專利名稱：土體數控拉伸試驗系統及其試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種試驗技術，尤其是一種土木、水電、交通等工程領域土體拉伸試驗中使用的土體數控拉伸試驗系統及其試驗方法。
背景技術：
目前，近年來，隨著公路、機場、高土石壩、深基坑等工程的逐漸增多，土工結構物因土體受拉開裂而造成的工程損失越來愈嚴重 。在研究土壩、土堤、路基中是否出現拉裂縫和對已產生裂縫的原因進行分析和處理時，對土體拉伸變形特性的正確認識以及其抗拉強度指標的準確測量越來越重要。但是在以往研究土體的力學性能時，考慮最多的是土體的抗剪性能和抗壓性能，只注重抗剪強度和壓縮模量等指標的測試，往往忽略了土體的抗拉變形和抗拉強度，在土體結構物的力學分析時認為土體不能抗拉，即土體的抗拉強度為零，實際上土體具備一定的抗拉強度特性。由于對土體抗拉變形與抗拉強度特性研究的不足，導致了土體拉伸試驗裝置發展的嚴重滯后。為了正確認識土體拉伸變形和準確測量土體抗拉強度，本發明研制了土體數控拉伸試驗系統，該系統有效解決了土體拉伸試驗中容易產生的偏心受拉和應力集中問題，利用本發明可以準確測量土體的拉伸變形模量和抗拉強度，從而進一步揭示清楚土體的抗拉變形特性，必將為土工結構物的合理設計與安全控制提供重要試驗力學參數。目前關于土體拉伸試驗裝置的研究現狀如下(I)《水利學報》1995年第6期介紹了一種拉伸試驗裝置，該裝置由試驗臺架、傳力板、砝碼和測量裝置組成。試件的兩端用環氧樹脂與端板粘結，通過加砝碼的方式對試件施加拉力。該裝置不能精確控制試件所受的拉力，應用環氧樹脂粘結試件對土體力學性能有較大的影響，同時不能實現對拉伸變形數據的自動采集與分析處理。(2)《大壩觀測與土工測試》1997年第4期介紹了一種單軸靜動拉壓試驗儀，該儀器可對土體試件施加靜力拉壓和周期動力荷載，測定土的靜、動強度。試件的變形采用電渦位移傳感器進行非接觸量測，埋設螺釘、用環氧樹脂將加載板與試件端部粘結來傳遞拉力。該系統不能實現位移數據的自動采集與分析處理，對試件施加拉力的方式也難以消除偏心受拉的影響。(3)《力學學報》1997第5期介紹了一種用于測量軟煤或土的拉伸實驗裝置。該裝置利用模具壓制出均勻的環形試件，對環形試件內壁施加均布徑向水壓力使其拉伸變形和破壞，由壓力傳感器和位移傳感器測量，并由動態數據采集器記錄。該裝置測量方法屬于間接測量方法，環形試件在受拉破壞時承受了較大的壓力，與實際工程條件差距較大，并且試驗過程較為復雜不易控制。(4)《陜西水力發電》1998第4期介紹了一種單軸拉伸儀，該儀器主要由臺架、傳力板、加力臺和砝碼幾部分組成，用502瞬間粘結劑將試件與傳力板連接，加砝碼于加力盤上進行抗拉試驗。該系統不能實現拉力的精確控制，不能實現位移數據的自動采集與分析處理，利用粘結劑連接試件與傳力板對土體的力學性能有較大的影響。
