CN108593422A - 一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置及方法，用以解决三轴试验截面难以控制，试验结果不理想的问题。测试装置包括基座，基座两侧设有支撑板，基座上设有水平约束调节装置，水平约束调节装置两侧与支撑板活动连接，水平约束调节装置内设有矩形截面试件，矩形截面试件上方设有竖直约束调节装置，竖直约束调节装置与支撑板相连接；竖直约束调节装置上设有荷载传感器，荷载传感器上固定设有重力加载装置。本发明采用测试装置对矩形截面试件进行劈裂试验，操作简便，结果准确，试验周期短，试验结果离散性小；可用于现场试验，降低运输过程中对于材料性能的影响；不仅适用于土体及岩石，更适用于胶结稳定土和粒料基层等道路材料。

Description

一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置及方法

技术领域

本发明涉及材料参数测试的技术领域，尤其涉及一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置及方法。

背景技术

摩尔库伦理论广泛应用于土体和岩石的剪切强度，也适用于胶结稳定土和粒料基层。但三轴试验需要非常昂贵的设备且消耗大量时间制备样品和进行测试，不适合进行常规实验或现场试验。

圆形截面劈裂试验在理论分析和试验测试技术方面都比较完善，在国内外都得到比较好的推广应用。相对于圆形截面试件来说，以矩形截面试件进行劈裂试验具有可缩短试验周期、试验结果离散性小、试验操作简便等诸多优点。

针对岩石、胶结稳定土和粒料基层等强度相对较大材料进行三轴试验时，截面形状难以控制，圆形截面试样难以制备，造成试验结果不理想，整个试验过程遇到很大困难。

发明内容

针对三轴试验截面难以控制，试验结果不理想的技术问题，本发明提出一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置及方法，基于巴西劈裂试验及弹性力学理论，制备测试装置实现对矩形截面劈裂试验结果进行推倒，进而建立材料的粘聚力(c)、内摩擦角抗拉强度(σ_拉)等力学参数的成套测试。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置，包括基座，基座两侧设有支撑板，所述基座上设有水平约束调节装置，水平约束调节装置两侧与支撑板活动连接，水平约束调节装置内设有矩形截面试件，矩形截面试件上方设有竖直约束调节装置，竖直约束调节装置与支撑板相连接；所述竖直约束调节装置上设有荷载传感器，荷载传感器上固定设有重力加载装置。

所述水平约束调节装置包括底板、水平调节螺栓和约束板，底板的中部设有用于支撑矩形截面试件的第二垫条，底板的两侧均活动设有约束板，约束板的外部固定有轴承座，轴承座通过轴承与水平调节螺栓相连接，水平调节螺栓通过螺纹与支撑板相连接。

所述竖直约束调节装置包括固定板、升降板和竖直调节螺钉，升降板下部设有第一垫条，升降板上固定有轴承座，轴承座通过轴承与竖直调节螺钉相连接，升降板上方设有固定板，固定板两端固定在支撑板上，竖直调节螺钉通过螺纹与固定板相连接；所述荷载传感器设置在升降板上。

所述底板的两侧设有滑道，约束板设置在滑道内；所述约束板的顶部与矩形截面试件的顶部平齐。

所述水平约束调节装置的第二垫条和竖直约束调节装置的第一垫条均设置在矩形截面试件中心位置。

所述第一垫条和第二垫条的大小均相同、且均为钢制垫条，第一垫条和第二垫条的形状为三角形。

一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试方法，其步骤如下：

步骤S1，将待测试样切割至合适的大小，以能放入测试装置的左右约束板内，测量并记录矩形截面试件的厚度D、截面长l和高度h；

步骤S2，计算出垫条宽度与截面长的比值a/l、矩形截面试件的高度与截面长的比值h/l，以及矩形截面试件的厚度与边长的比值D/2h；

步骤S3，将矩形截面试件放置于约束板的中间，使下部的垫条恰好位于矩形截面试件的边长中点，选择高度恰好与试件顶部平齐的左右约束板，利用水平调节螺栓将约束板调节至与矩形截面试件宽度相同，再利用竖直调节螺栓调节升降板的高度，使上部的垫条恰好与矩形截面试件试件的上边中点接触；

