10÷8×100%=1.13%。

Claims (1)

1.一种测定土体单轴抗拉强度的试验方法，其特征在于，该方法采用试样制备系统、拉伸系统和数据采集系统组成试验设备，其中：

试样制备系统包括：固定底座、压板、成样器和固定螺丝；

拉伸系统包括：三速电剪仪和试样夹具；

数据采集系统包括：数显式推拉力计、百分表和计算机；

具体操作步骤如下：

步骤一，按试验要求组装成样器，采用一次静压成型技术制样，试样呈哑铃状；

步骤二，将试样放入试样夹具内，夹具一端通过活动挂钩与三速电剪仪的动力转轮拉杆连接，另一端与数显式推拉力计连接；数显式推拉力计与计算机通过数据线连接；

步骤三，调节好三速电剪仪的拉伸速率，调整百分表示数归零，打开计算机中安装的测试软件；

步骤四，开启拉伸动力系统电源，开始拉伸，观察数显式推拉力计示数，当示数突然变小时，切断电源停止拉伸，记录百分表读数，即为最大拉力所对应的位移；

步骤五，保存计算机的测试数据，记录最大拉力，取下试样，用直尺测量断面距有效长度端部的距离；

步骤六，用削土刀取适量断面处的土，测定其含水率；

步骤七，根据下式计算试样断面应力、应变：

试样断面应力：σ＝F_N/S

试样断面应变：ε＝△L/L₀

式中：

σ：断面处的最大拉应力，即单轴抗拉强度；

ε：与最大拉应力相对应的应变；

F_N：最大拉力，试样断裂时的拉力；

S：试样的断面面积；

△L：与最大拉力对应的位移；

L₀：试样的有效长度；

所述一次静压成型技术制样的方法是：

1)按试验要求选择试样长度，将成样器底座部分按选定的试样长度组装，放入底槽内，四周放入压板定位，用扳手将四周螺丝拧紧，压紧各部分之间的缝隙；

2)用刷子清除槽内杂物，并在槽子内部四周涂抹适量凡士林，可避免试样与仪器粘结，同时也减少了试样含水率的变化；

3)根据控制条件即压实度、含水率，称取一定质量的土，放入组装好的底槽内，均匀铺平，并轻微压实；

4)将顶盖放入底槽相应的位置，顶盖上部放置和选定试样同样长度的顶部压板；

5)用千斤顶和反力框架缓慢施加荷载，将顶盖压入底槽内，至压板与底槽顶面紧密结合为止，保持压紧状态，静置2～3min；

6)卸载，拧松四周螺丝，将试样取出。