CN115950729A - 黏性土单轴拉伸、制样一体化装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置及使用方法，装置包括至少两根平行设置的横向支撑杆，横向支撑杆的两端与对应的纵向支撑板固定连接；拉伸模具的一端与纵向支撑板可拆卸刚性连接，测力平台固定在运动支座上，测力平台上安装有数显拉力计，数显拉力计的测力端与拉伸模具另一端可拆卸刚性连接；数显调速电机带动螺纹传动杆转动，带动运动支座沿横向支撑杆轴向移动；数显千分表的测杆顶部抵住数显拉力计的底部，监测试样位移变化情况。本发明能够调节加载速率，同时获得试样的轴向力与轴向位移变化情况，更精细、全面，提高了准确性；拉伸模具可拆卸，兼顾了灵活安装和测试结果的可靠性，使用范围更广。

Description

黏性土单轴拉伸、制样一体化装置及使用方法

技术领域

本发明属于土工试验设备技术领域，涉及一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置及使用方法。

背景技术

岩土体的力学特性在岩土工程的设计与防护中至关重要，岩土体的力学特性通常包含抗剪强度、抗压强度与抗拉强度等多个方面，但由于黏性土的抗拉强度远小于抗剪强度，实际工程中主要考虑黏性土的抗剪与抗压强度特性，黏性土的抗拉强度特性通常被忽略。但实际工程中许多土工建筑物的破坏，如高速公路边坡开裂与黏性土的抗拉特性有关，自然环境中边坡浅层黏性土经过干湿交替易发生不同程度的开裂，裂隙的存在会破坏土体整体结构性，张拉裂缝会大幅减小边坡滑动面的阻力，并且由于裂隙的存在雨水更容易入渗至边坡内部，使边坡自重应力增加，进而导致边坡失稳。因此，研究黏性土的抗拉强度特性具有重要意义。

目前，已有研究已经针对黏性土抗拉强度特性开展了相关研究，主要通过直接法和间接法两类测试方法。其中，间接法是通过理论将试样破坏时承受的压应力转换为拉应力作为抗拉强度，主要有土梁弯曲法、径向压裂法与巴西劈裂法等，但由于理论计算存在部分假设，最终结果与实际情况仍存在偏差。直接法是在试样两端施加拉力直至试样发生张拉破坏，主要有单轴拉伸法、三轴拉伸法等，但直接法测试尚无具体的规程可参照，现有研究中多用自制仪器进行测试，试验设备通常较为简单，主要存在以下问题：

1.高速公路边坡浅层黏性土裂隙多数沿坡面方向发育，不受土体自身重力及外力作用，而现有仪器通常采用竖向拉伸的方式，测试过程中试样自重与拉拔力处于同一方向，与土体实际受力情况不符，且重力会对土体抗拉强度测试结果存在干扰，难以反映土体真实的抗拉强度特性。

2.自然环境中黏性土的饱和程度存在差异，不同饱和程度下土体的强度与变形特性也会发生显著增加变化，仅研究单一饱和程度土体的抗拉强度特性应用较为局限。随黏性土饱和程度增加，土体软化程度大幅升高，制样、脱模与装样过程极为困难，采用非饱和装置存在耗时长、成本高、操作难等缺点，现有仪器难以直接测试不同饱和程度黏性土的抗拉强度特性。

3.边坡工程中通常采用生态防护稳固边坡浅层土体，此时浅层土体与根系相互作用，素土抗拉强度特性、根-土复合体抗拉强度特性及单根抗拉强度特性均会对边坡整体稳定性造成影响，不同条件下土体及根系的抗拉强度特性均有必要开展测试，现有仪器通常只能测试单一条件下材料的抗拉强度特性，难以测试多种尺寸、工况及初始条件下材料的抗拉强度特性。

综上所述，为便于探究边坡浅层黏性土抗拉强度特性，从而在边坡设计、施工与防护中提供理论指导，研发一种可消除重力影响，贴合土体实际受力情况，对试样扰动程度小，可考虑多种饱和情况、试样尺寸与形状的黏性土单轴拉伸、制样一体化装置十分必要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置，能够调节加载速率，同时获得试样的轴向力与轴向位移变化情况，更精细、全面，提高了准确性；拉伸模具可拆卸，兼顾了灵活安装和测试结果的可靠性，使用范围更广。

本发明的另一目的是，提供一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法。

本发明所采用的技术方案是，一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置，包括至少两根平行设置的横向支撑杆，横向支撑杆的两端与对应的纵向支撑板固定连接；

拉伸平台与所述横向支撑杆固定连接，拉伸平台上安装有能相对拉伸平台滑动的拉伸模具，拉伸模具的一端与纵向支撑板可拆卸刚性连接；

测力平台固定在运动支座上，运动支座与所述横向支撑杆滑动连接，测力平台上安装有数显拉力计，数显拉力计的测力端与拉伸模具另一端可拆卸刚性连接；

数显调速电机带动螺纹传动杆转动，螺纹传动杆贯穿对应的所述纵向支撑板，然后与所述运动支座螺纹连接，带动运动支座沿横向支撑杆轴向移动；

数显千分表的测杆顶部抵住所述数显拉力计的底部，测试过程中数显拉力计移动使测杆伸缩从而监测试样位移变化情况。

进一步的，还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括计算机，数显拉力计、数显千分表和数显调速电机均通过数据传输线与多线程控制器连接，多线程控制器与计算机连接，用于调节加载速率、轴力监测频率和位移监测频率，并实时记录轴力与位移数据，得到待测试样的单轴抗拉特性。