步骤S4，开动重力加载装置对矩形截面试件进行加载，控制加荷速度为每秒0.02～0.05MPa，加载至矩形截面试件破裂停止；

步骤S5，记录矩形截面试件破裂时荷载传感器的读数P为破坏峰值，然后根据公式σ_拉：σ_拉＝k_修2P/πa计算得材料的劈裂抗拉强度σ_拉；a为劈裂面面积，k_修为考虑各种对劈裂强度影响因素的修正系数；

步骤S6，根据公式 计算出材料的粘聚力c、内摩擦角其中，σ_c为无侧限抗压强度，k^*为加载宽度与试件长高比比值对试件实测劈裂强度的综合影响系数，k_应力为劈裂试验试件中心压应力与拉应力之间的修正系数，σ_IDT为试件的劈裂强度。

所述综合影响系数k^*＝k_垫条比k_长高比，其中，k_垫条比为矩形截面试件劈裂试验三角级数迭代解理论计算值采用二次多项式进行拟合而求出，k_垫条比＝1/[-1.1461(a/l)²-0.1132a/l+0.9929]；

k_长高比为实测劈裂强度的修正系数是在二维弹性平面体系内通过对长高比对试件中心处的理论值进行分析得到，具体为

所述修正系数k_应力受k_{应力-垫条比}、k_{应力-长高比}、k_{应力-厚度}三个系数的影响，且k_应力＝3k_{应力-垫条比}k_{应力-长高比}k_{应力-厚度}，根据加载宽度对试件应力分布的影响，提取出试件中心处压应力与拉应力比值之间的关系，试件中心处的应力比值与加载宽度a/l之间成二次曲线关系，k_{应力-垫条比}表达式为：

根据长高比对试件应力分布的影响，提取出试件中心处压应力与拉应力比值之间的关系，试件中心处的应力比值与长高比h/l之间呈指数曲线变化，k_{应力-长高比}的表达式为：k‘_{应力-长高比}＝712.6e^-0.945h/l+2.17e^0.4092h/l；

根据厚度对试件应力分布的影响，提取出试件中心处压应力与拉应力比值之间的关系，试件中心处的应力比值与厚度之间变化趋势呈整体下降趋势，厚度不同时，应力比值下降速率不同，k_{应力-厚度}的表达式为：

本发明的有益效果：本发明将矩形截面试件安放于特制的劈裂试验测试庄重，沿试件的中心线施加载荷，测量其中心处破坏荷载，基于基于巴西劈裂试验及弹性力学理论，通过对矩形截面劈裂试验结果采用弹性力学理论进行推倒，进而建立材料的粘聚力(c)、内摩擦角抗拉强度(σ_拉)等力学参数的成套测试方法，进一步完善材料的力学测试技术。本发明突破了传统三轴试验方法需要昂贵的设备、且消耗大量时间制样、试验结果离散性大的问题，采用专门试验装置对矩形截面试件进行劈裂试验，整体试验简单，操作简便，结果准确。本发明试验周期短，试验结果离散性小，试验操作简便。本发明可用于现场试验，降低运输过程中对于材料性能的影响；不仅适用于土体及岩石，更适用于胶结稳定土和粒料基层等道路材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图中，1为竖直调节螺钉，2为荷载传感器，3为重力加载装置，4为升降板，5为水平调节螺栓，6为基座，7为矩形截面试件，8为第一垫条，9为约束板，10为第二垫条，11为支撑板，12为底板，13为固定板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置，包括基座6，基座6两侧设有支撑板11，所述基座6上设有水平约束调节装置，水平约束调节装置两侧与支撑板11活动连接，水平约束调节装置内设有矩形截面试件7，矩形截面试件7上方设有竖直约束调节装置，竖直约束调节装置与支撑板11相连接；所述竖直约束调节装置上设有荷载传感器2、荷载传感器2上固定设有重力加载装置3，重力加载装置3通过。水平约束调节装置和竖直约束调节装置组成整个试件约束调节系统，荷载传感器2用于测量重力加载装置3对矩形截面试件7施加的载荷。

