CN104849143A - 一种单轴抗拉装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程实验设备领域。一种单轴抗拉装置及其测试方法，包括底座，所述底座上安装有反力架：所述底座上安装第一固定座，所述第一固定座连接底座中的升降装置；所述反力架上设有与第一固定座相向对应的第二固定座；所述第二固定座通过弹簧与反力架连接；所述第二固定座与反力架之间设有长度测量仪。本发明利用标定的弹簧，通过长度测量仪测得土样或试样被破坏时的应变，然后通过胡克定律得出土样的抗拉强度值。试样的拉力利用弹簧的应变来反算测得，而且本装置是采取下部改变位移，有效的减少了试样自重对测量结果带来的影响。相比现有技术本发明准确性更高。

Description

一种单轴抗拉装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程实验设备领域，尤其涉及一种土的单轴抗拉装置及其测试方法。

背景技术

土的抗拉强度，由于其值较小，往往不被人们所重视，而随着土力学的不断发展和对工程质量要求的提高，不重视土的抗拉强度的研究已经不能适应时代的发展。尤其是随着高土石坝的建设增多，土石坝的裂缝的产生与土的抗拉强度有关，就使得研究土的抗拉强度变得尤为重要。现有土的抗拉试验测试主要通过直接拉伸试验(单轴拉伸试验和三轴拉伸试验)和间接拉伸试验(土梁弯曲试验、轴向压裂试验)测定土的抗拉强度，但是现实中一般采用间接拉伸试验，而很少采用直接拉伸试验，主要原因在于缺少合适试验装置。而现有直接拉伸试验的装置主要分为卧式的抗拉装置和竖式的抗拉装置。

201420121776.4的申请中公开了测定粘土抗拉强度的简易装置，其采用夹具夹住试样的方法固定土样。但是夹具固定土样的力不容易能控制，大了容易夹碎土样，小了会使土样松动，而无法测量。且还需要考虑摩擦力对实验结果的影响。

在朱建华的《饱和与非饱和压实粘性土的抗拉强度影响因素的研究》中所用的竖向抗拉装置，在测量时需要考虑土样的自重对测量的影响。

201320248708.x的申请中公开了岩土抗拉的试验装置，其中试样采用工字型试样，试样不容易制取。且试验装置制作过程较为复杂。

在胡海军，蒋明镜等的《制样方法对重塑黄土单轴抗拉强度影响的初探》中采用502胶使试样与仪器相连，存在试样从粘结处断裂的可能，而导致试验的结果无效。

发明内容

本发明的发明目的是：针对上述技术问题，提供一种单轴抗拉装置及其测试方法。

本发明技术方案为：一种单轴抗拉装置，包括底座，所述底座上安装有反力架；所述底座上安装第一固定座，所述第一固定座连接底座中的升降装置；所述反力架上设有与第一固定座相向对应的第二固定座；所述第二固定座通过弹簧与反力架连接；所述第二固定座与反力架之间设有长度测量仪。

本发明利用标定的弹簧，通过长度测量仪测得土样或试样被破坏时的应变，然后通过胡克定律得出土样的抗拉强度值。试样的拉力利用弹簧的应变来反算测得，而且本装置是采取下部改变位移，有效的减少了试样自重对测量结果带来的影响。相比现有技术本发明准确性更高。

优选的，所述长度测量仪为百分表，所述百分表一端固定在反力架上，其测量端接触第二固定座上端面。百分表的能够对长度变化提供精确的尺寸支持，如本发明采用的百分表的精确度为0.01mm，提高计算试样的抗拉强度准确性。当然，长度测量仪也可以是同样精度或更高精度的数字式长度测量装置，如激光长度测量仪。

优选的，所述第一固定座和第二固定座上分别设有粘结板，所述粘结板上安装有粘结槽；所述第一固定座和第二固定座的粘结槽相向对应。粘结板和粘结槽结合形成对试样的夹装固定。对该技术方案进行优化，所述第一固定座包括传力板、粘结板和粘结槽；所述传力板与升降装置连接，所述粘结板通过螺栓固定在传力板上，所述粘结槽通过卡槽或者螺栓固定在粘结板上端面。

优选的，所述粘结槽外壁上套装有微调夹，所述微调夹包括两对称的弓状弹性条，所述弹性条对应端部通过螺栓连接。微调夹用于夹在粘结槽上保证试样尺寸的精确性。

优选的，所述粘结槽由至少两瓣结构一致的圆环状槽块组成。试样一般是土壤样本，试样存在易碎性，外在的触碰容易对试样结构发生破坏，从而影响到测试的结果。粘结槽由多瓣槽块组成，可以沿试样四周逐一贴合固定，避免的由于试样制作原因造成的尺寸不一，而现有试样夹具尺寸固定，夹装时造成对试样夹装过度或夹装松弛，影响测试结果。