进一步的，所述拉伸模具由两块相同规格的凸形模具组成，两个凸形模具通过可拆卸的连接件连接成整体，拉伸模具为哑铃型。

进一步的，所述拉伸平台上设有两条凹槽，用于放置滚珠，拉伸模具置于滚珠上方，使得拉伸模具能够相对拉伸平台滑动。

进一步的，所述拉伸模具的两端均设有圆环，拉伸模具一端的圆环与固定式挂钩可拆卸连接，固定式挂钩螺栓连接在端部的纵向支撑板上；拉伸模具另一端的圆环与可更换式挂钩可拆卸连接，可更换式挂钩与数显拉力计的测力端螺纹连接。

进一步的，所述固定式挂钩、可更换式挂钩分别与拉伸模具的接触段为下沉式的“G”型挂钩，“G”型挂钩与拉伸模具的圆环接触的端面为弧形，“G”型挂钩的弧形端面与圆环的圆弧形内壁相切；“G”型挂钩的弧形端面的中心位置与数显拉力计的测力端处于同一水平高度；所述拉伸模具、数显拉力计同轴线。

一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤S1、试样制作：卸下拉伸模具，组成拉伸模具的两个凸形模具之间通过连接件进行连接，在拉伸模具底部放置能完全覆盖拉伸模具的多孔不锈钢板，向拉伸模具内部装填已配制含水率的湿土，在拉伸模具上方放置同等规格的多孔不锈钢板，压实得到预设含水率的压实试样，即待测试样；

步骤S2、试样安装：在拉伸模具底部通过螺栓安装两块完整不锈钢板，安装于拉伸平台上，拉伸模具的一端与纵向支撑板可拆卸刚性连接，解除两个凸形模具之间的连接件；

步骤S3、设备准备：控制数显调速电机以2.0~5.0 mm/min的速率正向转动，带动螺纹传动杆转动，通过螺纹传动使得运动支座带动数显拉力计向靠近拉伸模具的方向移动，直至移动至合适位置，使得拉伸模具的另一端能够与数显拉力计的测力端可拆卸刚性连接；对数显拉力计与数显千分表进行调零；

步骤S4、单轴拉伸：控制数显调速电机以设定的速率反向转动，带动数显拉力计向远离拉伸模具的方向移动，记录该过程数显拉力计与数显千分表的示数，当拉力出现峰值且试样已明显断裂时，再持续拉伸3~5 min，拉力稳定后数显拉力计停止移动；

步骤S5、设备复位：取下拉伸模具，控制数显调速电机正向转动，数显千分表读数为0时，设备复位；

步骤S6、数据处理：测量试样拉伸断面的面积，结合实时记录的轴力和位移数据，计算对应的拉应力与应变，绘制待测试样拉伸过程的拉应力-应变曲线，得到峰值应力作为待测试样的抗拉强度。

进一步的，所述步骤S1还包括按照以下步骤对待测试样进行饱和：在拉伸模具中试样顶面和底面均放置滤纸，再分别安装多孔不锈钢板，随后将安装好多孔不锈钢板的拉伸模具放入真空饱和桶内，抽真空饱和24~72 h得到饱和的待测试样；

将多孔不锈钢板与滤纸去除，重复步骤S2~S6测试饱和的待测试样的抗拉拔特性参数。

进一步的，所述步骤S1中，拉伸模具更换为方形的根土复合体模具，量取待测单根的直径，按试验要求配置所需含水率的湿土，根土复合体模具一侧有一道可供根系伸出的凹槽，制样时先装一半湿土进行压实，再放入待测单根，待测单根一部分置于土体中，另一部分从凹槽伸出，再装入剩余湿土进行压实，得到含单根的待测试样；待测单根伸出根土复合体模具的一端被根系夹具夹持；所述根系夹具包括两个开口相对的C型夹片，两个C型夹片的左端为加持端，加持端面上设有橡胶垫，两个C型夹片右端通过凸面与凹面进行配合，未连接；一个C型夹片上设有通孔，螺栓贯穿通孔，与另一C型夹片螺纹连接，两个C型夹片之间的螺杆外部套设有弹簧，弹簧两端分别与对应的C型夹片连接；拧动螺栓能够使两个C型夹片相互靠近或远离；根系夹具的非夹持端焊接有圆环，圆环通过可更换式挂钩与数显拉力计的测力端可拆卸刚性连接，根土复合体模具远离根系夹具的一端与纵向支撑板可拆卸刚性连接；

进行步骤S3~S6，用于测试不同工况下根-土间的抗拉拔特性参数。

进一步的，所述步骤S1中，拉伸模具更换为两个根系夹具，两个根系夹具分别夹持单根的一端，一个根系夹具与固定式挂钩连接，另一个根系夹具与数显拉力计连接；

进行步骤S3~S6，用于测试单根的抗拉拔特性参数。

本发明的有益效果是：

（1）本发明实施例采用卧式拉伸的方式进行抗拉强度测试，测试过程中重力与拉拔力互不干扰，同时通过滚珠减小水平摩擦力，尽可能还原天然环境状态土体的受力条件，解决了现有仪器在测试土体抗拉强度时受重力因素干扰的问题；实现不同速率、变速率以及不同加载方式（如应力控制、应变控制等）的测试需求。

（2）本发明实施例拉伸模具可拆卸，安装灵活，同时测试结果可靠性高；压样完成后加装完整不锈钢板即可直接安装进行单轴拉伸试验，而加装多孔不锈钢板可形成饱和器对试样进行真空饱和，进而研究不同饱和程度下土体的抗拉强度特性，解决了现有仪器脱模、装样扰动大，以及难以对抗拉试样进行饱和的问题；在保持试样形状的基础上对试样进行预处理，如烘干、饱和、固结等，满足更多条件下抗拉测试。