(5)《水利水電科技進展》2001年第5期介紹了一種單軸土工拉伸儀，該儀器是在原直接剪切儀的基礎上改造的，由拉伸系統和測力系統組成。該儀器通過手輪控制拉力，利用普通夾具對土體試件施加拉力，通過百分表和測力環來測量應力和應變。該系統不能實現拉力的精確控制，普通夾具容易使試件產生應力集中，不能實現位移數據的自動采集與分析處理。(6)《巖石力學與工程學報》2005年10月增刊介紹了一種能進行土體單軸拉伸試驗的夾具安裝于電子萬能試驗機上，該儀器能對試樣進行連續均勻加載，通過夾具對土體施加拉力。該儀器存在拉力偏心的問題，并且在夾具和試件之間容易產生應力集中或相對滑移。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種能夠更真實反映土體拉伸變形與強度特性的土體數控拉伸試驗系統及其試驗方法。
為實現上述目的，本發明采用下述技術方案一種土體數控拉伸試驗系統，包括拉伸加載裝置、液壓加載數字伺服控制系統和位移拉力自動測試分析系統，所述拉伸加載裝置分別與液壓加載數字伺服控制系統和位移拉力自動測試分析系統相連；所述拉伸加載裝置包括拉伸工作平臺，所述拉伸工作平臺設有兩個相對的固定支架，相對側的其中一個固定支架上設有第一對中傳力軸承裝置，另一個固定支架上設有水平放置的拉伸千斤頂，千斤頂的推拉桿外端部與第二對中傳力軸承裝置固定連接，第一對中傳力軸承裝置和第二對中傳力軸承裝置之間設有啞鈴型半開鋼制模具，啞鈴型半開鋼制模具中放置拉伸試件，啞鈴型半開鋼制模具的兩端分別與第一對中傳力軸承裝置和第二對中傳力軸承裝置相連。所述拉伸千斤頂上設有拉力傳感器，拉力傳感器與位移拉力自動測試分析系統相連。所述第一、第二對中傳力軸承裝置均包括一個軸承支座，軸承支座通過其內的滾動球鉸與傳力拉桿相連，傳力拉桿與啞鈴型半開鋼制模具一端相連。所述啞鈴型半開鋼制模具由沿縱向斷開的對稱兩部分組成，兩部分對接后的中心形成一啞鈴型空腔，啞鈴型空腔中放置土體拉伸試件，所述斷開的對稱兩部分的兩端分別與第一、第二對中傳力軸承裝置相連。所述液壓加載數字伺服控制系統包括相連的數字伺服控制試驗臺和伺服電機系統，伺服電機系統包括油箱，油箱上設有伺服電機和壓力表，油箱通過油路與拉伸千斤頂的進出口相連，油路上設有電磁控制閥。所述位移拉力自動測試分析系統包括相連的光柵尺位移傳感器、拉力傳感器和計算機數據采集處理系統，所述光柵尺位移傳感器設置于與拉伸千斤頂相連端的啞鈴型半開鋼制模具上。一種利用土體數控拉伸試驗系統進行拉伸試驗的方法，步驟如下I)將土體拉伸試件放置于啞鈴型半開鋼制模具的空腔中；2)將包括土體拉伸試件的啞鈴型半開鋼制模具兩端分別與第一第二對中傳力軸承裝置相連；
3)啟動液壓加載數字伺服控制系統，按等應力或等應變加載方式控制拉伸千斤頂拉伸與其相連的啞鈴型半開鋼制模具沿試件軸向移動；4)拉力傳感器將拉伸千斤頂所施加的拉力大小傳遞給計算機數據采集處理系統；光柵尺位移傳感器將啞鈴型半開鋼制模具的軸向位移也傳遞給計算機數據采集處理系統；5)計算機數據采集處理系統將光柵尺位移傳感器所測試的位移和拉力傳感器所測試的拉力進行自動存儲和實時顯示，通過計算機數據采集處理系統內部編制的數據處理計算程序自動獲得土體試件的拉力 位移曲線和應力 應變曲線，并依此獲得土體抗拉強度和拉伸彈性模量。本發明中的計算機數據采集處理系統包括計算機本機和其內編制的數據處理計
