CN105300756A - 一种直接测试黄土抗拉强度的制样的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接测试黄土抗拉强度的制样的装置及其方法，装置包括一个制取沙漏状黄土试样的装置、一个测试试样抗拉强度的土工三轴试验仪和一个土工单轴拉伸仪。方法包括：1)制作出不同要求高径比的标准圆柱体土工试样；2)制取“沙漏状”黄土试样；3)将预制好的“沙漏状”黄土试样在土工三轴试验仪上张拉破坏，记录张拉变化数据；4)将预制好的“沙漏状”黄土试样在土工单轴拉伸仪测量应力应变数据。利用此方法制取的黄土试样，可有效的测量原状和重塑土体在不同环境条件下的抗拉强度参数，可有效其提高试验系统的效率。同时，可为预防与治理边坡失稳引起的工程问题提供参数支持。

Description

一种直接测试黄土抗拉强度的制样的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种直接测试黄土抗拉强度参数的制样的装置，尤其是一种可搭载在常规土工三轴仪和单轴拉伸仪器上的，可应用于直接测量不同环境条件下黄土抗拉强度参数的土样制作及其试验方法。

背景技术

由于土体的抗拉强度很低，在土工实践中一般认为土体并不具备抗拉的能力，因此在设计计算中常常忽略不计。但在黄土地区经常会发现在边坡顶部频频出现的张拉裂缝，其对边坡的稳定性带来潜在的巨大风险，同时在环境条件变化下的边坡稳定性演变机理和运动模式仍不十分清楚，因此，有必要对土体的抗拉强度参数进行有效的测试和分析。

传统测试土体抗拉强度依据对拉应力测量方法的不同可分为直接法和间接法。直接法分为单轴拉伸和三轴拉伸。借助土工常规三轴仪器，可通过设置不同围压与轴压比(压力或者拉力)的方法来使土体进行挤压破坏，这种方法较为直接。但由于该方法所采用的是标准圆柱形土样，在土样端部、排水板和样帽之间需采用粘合剂，这样对试验精度和效果有较大的影响。而单轴拉伸法中，不论是卧式或者竖式的方法，采用标准圆柱形土样则由于土样在拉伸过程中横截面面积发生变化而使测试结果中的应力不断进行修正；若采用“哑铃状”的变截面土样，由于土样的尺寸效应和制样的影响，使得其制样方法和结果选取并未写入规范中。间接法包括土梁弯曲试验、径向压裂试验和轴向压裂试验。使用此种试验方法确定土体的抗拉强度时，其拉应力需通过理论计算求出。这种间接求出拉应力的方法受实验条件的限制而无法广泛的适用于测量不同环境条件下的土体。

因此对于黄土体抗拉强度的测试方法仍需进一步研究，尤其是制取可搭载在现有的三轴土工设备和单轴拉伸设备上的特殊代表性试样，以便利用现有装置进行试验分析。因此对土样的制样及试验方法有以下几点要求：1.原状土制样过程中尽量减少土体扰动，保证其天然状态。2.重塑土样制备方法简便、标准化，物理力学参数方便、可控；3.所设计制取的土样可与排水板和样帽之间的人工粘结取消；4.可模拟复杂应力水平、应力路径和应力状态的变化。5.试验数据采集系统高效可靠。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种简洁、易行的直接测量黄土抗拉强度参数的制样装置和方法。利用此装置制取的黄土试样，可有效的测量原状和重塑土体在不同环境条件下的抗拉强度参数，可有效其提高试验系统的效率。同时，可为预防与治理边坡失稳引起的工程问题提供参数支持。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种直接测试黄土抗拉强度的制样的装置，包括一个制取沙漏状黄土试样的装置、一个测试试样抗拉强度的土工三轴试验仪和一个土工单轴拉伸仪；其中：

所述制取沙漏状黄土试样的装置，包括一个切土器支架，和分别设置在切土器支架框体内顶部和底部的带针的上托盘和带针的下托盘，切土器支架的侧壁设有带插入式刀把的装配式薄刀片；

所述测试试样抗拉强度的土工三轴试验仪，包括内置有沙漏状土样的压力仓，压力仓的顶部分别设有与压力仓贯通的注水孔和排气孔，压力仓的顶部还设有轴向位移测量仪，和与沙漏状土样相连的量力环；底部设有分别连通围压控制系统、排水系统和孔隙水压力测量系统的通道；

