CN106289979B - 非饱和土抗拉强度测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非饱和土抗拉强度测试装置，包括温湿度控制系统、土样拉伸系统、应力‑应变测控系统和计算机；温湿度控制系统包括空气压缩机、干湿空气流量控制机构、空气干燥机构、空气加湿机构、干湿空气混合器、恒温恒湿仓、温湿度传感器、控温模块、水分传感器；土样拉伸系统包括土样拉伸盒、丝杠滑台、第一连杆机构、第二连杆机构、步进电机；应力‑应变测控系统包括应力传感器、位移传感器。本发明还提供一种非饱和土抗拉强度测试方法。该装置和方法能测试非饱和土干湿路径不同吸力状态的抗拉强度与应力‑应变曲线。

Description

非饱和土抗拉强度测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于土力学领域，具体涉及一种非饱和土抗拉强度测试装置及测试方法。

背景技术

早期经典的土力学理论主要以饱和土体作为研究对象，太沙基提出的有效应力原理可以较好的解释并计算饱和土的受力状态与力学性质。然而，自然界中的土体可能是饱水的，也可能是不饱水的，地球表面很大一部分区域均处于干旱或半干旱状态，以及干湿循环状态(如季节性降雨或河流、水库水位变化所影响的区域)。在饱和土有效应力原理广泛应用于实际工程并取得成功后，人们就一直在探索一种能很好反映非饱和土体力学性质的理论框架。

Bishop于1955年最早在挪威的一次演讲中首次提出了一种基于有效应力系数“χ”的单应力变量非饱和土有效应力理论。Fredlund和Morgenstern认为仅用有效应力单一应力变量难以系统地描述非饱和土的力学性质，并于1977年根据大量研究推导了描述非饱和土强度变形的三组双变量，提出了非饱和土的双应力变量理论。近年来，为得到不同饱和度土体普遍适用的有效应力原理，单应力变量有效应力的研究重新得到重视。我国岩土工程专家沈珠江院士于1996年提出“广义吸力”的概念，其定义为土颗粒之间胶结力、咬合力与基质吸力中能有效增加土体强度与抗变形能力的部分。与“广义吸力”的概念类似，美籍华裔土力学专家NingLu教授于2004年取非饱和土气-液-固三相体的代表性单元体作为研究对象，通过理论分析和数学推导提出了“吸应力”的概念，其含义包括作用于非饱和土颗粒接触点附近的物理化学力、胶结力、表面张力以及与基质吸力有关的主动应力。“广义吸力”与“吸应力”相关理论为非饱和土力学理论框架的构建提供了重要的理论基础。“广义吸力”或“吸应力”是非饱和土有效应力的重要组成部分，在非饱和土，特别是高吸力状态(低含水率)非饱和土的强度与抗变形能力中发挥着重要的作用。然而，由于“广义吸力”与“吸应力”构成复杂，目前主要处于理论研究阶段，暂无有效的直接测试方法，一般通过经典的直接剪切试验或三轴剪切试验间接获得。

经典的饱和土直剪试验时将试样放入上下可分离的剪切盒内，上盒固定，下盒可沿水平方向滑动。首先施加垂直压力，然后对下盒施加水平力，直至试样剪切破坏，通过土样破坏过程中的应力-应变曲线计算土样的抗剪强度。非饱和土直接剪切试验中的剪切部分与饱和土试验基本相同，区别是增加了主要由压力室与高进气值陶瓷板组成的土体基质吸力控制部分。通过轴平移技术可控制土样在不同基质吸力状态下开展直接剪切试验。非饱和土的三轴剪切试验与直接剪切试验类似，同样是通过轴平移技术将经典的饱和土三轴试验扩展至非饱和土领域。目前，非饱和土的直接剪切与三轴剪切试验被广泛应用于非饱和土力学研究领域，是非饱和土力学性质的主要测试手段。然而，非饱和直剪与三轴试验虽然能直接测试非饱和土的抗剪强度，并通过计算可获得基质吸力对非饱和土抗剪强度，但无法直接测试土样的“广义吸力”与“吸应力”。因此，上述方法无法用于深入研究非饱和土“广义吸力”与“吸应力”的形成机理与作用机制。此外，受高进气值陶瓷板技术限制，轴平移技术一般仅能控制不超过1500kPa的基质吸力，目前广泛使用的非饱和直剪与三轴试验仪器无法对更高吸力状态的土样进行测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非饱和土抗拉强度测试装置及测试方法，该装置和方法基于相对湿度控制技术，用于测试非饱和土干湿路径不同吸力状态的抗拉强度与应力-应变曲线。