所述水平约束调节装置包括底板12、水平调节螺栓5和约束板9，底板12的中部设有用于支撑矩形截面试件7的第二垫条10，底板12的两侧均活动设有约束板9，约束板9的外部固定有轴承座，轴承座通过轴承与水平调节螺栓5相连接，水平调节螺栓5通过螺纹与支撑板11相连接。通过水平调节螺栓5可以推动约束板水平移动，从而实现调节左右约束板9之间的距离。

进一步地，所述底板12的两侧设有滑道，约束板9设置在滑道内，方便调整两个约束板之间的距离；所述约束板9的顶部与矩形截面试件7的顶部平齐，根据实际试验中试样的尺寸更换为高度恰好与试件顶部平齐的左右约束板，保证对矩形截面试件7的加紧。

所述竖直约束调节装置包括固定板13、升降板4和竖直调节螺钉1，升降板4下部设有第一垫条8，升降板4上固定有轴承座，轴承座通过轴承与竖直调节螺钉1相连接，升降板4上方设有固定板13，固定板13两端固定在支撑板11上，竖直调节螺钉1通过螺纹与固定板13相连接；所述荷载传感器2设置在升降板4上。通过调节竖直调节螺栓1可以调节升降板4的运动，从而使第一垫条8调节至与矩形截面试件7的顶部接触。重力加载装置3通过升降板4、第一垫条8将荷载传递到矩形截面试件。

所述水平约束调节装置的第二垫条10和竖直约束调节装置的第一垫条8均设置在矩形截面试件7中心位置，以保证荷载作用于矩形截面试件7的中线位置。所述第一垫条8和第二垫条10的大小均相同、且均为钢制垫条，第一垫条8和第二垫条10的形状为三角形。

试件约束调节系统由左右两边可调节距离的约束板、上方可调节高度的升降板组成。可根据实际试验中试样的尺寸更换为高度恰好与试件顶部平齐的左右约束板，利用水平调节螺栓使左右约束板间距恰好为试件宽度，再利用竖直调节螺栓将上部的第一垫条调节至与试件顶部接触。本发明的测试装置具有可调节的特点，使得试验不受地点、制样的约束，有利于进行现场取样试验，降低了运输过程中对于材料性能的影响，也简化了试验步骤。本发明通过设置合理的加载速度，通过重力加载装置对已知尺寸的矩形截面试件进行劈裂试验，利用荷载传感器记录试件破坏时的峰值P。

一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试方法，其步骤如下：

步骤S1，将待测试样切割至合适的大小，以能放入测试装置的左右约束板内，测量并记录矩形截面试件的厚度D、截面长l和高度h。

步骤S2，计算出垫条宽度与截面长的比值a/l、矩形截面试件的高度与截面长的比值h/l，以及矩形截面试件的厚度与边长的比值D/2h。

步骤S3，将矩形截面试件放置于支撑板的中间，使下部的垫条恰好位于矩形截面试件的边长中点，选择高度恰好与试件顶部平齐的左右约束板，利用水平调节螺栓将约束板调节至与矩形截面试件宽度相同，再利用竖直调节螺栓调节升降板的高度，使上部的垫条恰好与矩形截面试件试件的上边中点接触。

步骤S4，开动重力加载装置对矩形截面试件进行加载，控制重力加载装置的加荷速度为每秒0.02～0.05MPa，加载至矩形截面试件破裂停止。

步骤S5，记录矩形截面试件破裂时荷载传感器的读数P为破坏峰值，然后根据公式σ_拉：σ_拉＝k_修2P/πa计算得材料的劈裂抗拉强度σ_拉；a为劈裂面面积，k_修为考虑各种对劈裂强度影响因素的修正系数。

