CN104729921B - 一种利用离心力测定土体抗拉强度的试验仪器及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用离心力测定土体抗拉强度的试验仪器及试验方法，目的在于：利用土体试样高速旋转产生拉力的方法，真实精确测定和评价土体抗拉强度特性，所采用的技术方案为：试验仪器包括电机(6)，电机(6)连接有土样固定架(2)，电机(6)能够带动土样固定架(2)旋转，所述的土样固定架(2)上固定设置有用于安装土样的轨道，轨道水平设置，所述的电机(6)连接至计算机(5)，能够通过计算机(5)采集电机(6)的转速并计算土样破坏时的应力应变及应力路径，从而测定土体抗拉强度。

Description

一种利用离心力测定土体抗拉强度的试验仪器及试验方法

技术领域

本发明属于土体试验技术领域，具体涉及一种利用离心力测定土体抗拉强度的试验仪器及试验方法。

背景技术

目前对于测定土体抗拉强度的仪器和方法大多存在争议，并且基本都存在难以去除土体试样两端连接处的干扰，因此测得的土体抗拉强度值一般不能准确的反应土体的真实抗拉强度。公知的评价土体抗拉强度特性的方法和仪器一般为需要将土体试样两端用夹具固定，由于夹具的存在，很大程度的改变了土体本身的应力应变关系，不能真实的反应土体本身的抗拉强度特性，有些方法利用两端放大的方法来抵消这种影响，但实际效果却不理想，测得的抗拉强度值还是和真实情况存在差异。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种利用土体试样高速旋转产生拉力的方法，真实精确测定和评价土体抗拉强度特性的利用离心力测定土体抗拉强度的试验仪器及试验方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：

一种利用离心力测定土体抗拉强度的试验仪器，包括电机，电机连接有土样固定架，电机能够带动土样固定架旋转，所述的土样固定架上固定设置有用于安装土样的轨道，轨道水平设置，所述的轨道包括圆截面土样轨道和矩形截面土样轨道，所述的电机连接至计算机，能够通过计算机采集电机的转速并计算土样破坏时的应力应变及应力路径，从而测定土体抗拉强度。

所述的圆截面土样轨道和矩形截面土样轨道在水平面内相互垂直正交，且均位于土样固定架的中间位置。

所述的圆截面土样轨道和矩形截面土样轨道的两端均设置有缓冲材料。

所述的土样固定架设为圆形，圆心处与电机的转轴连接。

所述的试验仪器上设置有摄像头，摄像头连接至计算机，能够记录土样的破坏过程。

所述的电机下端设置有用于配重的旋转支座。

所述的旋转支座为圆形或方形。

一种利用离心力测定土体抗拉强度的试验方法，首先制作圆柱体或长方体形的土样，将土样固定在土样固定架的轨道上；然后利用电机驱动土样固定架旋转产生离心力，对土样产生拉力破坏土样，同时利用计算机采集电机的转速，利用摄像头记录土样的破坏过程；最后通过计算机采集的电机的转速，计算土样破坏时的应力应变及应力路径，从而完成测定土体抗拉强度。

所述的土样的长度与宽度或长度与直径的比值大于3：1。

与现有技术相比，本发明的试验仪器将土样水平固定在土样固定架的轨道上，通过电机驱动土样固定架，能够使土样高速旋转产生离心力，利用离心力作为土样破坏的拉力，利用计算机采集电机的转速，利用电机的转速计算土样破坏时的应力应变及应力路径，精确的测定了土体抗拉强度，本试验仪器没有对土样使用夹具，消除了夹具对土样本身应力应变的影响，真实的反应土体本身的抗拉强度特性，能够更加真实的反应土体的抗拉强度特性。本发明的试验仪器能巧妙的避开其他部件对土体本身的扰动与破坏，利用土体试样自身旋转中产生的拉力来测定土体的抗拉强度值，测得的强度能更加真实的反应土体本身的抗拉强度值，有效排除其他干扰因素，对实际工程更具指导意义和应用价值。

进一步，土样固定架上设有圆截面土样轨道和矩形截面土样轨道，能够分别固定圆柱体或者长方体的土样，两个轨道在水平面相互垂直正交，且位于土样固定架的中间位置，在试验时能够使土体试样的正中间，避免了旋转时土体试样发生侧移滑出的现象，保证了整个试验仪器的稳定性。