本发明所采用的技术方案是：

一种非饱和土抗拉强度测试装置，包括温湿度控制系统、土样拉伸系统、应力-应变测控系统和计算机；

所述温湿度控制系统包括空气压缩机、干湿空气流量控制机构、空气干燥机构、空气加湿机构、干湿空气混合器、恒温恒湿仓，所述空气压缩机与干湿空气流量控制机构连接，所述干湿空气流量控制机构分别与空气干燥机构、空气加湿机构连接，所述空气干燥机构、空气加湿机构与干湿空气混合器连接，所述干湿空气混合器与恒温恒湿仓连接；所述恒温恒湿仓上设有控温模块，恒温恒湿仓内设有温湿度传感器、水分传感器；

所述土样拉伸系统包括土样拉伸盒、丝杠滑台、第一连杆机构、第二连杆机构、步进电机；所述土样拉伸盒置于恒温恒湿仓内，所述土样拉伸盒包括结构相同且对称设置的第一土样放置体和第二土样放置体；所述第一土样放置体和第二土样放置体上均设有放置土样的内凹槽，2个内凹槽相对设置；所述内凹槽开口的宽度小于内凹槽的直径；第二土样放置体通过第二连杆机构固定，第一土样放置体通过第一连杆机构与丝杠滑台的滑块连接，丝杠滑台通过变速箱与步进电机连接；

所述应力-应变测控系统包括应力传感器、位移传感器，所述应力传感器设置在第二连杆机构上，所述位移传感器的测头与第一土样放置体接触；

所述干湿空气流量控制机构、温湿度传感器、控温模块、水分传感器、步进电机、应力传感器、位移传感器与计算机连接。

空气压缩机中的压缩空气分两个路径进入干湿空气流量控制机构，然后分别通过空气干燥机构和空气加湿机构，进入空气干燥机构和空气加湿机构的空气流量通过干湿空气流量控制机构进行自动控制；经过空气干燥机构的空气可完全脱去水蒸气形成无水的干燥空气，而经过空气加湿机构的空气则可形成饱和的湿润空气；干燥空气和湿润空气在干湿空气混合器内充分混合均匀，随后流入恒温恒湿仓中；安装在恒温恒湿中的温湿度传感器与计算机相连，可实时读取混合空气的相对湿度；仪器操作人员可以对混合空气的相对湿度进行设定，计算机可根据相对湿度传感器的读数自动对干湿空气流量控制机构发出指令，以控制流入空气干燥机构和空气加湿机构中的空气流量，实现对混合空气相对湿度的实时控制；当相对湿度传感器读数高于设定值时，自动增大流入空气干燥机构的空气流量并同时减小空气加湿机构的空气流量；而当相对湿度传感器读数低于设定值时，执行相反的操作；相对湿度的混合空气源源不断流入恒温恒湿仓中，使待测土样试件周围的空气相对湿度恒定为设定值；恒温恒湿仓中的空气温度由与计算机连接的控温模块(半导体控温模块)实时控制，使土样试件周围的空气温度始终保持在设定的数值；在控制土样试件周围温度与湿度同时，通过水分传感器实时监测土样试件的含水量变化数据，直至含水量达到稳定后，土样试件即达到了设定温湿度状态下的吸力平衡状态；当土样试件达到吸力平衡状态后，由计算机控制步进电机的转速，通过变速箱带动丝杠滑台的丝杠转动，使滑块以设计的速度缓慢拉动土样拉伸盒一侧，从而拉伸土样试件，直至土样试件拉断；拉伸过程中实时记录应力传感器与位移传感器数据，获取土样试件拉升破坏过程中的应力-应变曲线。