所述土工单轴拉伸仪，包括一个能够放置沙漏状土样的支撑平台，与沙漏状土样一端相连的加载砝码，以及平衡加载砝码的平衡重；还包括与沙漏状土样另一端相连的固定端，与固定端相连并插入至沙漏状土样中的应力应变传感器。

进一步地，所述制取沙漏状黄土试样的装置中，切土器支架由若干根连接在上下转盘的立杆构成，若干个装配式薄刀片沿其中一根立杆上下水平布置。

进一步地，沿立杆上下若干水平布置的装配式薄刀片端部在立杆内侧呈弧形分布，中部装配式薄刀片的长度大于其两侧刀片的长度，且依次渐缩，中部装配式薄刀片带有带插入式刀把。

进一步地，所述带针的上托盘上方设有土样旋转摇把。

进一步地，所述土工三轴试验仪中，压力仓中填充有液体，排水系统通过压力仓底部通道连通管线至沙漏状土样模具中。

相应地，本发明还提供了一种直接测试黄土抗拉强度的制样的方法，包括下述步骤：

1)首先依照常规方法制作出不同要求高径比的标准圆柱体土工试样；

2)制取“沙漏状”黄土试样：将标准圆柱体土工试样设置在沙漏状土样模具中，并将其上下固定在可旋转的带针的托盘上，在切土器支架的立杆上，按照上下等距位置横向设置一根薄刀片，依据设计要求将不同位置的刀片插入标准圆柱体土工试样中，然后旋转土样托盘，由薄刀片旋转一周；然后按照设计要求依次在立杆不同高度插入薄刀片，并调整插入标准圆柱体土工试样深度，进行旋转；其次将标准圆柱体土工试样削制成两个圆台倒扣相连呈沙漏状结构的沙漏状土样；

3)将预制好的沙漏状土样包裹上定制的橡皮膜，安装在土工三轴试验仪上，然后对土工三轴试验仪的压力仓进行注水，将水压逐步按试验要求调至试验所设计的张拉应力，并将测量应力应变传感器挂载在沙漏状土样上，直至沙漏状土样从中部张拉破坏，围压控制系统记录应力应变传感器测试的沙漏状土样张拉变化数据；

4)将预制好的沙漏状土样套装在金属模具中，水平放置在土工单轴拉伸仪上，在沙漏状土样一端施以加载砝码，并将测量应力应变传感器挂载在土样上，记录应力应变数据。

本发明的优点是：

1.本发明充分利用常规土工制样设备，并对其部分构件进行模块化设计，使得能较为方便和高效的根据试验要求进行改装。

2.可依据土质种类的不同和试验要求的不同，通过计算变更“沙漏状”土样中部直径同顶部直径之比，减小试样尺寸效应对试验结果的影响。

3.“沙漏状”土样在中部发生拉伸破坏，可将拉剪破坏状态控制至纯拉伸破坏，规避了土样受剪切破坏的可能。

4.取消了土样和样帽以及透水板之间的人工胶结，规避了由于粘结材料而影响的试验偏差。

5.透水板上下无粘结材料，可充分发挥透水板的作用，进而模拟不同排水工况下的试验。

6.由于该制样方法及试验条件要求并不十分苛刻，可便捷的应用与野外现场测试中。

附图说明

图1为本发明制取沙漏状黄土试样的装置结构示意图；

图2为本发明土工三轴试验仪示意图；

图3为本发明土工单轴拉伸仪示意图；

图4(a)-4(d)为本发明制样步骤示意图。

图中：1、土样旋转摇把；2、带针的上托盘；3、带针的下托盘；4、切土器支架；5、插入式刀把；6、装配式薄刀片；7、标准圆柱体土工试样；8、量力环；9、注水孔；10、排气孔；11、传力杆；12、压力仓；13、围压控制系统；14、排水系统；15、孔隙水压力测量系统；16、轴向位移测量仪；17、沙漏状土样；18、加载砝码；19、平衡重；20、滑轮及支架；21、拉杆；22、应力应变传感器；23、支撑平台；24、沙漏状金属模具；25、固定端。

