非飽和土抗拉強度測試裝置及測試方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種非飽和土抗拉強度測試裝置，包括溫濕度控制系統(tǒng)、土樣拉伸系統(tǒng)、應(yīng)力?應(yīng)變測控系統(tǒng)和計算機；溫濕度控制系統(tǒng)包括空氣壓縮機、干濕空氣流量控制機構(gòu)、空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)、干濕空氣混合器、恒溫恒濕倉、溫濕度傳感器、控溫模塊、水分傳感器；土樣拉伸系統(tǒng)包括土樣拉伸盒、絲杠滑臺、第一連桿機構(gòu)、第二連桿機構(gòu)、步進電機；應(yīng)力?應(yīng)變測控系統(tǒng)包括應(yīng)力傳感器、位移傳感器。本發(fā)明專利技術(shù)還提供一種非飽和土抗拉強度測試方法。該裝置和方法能測試非飽和土干濕路徑不同吸力狀態(tài)的抗拉強度與應(yīng)力?應(yīng)變曲線。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于土力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種非飽和土抗拉強度測試裝置及測試方法。
技術(shù)介紹
早期經(jīng)典的土力學(xué)理論主要以飽和土體作為研究對象，太沙基提出的有效應(yīng)力原理可以較好的解釋并計算飽和土的受力狀態(tài)與力學(xué)性質(zhì)。然而，自然界中的土體可能是飽水的，也可能是不飽水的，地球表面很大一部分區(qū)域均處于干旱或半干旱狀態(tài)，以及干濕循環(huán)狀態(tài)(如季節(jié)性降雨或河流、水庫水位變化所影響的區(qū)域)。在飽和土有效應(yīng)力原理廣泛應(yīng)用于實際工程并取得成功后，人們就一直在探索一種能很好反映非飽和土體力學(xué)性質(zhì)的理論框架。Bishop于1955年最早在挪威的一次演講中首次提出了一種基于有效應(yīng)力系數(shù)“χ”的單應(yīng)力變量非飽和土有效應(yīng)力理論。Fredlund和Morgenstern認為僅用有效應(yīng)力單一應(yīng)力變量難以系統(tǒng)地描述非飽和土的力學(xué)性質(zhì)，并于1977年根據(jù)大量研究推導(dǎo)了描述非飽和土強度變形的三組雙變量，提出了非飽和土的雙應(yīng)力變量理論。近年來，為得到不同飽和度土體普遍適用的有效應(yīng)力原理，單應(yīng)力變量有效應(yīng)力的研究重新得到重視。我國巖土工程專家沈珠江院士于1996年提出“廣義吸力”的概念，其定義為土顆粒之間膠結(jié)力、咬合力與基質(zhì)吸力中能有效增加土體強度與抗變形能力的部分。與“廣義吸力”的概念類似，美籍華裔土力學(xué)專家NingLu教授于2004年取非飽和土氣-液-固三相體的代表性單元體作為研究對象，通過理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)提出了“吸應(yīng)力”的概念，其含義包括作用于非飽和土顆粒接觸點附近的物理化學(xué)力、膠結(jié)力、表面張力以及與基質(zhì)吸力有關(guān)的主動應(yīng)力?！皬V義吸力”與“吸應(yīng)力”相關(guān)理論為非飽和土力學(xué)理論框架的構(gòu)建提供了重要的理論基礎(chǔ)?！皬V義吸力”或“吸應(yīng)力”是非飽和土有效應(yīng)力的重要組成部分，在非飽和土，特別是高吸力狀態(tài)(低含水率)非飽和土的強度與抗變形能力中發(fā)揮著重要的作用。然而，由于“廣義吸力”與“吸應(yīng)力”構(gòu)成復(fù)雜，目前主要處于理論研究階段，暫無有效的直接測試方法，一般通過經(jīng)典的直接剪切試驗或三軸剪切試驗間接獲得。經(jīng)典的飽和土直剪試驗時將試樣放入上下可分離的剪切盒內(nèi)，上盒固定，下盒可沿水平方向滑動。首先施加垂直壓力，然后對下盒施加水平力，直至試樣剪切破壞，通過土樣破壞過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算土樣的抗剪強度。非飽和土直接剪切試驗中的剪切部分與飽和土試驗基本相同，區(qū)別是增加了主要由壓力室與高進氣值陶瓷板組成的土體基質(zhì)吸力控制部分。