按上述方案，所述内凹槽为的截面为圆弧形，内凹槽的开口的宽度小于圆弧的直径。

按上述方案，所述干湿空气流量控制机构包括第一步进电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一气体转子流量计、第二气体转子流量计；第一步进电机与第一齿轮连接，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮啮合；第一气体转子流量计的进口通过第一连接管与空气压缩机连通，第二气体转子流量计通过第二连接管与空气压缩机连通，第一连接管和第二连接管上均设有调节阀门，第一连接管上的调节阀门由第二齿轮控制，第二连接管上的调节阀门由第三齿轮控制；第一气体转子流量计与空气干燥机构连接，第二气体转子流量计与空气加湿机构连接；第一步进电机与计算机连接。第一步进电机驱动第一齿轮旋转，第一齿轮带动第二齿轮和第三齿轮转动，从而带动第一气体转子流量计、第二气体转子流量计的调节阀门向相反的方向转动，从而调节两路流出气体不同的流量，即增大一路气体流量的同时，减小另一路气体流量；当控制第一步进电机反转时，可达到相反的调节效果；两路经流量调节后的空气流出干湿空气流量控制机构后分别与空气干燥机构与空气加湿机构连接；试验过程中，计算机对恒温恒湿仓内空气相对湿度进行实时监测，当空气相对湿度低于或高于设定值时，计算机自动控制干湿空气流量控制机构上的第一步进电机旋转，缓慢增大或降低空气加湿机构的空气流量，同时减小或增大空气干燥机构的空气流量，使恒温恒湿仓内的空气相对湿度稳定在设定值。

按上述方案，所述空气干燥机构包括依次连接的五个干燥管，每个干燥管内均设有干燥剂；最前面的干燥管通过第一连接管与干湿空气流量控制机构连接，第一连接管的出口伸入干燥剂内，并置于干燥管管底；最后面的干燥管通过第二连接管与干湿空气混合器连接，第二连接管的进口设在干燥管顶部，并置于干燥剂上；相邻干燥管通过第三连接管连接，第三连接管的进口设在前一个干燥管顶部，并置于干燥剂上；第三连接管的出口伸入后一个干燥剂的干燥剂内，并置于干燥管管底；使流入空气与干燥管内的干燥剂充分接触，保证空气中的水分完全脱去。

按上述方案，所述空气加湿机构包括依次连接的五个加湿管，加湿管内设有蒸馏水；最前面的加湿管通过第四连接管与干湿空气流量控制机构连接，第四连接管的出口伸入蒸馏水内，并置于加湿管管底；最后面的加湿管通过第五连接管与干湿空气混合器连接，第五连接管的进口设在加湿管顶部，并置于蒸馏水上；相邻加湿管通过第六连接管连接，第六连接管的进口设在前一个加湿管顶部，并置于蒸馏水上；第六连接管的出口伸入后一个设在后一个加湿管的蒸馏水内，并置于干燥管管底；第四连接管的出口处和第六连接管的出口设有多孔石；以便于流出空气加湿机构的空气形成饱和的湿润空气。

按上述方案，所述干湿空气混合器包括两端封闭的筒体，筒体的下部对称设置有空气干燥机构、空气加湿机构的出口；两个出口上方设有风扇；筒体的顶部通过第七连接管与恒温恒湿仓连通；以便于干湿空气充分、均匀、快速混合。

按上述方案，所述土样拉伸盒下设有滚珠，以减除摩擦力的影响。所述第一土样放置体和第二土样放置体的上下两端均设有孔，螺杆依次穿过第一土样放置体和第二土样放置体后，由螺母固定；所述土样拉伸盒还包括分别置于内凹槽两侧的挡板，挡板的形状与两个内凹槽对称设置时的形状相同，以方便制作土体试件。

