CN108489826A - 一种非饱和土断裂韧度测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种非饱和土断裂韧度测试仪，包括试验台，试验台上设置有密闭压力室和可控电机，密闭压力室接空气压缩机，密闭压力室内置承台、陶土板和压力膜，承台上设置有能前后滑动的前档杆和固定的后挡杆，试样位于前档杆和后挡杆间，密闭压力室顶盖下设置有朝向试样的高速摄像机，可控电机的输出接螺旋杆，螺旋杆接套杆，套杆接一号连接杆，一号连接杆与二号连接杆连接且连接处设置力传感器，二号连接杆穿过压力室的前侧壁抵触在前档杆上，密闭压力室的前侧壁内部设置有位移传感器，本发明还提供了相应的测试方法，本发明通过控制压力室气压恒定实现试样基质吸力恒定，并实时捕捉裂端，采用水平加载方式克服土样自重对测试结果的影响。

Description

一种非饱和土断裂韧度测试仪及测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程中非饱和土体断裂特性测试技术领域，特别涉及一种非饱和土三点弯试验测试断裂韧度测试仪及测试方法。

背景技术

我国黄土地区面积约6.31×10⁵m²，占国土面积的6.6％。现场测量结果表明黄土地区广为分布的黄土边坡坡顶和坡体内部中存在着大量不同规模和尺度的裂缝，这些裂缝的存在直接影响到了黄土边坡稳定性。黄土地区地质构造活动和地下水超采引起的地裂缝扩展也是目前西安地区基础设施建设所面临的一大病害。实际上，天然状态下黄土一般处于非饱和状态，在人类工程活动或自然营力影响下，非饱和黄土中裂缝经历了起裂和扩展阶段，裂端应变状态逐步发生变化，土颗粒排列、粒间水膜和饱和度均变化，导致基质吸力也动态变化，而基质吸力直接影响到非饱和黄土断裂韧度。断裂韧度是裂缝发生断裂的临界值，用于判定黄土中既有裂缝是否发生扩展，当应力强度因子大于这一临界值，裂缝便扩展而导致非饱和黄土断裂失稳。而传统三点弯曲或四点弯曲设备并不能直接用于测试非饱和土断裂韧度。一方面，传统断裂韧度测试采用的是竖向加载，仪器施加的荷载与土体自重荷载方向一致导致测试结果不准确。另一方面，土样在加载过程中裂端土体处于非饱和状态，基质吸力随着荷载增加同步变化，传统三点弯曲试验无法控制非饱和土基质吸力，无法用于深入研究非饱和黄土中基质吸力对断裂韧度的影响机理。若采用传统测试非饱和黄土断裂韧度，基质吸力这一本质条件对断裂韧度的影响效应就无法捕捉。

目前，关于非饱和土的断裂韧度测试仪缺乏，测试方法和裂缝扩展过程的研究涉及较少。土体断裂韧度较小，而基质吸力影响很大，对试验设备的精度要求较高，必须采用高精度传感器。因此，急需研发可控制机制吸力的非饱和黄土断裂韧度测试仪和测试方法，用于开展非饱和黄土裂缝扩展机理研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非饱和土断裂韧度测试仪及测试方法，在传统三点弯试验仪外增加一个刚制压力室，通过控制压力室气压实现基质吸力恒定，采用PIV技术实时捕捉裂端，采用水平加载方式克服土样自重对测试结果的影响，通过设置钢珠减小试验与承台摩擦力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种非饱和土断裂韧度测试仪，包括试验台1，试验台1上设置有密闭压力室4和可控电机19，密闭压力室4连接空气压缩机22且在连接管路上设置有空气开关阀24和压力控制阀23，密闭压力室4内置承台10，承台10上安装陶土板8，陶土板8上安装有能够前后滑动的前档杆7和固定的后挡杆5，预设裂缝的试样6放置在陶土板8上，位于前档杆7后挡杆5间，密闭压力室4的顶盖13下设置有朝向试样6的带闪光灯的高速摄像机12，可控电机19的输出端接螺旋杆18，螺旋杆18接一号连接杆16，一号连接杆16与二号连接杆14连接且连接处设置力传感器15，二号连接杆14穿过密闭压力室4的前侧壁抵触在前档杆7上，密闭压力室4的前侧壁内部设置有位移传感器13，所述高速摄像机12、力传感器15、位移传感器13以及可控电机19均连接计算机25。