优选的，所述粘结板工作端和粘结槽内侧表面上涂抹有机粘合剂。试样与粘结板和粘结槽同时相连，减少了从粘结处发生破坏的情况。

优选的，所述升降装置包括依次相连的升降杆、蜗杆和手轮，所述升降杆垂直设置且其顶部连接第一固定座，所述手轮安装在底座前端面上。

根据上述的技术方案，这里公开了应用于本发明的测试方法，具体按照以下步骤进行，

步骤1，将试样两端分别固定在第一固定座和第二固定座上；

步骤2，调整长度测量仪数值为零，记录试样高度h；

步骤3，启动升降装置，将第一固定座匀速逐步向下位移，每次位移ΔL；

步骤4，当试样破坏时，记录位移次数n，长度测量仪数数值R；

步骤5，通过公式计算得到试样轴向应变为ε₁＝Δh/h，Δh＝nΔL-R。

对本发明测试方法进一步优化，具体按照以下步骤进行，

步骤1，将粘结槽的一瓣槽块用螺丝固定在第一固定座的粘结板上，并在所述槽块内侧涂上有机粘合剂；将试样的两端涂上有机粘合剂，所述试样垂直放置在粘结板上并和所述槽块内侧贴合；将所述粘结槽其余槽块逐一涂上有机粘合剂，围绕贴合试样并通过螺丝固定到粘结板上；

步骤2，启动升降装置，将第一固定座上升，试样上部与第二固定座的粘结板接触，对第二固定座重复步骤1中对粘结槽的操作；

步骤3，调整长度测量仪数值为零，记录试样高度h；

步骤4，启动升降装置，将第一固定座匀速逐步向下位移，每次位移ΔL；

步骤5，当试样破坏时，记录位移次数n，长度测量仪数数值R；

步骤6，通过公式计算得到试样轴向应变为＝Δh/h，Δh＝nΔL-R。

目前，直接拉伸试验的装置主要分为卧式的抗拉装置和竖式的抗拉装置。其中卧式抗拉装置需要解决的问题有滑轮的摩擦力对所测的抗拉强度值的影响，此外还有试样还容易折断的问题。而采用竖式装置所需要解决的问题是试样自重力对抗拉所测抗拉值的影响。若是抗拉装置采用夹具夹住试样的方法固定试样，但是夹具固定试样的力不容易能控制，大了容易夹碎试样，小了会使试样松动，而导致测量不准。现有采用粘合剂粘结试样都是采用在试样两端与传力结构相连，而单面粘接容易从粘结处发生破坏，而导致所测得结果无意义。

本发明采用试样与粘结板和粘结槽同时相连，减少了从粘结处发生破坏的情况。试样的拉力利用弹簧的应变来反算测得，而且本装置是采取下部改变位移，有效的减少了试样自重对测量结果带来的影响。本发明原料制作是制作简单，成本低廉，使用方便，结构简单可靠。

本发明有益效果是：

1.本发明主要针对竖式抗拉装置需考虑试验试样自重力对土体抗拉值的影响，从而减少试样自重力所引起的误差。

2.本发明是先采用粘合剂将试样和粘结板与粘结槽粘结，形成一个整体式的粘结效果。既减少了现有采用粘合剂直接涂在试样的两端与传力结构相连，而造成从粘结处断裂的情况；又避免了因夹具固定试样的力不容易控制而使实验结果不准确。

3.本发明对试样无特殊要求，降低了制取试样的复杂程度。

4.本发明用应变来反算拉力，原理简单易于操作。

5.本发明结构简单，制作借助现有材料和设备，成本低廉，费效比高，适合于大面积推广使用。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明第一固定座安装结构示意图；

图3是本发明粘结槽结构示意图；

图4是本发明槽块结构示意图；

图5是本发明测力系统结构实施例1；

图6是本发明测力系统结构实施例2。

其中，1－底座、2－反力架、3－第一固定座、4－第二固定座、5－连接座、6－弹簧、7－百分表、8－粘结板、9－粘结槽、10－升降装置、11－手轮、12－传力板、13－微调夹、14－槽块、15－耳板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施进行具体说明。