本发明还提供一种采用上述非饱和土抗拉强度测试装置进行非饱和土抗拉强度测试的方法，包括以下步骤：

1)、土体试件制备；

2)、将土体试件置于土样拉伸盒内；

3)、使土体试件达到设定温湿度状态下的吸力平衡状态；

4)、等吸力拉伸土体试件，直至土体试件受拉断裂；实时记录应力传感器、位移传感器数据；

5)、根据记录的应力传感器、位移传感器数据绘制应力-应变曲线；试验过程中出现的最大拉应力值即为土体试件的抗拉强度。

步骤1)中，土体试件通过土样拉伸盒的内凹槽、螺栓、挡板制得，使得土体试件的制作非常简单、方便。

本发明的有益效果在于：

本装置和方法使压缩空气以一定的流速分别通过空气干燥机构和空气加湿机构后在干湿空气混合器内混合均匀；通过干湿空气流量控制机构、温湿度传感器、温控模块、计算机等对混合空气的相对湿度和温度进行全自动控制,以及将一定相对湿度的空气不断注入恒温恒湿仓中，使土样试件在各级设定的相对湿度与温度条件下达到吸力平衡状态(使土样达到设计的干湿路径与吸力平衡状态)；通过由土样拉伸盒、丝杠滑台、步进电机、变速箱、应力传感器、位移传感器等对土样试件开展等吸力拉伸试验(使土样试件在恒定的吸力状态下匀速拉伸)，获取土样在干湿路径，不同吸力状态下的抗拉强度与应力-应变曲线；当土样试件受拉截面的拉应力超过抗拉强度时，土样试件受拉破坏，此时测得的拉应力即为抗拉强度；本装置和方法操作简单、方便，可直接用于研究土样“广义吸力”与“吸应力”的作用机制；广泛用于各类涉及土力学基础理论的实际工程建设与科学研究领域；

本装置可将土样试件的吸力控制在其可能达到的最高值，测试范围比传统的基于轴平移技术的测试方法的测试范围有显著提高，可为非饱和土力学基础理论与测试技术的研究提供重要的技术手段；

采用全自动控制，能确保测试结果的准确性；

本装置结构简单、合理；本方法简单、方便实施。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明非饱和土抗拉强度测试装置的结构示意图；

图2是土样拉伸系统的结构示意图；

图3是干湿空气流量控制机构的结构示意图；

图4是空气干燥机构的结构示意图；

图5是空气加湿机构的结构示意图；

图6是干湿空气混合器的结构示意图；

图7是第一土样放置体和第二土样放置体闭合时土样拉伸盒的结构示意图；

图8是第一土样放置体和第二土样放置体分离时土样拉伸盒的结构示意图；

图9是挡板的结构示意图。

其中：1、手动调压阀，2、手动流量阀，3、干湿空气流量控制机构，4、空气干燥机构，5、空气加湿机构，6、干湿空气混合器，7、恒温恒湿仓，8、试验台，9、计算机，10、半导体控温模块，11、温湿度传感器、12、水分传感器，13、土样拉伸盒，14、丝杠滑台，15、第一连杆机构，16、第二连杆机构，17、铰接头，18、步进电机，19、第一土样放置体，20、第二土样放置体，21、滚珠，22、应力传感器，23、位移传感器，24、滑块，25、内凹槽，26、第一步进电机，27、第一齿轮，28、第二齿轮,29、第三齿轮,30、第一气体转子流量计,31、第二气体转子流量计，32、干燥管，33、第一连接管，34、第二连接管，35、第三连接管，36、干燥剂，37、加湿管，38、第四连接管，39、第五连接管，40、第六连接管，41、蒸馏水，42、多孔石，43、筒体，44、风扇，45、第七连接管，46、螺栓，47、挡板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，一种非饱和土抗拉强度测试装置，包括温湿度控制系统、土样拉伸系统、应力-应变测控系统和计算机；

温湿度控制系统包括空气压缩机、干湿空气流量控制机构、空气干燥机构、空气加湿机构、干湿空气混合器、恒温恒湿仓，空气压缩机与干湿空气流量控制机构连接，在空气压缩机与干湿空气流量控制机构之间设有手动调压阀、压力表、手动流量阀；干湿空气流量控制机构分别与空气干燥机构、空气加湿机构连接，空气干燥机构、空气加湿机构与干湿空气混合器连接，干湿空气混合器与恒温恒湿仓连接；恒温恒湿仓上设有控温模块，恒温恒湿仓内设有温湿度传感器、水分传感器；