具体实施方式

下边结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

如图1、图2和图3所示，本发明直接测试黄土抗拉强度的制样的装置，包括一个制取沙漏状黄土试样的装置、一个测试试样抗拉强度的土工三轴试验仪和一个土工单轴拉伸仪；其中：

如图1所示，制取沙漏状黄土试样的装置，包括一个切土器支架4，和分别设置在切土器支架4框体内顶部和底部的带针的上托盘2和带针的下托盘3，切土器支架4由若干根连接在上下转盘的立杆构成，若干个装配式薄刀片6沿其中一根立杆上下水平布置。沿立杆上下若干水平布置的装配式薄刀片6端部在立杆内侧呈弧形分布，中部装配式薄刀片6的长度大于其两侧刀片的长度，且依次渐缩，中部装配式薄刀片6带有带插入式刀把5。并且在带针的上托盘2上方设有土样旋转摇把1。

如图2所示，测试试样抗拉强度的土工三轴试验仪，包括内置有沙漏状土样7的压力仓12，压力仓12的顶部分别设有与压力仓12贯通的注水孔9和排气孔10，压力仓12的顶部还设有轴向位移测量仪16，和与沙漏状土样17相连的量力环8，量力环8通过传力杆11与沙漏状土样17相连；底部设有连通围压控制系统13、排水系统14和孔隙水压力测量系统15的通道。

如图3所示，土工单轴拉伸仪，包括一个放置沙漏状土样17的支撑平台23，沙漏状土样17镶装在沙漏状金属模具24中，沙漏状金属模具24的一端通过拉杆21连接一绕过滑轮及支架20的加载砝码18，加载砝码18绕过滑轮及支架20的另一端连接平衡重19；沙漏状土样17另一端连接在固定端25，在固定端25与沙漏状土样17之间连接一插入沙漏状土样17中的应力应变传感器22。

如图4(a)-4(d)所示，采用上述装置进行直接测试黄土抗拉强度的制样的方法，包括下述步骤：

1)首先依照常规方法制作出不同要求高径比的标准圆柱体土工试样7，见图4(a)所示；

2)制取“沙漏状”黄土试样：将标准圆柱体土工试样7设置在沙漏状土样17模具中，并将其上下固定在可旋转的带针的托盘上，在切土器支架4的立杆上，按照上下等距位置横向设置一根薄刀片，依据设计要求将不同位置的刀片插入标准圆柱体土工试样7中，然后旋转土样托盘，由薄刀片旋转一周；然后按照设计要求依次在立杆不同高度插入薄刀片，并调整插入标准圆柱体土工试样7深度，进行旋转；其次将标准圆柱体土工试样7削制成两个圆台倒扣相连呈沙漏状结构的沙漏状土样17，见图4(b)-图4(d)所示；

3)将预制好的沙漏状土样17包裹上定制的橡皮膜，安装在土工三轴试验仪上，然后对土工三轴试验仪的压力仓12进行注水，将水压逐步按试验要求调至试验所设计的张拉应力，并将测量应力应变传感器挂载在沙漏状土样17上，直至沙漏状土样17从中部张拉破坏，围压控制系统13记录应力应变传感器测试的沙漏状土样17张拉变化数据，见图2所示；

4)将预制好的沙漏状土样17套装在沙漏状金属模具24中，水平放置在土工单轴拉伸仪上，在沙漏状土样17一端施以加载砝码18，并将测量应力应变传感器22挂载在土样上，记录应力应变数据，见图3所示。

本发明的原理是，由于搭载在三轴土工仪器上的试验过程中，轴压和围压之比的不同，可以使得土样处在复杂的应力状态下，其主应力轴随着试验过程而发生旋转。但是由于采用圆柱型的试样，设置围压大于轴压的试验方案，使得土样采用主动(被动)跻身的过程中，不可避免的使土样的受力状态仍存在压剪状态。而搭载在单轴拉伸土工仪器的试验过程中，样帽和土样之间的胶结使得测量过程精准度不够满意。同时哑铃状土样的尺寸效应不可避免的影响这试验结果。

因此，首先更改标准土样形状，将其制成“沙漏状”，即两个圆台倒扣而成。搭载在常规三轴土工仪器上时，这样一方面规避了围压只是水平向的限制，另一方面规避了土样受压剪状态的限制，可将其视为纯受拉状态。