（3）本发明实施例采用机械式夹具固定根系可直接测定单根抗拉强度特性，更换方形模具后可测定根-土复合体抗拉强度特性，进而探讨不同条件下土体及根系的抗拉强度特性，解决了现有仪器难以测试多种尺寸、工况及初始条件下材料的抗拉强度特性的问题。

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为本发明实施例的黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的局部结构示意图。

图3为本发明实施例的试样拉伸模具示意图。

图4为本发明实施例的试样拉伸模具多孔不锈钢板安装示意图。

图5为本发明实施例的试样拉伸模具完整不锈钢板安装示意图。

图6为本发明实施例的根土复合体拉伸模具安装示意图。

图7为本发明实施例的单根拉伸模具安装示意图。

图8a为本发明实施例中下沉式的“G”型挂钩的俯视图。

图8b为本发明实施例中下沉式的“G”型挂钩的正视图。

图8c为本发明实施例中下沉式的“G”型挂钩的立体图。

图9为本发明实施例中“G”型挂钩与拉伸模具处于同一中心轴线的装配示意图。

图10为本发明实施例拉伸模具可拆卸式连接和现有拉伸模具固定式连接装置的测试结果对比。

图中，1、支撑框架；2、试样安装平台；3、轴力监测系统；4、位移监测系统；5、加载系统；6、数据采集系统；7、纵向支撑板；8、横向支撑杆；9、螺纹传动杆；10、固定支座；11、运动支座；12、拉伸平台；13、测力平台；14、滚珠；15、拉伸模具；16、固定式挂钩；17、数显拉力计；18、可更换式挂钩；19、数显千分表；20、固定卡环；21、动力连接杆；22、数显调速电机；23、数据传输线；24、多线程控制器；25、计算机；26、待测试样；27、连接件；28、完整不锈钢板；29、多孔不锈钢板；30、根系夹具；31、根土复合体模具；32、待测单根。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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做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。

实施例1，

本发明实施例提供一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置，如图1所示，包括支撑框架1、试样安装平台2、轴力监测系统3、位移监测系统4、加载系统5与数据采集系统6；支撑框架1置于水平试验平台，用于支撑与固定试样安装平台2、轴力监测系统3和位移监测系统4；试样安装平台2固定在支撑框架1上，为拉伸试样提供安装平台与试验空间；轴力监测系统3同时连接试样安装平台2、位移监测系统4与加载系统5，用以实时监测试验过程中试样的轴向拉伸力；位移监测系统4固定在支撑框架1上，用以实时监测试验过程中试样的轴向位移；加载系统5穿过支撑框架1与轴力监测系统3连接，提供不同大小的加载力，用以不同加载速率下试样单轴拉伸试验的开展；数据采集系统6同时连接轴力监测系统3、位移监测系统4和加载系统5，可控制加载系统5来调节加载速率，并实时记录试验过程中试样的轴向力与轴向位移，通过计算直接得到试样单轴拉伸过程中的拉应力-应变曲线与抗拉强度等特征。

如图2所示，支撑框架1包括纵向支撑板7、横向支撑杆8、固定支座10和运动支座11，两根横向支撑杆8依次穿过三块纵向支撑板7，固定支座10与横向支撑杆8刚性连接，运动支座11上有三个贯通圆孔，两根横向支撑杆8穿过两端圆孔，留有一定孔隙可供运动支座11移动，中间圆孔与加载系统连接。

试样安装平台2包括拉伸平台12、滚珠14、拉伸模具15和固定式挂钩16，拉伸平台12焊接在支撑框架1端部的固定支座10上，拉伸平台12不可移动，拉伸平台12上刻有两条凹槽，用于放置滚珠14，拉伸模具15置于滚珠14上方，拉伸模具15两端均设有圆环，一端圆环与固定式挂钩16连接，固定式挂钩16螺栓连接在端部的纵向支撑板7上，另一端圆环与轴力监测系统3连接。

拉伸模具15材料选用铝，质量轻、硬度高、稳定性好，配合滚珠14，减小拉伸过程的摩擦力，提高试验结果准确性。

轴力监测系统3包括测力平台13、数显拉力计17和可更换式挂钩18，测力平台13焊接在运动支座11上，数显拉力计17通过螺栓连接固定在测力平台13上，加载系统5可通过控制运动支座11移动，使数显拉力计17移动，数显拉力计17的测力端与可更换式挂钩18螺栓连接，可更换式挂钩18与拉伸模具15端部圆环连接。

拉伸模具15两侧均采用挂钩式连接，使试样安装过程更为简单，试样免受脱模、安装过程的扰动，同时在拉伸过程中连接紧密，提高测得材料的抗拉强度特性的准确性。

位移监测系统4包括数显千分表19和固定卡环20，数显千分表19通过两个固定卡环20固定在纵向支撑板7上，数显千分表19的测杆顶部抵住数显拉力计17的底部，测试过程中数显拉力计17运动使测杆伸缩从而监测试样位移变化情况。