土样拉伸系统包括土样拉伸盒、丝杠滑台、第一连杆机构、第二连杆机构、步进电机；步进电机、土样拉伸盒、丝杠滑台，置于试验台上；土样拉伸盒置于恒温恒湿仓内，土样拉伸盒包括结构相同且对称设置的第一土样放置体和第二土样放置体；第一土样放置体和第二土样放置体上均设有放置土样的内凹槽，2个内凹槽相对设置；内凹槽为的截面为圆弧形，内凹槽的开口的宽度小于圆弧的直径；第二土样放置体通过第二连杆机构固定在试验台上，第一土样放置体通过第一连杆机构与丝杠滑台的滑块连接，丝杠滑台通过变速箱与步进电机连接；第一连杆机构包括若干通过铰接头连接的第一刚性连杆，铰接头可保证拉力方向水平；第二连杆机构包括第二刚性连杆；土样拉伸盒底部设有滚珠，减除摩擦力影响；

应力-应变测控系统包括应力传感器、位移传感器，所述应力传感器设置在第二连杆机构上，所述位移传感器的测头与第一土样放置体接触；

干湿空气流量控制机构、温湿度传感器、控温模块、水分传感器、步进电机、应力传感器、位移传感器与计算机连接。

空气压缩机中的压缩空气通过手动调压阀、手动流量阀后分为两个路径进入干湿空气流量控制机构，然后分别通过空气干燥机构、空气加湿机构，进入空气干燥机构、空气加湿机构的空气流量通过计算机、干湿空气流量控制机构进行自动控制；经过空气干燥机构的空气可完全脱去水蒸气形成无水的干燥空气，而经过空气加湿机构的空气则可形成饱和的湿润空气；干燥空气和湿润空气在干湿空气混合器内(借助风扇的作用)充分混合均匀，随后流入恒温恒湿仓中；安装在恒温恒湿中的温湿度传感器可实时读取混合空气的相对湿度；仪器操作人员对混合空气的相对湿度进行设定，计算机可根据相对湿度传感器的读数自动对干湿空气流量控制机构发出指令，以控制流入空气干燥机构、空气加湿机构中的空气流量，实现对混合空气相对湿度的实时控制；当相对湿度传感器读数高于设定值时，计算机使干湿空气流量控制机构自动增大空气干燥机构空气流量并同时减小空气加湿机构空气流量；而当相对湿度传感器读数低于设定值时，计算机使干湿空气流量控制机构自动增大空气加湿机构空气流量并同时减小空气干燥机构空气流量；相对湿度的混合空气源源不断流入恒温恒湿仓中，使待测土样试件周围的空气相对湿度恒定为设定值；恒温恒湿仓中的空气温度由与计算机连接的半导体控温模块实时控制，使土样试件周围的空气温度始终保持在设定的数值；控制土样试件周围温度与湿度同时，通过水分传感器实时监测土样的含水量变化数据，直至含水量达到稳定后，土样试件即达到了设定温湿度状态下的吸力平衡状态；当土样试件达到吸力平衡状态后，由计算机控制步进电机的转速，通过变速箱带动丝杠滑台的丝杠转动，使滑块以设计的速度缓慢拉动土样拉伸盒一侧，从而拉伸土样试件，直至土样试件拉断；拉伸过程中实时记录应力传感器与位移传感器数据，获取土样试件拉升破坏过程中的应力-应变曲线。

参见图3，干湿空气流量控制机构包括第一步进电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一气体转子流量计、第二气体转子流量计；第一步进电机与第一齿轮连接，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮啮合；第一气体转子流量计的进口通过第一连接管与空气压缩机连通，第二气体转子流量计通过第二连接管与空气压缩机连通，第一连接管和第二连接管上均设有调节阀门，第一连接管上的调节阀门由第二齿轮控制，第二连接管上的调节阀门由第三齿轮控制；第一气体转子流量计与空气干燥机构连接，第二气体转子流量计与空气加湿机构连接；第一步进电机与计算机连接。