优选地，所述陶土板8为多微孔隙陶瓷板。

优选地，所述陶土板8环箍有压力膜9，带有U形管段的出水管2自陶土板8和压力膜9之间伸出密闭压力室4。

优选地，所述位移传感器13的监测点为前档杆7与二号连接杆14的接触点。

优选地，所述后挡杆5有两个，所述后挡杆5的下端固定在陶土板8预设孔中。

优选地，所述力传感器15和位移传感器13连接数显仪。

利用上述非饱和土断裂韧度测试仪的测试方法，包括以下步骤：

(1)制备试样6

在试样6背部中间预制有长度为a的预裂缝，试样6的高度为W，宽度为B，长度稍大于前档杆7和后挡杆5的轴线距离S；

(2)将制备好的试样6放置在预留位置，盖上顶盖11密闭，确保试样6恰好被夹持在前档杆7和后挡杆5之间；

(3)设定压力值，打开进气阀24，使试样6逐渐达到稳定基质吸力；

(4)在吸力不变的情况下，一号连接杆16和二号连接杆14在可控电机19的作用持续向试样6施加压力，通过计算机25实时采集力传感器15和位移传感器13及高速摄像机12试验数据，通过数据处理系统和图像处理系统得到荷载-位移曲线以及裂缝扩展图像，当试样6破坏时，对应的荷载为破坏荷载P，当荷载逐渐减小为零时试验结束；

(5)得到一定基质吸力条件下非饱和土的断裂韧度K_I如下:

其中为几何修正因子，P为临界荷载；S为试样跨度；B为试样宽度；W为试样高度；a为初始裂纹的长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过压力、陶土板和压力膜使得所测试样达到给定的基质吸力值，通过可控电机、位移滑块、力传感器、位移传感器、推杆等进行吸力控制系统下的非饱和土三点弯断裂韧度测试试验。当到达极限荷载时，有预裂缝的试样发生破坏。据此得到的非饱和土特定基质吸力下的断裂韧度，更能反映非饱和土的断裂性能，并揭示土颗粒间水膜对断裂韧度影响。

(2)本发明可通过将三点弯试验仪进行改进得到，成本低廉。

(3)本发明所采用的后挡杆可依靠其底座沿着土样破坏方向旋转，有效的消除了试样和后挡杆之间的摩擦力。

(4)本发明采用计算机控制电机、高速摄像机、传感器等，试验操作简单，精度高。

(5)本发明构造合理，简洁，易于实施。

附图说明

图1为本发明的主观结构示意图。

图2为本发明的操作台侧视图。

图3为本发明的操作台俯视图。

图4为压力室顶盖平视图。

图5为压力室顶盖俯视图。

图6为陶土板平视图。

图7为试样三维图。

具体实施方式

为使本发明的发明内容、方案、有益效果更加清晰直观，下面结合附图以及具体实施案例，以起到对本发明进行进一步说明的作用。应当理解，这里表述的具体实施案例仅用于说明本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2和图3所示，一种非饱和土断裂韧度测试仪，包括三点弯试验系统、压力室吸力控制系统和荷载-位移-图像测控系统。三点弯试验系统包括可控电机7、螺旋杆18、套杆17、一号连接杆16、力传感器15、二号连接杆14、前档杆7和后挡杆5。可控电机19与螺旋杆18连接，螺旋杆18与套杆17连接，套杆17与一号连接杆16连接，一号连接杆16与力传感器15连接，力传感器15与二号连接杆14连接。

压力室吸力控制系统包括密闭压力室4、顶盖11、承台10、陶土板8、压力膜9、带U形结构的出水管2、进气管3、空气压缩机22、压力控制阀23和空气开关阀24。参考图4和图5，密闭压力室4仓体和顶盖11通过螺丝固定，压力室4与顶盖11接触位置通过橡胶圈30密封。参考图6，陶土板8边缘和压力膜9通过铁丝21环箍。出水管2自陶土板和压力膜9之间伸出密闭压力室4，通气管连接密闭压力室4和空气压缩机22，空气开关阀24和压力控制阀23设置在通气管上。

荷载-位移-图像测控系统包括力传感器15、位移传感器13(激光)和高速摄像机12(带闪光灯)。力传感器15放置在一号连接杆16和二号连接杆14之间，位移传感器13监测点为二号连接杆14与前档杆7的接触点，高速摄像机12安装在顶盖11上，置于被测试样6的裂端正上方。

将试样6放置在试验区，盖上顶盖11，使得试样6刚好在前档杆7和两个后挡杆5之间。

通过螺丝固定压力室4和顶盖11，打开通气管上的空气开关阀24，调节压力控制阀23到所需压力值，这时压力室4内充满了给定的空气压力。

非饱和试样的饱和度高于当前吸力所对应的饱和度，试样透过陶瓷板排水，水聚集在压力膜9里，通过出水管2排出，U形管段内的水面始终与试样6底部在同一水平面；如果试样6的饱和度低于当前吸力所对应的饱和度，则试样6透过陶土板8吸水，始终保持U型管2内的水面与试样底部水平以使得试样6内的孔隙水压力为零。试样6在排水或者吸水一定时间后不再和陶土板8发生水分交换，这时土样就达到了当前设定吸力所对应的稳定饱和度。

当试样基质吸力稳定之后，通过计算机25控制可控电机19的输出功率，以给定的位移速率推动套杆17向前移动，缓慢的使一号连接杆16和二号连接杆14向设置有预裂缝的试样6施加压力，随着位移的增大，试样背部裂缝逐渐扩展，直至破坏。