算程序。·本發明包括拉伸加載裝置、液壓加載數字伺服控制系統和位移拉力自動測試分析系統。拉伸加載裝置主要用于進行土體試件的軸向拉伸加載，拉伸荷載量值大小通過液壓加載數字伺服控制系統進行控制，加載方式有等應力和等應變兩種。拉伸加載裝置主要由拉伸千斤頂、拉力傳感器、對中傳力軸承裝置和啞鈴型半開鋼制模具組成。啞鈴型半開鋼制模具用于放置受拉土體試件，鋼制模具由在中間斷開的對稱兩部分組成，其右半部分與對中傳力軸承裝置連接，并固定在試驗臺架上，其左半部分與對中傳力軸承裝置連接，并承受千斤頂拉力，承受拉力時左半部分會沿試件軸向移動，直至土體試樣被拉壞。啞鈴型鋼制模具可保證試件均勻受拉，避免試件因端部夾持出現應力集中問題。對中傳力軸承裝置連接在鋼制模具兩端，主要由傳力拉桿、滾動球鉸和球鉸支座組成，連接傳力拉桿的滾動球絞可在軸承支座內自由轉動，從而保證試件嚴格軸向受拉，避免偏心受拉造成試驗失敗。拉力傳感器和拉伸千斤頂與計算機數據采集處理系統連接，主要用于測試千斤頂所施加的拉力大小。液壓加載數字伺服控制系統主要用于拉伸加載裝置的自動、伺服、高精度、數字液壓加載，實現拉伸加載的數字化、可視化和智能化精確控制，可以按等應力和等應變兩種加載。液壓加載數字伺服控制系統主要由數控試驗臺和伺服電機系統組成。數控試驗臺包括控制柜、柜內安裝的電子元器件以及編制的液壓加載控制程序；伺服電機系統包括伺服電機、電磁控制閥、油箱、油壓表等。通過數控試驗臺控制伺服電機系統來實現拉伸裝置液壓加載的數字化、可視化和智能化。位移拉力自動測試分析系統主要包括光柵尺位移傳感器、拉力傳感器和計算機數據采集處理系統，光柵尺位移傳感器是利用莫爾條紋移動來測量位移的高精度光學測試元件，通過計算機數據采集處理系統可將光柵尺位移傳感器所測試的位移和拉力傳感器所測試的拉力進行自動存儲和實時顯示，通過計算處理自動獲得土體試件的拉力 位移曲線、應力 應變曲線、抗拉強度和拉伸彈性模量等力學參數。本發明與國內外同類型的試驗裝置相比具有如下顯著的技術優勢(I)本發明實現了拉伸液壓加載的數字化、可視化和伺服化，實現對拉伸位移和拉力的自動采集和分析處理。(2)本發明通過設置對中傳力軸承裝置保證了拉伸試件嚴格軸向受拉，有效避免傳統拉伸試驗容易出現的偏心受拉問題。
(3)本發明通過設置啞鈴型半開鋼制模具保證了拉伸試件均勻受力，有效避免傳統拉伸試驗因試件端部采用夾具夾持容易產生的應力集中或拉伸滑移問題。(4)本發明是直接測定土體抗拉強度和變形模量的試驗裝置，相比其它間接的測定方法(如劈裂法、土梁法和環形試件法)具有明顯的優勢，可以直接測定土體的抗拉強度和拉伸變形模量等力學參數。(5)本發明除適用于土體拉伸外，也適用于石膏、水泥砂漿、樹脂類材料的拉伸試驗，應用范圍廣泛。(6)本發明結構緊湊、操作簡單、使用界面友好。 (7)本發明可廣泛應用于土木、水電、交通、能源、資源和國防等工程領域的拉伸試驗研究，應用前景廣闊，經濟效益顯著。


圖I是土體拉伸試驗系統結構示意圖；圖2是對中傳力軸承結構示意圖；圖3是啞鈴型半開鋼制模具結構示意圖；I.拉伸加載裝置；2.液壓加載數字伺服控制系統；3.位移拉力自動測試分析系統；4.拉力傳感器；5.拉伸千斤頂；6.對中傳力軸承裝置；7.啞鈴型半開鋼制模具；8.光柵尺位移傳感器；9.固定支架；10.拉伸工作平臺；11.數字伺服控制試驗臺；12.油箱；13.電磁控制閥；14.伺服電機；15.油壓表；16.傳力拉桿；17.滾動球鉸；18.軸承支座；19.拉伸試件；20.計算機數據采集處理系統