本发明中所提到的试样为需检测的土壤样本，是按照检测需要制成的规定形状尺寸的土壤样本。

如图1所示，本发明结构示意图。包括底座1和竖立设置的反力架2，反力架2安装在底座1上；底座1上端面安装第一固定座3，第一固定座3连接底座1中的升降装置10；反力架2上设有与第一固定座3相向对应的第二固定座4；第二固定座4通过弹簧6与反力架2连接；第二固定座4与反力架2之间设有长度测量仪，长度测量仪具体采用精度为0.01mm的百分表7。为方便测量和安装，所述弹簧6具体是安装在反力架2上的连接座5下端面上，百分表7一端固定在连接座5上，其测量端接触第二固定座4上端面。百分表7的能够对长度变化提供精确的尺寸支持。

当然，长度测量仪也可以是同样精度或更高精度的数字式长度测量装置，如激光长度测量仪。

具体的，第一固定座3和第二固定座4上分别设有粘结板8，粘结板8上安装有粘结槽9；第一固定座3和第二固定座4的粘结槽9相向对应。粘结板8和粘结槽9结合形成对试样的夹装固定。

如图2所示，第一固定座3安装结构示意图。第一固定座3包括传力板12、粘结板8和粘结槽9；传力板12与升降装置10连接，粘结板8通过螺栓固定在传力板12上，所述粘结槽9通过卡槽固定在粘结板8上端面。粘结槽9外壁上套装有微调夹13，微调夹13包括两对称的弓状弹性条，所述弹性条对应端部通过螺栓连接。具体上，弹性条为塑料条。通过调节螺母来调节微调夹13的松紧。微调夹13用于夹在粘结槽9上保证试样尺寸的精确性。具体的，粘结板8工作端和粘结槽9内侧表面上涂抹有机粘合剂。试样与粘结板8和粘结槽9同时相连，减少了从粘结处发生破坏的情况。

同样的，第二固定座4也包括传力板12、粘结板8和粘结槽9；传力板12安装在连接座5下端面，粘结板8通过螺栓固定在传力板12上，所述粘结槽9通过卡槽固定在粘结板8上端面。

如图3和图4所示，公开了粘结槽9结构。粘结槽9由四瓣结构一致的圆环状槽块14组成。粘结槽9呈圆柱形结构，粘结槽9底部设有耳板15，耳板15设有安装通孔。具体上，槽块14底部设有耳板15，耳板15设有安装通孔。槽块14试样一般是土壤样本，试样存在易碎性，外在的触碰容易对试样结构发生破坏，从而影响到测试的结果。粘结槽9由多瓣槽块14组成，可以沿试样四周逐一贴合固定，避免的由于试样制作原因造成的尺寸不一，而现有试样夹具尺寸固定，夹装时造成对试样夹装过度或夹装松弛，影响测试结果。

优选的，升降装置10包括依次相连的升降杆、蜗杆和手轮11，所述升降杆垂直设置且其顶部连接第一固定座3，所述手轮11安装在底座1前端面上。这里手轮11每转一转，第一固定座3下降0.01mm。

如图5所示，采用直径为10cm的标定弹簧6使得传力板12与反力架2相连，并在左右两端分别设置一个百分表7，组成测力系统。其中，弹簧6与反力架2、传力板12都采用螺丝固定，可根据不同的试样选择合适的弹簧6。

如图6所示，这里测力系统包括四个标定弹簧6和一个百分表7，标定弹簧6均匀设置传力板12与反力架2之间，百分表7设置在四个标定弹簧6中间位置。

本发明中底座1的尺寸为30×30×15cm的长方体，手轮11的直径为10cm，反力架2高度为30cm，两个传力板12的边长为15cm、厚度为3cm。

由于试样受拉破坏是突然破坏，这里传力板12上方的百分表7使用不可恢复的。

根据上述公开的结构的样机，进行对试样的测试记录，其步骤为：

1.准备试样：试样的大小安装通常制作标准制作。

2.安装试样：将第一固定座3降到最低位置，将粘结槽9的一瓣槽块14用螺丝固定在第一固定座3的粘结板8上，并在所述槽块14内侧涂上有机粘合剂；将试样的两端涂上有机粘合剂，所述试样垂直放置在粘结板8上并和所述槽块14内侧贴合；将所述粘结槽9其余槽块14逐一涂上有机粘合剂，围绕贴合试样并通过螺丝固定到粘结板8上。