加载系统5包括螺纹传动杆9、动力连接杆21与数显调速电机22，螺纹传动杆9穿过三块纵向支撑板7和运动支座11，螺纹传动杆9与三块纵向支撑板7通过轴承连接，实现低摩擦转动，螺纹传动杆9转动过程不对纵向支撑板7造成影响，螺纹传动杆9发生转动，而纵向支撑板7无位移；螺纹传动杆9与运动支座11通过螺纹连接，螺纹传动杆9转动使运动支座11沿螺纹传动杆9的轴向产生位移，正向转动与逆向转动将使运动支座11运动方向相反。数显调速电机22通过动力连接杆21与螺纹传动杆9连接，数显调速电机22以不同转速运转可带动螺纹传动杆9以不同速率旋转，实现数显拉力计17在不同速率下水平移动。针对不同材料、不同工况下试样的拉伸速率有区别，采用数显调速电机22可以满足拉伸的不同速率，并且拉伸速率不同所测得的抗拉特性会有所差异，应根据材料、工况进行调节，或实际测试不同速率对试样抗拉特性的影响。此外，通过螺纹传动杆9连接，使数显调速电机22远离拉伸模具15，减小数显调速电机22运行期间震动等因素对试样的扰动，尽可能减小装置对试样带来的额外影响。

如图1-2所示，数据采集系统6包括数据传输线23、多线程控制器24与计算机25，数显拉力计17、数显千分表19和数显调速电机22均通过数据传输线23与多线程控制器24连接，而计算机25直接与多线程控制器24连接，从而调节加载速率、轴力监测频率和位移监测频率，并实时记录轴力与位移数据，得到待测试样26的单轴抗拉特性。

由于拉伸过程中材料断裂的时间较短，整体拉伸试验进展较快，同步测试拉力、位移十分关键，同时低速率进行拉伸也可使该过程更易被观察到。数显拉力计17与数显千分表19均可实现固定频率计数，所得测试数据均会记录当前时间，通过计算机25连接多线程控制器24，同时控制数显拉力计17、数显千分表19和数显调速电机22，便可通过计算机25控制数显调速电机22实现设置拉伸速率、控制拉伸测试的启停等功能，实现拉力、位移读取同步启停，同步控制拉力和位移采集，测试数据一一对应，可以准确、同步地获取材料断裂过程的关键数据，大幅优化数据处理的步骤。

同时，通过计算机控制数显调速电机22，可精准调节拉伸速率，针对不同材料进行不同速率、变速率拉伸，避免速率不均匀等因素对试验结果的影响，可完成不同实际环境、不同工况下材料的抗拉性能测试。

如图3所示，拉伸模具15可通过连接件27将其连接成一个整体，在制样前需安装连接件27，避免模具错动对影响试样成型或对待测试样26造成扰动。

如图4所示，如试样需要饱和，则在制样完成后不拆除连接件27，并在拉伸模具15上方和下方通过螺栓共安装4块多孔不锈钢板29，拉伸模具15与多孔不锈钢板29之间放置滤纸避免多孔不锈钢板29对待测试样26造成损伤。

如图5所示，在进行单轴拉伸测试前，则需将连接件27与多孔不锈钢板29去除，使拉伸模具15可以分开，并在拉伸模具15下方安装2块完整不锈钢板28，使拉伸模具15与滚珠14具有良好接触，尽可能减小摩擦力对试验的影响，随后开展试验获取待测试样26的单轴抗拉特性。

单轴拉伸试验需要沿试样的中心轴线施加荷载，尽可能防止试样出现偏心受拉或受弯，影响试验结果的准确性和可重复性。荷载应确保轴向施加，使试样断面上产生均匀拉应力，沿试样长度方向存在应力均匀分布段，并且断裂出现在均匀应力段的概率较高，所测得的抗拉强度可靠性更高。现有技术中拉伸模具15分别与固定板和加载端连接，一方面固定模具后可以保证荷载沿试样中心轴线施加，防止试样出现偏心受拉；另一方面模具固定后不可转动，试样始终保持水平放置，防止试样出现偏心受弯，避免试样在变截面处或切口处出现应力集中，断裂不发生在应力均匀段，使拉伸试验结果出现偏差且影响试验结果的可重复性。

本发明实施例中拉伸模具15、纵向支撑板7、数显拉力计17为三个部分，常规的挂钩可拆卸连接，常采用线接触或多点式接触，装置的力传导可能出现不均匀的情况，难以满足单轴抗拉装置需要沿试样的中心轴线施加荷载的要求，同时接触方式为线接触或多点式接触时难以确保每次使用的接触点保持一致，容易导致试样出现偏心受力情况，容易存在扭转、损坏试样。为了实现沿试样中心轴线施加荷载，如图8a-8c所示，固定式挂钩16、可更换式挂钩18分别与拉伸模具15的接触段采用下沉式的“G”型挂钩，“G”型挂钩与拉伸模具15的圆环接触的端面为弧形，“G”型挂钩的弧形端面与圆环的圆弧形内壁相切，为点接触，保证挂钩与圆环接触处不发生滑动，能够实现拉力的稳定传导；“G”型挂钩的弧形端面的轴心位置与纵向支撑板7、数显拉力计17连接处的轴心位置高度相同，二者中心轴线与拉伸模具15中心轴线保持一致，见图9，避免拉伸过程中试样出现偏心受拉；为了避免试样在拉伸过程中出现偏心受弯，需要保证拉伸模具15不发生扭转，始终保持水平状态，故将拉伸模具15置于固定的拉伸平台12上，而为减小拉伸过程中拉伸模具15与拉伸平台12之间的摩擦力，在拉伸平台12的凹槽内设有滚珠14用于减小摩擦力。