当搭载在常规单轴受拉仪器上时，传统圆柱型土样与夹具的关系对试验精度的要求非常大。改为“沙漏状”土样时，将设备施加的作动由拉力改为推力，这样可以精准的减小试验误差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直接测试黄土抗拉强度的制样的装置，其特征在于，包括一个制取沙漏状黄土试样的装置、一个测试试样抗拉强度的土工三轴试验仪和一个土工单轴拉伸仪；其中：

所述制取沙漏状黄土试样的装置，包括一个切土器支架(4)，和分别设置在切土器支架(4)框体内顶部和底部的带针的上托盘(2)和带针的下托盘(3)，切土器支架(4)的侧壁设有带插入式刀把(5)的装配式薄刀片(6)；

所述测试试样抗拉强度的土工三轴试验仪，包括内置有沙漏状土样(17)的压力仓(12)，压力仓(12)的顶部分别设有与压力仓(12)贯通的注水孔(9)和排气孔(10)，压力仓(12)的顶部还设有轴向位移测量仪(16)，和与沙漏状土样(17)相连的量力环(8)；底部设有分别连通围压控制系统(13)、排水系统(14)和孔隙水压力测量系统(15)的通道；压力仓(12)中填充有液体，排水系统(14)通过压力仓(12)底部通道连通管线至沙漏状土样(17)模具中；

所述土工单轴拉伸仪，包括一个放置沙漏状土样(17)的支撑平台(23)，与沙漏状土样(17)一端相连的加载砝码(18)，以及平衡加载砝码(18)的平衡重(19)；还包括与沙漏状土样(17)另一端相连的固定端(25)，与固定端(25)相连并插入至沙漏状土样(17)中的应力应变传感器(22)。

2.根据权利要求1所述的直接测试黄土抗拉强度的制样的装置，其特征在于，所述制取沙漏状黄土试样的装置中，切土器支架(4)由若干根连接在上下转盘的立杆构成，若干个装配式薄刀片(6)沿其中一根立杆上下水平布置。

3.根据权利要求2所述的直接测试黄土抗拉强度的制样的装置，其特征在于，沿立杆上下若干水平布置的装配式薄刀片(6)端部在立杆内侧呈弧形分布，中部装配式薄刀片(6)的长度大于其两侧刀片的长度，且依次渐缩，中部装配式薄刀片(6)带有带插入式刀把(5)。

4.根据权利要求1所述的直接测试黄土抗拉强度的制样的装置，其特征在于，所述带针的上托盘(2)上方设有土样旋转摇把(1)。

5.根据权利要求1所述的直接测试黄土抗拉强度的制样的装置，其特征在于，所述土工三轴试验仪中，压力仓(12)中填充有液体，排水系统(14)通过压力仓(12)底部通道连通管线至沙漏状土样(17)模具中。

6.一种直接测试黄土抗拉强度的制样的方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)首先依照常规方法制作出不同要求高径比的标准圆柱体土工试样(7)；

2)制取“沙漏状”黄土试样：将标准圆柱体土工试样(7)设置在沙漏状土样(17)模具中，并将其上下固定在可旋转的带针的托盘上，在切土器支架(4)的立杆上，按照上下等距位置横向设置一根薄刀片，依据设计要求将不同位置的刀片插入标准圆柱体土工试样(7)中，然后旋转土样托盘，由薄刀片旋转一周；然后按照设计要求依次在立杆不同高度插入薄刀片，并调整插入标准圆柱体土工试样(7)深度，进行旋转；其次将标准圆柱体土工试样(7)削制成两个圆台倒扣相连呈沙漏状结构的沙漏状土样(17)；

3)将预制好的沙漏状土样(17)包裹上定制的橡皮膜，安装在土工三轴试验仪上，然后对土工三轴试验仪的压力仓(12)进行注水，将水压逐步按试验要求调至试验所设计的张拉应力，并将测量应力应变传感器挂载在沙漏状土样(17)上，直至沙漏状土样(17)从中部张拉破坏，围压控制系统(13)记录应力应变传感器(22)测试的沙漏状土样(17)张拉变化数据；

4)将预制好的沙漏状土样(17)套装在金属模具中，水平放置在土工单轴拉伸仪上，在沙漏状土样(17)一端施以加载砝码(18)，并将测量应力应变传感器(22)挂载在土样上，记录应力应变数据。