更进一步，在轨道的两端采用缓冲材料，避免了在试验时土样两端和轨道两端的直接接触，利用缓冲材料固定土样，防止了土样与轨道两端的碰撞，提高了整个试验仪器的使用性能，保证了试验的顺利进行。

更进一步，土样固定架设为圆形，圆心处与电机的转轴连接，这样能够使土样固定架旋转时更加平稳，从而使土样在试验时平稳的旋转，提高了试验的稳定性。

更进一步，通过摄像头能够查看土样破坏的录像，便于观察土体破坏的过程及破坏发展的形式，有利于全面的测定土体的抗拉特性。

更进一步，旋转支座为配重支座，对整个试验仪器起到稳定作用，保证了仪器在高速旋转的时候保持稳定状态，可制作为圆形或方形，材质可为钢质或铁质，保证整个仪器工作的稳定。

本发明的方法避开其他仪器和方法对土体本身的扰动与破坏，利用土体试样自身旋转中产生的拉力来测定土体的抗拉强度值，测得的强度能更加真实的反应土体本身的抗拉强度值，有效排除其他干扰因素，对实际工程更具指导意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明试验仪器的结构示意图；

图2为本发明试验仪器的主体结构示意图；

图3为本发明试验仪器的主体结构的俯视图；

图4为本发明试验仪器的主体结构的侧视图；

其中，1-摄像头、2-土样固定架、3-圆截面土样轨道、4-矩形截面土样轨道、5-计算机、6-电机、7-旋转支座。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明的试验仪器包括电机6，电机6连接有土样固定架2，电机6能够带动土样固定架2旋转，土样固定架2上固定设置有用于安装土样的轨道，轨道水平设置，电机6连接至计算机5，能够通过计算机5采集电机6的转速并计算土样破坏时的应力应变及应力路径，从而测定土体抗拉强度。试验仪器上设置有摄像头1，摄像头1连接至计算机5，能够记录土样的破坏过程。

参见图2、图3和图4，土样固定架2上设置有圆截面土样轨道3和矩形截面土样轨道4。圆截面土样轨道3和矩形截面土样轨道4在水平面内相互垂直正交，且均位于土样固定架2的中间位置。圆截面土样轨道3和矩形截面土样轨道4的两端均设置有缓冲材料。土样固定架2设为圆形，圆心处与电机6的转轴连接。电机6下端设置有用于配重的旋转支座7，旋转支座7为圆形或方形。

本发明的试验方法，首先制作圆柱体或长方体形的土样，土样的长度与宽度或长度与直径的比值大于3：1，将土样固定在土样固定架2的轨道上；然后利用电机6驱动土样固定架2旋转产生离心力，对土样产生拉力破坏土样，同时利用计算机5采集电机6的转速，利用摄像头1记录土样的破坏过程；最后通过计算机5采集的电机6的转速，计算土样破坏时的应力应变及应力路径，从而完成测定土体抗拉强度。

本发明的试验仪器主要由以下主要部件组成：旋转支座7、土样固定架2、轨道、缓冲区、电机6、摄像头1和计算机5。旋转支座7为配重支座，对整个体系起到稳定作用，保证仪器在工作的时候保持稳定状态，可制作为圆形或方形，材质可为钢质或铁质。土样固定架2为圆形，用于固定土样轨道，直接与电机6连接，在电机6转动的情况下，土样固定架2随电机6旋转。轨道由两个正交的土样轨道组成，其中一个轨道为圆截面土样轨道3，另一个为矩形截面土样轨道4，上述轨道用于放置土体试样，土体试样可按照实际工况制作为圆柱体或长方体，试样尺寸应与土样轨道尺寸相符，试样的长度与宽度或长度与直径的比值大于3：1，圆柱形试样在进行试验的时候放置在圆截面土样轨道3中，长方体试样在进行试验时放置在矩形截面土样轨道4中。电机6在旋转支座7与土样固定架2之间，为土样固定架2提供转动的动力，并且电机6能显示电机的实时转速，并将数据传给计算机5，便于计算试验中土体产生的拉力大小。摄像头1用于记录土体破坏的过程，摄像头1可与试验仪器的主体分离，放置在仪器主体的一侧，避免仪器主体运转后打翻或撞击摄像头1，摄像头1与计算机5连接，将记录传给计算机5。计算机5用于记录试验过程的录像以及采集电机6的转速数据，并对数据进行处理，计算土体破坏时拉力的大小，并根据土样的截面面积算出土样的应力应变情况及应力路径。