拉伸模具15的圆环高度为10mm，内环半径为5mm，“G”型挂钩的直径为1~3mm（实施例中为2mm），“G”型挂钩的弧形端面为圆弧形；置于圆环内部的“G”型挂钩弯折段长度为4~8mm（实施例中为6mm），下沉段长度为12~18mm（实施例中为15mm），下沉高度为6~9mm（实施例中为8mm）；确保“G”型挂钩与拉伸模具15的圆环仅有弧形端面与圆环内壁单点接触，避免“G”型挂钩其余部位与圆环接触，影响拉力沿试样的中心轴线进行稳定传导。如“G”型挂钩的直径及端面弧形直径过大，可能导致弯钩侧面与圆环内壁接触，且严重限制弯折段长度，增大挂钩与拉伸模具15圆环的安装难度；“G”型挂钩的弯钩直径及端面弧形直径过小则可能导致弯钩的整体强度和刚度下降，易出现弯折、变形的情况，难以始终保持水平，影响拉力传导。“G”型挂钩下沉高度过大则可能使“G”型挂钩与拉伸平台12接触，增大拉伸过程的摩擦力，使拉力测试结果偏小；“G”型挂钩下沉高度过小则可能使挂钩与圆环底部接触，影响试样的破坏形式，干扰测试结果。

本发明实施例在保证拉伸模具15可拆卸连接的同时，受力稳定，拉力沿试样的中心轴线进行传导，试验结果准确性更高。为验证本发明实施例的可拆卸式连接在拉力测试中能保持拉力沿试样的中心轴线进行稳定传导，同时采用固定式连接和本发明实施例的可拆卸式连接两种装置对干密度为1.50g/cm³，含水率为15.5% 的红黏土压实试样开展测试，对比拉力随时间的变化情况。测试结果如图10所示，固定式连接和本发明实施例可拆卸式连接装置在加载初期拉力变化基本一致，随后固定式连接装置先出现拉力快速增长的现象，可拆卸连接装置稍后出现拉力快速增长的现象，达到峰值后拉力先快速下降，后缓慢下降至拉力趋于平稳。两种连接方式的装置呈现出大致相同的拉力变化曲线，峰值也较为接近，部分小的差异主要由试样的差异性造成。根据试验结果可以说明，本发明实施例采用的可拆卸连接在测试中拉力传导稳定，能够用于开展单轴拉伸测试。

抗拉强度特性通常与土体开裂特性相关，开裂主要集中在土体浅层，而自然环境中浅层土体多处于饱和状态。现有技术中多采用制样-脱模-装样的方式进行土体抗拉特性测试，但饱和后土体软化，易变形和扰动，无法采用制样-脱模-装样的方式进行测试。也有部分技术通过在拉伸装置中直接制样的方式来进行抗拉特性测试，可以避免脱模、装样过程对试样的扰动。但是饱和试样的过程通常需要一定的时间，且需要维持试样的形状不发生明显改变，在此条件下使土体孔隙被水充满，现有技术在该方面难以实现，且现有饱和装置也难以对异形试样进行饱和处理。

部分待测试样（饱和黏土）的抗拉强度低，在轻微扰动下可能就会发生断裂，测试难度较高；本发明实施例的拉伸模具15为可拆卸式，一方面可以与多孔不锈钢板29进行组合形成特定的饱和装置，从而对土体进行饱和，测试饱和土体的抗拉特性；另一方面考虑到试样可能需要进行预处理，如饱和、干燥、干湿循环与冻融循环等，可制作多个拉伸模具15，在拉伸模具15内对试样进行预处理，再对预处理后的试样进行拉伸测试，如此可减小脱模、装样等操作对试样的扰动，同时大幅节约对试样预处理的时间。还可在保持试样形状的基础上对试样进行饱和处理，且饱和过程中水分主要从上表面向下表面入渗，贴合自然条件下雨水入渗情况。此外，自然环境中土体存在根系，根系对土体具有锚固的作用，可以有效提升土体的强度，而根土复合体的张拉破坏可能出现根系断裂、根系被拔出以及根土复合体共同断裂三种情形，现有技术无法对根土复合体进行有效、全面的拉伸测试。

在实际测试中，需要研究不同环境下材料的抗拉强度特性，此时需要对试样进行相应的预处理，而预处理可能使材料发生相应的变形，倘若不控制材料的变形，材料与模具的尺寸和形状将不匹配，难以进行测试，同时实际测试中材料发生变形将难以分析预处理中相应因素对抗拉强度特性的影响，会引入材料变形因素的干扰，难以得到客观、真实、有效的规律和结论。如现有研究中测试土体的抗拉强度特性会考虑土体的干密度、含水率或者环境的温度对其的影响，此时能保持试样形状的预处理方式便尤为重要，由于抗拉试样的形状不如圆形、方形规则，在预处理过程中更难控制试样形状，所以本发明采用可拆卸式的拉伸模具15，使试样在模具内进行预处理，在不同环境中控制试样形状不发生改变，同时增加外界因素（温度、湿度、压力等）的影响，从而得到外界因素（温度、湿度、压力等）对土体抗拉强度特性的影响规律，用以指导工程实际中土体在不同环境下的抗拉性能变化。