第一步进电机驱动第一齿轮旋转，第一齿轮带动第二齿轮和第三齿轮转动，从而带动第一气体转子流量计、第二气体转子流量计的调节阀门向相反的方向转动，从而调节两路流出气体不同的流量，即增大一路气体流量的同时，减小另一路气体流量；当控制第一步进电机反转时，可达到相反的调节效果；两路经流量调节后的空气流出干湿空气流量控制机构后分别与空气干燥机构与空气加湿机构连接；试验过程中，计算机对恒温恒湿仓内空气相对湿度进行实时监测，当空气相对湿度低于或高于设定值时，计算机自动控制干湿空气流量控制机构上的第一步进电机旋转，缓慢增大或降低空气加湿机构的空气流量，同时减小或增大空气干燥机构的空气流量，使恒温恒湿仓内的空气相对湿度稳定在设定值。

参见图4，空气干燥机构包括依次连接的五个干燥管，每个干燥管内均设有干燥剂；最前面的干燥管通过第一连接管与干湿空气流量控制机构连接，第一连接管的出口伸入干燥剂内，并置于干燥管管底；最后面的干燥管通过第二连接管与干湿空气混合器连接，第二连接管的进口设在干燥管顶部，并置于干燥剂上；相邻干燥管通过第三连接管连接，第三连接管的进口设在前一个干燥管顶部，并置于干燥剂上；第三连接管的出口伸入后一个干燥剂的干燥剂内，并置于干燥管管底；该结构能使流入空气与干燥管内的干燥剂充分接触，保证空气中的水分完全脱去。干燥管的直径为35mm，高为200mm，干燥剂装至干燥管高度的80％。

参见图5，空气加湿机构包括依次连接的五个加湿管，加湿管内设有蒸馏水；最前面的加湿管通过第四连接管与干湿空气流量控制机构连接，第四连接管的出口伸入蒸馏水内，并置于加湿管管底；最后面的加湿管通过第五连接管与干湿空气混合器连接，第五连接管的进口设在加湿管顶部，并置于蒸馏水上；相邻加湿管通过第六连接管连接，第六连接管的进口设在前一个加湿管顶部，并置于蒸馏水上；第六连接管的出口伸入后一个设在后一个加湿管的蒸馏水内，并置于干燥管管底；第四连接管的出口处和第六连接管的出口设有多孔石，流入的空气经过多孔石后被分解为多个小气泡，可增大空气与蒸馏水的接触面积，使流出加湿管的空气充分饱和。加湿管的直径为35mm，高为200mm；加湿管内装入80％容量的蒸馏水。

参见图6，干湿空气混合器包括两端封闭的筒体，筒体为有机玻璃筒，其直径为100mm，高为200mm；距筒体底面50mm处安装有一个(电动)风扇，筒体的下部设有分别与第二连接管、第五连接管连接的进口，2个进口对称设置，且置于风扇下方；干燥空气和湿润空气在干湿空气混合器内，借助风扇的作用充分混合均匀；筒体的顶部通过第七连接管与恒温恒湿仓连通。

参见图7和图8，土样拉伸盒由不锈钢材质制成，分左右两个对称的部分，即为第一土样放置体和第二土样放置体，合并后外围是长宽分别为120mm与80mm的矩形，厚度40mm。第一土样放置体和第二土样放置体的上下两端均设有孔，当第一土样放置体和第二土样放置体合并时，螺杆依次穿过第一土样放置体和第二土样放置体后，由蝴蝶螺母固定，使土样拉伸盒两个部分对齐，呈刚性连接。土样拉伸盒中间掏空为两个对称的半径为30cm的圆形相交的“∞”形状，两圆相交点连线距离50mm。试验时，土样拉伸盒呈直立状态，厚度方向上两面临空；填充于土样拉伸盒内部的土样试件两侧与周围空气完全接触，可使土样试件尽快达到与周围恒温恒湿空气相平衡的吸力状态。

参见图9，土样拉伸盒还包括分别置于内凹槽两侧的挡板，挡板厚度为10mm；挡板的形状与两个内凹槽对称设置(第一土样放置体和第二土样放置体合并)时的形状相同。挡板为不锈钢板。通过两块挡板与土样拉伸盒的内凹槽，可分别制备20mm、30mm，以及40mm不同厚度的土样试件。