步骤S6，根据公式 计算出材料的粘聚力c、内摩擦角其中，σ_c为无侧限抗压强度，k^*为加载宽度与试件长高比比值对试件实测劈裂强度的综合影响系数，k_应力为劈裂试验试件中心压应力与拉应力之间的修正系数，σ_IDT为试件的劈裂强度。

所述综合影响系数k^*＝k_垫条比k_长高比，其中，k_垫条比为矩形截面试件劈裂试验三角级数迭代解理论计算值采用二次多项式进行拟合而求出，k_垫条比＝1/[-1.1461(a/l)²-0.1132a/l+0.9929]；

k_长高比为实测劈裂强度的修正系数是在二维弹性平面体系内通过对长高比对试件中心处的理论值进行分析得到，具体为

所述修正系数k_应力受k_{应力-垫条比}、k_{应力-长高比}、k_{应力-厚度}三个系数的影响，且k_应力＝3k_{应力-垫条比}k_{应力-长高比}k_{应力-厚度}，根据加载宽度对试件应力分布的影响，提取出试件中心处压应力与拉应力比值之间的关系，试件中心处的应力比值与加载宽度a/l之间成二次曲线关系，k_{应力-垫条比}表达式为：

根据长高比对试件应力分布的影响，提取出试件中心处压应力与拉应力比值之间的关系，试件中心处的应力比值与长高比h/l之间变化关系较为复杂，基本呈指数曲线变化，k_{应力-长高比}的表达式为：k‘_{应力-长高比}＝712.6e^-0.945h/l+2.17e^0.4092h/l；

根据厚度对试件应力分布的影响，提取出试件中心处压应力与拉应力比值之间的关系，试件中心处的应力比值与厚度之间变化关系较为复杂，变化趋势呈整体下降趋势，厚度不同时，应力比值下降速率不同，k_{应力-厚度}的表达式为：

本发明的测试方法可用于现场试验，降低运输过程中对于材料性能的影响；不仅适用于土体及岩石，更适用于胶结稳定土和粒料基层等道路材料。本发明基于基于巴西劈裂试验及弹性力学理论，提出提出了一种矩形截面试件劈裂试验的材料参数测试方法；通过对矩形截面劈裂试验结果采用弹性力学理论进行推倒，进而建立材料的粘聚力(c)、内摩擦角(φ)、抗拉强度(σ拉)等力学参数的成套测试方法。本发明首先给出矩形截面试件劈裂试验用于求解材料弹性模量、泊松比的方法以及结合无侧限抗压强度求解材料内摩擦角和粘聚力的方式，并通过数值模拟试验进行验证，同时借由相关的实验数据，进一步进行分析其在工程应用上的合理性，为土木建筑市场确定材料各参数提供了一种新的思路。本发明方法简单，试验周期短，试验结果离散性小，试验操作简便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置，包括基座(6)，基座(6)两侧设有支撑板(11)，其特征在于，所述基座(6)上设有水平约束调节装置，水平约束调节装置两侧与支撑板(11)活动连接，水平约束调节装置内设有矩形截面试件(7)，矩形截面试件(7)上方设有竖直约束调节装置，竖直约束调节装置与支撑板(11)相连接；所述竖直约束调节装置上设有荷载传感器(2)，荷载传感器(2)上固定设有重力加载装置(3)。

2.根据权利要求1所述的基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置，其特征在于，所述水平约束调节装置包括底板(12)、水平调节螺栓(5)和约束板(9)，底板(12)的中部设有用于支撑矩形截面试件(7)的第二垫条(10)，底板(12)的两侧均活动设有约束板(9)，约束板(9)的外部固定有轴承座，轴承座通过轴承与水平调节螺栓(5)相连接，水平调节螺栓(5)通过螺纹与支撑板(11)相连接。

3.根据权利要求1所述的基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置，其特征在于，所述竖直约束调节装置包括固定板(13)、升降板(4)和竖直调节螺钉(1)，升降板(4)下部设有第一垫条(8)，升降板(4)上固定有轴承座，轴承座通过轴承与竖直调节螺钉(1)相连接，升降板(4)上方设有固定板(13)，固定板(13)两端固定在支撑板(11)上，竖直调节螺钉(1)通过螺纹与固定板(13)相连接；所述荷载传感器(2)设置在升降板(4)上。