启动升降装置10，将第一固定座3上升，试样上部与第二固定座4的粘结板8接触，对第二固定座4重复步骤1中对粘结槽9的操作；

3.调整长度测量仪数值为零，记录此时试样高度h₀；

4.转动手轮11，使得第一固定座3匀速逐步向下位移，并开始记录手轮11旋转次数。

5.当试样被破坏时，记录手轮11旋转次数n，百分表7数值R。

6.通过公式计算得到

(1)试样轴向应变为ε₁＝Δh/h，Δh＝0.01n-R。

式中：

ε₁——轴向应变(％)；

h₀——试件起始高度(cm)；

Δh——轴向变形(cm)；

n——手轮11旋转次数；

ΔL——手轮11每转一转，第一固定座传力板下降高度(精确0.01mm)；

R——百分表读数(精确0.01mm)。

(2)所受轴向拉应力按下式计算：

$\mathrm{\σ}=\frac{10\mathrm{KR}}{A_a}$

式中：

σ——轴向压力(KPa)；

K——弹簧的弹性模量(N/0.01mm)；

R——百分表读数(0.01mm)；

A_a——试件的断面积(cm²)。

应该了解的是，上述公开的仪器是现有技术中的仪器，其精度可根据使用者选择，上述实施例只是从多优选实施例中的一种，现有仪器的精度的变化只是影响试验结果精度，并不影响本发明结构和方法造成影响。

Claims (10)

1.一种单轴抗拉装置，包括底座，所述底座上安装有反力架；其特征在于：所述底座上安装第一固定座，所述第一固定座连接底座中的升降装置；所述反力架上设有与第一固定座相向对应的第二固定座；所述第二固定座通过弹簧与反力架连接；所述第二固定座与反力架之间设有长度测量仪。

2.根据权利要求1所述的一种单轴抗拉装置，其特征在于：所述长度测量仪为百分表，所述百分表一端固定在反力架上，其测量端接触第二固定座上端面。

3.根据权利要求1所述的一种单轴抗拉装置，其特征在于：所述第一固定座和第二固定座上分别设有粘结板，所述粘结板上安装有粘结槽；所述第一固定座和第二固定座的粘结槽相向对应。

4.根据权利要求1所述的一种单轴抗拉装置，其特征在于：所述第一固定座包括传力板、粘结板和粘结槽；所述传力板与升降装置连接，所述粘结板通过螺栓固定在传力板上，所述粘结槽通过卡槽或者螺栓固定在粘结板上端面。

5.根据权利要求3或4所述的一种单轴抗拉装置，其特征在于：所述粘结槽外壁上套装有微调夹，所述微调夹包括两对称的弓状弹性条，所述弹性条对应端部通过螺栓连接。

6.根据权利要求3或4所述的一种单轴抗拉装置，其特征在于：所述粘结槽由至少两瓣结构一致的圆环状槽块组成。

7.根据权利要求3或4所述的一种单轴抗拉装置，其特征在于：所述粘结板工作端和粘结槽内侧表面上涂抹有机粘合剂。

8.根据权利要求1所述的一种单轴抗拉装置，其特征在于：所述升降装置包括依次相连的升降杆、蜗杆和手轮，所述升降杆垂直设置且其顶部连接第一固定座，所述手轮安装在底座前端面上。

9.一种应用于权利要求1的测试方法，其特征在于：按照以下步骤进行，

步骤1，将试样两端分别固定在第一固定座和第二固定座上；

步骤2，调整长度测量仪数值为零，记录试样高度h；

步骤3，启动升降装置，将第一固定座匀速逐步向下位移，每次位移ΔL；

步骤4，当试样破坏时，记录位移次数n，长度测量仪数数值R；

步骤5，通过公式计算得到试样轴向应变为ε₁＝Δh/h，Δh＝nΔL-R。

10.一种应用于权利要求6的测试方法，其特征在于：按照以下步骤进行，

步骤1，将粘结槽的一瓣槽块用螺丝固定在第一固定座的粘结板上，并在所述槽块内侧涂上有机粘合剂；将试样的两端涂上有机粘合剂，所述试样垂直放置在粘结板上并和所述槽块内侧贴合；将所述粘结槽其余槽块逐一涂上有机粘合剂，围绕贴合试样并通过螺丝固定到粘结板上；

步骤2，启动升降装置，将第一固定座上升，试样上部与第二固定座的粘结板接触，对第二固定座重复步骤1中对粘结槽的操作；

步骤3，调整长度测量仪数值为零，记录试样高度h；

步骤4，启动升降装置，将第一固定座匀速逐步向下位移，每次位移ΔL；

步骤5，当试样破坏时，记录位移次数n，长度测量仪数数值R；

步骤6，通过公式计算得到试样轴向应变为ε₁＝Δh/h，Δh＝nΔL-R。