摄像头1与计算机5连接，记录试验过程，土样固定架2与电机6连接，并用于固定土样轨道，圆截面土样轨道3用于圆柱形土体试样试验，试验过程中，两端可填充棉花等作为缓冲区防止土体试样与两端撞击，矩形截面土样轨道4用于长方体土体试样试验，试验过程中，两端可填充棉花等作为缓冲区防止土体试样与两端撞击，计算机5用于记录试验过程的视频，采集电机6的数据以及对数据进行处理，电机6是本发明仪器的动力装置，为土体轨道的旋转提供动力，旋转支座7保证整个仪器工作的稳定。

本发明的仪器可测定原状土及重塑土的抗拉强度，在抗拉试验中以电机6带动土样轨道旋转为产生拉力的动力，有效避免了常规试验在固定土样时对试验结果造成的无法忽略的影响；土体试样可根据实际情况制作为圆柱体或长方体，试样尺寸应与土样轨道尺寸相符，试验过程中圆柱体试样放入圆截面土样轨道3中，长方体试样放入矩形截面土样轨道4中；试验中，土体试样应该置于轨道的正中间，避免仪器旋转时土体试样发生侧移滑出的现象；土样轨道两端可填充柔软物质充当缓冲区，防止试样与仪器撞击；计算机5记录电机的转速，并计算土体试样中产生的拉应力值，并记录整个破坏过程，可真实的反应土体的抗拉强度。

本发明不需要将土体试样两端用夹具固定，从而避免了由于夹具的存在，改变了土体本身的应力应变关系，真实的反应土体本身的抗拉强度特性，本发明利用土体试样高速旋转产生拉力的方法，精确测定土体抗拉强度。本发明充分利用旋转中产生的拉力，用于测定和衡量土体的抗拉强度、破坏过程中的应力应变情况及应力路径，能够更加真实的反应土体的抗拉强度特性，并通过查看破坏的录像观察土体破坏的过程及破坏发展的形式。

Claims (4)

1.一种利用离心力测定土体抗拉强度的试验仪器，其特征在于：包括电机(6)，电机(6)连接有土样固定架(2)，土样固定架(2)设为圆形，圆心处与电机(6)的转轴连接，电机(6)能够带动土样固定架(2)旋转，所述的土样固定架(2)上固定设置有用于安装土样的轨道，轨道水平设置，所述的轨道包括圆截面土样轨道(3)和矩形截面土样轨道(4)，所述的圆截面土样轨道(3)和矩形截面土样轨道(4)在水平面内相互垂直正交，且均位于土样固定架(2)的中间位置，所述的圆截面土样轨道(3)和矩形截面土样轨道(4)的两端均设置有缓冲材料，所述的电机(6)连接至计算机(5)，能够通过计算机(5)采集电机(6)的转速并计算土样破坏时的应力应变及应力路径，从而测定土体抗拉强度，所述的试验仪器上设置有摄像头(1)，摄像头(1)连接至计算机(5)，能够记录土样的破坏过程，所述的电机(6)下端设置有用于配重的旋转支座(7)。

2.根据权利要求1所述的一种利用离心力测定土体抗拉强度的试验仪器，其特征在于：所述的旋转支座(7)为圆形或方形。

3.一种采用如权利要求1-2任一项所述利用离心力测定土体抗拉强度的试验仪器的试验方法，其特征在于：首先制作圆柱体或长方体形的土样，将土样固定在土样固定架(2)的轨道上；然后利用电机(6)驱动土样固定架(2)旋转产生离心力，对土样产生拉力破坏土样，同时利用计算机(5)采集电机(6)的转速，利用摄像头(1)记录土样的破坏过程；最后通过计算机(5)采集的电机(6)的转速，计算土样破坏时的应力应变及应力路径，从而完成测定土体抗拉强度。

4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于：所述的土样的长度与宽度或长度与直径的比值大于3：1。