在试验过程中实时记录力传感器15、位移传感器13、高速摄像机12所得数据，最终获得非饱和土控制基质吸力下的荷载-位移曲线以及一系列裂缝扩展图像。

采用上述非饱和土断裂韧度测试装置进行非饱和土断裂韧度测试的方法，包含有以下步骤：

(1)制备试样。

试样背部中间预制有长度为a的预裂缝，试样高度为W，宽度为B，试样长度应稍大于两个后推杆的轴线距离S。

(2)将制备好的试样放置在预留位置，盖上压力室顶盖，确保试样恰好被夹持在前后杆之间。

(3)设定压力值，使试样逐渐达到稳定饱和度。

(4)在吸力不变的情况下，顶杆在电机的作用下持续向试样施加压力，通过计算机实时采集力传感器和位移传感器及高速摄像机所得试验数据。通过数据处理系统和图像处理系统得到荷载-位移曲线以及裂缝扩展图像。当试样破坏时，对应的荷载为破坏荷载P。当荷载逐渐减小为零时试验结束。

(5)得到的所测非饱和土设定吸力下的断裂韧度如下:

其中为几何修正因子，按我国YB947-78标准，有：

P为临界荷载；S为试样跨度；B为试样的宽度；W为试样的高度；a为初始裂纹的长度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种非饱和土断裂韧度测试仪，包括试验台(1)，其特征在于，试验台(1)上设置有密闭压力室(4)和可控电机(19)，密闭压力室(4)连接空气压缩机(22)且在连接管路上设置有空气开关阀(24)和压力控制阀(23)，密闭压力室(4)内置承台(10)，承台(10)上方安装陶土板(8)，陶土板底部包裹压力膜(9)，陶土板(8)顶部有能够前后滑动的前档杆(7)和固定的后挡杆(5)，预设裂缝的试样(6)放置在陶土板(8)上，位于前档杆(7)和后挡杆(5)之间，密闭压力室(4)的顶盖(11)下设置有朝向试样(6)的带闪光灯的高速摄像机(12)，可控电机(19)的输出端接螺旋杆(18)，螺旋杆(18)接套杆(17)，套杆接一号连接杆(16)，一号连接杆(16)与二号连接杆(14)连接且连接处设置力传感器(15)，二号连接杆(14)穿过密闭压力室(4)的前侧壁抵触在前档杆(7)上，密闭压力室(4)的前侧壁内部设置有位移传感器(13)，所述高速摄像机(12)、力传感器(15)、位移传感器(13)以及可控电机(19)均连接计算机(25)。

2.根据权利要求1所述非饱和土断裂韧度测试仪，其特征在于，所述陶土板(8)为多微孔隙陶瓷板。

3.根据权利要求1或2所述非饱和土断裂韧度测试仪，其特征在于，所述陶土板(8)环箍有压力膜(9)，带有U形管段的出水管(2)自陶土板(8)和压力膜(9)之间伸出密闭压力室(4)。

4.根据权利要求1所述非饱和土断裂韧度测试仪，其特征在于，所述位移传感器(13)的监测点为前档杆(7)与二号连接杆(14)的接触点。

5.根据权利要求1所述非饱和土断裂韧度测试仪，其特征在于，所述后挡杆(5)的下端设置在陶土板(8)上。

6.根据权利要求1或5所述非饱和土断裂韧度测试仪，其特征在于，所述后挡杆(5)有两个，所述后挡杆(5)固定于陶土板预设孔中。

7.根据权利要求1所述非饱和土断裂韧度测试仪，其特征在于，所述力传感器(15)和位移传感器(13)连接数显仪。

8.一种利用非饱和土断裂韧度测试仪的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备试样(6)

在试样(6)背部中间预制有长度为a的预裂缝，试样(6)的高度为W，宽度为B，长度稍大于前档杆(7)和后挡杆(5)的轴线距离S；

(2)将制备好的试样(6)放置在预留位置，盖上顶盖(11)密闭，确保试样(6)恰好被夹持在前档杆(7)和后挡杆(5)之间；

(3)设定压力值，打开进气阀(24)，使试样(6)逐渐达到稳定基质吸力；

(4)在吸力不变的情况下，一号连接杆(16)和二号连接杆(14)在可控电机(19)的作用持续向试样(6)施加压力，通过计算机(25)实时采集力传感器(15)和位移传感器(13)及高速摄像机(12)试验数据，通过数据处理系统和图像处理系统得到荷载-位移曲线以及裂缝扩展图像，当试样(6)破坏时，对应的荷载为破坏荷载P，当荷载逐渐减小为零时试验结束；

(5)得到一定基质吸力条件下非饱和土的断裂韧度K_I如下:

其中为几何修正因子，P为临界荷载；S为试样跨度；B为试样宽度；W为试样高度；a为初始裂纹的长度。