4.根据权利要求2所述的基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置，其特征在于，所述底板(12)的两侧设有滑道，约束板(9)设置在滑道内；所述约束板(9)的顶部与矩形截面试件(7)的顶部平齐。

5.根据权利要求1所述的基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置，其特征在于，所述水平约束调节装置的第二垫条(10)和竖直约束调节装置的第一垫条(8)均设置在矩形截面试件(7)中心位置。

6.根据权利要求5所述的基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试装置，其特征在于，所述第一垫条(8)和第二垫条(10)的大小均相同、且均为钢制垫条，第一垫条(8)和第二垫条(10)的形状为三角形。

7.一种基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤S1，将待测试样切割至合适的大小，以能放入测试装置的左右约束板内，测量并记录矩形截面试件的厚度D、截面长l和高度h；

步骤S2，计算出垫条宽度与截面长的比值a/l、矩形截面试件的高度与截面长的比值h/l，以及矩形截面试件的厚度与边长的比值D/2h；

步骤S3，将矩形截面试件放置于约束板的中间，使下部的垫条恰好位于矩形截面试件的边长中点，选择高度恰好与试件顶部平齐的左右约束板，利用水平调节螺栓将约束板调节至与矩形截面试件宽度相同，再利用竖直调节螺栓调节升降板的高度，使上部的垫条恰好与矩形截面试件试件的上边中点接触；

步骤S4，开动重力加载装置对试样进行加载，控制加荷速度为每秒0.02～0.05MPa，加载至矩形截面试件破裂停止；

步骤S5，记录矩形截面试件破裂时荷载传感器的读数P为破坏峰值，然后根据公式σ_拉：σ_拉＝k_修2P/πa计算得材料的劈裂抗拉强度σ_拉；a为劈裂面面积，k_修为考虑各种对劈裂强度影响因素的修正系数；

步骤S6，根据公式 计算出材料的粘聚力c、内摩擦角其中，σ_c为无侧限抗压强度，k^*为加载宽度与试件长高比比值对试件实测劈裂强度的综合影响系数，k_应力为劈裂试验试件中心压应力与拉应力之间的修正系数，σ_IDT为试件的劈裂强度。

8.根据权利要求7所述的基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试方法，其特征在于，所述综合影响系数k^*＝k_垫条比k_长高比，其中，k_垫条比为矩形截面试件劈裂试验三角级数迭代解理论计算值采用二次多项式进行拟合而求出，k_垫条比＝1/[-1.1461(a/l)²-0.1132a/l+0.9929]；

k_长高比为实测劈裂强度的修正系数是在二维弹性平面体系内通过对长高比对试件中心处的理论值进行分析得到，具体为

9.根据权利要求7所述的基于矩形截面劈裂试验的材料参数测试方法，其特征在于，所述修正系数k_应力受k_{应力-垫条比}、k_{应力-长高比}、k_{应力-厚度}三个系数的影响，且k_应力＝3k_{应力-垫条比}k_{应力-长高比}k_{应力-厚度}，根据加载宽度对试件应力分布的影响，提取出试件中心处压应力与拉应力比值之间的关系，试件中心处的应力比值与加载宽度a/l之间成二次曲线关系，k_{应力-垫条比}表达式为：

根据长高比对试件应力分布的影响，提取出试件中心处压应力与拉应力比值之间的关系，试件中心处的应力比值与长高比h/l之间呈指数曲线变化，k_{应力-长高比}的表达式为：k‘_{应力-长高比}＝712.6e^-0.945h/l+2.17e^0.4092h/l；

根据厚度对试件应力分布的影响，提取出试件中心处压应力与拉应力比值之间的关系，试件中心处的应力比值与厚度之间变化趋势呈整体下降趋势，厚度不同时，应力比值下降速率不同，k_{应力-厚度}的表达式为：