本发明实施例拉伸模具15尺寸为：单个凹形模具的长度65mm，宽度50mm，高度20mm，模具壁厚5mm，顶面螺孔为M2贯通螺孔，侧面螺孔为深度7mm的M4螺孔，圆环直径10mm，厚度3mm，具体尺寸可根据实际需求进行调整；连接件27尺寸为长度40mm，宽度16mm，厚度2mm，设置有两个直径为4mm的贯通圆孔，两孔圆心距为21mm；滚珠14为直径5mm的小钢珠；完整不锈钢板28长度为65mm，宽度60mm，厚度1mm，对应位置设置有3个直径2mm的圆孔用以连接螺栓；多孔不锈钢板29长度为65mm，宽度60mm，厚度1mm，全板均匀分布有孔径1mm孔中心距2mm的贯通圆孔，并在对应位置设置有3个直径2mm的圆孔用以连接螺栓；待测试样26的尺寸为长度120mm，宽度50mm，厚度2mm，中部拉伸区域长度30mm，宽度20mm，厚度2mm；数显拉力计17测力范围为0~10kgf（100N），精度为0.01kgf（0.01N），数据采集频率可通过计算机25进行调节，数显拉力计17采用螺栓连接在测力平台13上，可根据实际需求选取合适范围与精度的拉力计；数显千分表19测量范围为0~25.4mm，精度为0.001mm，数据采集频率可通过计算机25进行调节，数显千分表19采用固定卡环20连接在纵向支撑板7上，可根据实际需求选取合适范围与精度的千分表；数显调速电机22最大输出功率为15W，频率为50Hz，调速范围为0.5~467r/min，数显调速电机22通过螺纹传动杆9与运动支座11连接，可根据实际需求选取合适转速与功率的电机。

本实施例的数显拉力计17可选用深测智能（深圳）有限公司生产的SC-100N型数显式推拉力计；数显千分表19可选用德清盛泰芯电子科技有限公司生产的SYNTEK0-25.4mm自采型千分表；数显调速电机22可选用厦门市精研集团生产的70YT15GV11型调速电机及减速箱，多线程控制器24可选用深圳市米兰特科技有限公司生产的MLT16-SDAQ系列多通道同步数据采集系统。

实施例2，

一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法，参考图1-5，按照以下步骤进行：

步骤S1、试样制作：拉伸模具15由两块相同规格的凸形模具组成，两个凸形模具之间通过螺丝和连接件27进行连接。制样时将安装连接件27与螺丝，使两个凸形模具紧密连接形成一个整体，在拉伸模具15底部放置一块能完全覆盖模具的多孔不锈钢板29，然后在拉伸模具15上方放置一个同等规格的多孔不锈钢板29，向拉伸模具15内部装填已配制含水率的湿土，在湿土上方放置匹配的压头，并将整体置于压力机中进行压实得到预设含水率的压实试样。

步骤S2、试样安装：在拉伸模具15底部通过螺栓安装两块完整不锈钢板28，随后将装有底板的拉伸模具15放置在拉伸平台12的滚珠14上方，再将模具一端的圆环与固定式挂钩16连接，再将连接两个凸形模具的螺丝与连接件27去除；

步骤S3、设备准备：将数显拉力计17、数显千分表19、数显调速电机22、多线程控制器24和计算机25的电源打开，通过计算机25控制数显调速电机22以缓慢（2.0~5.0 mm/min）的速率向靠近拉伸模具15的方向移动数显拉力计，使其前端的可更换式挂钩18能与拉伸模具15另一端的圆环连接时停止移动并进行连接，随后对数显拉力计17与数显千分表19调零，再通过计算机25控制以缓慢的速率向远离拉伸模具15的方向移动数显拉力计17，观察数显拉力计17的读数，当读数增长至0.005N时停止移动，再次对数显拉力计17与数显千分表19调零；

步骤S4、单轴拉伸：通过计算机25设定加载速率并开始试验，使数显拉力计17按照设定的加载速率向远离拉伸模具15的方向移动，记录该过程数显拉力计17与数显千分表19的示数，当拉力出现峰值且试样已明显断裂（断裂间距大于5mm）时再持续拉伸3~5 min，拉力稳定后停止移动；

步骤S5、设备复位：取下拉伸模具15，调节数显调速电机22，使数显拉力计17向靠近拉伸模具15的方向移动，当数显千分表19读数为0时停止移动；

步骤S6、数据处理：使用钢尺量测和图像识别的方式共同测量试样拉伸断面的面积，再结合计算机25实时记录的轴力和位移数据，计算对应的拉应力与应变，再绘制待测试样26拉伸过程的拉应力-应变曲线，得到峰值应力作为待测试样26的抗拉强度，以此来评判此条件下待测试样26的抗拉能力。

实施例3，

另一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法，用于测试饱和黏性土的抗拉拔特性参数，参考图1-5，按照以下步骤进行：

步骤1、进行步骤S1试样制作后按照下述方法对待测试样26进行饱和：在拉伸模具15中试样顶面和底面均放置滤纸，再分别安装多孔不锈钢板29，随后将安装好多孔不锈钢板29的拉伸模具15放入真空饱和桶内，抽真空饱和24~72 h得到饱和待测试样；

步骤2、将多孔不锈钢板与滤纸去除，随后重复步骤S2~S6可测试饱和待测试样的抗拉拔特性参数，改变饱和时间即可得到不同饱和程度的待测试样，进而测试不同饱和程度下待测试样的抗拉拔特性参数。

实施例4，

另一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法，用于测试根-土间抗拉拔特性参数，参考图1-6，按照以下步骤进行：

步骤1、按照下述方法制备含单根的试样：通过游标卡尺量取待测单根32的直径，按试验方案要求配置所需含水率的湿土，采用方形的根土复合体模具31，根土复合体模具31一侧有一道可供根系伸出的凹槽，制样时先装一半湿土进行压实，再放入待测单根32，单根一部分置于土体中，另一部分从凹槽伸出，再装入剩余湿土进行压实，得到含单根的待测试样；