通過軸平移技術(shù)可控制土樣在不同基質(zhì)吸力狀態(tài)下開展直接剪切試驗。非飽和土的三軸剪切試驗與直接剪切試驗類似，同樣是通過軸平移技術(shù)將經(jīng)典的飽和土三軸試驗擴展至非飽和土領(lǐng)域。目前，非飽和土的直接剪切與三軸剪切試驗被廣泛應(yīng)用于非飽和土力學(xué)研究領(lǐng)域，是非飽和土力學(xué)性質(zhì)的主要測試手段。然而，非飽和直剪與三軸試驗雖然能直接測試非飽和土的抗剪強度，并通過計算可獲得基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強度，但無法直接測試土樣的“廣義吸力”與“吸應(yīng)力”。因此，上述方法無法用于深入研究非飽和土“廣義吸力”與“吸應(yīng)力”的形成機理與作用機制。此外，受高進氣值陶瓷板技術(shù)限制，軸平移技術(shù)一般僅能控制不超過1500kPa的基質(zhì)吸力，目前廣泛使用的非飽和直剪與三軸試驗儀器無法對更高吸力狀態(tài)的土樣進行測試。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種非飽和土抗拉強度測試裝置及測試方法，該裝置和方法基于相對濕度控制技術(shù)，用于測試非飽和土干濕路徑不同吸力狀態(tài)的抗拉強度與應(yīng)力-應(yīng)變曲線。本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是：一種非飽和土抗拉強度測試裝置，包括溫濕度控制系統(tǒng)、土樣拉伸系統(tǒng)、應(yīng)力-應(yīng)變測控系統(tǒng)和計算機；所述溫濕度控制系統(tǒng)包括空氣壓縮機、干濕空氣流量控制機構(gòu)、空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)、干濕空氣混合器、恒溫恒濕倉，所述空氣壓縮機與干濕空氣流量控制機構(gòu)連接，所述干濕空氣流量控制機構(gòu)分別與空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)連接，所述空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)與干濕空氣混合器連接，所述干濕空氣混合器與恒溫恒濕倉連接；所述恒溫恒濕倉上設(shè)有控溫模塊，恒溫恒濕倉內(nèi)設(shè)有溫濕度傳感器、水分傳感器；所述土樣拉伸系統(tǒng)包括土樣拉伸盒、絲杠滑臺、第一連桿機構(gòu)、第二連桿機構(gòu)、步進電機；所述土樣拉伸盒置于恒溫恒濕倉內(nèi)，所述土樣拉伸盒包括結(jié)構(gòu)相同且對稱設(shè)置的第一土樣放置體和第二土樣放置體；所述第一土樣放置體和第二土樣放置體上均設(shè)有放置土樣的內(nèi)凹槽，2個內(nèi)凹槽相對設(shè)置；所述內(nèi)凹槽開口的寬度小于內(nèi)凹槽的直徑；第二土樣放置體通過第二連桿機構(gòu)固定，第一土樣放置體通過第一連桿機構(gòu)與絲杠滑臺的滑塊連接，絲杠滑臺通過變速箱與步進電機連接；所述應(yīng)力-應(yīng)變測控系統(tǒng)包括應(yīng)力傳感器、位移傳感器，所述應(yīng)力傳感器設(shè)置在第二連桿機構(gòu)上，所述位移傳感器的測頭與第一土樣放置體接觸；所述干濕空氣流量控制機構(gòu)、溫濕度傳感器、控溫模塊、水分傳感器、步進電機、應(yīng)力傳感器、位移傳感器與計算機連接?？諝鈮嚎s機中的壓縮空氣分兩個路徑進入干濕空氣流量控制機構(gòu)，然后分別通過空氣干燥機構(gòu)和空氣加濕機構(gòu)，進入空氣干燥機構(gòu)和空氣加濕機構(gòu)的空氣流量通過干濕空氣流量控制機構(gòu)進行自動控制；經(jīng)過空氣干燥機構(gòu)的空氣可完全脫去水蒸氣形成無水的干燥空氣，而經(jīng)過空氣加濕機構(gòu)的空氣則可形成飽和的濕潤空氣；干燥空氣和濕潤空氣在干濕空氣混合器內(nèi)充分混合均勻，隨后流入恒溫恒濕倉中；安裝在恒溫恒濕中的溫濕度傳感器與計算機相連，可實時讀取混合空氣的相對濕度；儀器操作人員可以對混合空氣的相對濕度進行設(shè)定，計算機可根據(jù)相對濕度傳感器的讀數(shù)自動對干濕空氣流量控制機構(gòu)發(fā)出指令，以