采用上述非饱和土抗拉强度测试装置进行非饱和土抗拉强度测试的方法，包括以下步骤：

1)、土体试件制备；

土体试件所需主要工具为第一土样放置体、第二土样放置体、挡板、螺栓、螺母、天平，以及切土刀等；制备重塑土样时，首选根据土样的设计体积、密度和含水量计算所需扰动土样的质量与水的体积；按照计算结果取一定质量代表性扰动土样与一定体积的水混合均匀，使用第一土样放置体、第二土样放置体、挡板、螺栓、螺母将扰动土样压制成设计的厚度；原状土样可直接根据土样拉伸盒尺寸切取；如需开展脱水路径试验，土体试件需要在试验前根据土工试验规范的相关标准进行饱和；如需开展吸水路径试验，无需首先饱和土体试件；

2)、将土体试件置于土样拉伸盒内；

将制备好的土体试件连同土样拉伸盒一起安装至试验台上；调整位移传感器位置，使位移传感器的测头与土样拉伸盒接触；取出土样拉伸盒的螺杆，关闭恒温恒湿仓；

3)、使土体试件达到设定温湿度状态下的吸力平衡状态；

启动空气压缩机，通过手动调压阀、手动流量阀将进入装置内的空气调至合适的气压与流量；根据试验需要设定恒温恒湿仓内的温度与相对湿度；实时监测土样试件的水分传感器读数，直至土样试件含水量达到稳定状态；结合平衡状态下的相对湿度与温度，根据以下Kelvin公式计算土体吸力；

式中：ψ为土体吸力(kPa)，R为通用气体常量(8.314J/mol·K)，T为绝对温度，ν_wo为水的比容(m3/kg)，ω_v为水蒸气的摩尔质量(18.016kg/kmol)，RH为空气的相对湿度；

4)、等吸力拉伸土体试件，直至土体试件受拉断裂；实时记录应力传感器、位移传感器数据；

土样试件达到设定的吸力平衡状态后，继续控制恒温恒湿仓内的温度与相对湿度；通过计算机输入设定的拉伸速度，控制丝杠滑台以一定的速度拉动土样拉伸盒一侧(第一土样放置体)缓慢匀速平移，直至土样试件受拉断裂；试验过程中实时记录应力与位移传感器数据；

5)、根据记录的应力传感器、位移传感器数据绘制应力-应变曲线；试验过程中出现的最大拉应力值即为土体试件的抗拉强度。

通过对应力-应变曲线全过程的分析，可用于研究非饱和土样在设定的吸力状态条件下“广义吸力”与“吸应力”的形成机理与作用机制。本发明可用于测试各种土样在干湿路径，不同吸力状态下的抗拉强度与应力-应变曲线。可广泛用于各类涉及土力学基础理论的实际工程项目与科学研究领域。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种非饱和土抗拉强度测试装置，其特征在于：包括温湿度控制系统、土样拉伸系统、应力-应变测控系统和计算机；

所述温湿度控制系统包括空气压缩机、干湿空气流量控制机构、空气干燥机构、空气加湿机构、干湿空气混合器、恒温恒湿仓，所述空气压缩机与干湿空气流量控制机构连接，所述干湿空气流量控制机构分别与空气干燥机构、空气加湿机构连接，所述空气干燥机构、空气加湿机构与干湿空气混合器连接，所述干湿空气混合器与恒温恒湿仓连接；所述恒温恒湿仓上设有控温模块，恒温恒湿仓内设有温湿度传感器、水分传感器；

所述土样拉伸系统包括土样拉伸盒、丝杠滑台、第一连杆机构、第二连杆机构、步进电机；所述土样拉伸盒置于恒温恒湿仓内，所述土样拉伸盒包括结构相同且对称设置的第一土样放置体和第二土样放置体；所述第一土样放置体和第二土样放置体上均设有放置土样的内凹槽，2个内凹槽相对设置；所述内凹槽开口的宽度小于内凹槽的直径；第二土样放置体通过第二连杆机构固定，第一土样放置体通过第一连杆机构与丝杠滑台的滑块连接，丝杠滑台通过变速箱与步进电机连接；