步骤2、含单根试样的测试需将可更换式挂钩18换成根系夹具30用以单根夹持，其余步骤与步骤S2~S6相同，可测试不同工况下根-土间的抗拉拔特性参数。

如图6所示，根系夹具30包括两个开口相对的C型夹片，两个C型夹片的左端为加持端，加持端面上设有橡胶垫，两个C型夹片右端通过凸面与凹面进行配合，未进行连接；一个C型夹片上设有通孔，螺栓贯穿通孔，与另一C型夹片螺纹连接，两个C型夹片之间的螺杆外部套设有弹簧，弹簧两端分别与对应的C型夹片连接；拧动螺栓可使两个C型夹片相互靠近或远离，能够对夹持力进行细微的调节，配合加持端面的橡胶垫控制根系的夹持力度，在牢固夹持的同时减小对根系的损伤。如果U型结构依靠钢材的弹性变形实现物体夹持，此时夹持力度难以控制，容易对根系造成损伤或使根系发生滑动。根系夹具30的非夹持端焊接有一个圆环，圆环与可更换式挂钩18的一端连接，可更换式挂钩18的另一端与数显拉力计17螺栓连接，从而实现拉力传导。

实施例5，

另一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法，用于测试单根的抗拉拔特性参数，参考图1-7，按照以下步骤进行：

步骤1、采用两个根系夹具30，一个与固定式挂钩16连接，另一个替换可更换式挂钩18连接在数显拉力计17上，两个根系夹具分别夹持单根的一端；

步骤2、进行步骤S3~S6可测试单根的抗拉拔特性参数。

本领域开展根土复合体抗拉强度测试采用的模具各不相同，根土复合体拉伸测试可能出现根系从土体中拔出或根系被拉断等情况，在相关领域中具有重要意义。原状试样则是直接在野外切取含根系的土体，且有露出土表的根系，然后一端固定含根系土体、一端固定露出土表的根系从而实现单轴拉伸。原状试样由于根系分布较为随机且土体性质差异较大，在单轴拉伸测试中难以获取根土间的相互作用，故在研究中多采用重塑试样进行测试；根土复合体模具31主要用于测试单根置于土体中央时的抗拉性能。

本发明实施例采用可更换式夹具，夹具可选取多种，从而测试多种条件下材料的抗拉特性，如两端均采用根系夹具可测试单根或根系的抗拉特性，一端采用根系夹具另一端采用根-土复合体模具可测试根-土复合体的抗拉特性或根土间的抗拉特性，针对不同需求可个性化调整，针对不同条件、不同材料进行抗拉特性的测试。

本发明实施例提出不同的模具连接方式与夹具连接方式，可针对不同工况下不同材料进行个性化匹配，使用范围更广。例如，本申请通过根土复合体模具与根系夹具针对根土复合体的不同破坏形式进行有效测试，获取单一根系的抗拉强度特性与根系拔出的拉拔力，并结合可拆卸式模具获取根土复合体的抗拉强度特性，从而阐明根-土间的相互作用机制，为实际工程提供指导。土体、水泥等胶结性材料，可采用拉伸模具15压实塑形后进行测试；根系、尼龙绳等线型材料可采用根系夹具30夹持后进行测试；胶结性材料与线型材料结合则可采用拉伸模具15与根系夹具30共同使用进行测试，其他材料根据需要仅需更换相应的模具和夹具便可进行单轴拉伸测试。实际工程中土体存在的条件有所差异，由此引起的张拉应力也各不相同，在试验中便体现在拉伸速率的差异，现有技术多采用固定速率或手动调节速率的方式，尚未考虑变速率下的拉伸测试，同时拉伸速率的均匀性难以保证。本发明实施例采用数显拉力计、数显千分表、数显调速电机、多线程控制器以及计算机协同控制，实现不同速率、变速率以及不同加载方式（如应力控制、应变控制等）的测试需求，针对土体抗拉特性的测试更为精细和全面。

综上，本发明实施例与现有技术相比，从多角度提升了抗拉装置的测试范围和测试效率，并且所获取的数据更精细，通过计算机可快速、便捷的得到全过程的应力-应变的变化情况，更能满足当前对抗拉测试的需求，同时提供了更多测试范围的研究思路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置，其特征在于，包括至少两根平行设置的横向支撑杆（8），横向支撑杆（8）的两端与对应的纵向支撑板（7）固定连接；

拉伸平台（12）与所述横向支撑杆（8）固定连接，拉伸平台（12）上安装有能相对拉伸平台（12）滑动的拉伸模具（15），拉伸模具（15）的一端与纵向支撑板（7）可拆卸刚性连接；

测力平台（13）固定在运动支座（11）上，运动支座（11）与所述横向支撑杆（8）滑动连接，测力平台（13）上安装有数显拉力计（17），数显拉力计（17）的测力端与拉伸模具（15）另一端可拆卸刚性连接；

数显调速电机（22）带动螺纹传动杆（9）转动，螺纹传动杆（9）贯穿对应的所述纵向支撑板（7），然后与所述运动支座（11）螺纹连接，带动运动支座（11）沿横向支撑杆（8）轴向移动；

数显千分表（19）的测杆顶部抵住所述数显拉力计（17）的底部，测试过程中数显拉力计（17）移动使测杆伸缩从而监测试样位移变化情况。

2.根据权利要求1所述一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置，其特征在于，还包括数据采集系统（6），所述数据采集系统（6）包括计算机（25），数显拉力计（17）、数显千分表（19）和数显调速电机（22）均通过数据传输线（23）与多线程控制器（24）连接，多线程控制器（24）与计算机（25）连接，用于调节加载速率、轴力监测频率和位移监测频率，并实时记录轴力与位移数据，得到待测试样（26）的单轴抗拉特性。

3.根据权利要求1所述一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置，其特征在于，所述拉伸模具（15）由两块相同规格的凸形模具组成，两个凸形模具通过可拆卸的连接件（27）连接成整体，拉伸模具（15）为哑铃型。