控制流入空氣干燥機構(gòu)和空氣加濕機構(gòu)中的空氣流量，實現(xiàn)對混合空氣相對濕度的實時控制；當(dāng)相對濕度傳感器讀數(shù)高于設(shè)定值時，自動增大流入空氣干燥機構(gòu)的空氣流量并同時減小空氣加濕機構(gòu)的空氣流量；而當(dāng)相對濕度傳感器讀數(shù)低于設(shè)定值時，執(zhí)行相反的操作；相對濕度的混合空氣源源不斷流入恒溫恒濕倉中，使待測土樣試件周圍的空氣相對濕度恒定為設(shè)定值；恒溫恒濕倉中的空氣溫度由與計算機連接的控溫模塊(半導(dǎo)體控溫模塊)實時控制，使土樣試件周圍的空氣溫度始終保持在設(shè)定的數(shù)值；在控制土樣試件周圍溫度與濕度同時，通過水分傳感器實時監(jiān)測土樣試件的含水量變化數(shù)據(jù)，直至含水量達到穩(wěn)定后，土樣試件即達到了設(shè)定溫濕度狀態(tài)下的吸力平衡狀態(tài)；當(dāng)土樣試件達到吸力平衡狀態(tài)后，由計算機控制步進電機的轉(zhuǎn)速，通過變速箱帶動絲杠滑臺的絲杠轉(zhuǎn)動，使滑塊以設(shè)計的速度緩慢拉動土樣拉伸盒一側(cè)，從而拉伸土樣試件，直至土樣試件拉斷；拉伸過程中實時記錄應(yīng)力傳感器與位移傳感器數(shù)據(jù)，獲取土樣試件拉升破壞過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。按上述方案，所述內(nèi)凹槽為的截面為圓弧形，內(nèi)凹槽的開口的寬度小于圓弧的直徑。按上述方案，所述干濕空氣流量控制機構(gòu)包括第一步進電機、第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第一氣體轉(zhuǎn)子流量計、第二氣體轉(zhuǎn)子流量計；第一步進電機與第一齒輪連接，第一齒輪與第二齒輪嚙合，第二齒輪與第三齒輪嚙合；第一氣體轉(zhuǎn)子流量計的進口通過第一連接管與空氣壓縮機連通，第二氣體轉(zhuǎn)子流量計通過第二連接管與空氣壓縮機連通，第一連接管和第二連接管上均設(shè)有調(diào)節(jié)閥門，第一連接管上的調(diào)節(jié)閥門由第二齒輪控制，第二連接管上的調(diào)節(jié)閥門由第三齒輪控制；第一氣體轉(zhuǎn)子流量計與空氣干燥機構(gòu)連接，第二氣體轉(zhuǎn)子流量計與空氣加濕機構(gòu)連接；第一步進電機與計算機連接。第一步進電機驅(qū)動第一齒輪本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種非飽和土抗拉強度測試裝置，其特征在于：包括溫濕度控制系統(tǒng)、土樣拉伸系統(tǒng)、應(yīng)力?應(yīng)變測控系統(tǒng)和計算機；所述溫濕度控制系統(tǒng)包括空氣壓縮機、干濕空氣流量控制機構(gòu)、空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)、干濕空氣混合器、恒溫恒濕倉，所述空氣壓縮機與干濕空氣流量控制機構(gòu)連接，所述干濕空氣流量控制機構(gòu)分別與空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)連接，所述空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)與干濕空氣混合器連接，所述干濕空氣混合器與恒溫恒濕倉連接；所述恒溫恒濕倉上設(shè)有控溫模塊，恒溫恒濕倉內(nèi)設(shè)有溫濕度傳感器、水分傳感器；所述土樣拉伸系統(tǒng)包括土樣拉伸盒、絲杠滑臺、第一連桿機構(gòu)、第二連桿機構(gòu)、步進電機；所述土樣拉伸盒置于恒溫恒濕倉內(nèi)，所述土樣拉伸盒包括結(jié)構(gòu)相同且對稱設(shè)置的第一土樣放置體和第二土樣放置體；所述第一土樣放置體和第二土樣放置體上均設(shè)有放置土樣的內(nèi)凹槽，2個內(nèi)凹槽相對設(shè)置；所述內(nèi)凹槽開口的寬度小于內(nèi)凹槽的直徑；第二土樣放置體通過第二連桿機構(gòu)固定，第一土樣放置體通過第一連桿機構(gòu)與絲杠滑臺的滑塊連接，絲杠滑臺通過變速箱與步進電機連接；所述應(yīng)力?