所述应力-应变测控系统包括应力传感器、位移传感器，所述应力传感器设置在第二连杆机构上，所述位移传感器的测头与第一土样放置体接触；

所述干湿空气流量控制机构、温湿度传感器、控温模块、水分传感器、步进电机、应力传感器、位移传感器与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的非饱和土抗拉强度测试装置，其特征在于：所述内凹槽的截面为圆弧形，内凹槽的开口的宽度小于圆弧的直径。

3.根据权利要求1所述的非饱和土抗拉强度测试装置，其特征在于：所述干湿空气流量控制机构包括第一步进电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一气体转子流量计、第二气体转子流量计；第一步进电机与第一齿轮连接，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮啮合；第一气体转子流量计的进口通过第一连接管与空气压缩机连通，第二气体转子流量计通过第二连接管与空气压缩机连通，第一连接管和第二连接管上均设有调节阀门，第一连接管上的调节阀门由第二齿轮控制，第二连接管上的调节阀门由第三齿轮控制；第一气体转子流量计与空气干燥机构连接，第二气体转子流量计与空气加湿机构连接；第一步进电机与计算机连接。

4.根据权利要求1或3所述的非饱和土抗拉强度测试装置，其特征在于：所述空气干燥机构包括依次连接的五个干燥管，每个干燥管内均设有干燥剂；最前面的干燥管通过第一连接管与干湿空气流量控制机构连接，第一连接管的出口伸入干燥剂内，并置于干燥管管底；最后面的干燥管通过第二连接管与干湿空气混合器连接，第二连接管的进口设在干燥管顶部，并置于干燥剂上；相邻干燥管通过第三连接管连接，第三连接管的进口设在前一个干燥管顶部，并置于干燥剂上；第三连接管的出口伸入后一个干燥剂的干燥剂内，并置于干燥管管底。

5.根据权利要求1或3所述的非饱和土抗拉强度测试装置，其特征在于：所述空气加湿机构包括依次连接的五个加湿管，加湿管内设有蒸馏水；最前面的加湿管通过第四连接管与干湿空气流量控制机构连接，第四连接管的出口伸入蒸馏水内，并置于加湿管管底；最后面的加湿管通过第五连接管与干湿空气混合器连接，第五连接管的进口设在加湿管顶部，并置于蒸馏水上；相邻加湿管通过第六连接管连接，第六连接管的进口设在前一个加湿管顶部，并置于蒸馏水上；第六连接管的出口伸入后一个加湿管的蒸馏水内，并置于加湿管管底；第四连接管的出口处和第六连接管的出口设有多孔石。

6.根据权利要求1所述的非饱和土抗拉强度测试装置，其特征在于：所述干湿空气混合器包括两端封闭的筒体，筒体的下部对称设置有空气干燥机构、空气加湿机构的出口；两个出口上方设有风扇；筒体的顶部通过第七连接管与恒温恒湿仓连通。

7.根据权利要求1所述的非饱和土抗拉强度测试装置，其特征在于：所述土样拉伸盒下设有滚珠；所述第一土样放置体和第二土样放置体的上下两端均设有孔，螺杆依次穿过第一土样放置体和第二土样放置体后，由螺母固定。

8.根据权利要求1所述的非饱和土抗拉强度测试装置，其特征在于：所述土样拉伸盒还包括分别置于内凹槽两侧的挡板，挡板的形状与两个内凹槽对称设置时的形状相同。

9.一种采用权利要求1-8任一所述的非饱和土抗拉强度测试装置进行非饱和土抗拉强度测试的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）、土体试件制备；

2）、将土体试件置于土样拉伸盒内；

3）、使土体试件达到设定温湿度状态下的吸力平衡状态；

4）、等吸力拉伸土体试件，直至土体试件受拉断裂；实时记录应力传感器、位移传感器数据；

5）、根据记录的应力传感器、位移传感器数据绘制应力-应变曲线；试验过程中出现的最大拉应力值即为土体试件的抗拉强度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤1）中，土体试件通过土样拉伸盒的内凹槽、螺栓、挡板制得。