4.根据权利要求1所述一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置，其特征在于，所述拉伸平台（12）上设有两条凹槽，用于放置滚珠（14），拉伸模具（15）置于滚珠（14）上方，使得拉伸模具（15）能够相对拉伸平台（12）滑动。

5.根据权利要求1所述一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置，其特征在于，所述拉伸模具（15）的两端均设有圆环，拉伸模具（15）一端的圆环与固定式挂钩（16）可拆卸连接，固定式挂钩（16）螺栓连接在端部的纵向支撑板（7）上；拉伸模具（15）另一端的圆环与可更换式挂钩（18）可拆卸连接，可更换式挂钩（18）与数显拉力计（17）的测力端螺纹连接。

6.根据权利要求5所述一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置，其特征在于，所述固定式挂钩（16）、可更换式挂钩（18）分别与拉伸模具（15）的接触段为下沉式的“G”型挂钩，“G”型挂钩与拉伸模具（15）的圆环接触的端面为弧形，“G”型挂钩的弧形端面与圆环的圆弧形内壁相切；“G”型挂钩的弧形端面的中心位置与数显拉力计（17）的测力端处于同一水平高度；所述拉伸模具（15）、数显拉力计（17）同轴线。

7.如权利要求1所述一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、试样制作：卸下拉伸模具（15），组成拉伸模具（15）的两个凸形模具之间通过连接件（27）进行连接，在拉伸模具（15）底部放置能完全覆盖拉伸模具（15）的多孔不锈钢板（29），向拉伸模具（15）内部装填已配制含水率的湿土，在拉伸模具（15）上方放置同等规格的多孔不锈钢板（29），压实得到预设含水率的压实试样，即待测试样（26）；

步骤S2、试样安装：在拉伸模具（15）底部通过螺栓安装两块完整不锈钢板（28），安装于拉伸平台（12）上，拉伸模具（15）的一端与纵向支撑板（7）可拆卸刚性连接，解除两个凸形模具之间的连接件（27）；

步骤S3、设备准备：控制数显调速电机（22）以2.0~5.0 mm/min的速率正向转动，带动螺纹传动杆（9）转动，通过螺纹传动使得运动支座（11）带动数显拉力计（17）向靠近拉伸模具（15）的方向移动，直至移动至合适位置，使得拉伸模具（15）的另一端能够与数显拉力计（17）的测力端可拆卸刚性连接；对数显拉力计（17）与数显千分表（19）进行调零；

步骤S4、单轴拉伸：控制数显调速电机（22）以设定的速率反向转动，带动数显拉力计（17）向远离拉伸模具（15）的方向移动，记录该过程数显拉力计（17）与数显千分表（19）的示数，当拉力出现峰值且试样已明显断裂时，再持续拉伸3~5 min，拉力稳定后数显拉力计（17）停止移动；

步骤S5、设备复位：取下拉伸模具（15），控制数显调速电机（22）正向转动，数显千分表（19）读数为0时，设备复位；

步骤S6、数据处理：测量试样拉伸断面的面积，结合实时记录的轴力和位移数据，计算对应的拉应力与应变，绘制待测试样（26）拉伸过程的拉应力-应变曲线，得到峰值应力作为待测试样（26）的抗拉强度。

8.根据权利要求7所述一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S1还包括按照以下步骤对待测试样（26）进行饱和：在拉伸模具（15）中试样顶面和底面均放置滤纸，再分别安装多孔不锈钢板（29），随后将安装好多孔不锈钢板（29）的拉伸模具（15）放入真空饱和桶内，抽真空饱和24~72 h得到饱和的待测试样（26）；

将多孔不锈钢板（29）与滤纸去除，重复步骤S2~S6测试饱和的待测试样（26）的抗拉拔特性参数。

9.根据权利要求7所述一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S1中，拉伸模具（15）更换为方形的根土复合体模具（31），量取待测单根（32）的直径，按试验要求配置所需含水率的湿土，根土复合体模具（31）一侧有一道可供根系伸出的凹槽，制样时先装一半湿土进行压实，再放入待测单根（32），待测单根（32）一部分置于土体中，另一部分从凹槽伸出，再装入剩余湿土进行压实，得到含单根的待测试样；待测单根（32）伸出根土复合体模具（31）的一端被根系夹具（30）夹持；所述根系夹具（30）包括两个开口相对的C型夹片，两个C型夹片的左端为加持端，加持端面上设有橡胶垫，两个C型夹片右端通过凸面与凹面进行配合，未连接；一个C型夹片上设有通孔，螺栓贯穿通孔，与另一C型夹片螺纹连接，两个C型夹片之间的螺杆外部套设有弹簧，弹簧两端分别与对应的C型夹片连接；拧动螺栓能够使两个C型夹片相互靠近或远离；根系夹具（30）的非夹持端焊接有圆环，圆环通过可更换式挂钩（18）与数显拉力计（17）的测力端可拆卸刚性连接，根土复合体模具（31）远离根系夹具（30）的一端与纵向支撑板（7）可拆卸刚性连接；

进行步骤S3~S6，用于测试不同工况下根-土间的抗拉拔特性参数。

10.根据权利要求7所述一种黏性土单轴拉伸、制样一体化装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S1中，拉伸模具（15）更换为两个根系夹具（30），两个根系夹具（30）分别夹持单根的一端，一个根系夹具（30）与固定式挂钩（16）连接，另一个根系夹具（30）与数显拉力计（17）连接；

进行步骤S3~S6，用于测试单根的抗拉拔特性参数。

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