應(yīng)變測控系統(tǒng)包括應(yīng)力傳感器、位移傳感器，所述應(yīng)力傳感器設(shè)置在第二連桿機構(gòu)上，所述位移傳感器的測頭與第一土樣放置體接觸；所述干濕空氣流量控制機構(gòu)、溫濕度傳感器、控溫模塊、水分傳感器、步進電機、應(yīng)力傳感器、位移傳感器與計算機連接連接。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種非飽和土抗拉強度測試裝置，其特征在于：包括溫濕度控制系統(tǒng)、土樣拉伸系統(tǒng)、應(yīng)力-應(yīng)變測控系統(tǒng)和計算機；所述溫濕度控制系統(tǒng)包括空氣壓縮機、干濕空氣流量控制機構(gòu)、空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)、干濕空氣混合器、恒溫恒濕倉，所述空氣壓縮機與干濕空氣流量控制機構(gòu)連接，所述干濕空氣流量控制機構(gòu)分別與空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)連接，所述空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)與干濕空氣混合器連接，所述干濕空氣混合器與恒溫恒濕倉連接；所述恒溫恒濕倉上設(shè)有控溫模塊，恒溫恒濕倉內(nèi)設(shè)有溫濕度傳感器、水分傳感器；所述土樣拉伸系統(tǒng)包括土樣拉伸盒、絲杠滑臺、第一連桿機構(gòu)、第二連桿機構(gòu)、步進電機；所述土樣拉伸盒置于恒溫恒濕倉內(nèi)，所述土樣拉伸盒包括結(jié)構(gòu)相同且對稱設(shè)置的第一土樣放置體和第二土樣放置體；所述第一土樣放置體和第二土樣放置體上均設(shè)有放置土樣的內(nèi)凹槽，2個內(nèi)凹槽相對設(shè)置；所述內(nèi)凹槽開口的寬度小于內(nèi)凹槽的直徑；第二土樣放置體通過第二連桿機構(gòu)固定，第一土樣放置體通過第一連桿機構(gòu)與絲杠滑臺的滑塊連接，絲杠滑臺通過變速箱與步進電機連接；所述應(yīng)力-應(yīng)變測控系統(tǒng)包括應(yīng)力傳感器、位移傳感器，所述應(yīng)力傳感器設(shè)置在第二連桿機構(gòu)上，所述位移傳感器的測頭與第一土樣放置體接觸；所述干濕空氣流量控制機構(gòu)、溫濕度傳感器、控溫模塊、水分傳感器、步進電機、應(yīng)力傳感器、位移傳感器與計算機連接連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非飽和土抗拉強度測試裝置，其特征在于：所述內(nèi)凹槽為的截面為圓弧形，內(nèi)凹槽的開口的寬度小于圓弧的直徑。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非飽和土抗拉強度測試裝置，其特征在于：所述干濕空氣流量控制機構(gòu)包括第一步進電機、第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第一氣體轉(zhuǎn)子流量計、第二氣體轉(zhuǎn)子流量計；第一步進電機與第一齒輪連接，第一齒輪與第二齒輪嚙合，第二齒輪與第三齒輪嚙合；第一氣體轉(zhuǎn)子流量計的進口通過第一連接管與空氣壓縮機連通，第二氣體轉(zhuǎn)子流量計通過第二連接管與空氣壓縮機連通，第一連接管和第二連接管上均設(shè)有調(diào)節(jié)閥門，第一連接管上的調(diào)節(jié)閥門由第二齒輪控制，第二連接管上的調(diào)節(jié)閥門由第三齒輪控制；第一氣體轉(zhuǎn)子流量計與空氣干燥機構(gòu)連接，第二氣體轉(zhuǎn)子流量計與空氣加濕機構(gòu)連接；第一步進電機與計算機連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的非飽和土抗拉強度測試裝置，其特征在于：所述空氣干燥機構(gòu)包括依次連接的五個干燥管，每個干燥管內(nèi)均設(shè)有干燥劑...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王菁莪，劉清秉，崔德山，程超杰，黃偉，項偉，
申請(專利權(quán))人：中國地質(zhì)大學(xué)武漢，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北;42