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖I中，土體數控拉伸試驗系統主要由拉伸加載裝置I、液壓加載數字伺服控制系統2和位移拉力自動測試分析系統3組成。拉伸加載裝置I主要由拉力傳感器4、拉伸千斤頂5、對中傳力軸承裝置6、啞鈴型半開鋼制模具7、固定支架9和拉伸工作平臺10組成。啞鈴型半開鋼制模具7用于放置土體拉伸試件19,試件中間斷面尺寸為50mmX 50mm,中間部位直線長度為100mm。鋼制模具7由在中間斷開的對稱兩部分組成，其右半部分與對中傳力軸承裝置6連接，并固定在固定支架9上，其左半部分與對中傳力軸承裝置6連接，并承受拉伸千斤頂5的拉力，拉伸千斤頂5的最大拉伸荷載可達20kN，最大行程50mm。鋼制模具7承受拉力時左半部分會發生位移，直至土體試樣被拉壞。啞鈴型鋼制模具7可保證試件均勻受拉，避免試件因端部夾持出現應力集中或相對滑移問題。對中傳力軸承裝置6連接在鋼制模具7兩端，主要由傳力拉桿16、滾動球鉸17和軸承支座18組成，連接傳力拉桿16的滾動球絞17可在軸承支座18內自由轉動，從而保證試件嚴格軸向拉伸，避免偏心受拉造成試驗失敗。拉力傳感器4和拉伸千斤頂5與計算機數據采集處理系統20連接，主要用于測試千斤頂5所施加的拉力大小。液壓加載數字伺服控制系統2主要用于拉伸加載裝置I的自動、伺服、高精度、數字液壓加載，實現對拉伸裝置I液壓加載的精確控制，可以按等應力和等應變兩種方式加載。液壓加載數字伺服控制系統2主要由數字伺服控制試驗臺11和伺服電機系統組成。數字伺服控制試驗臺11包括控制柜、柜內安裝的電子元器件以及編制的液壓加載控制程序；伺服電機系統包括油箱12、電磁控制閥13、伺服電機14和壓力表15。通過數字伺服控制試驗臺11控制伺服電機系統，從而實現拉伸裝置I液壓加載的數字化、可視化和智能化。位移拉力自動測試分析系統3主要包括光柵尺位移傳感器8、拉力傳感器4和計算機數據采集處理系統20。光柵尺位移傳感器8是利用莫爾條紋移動來測量位移的高精度光學測試元件,光柵尺位移傳感器8最大量程為50mm，測量精度可達l/1000mm。通過計算機數據采集處理系統20可將光柵尺位移傳感器8所測試的位移和拉力傳感器所測試的拉力進行自動存儲和實時顯示，通過計算處理自動獲得土體試件的拉力 位移曲線、應力 應變曲線、抗拉強度以及拉伸彈性模量等力學參數。圖2為對中傳力軸承裝置6結構示意圖，主要由傳力拉桿16、滾動球鉸17和軸承支座18組成，連接傳力拉桿16的滾動球絞17可在軸承支座18內自由轉動，從而保證試件嚴格軸向受拉，避免偏心受拉造成試驗失敗。
圖3為啞鈴型半開鋼制模具7結構示意圖，該模具用于放置土體拉伸試件19，試件中間斷面尺寸為50mmX 50mm，中間部位直線長度為100mm。開始試驗時將鋼制模具7從試驗臺架上取下，將土體填滿整個模具并壓實，土體試件19制作完成后連同模具7 —起安放在試驗臺架上，并與對中傳力軸承裝置6相連接，然后開始拉伸試驗。對水泥砂漿進行拉伸試驗時，將鋼制模具7從試驗臺架上取下，在模具7內壁涂抹脫模劑，將水泥砂漿灌滿模具7，待達到設計強度后，再將模具與對中傳力軸承裝置6相連接，然后進行拉伸試驗。利用土體數控拉伸試驗系統進行拉伸試驗的方法，步驟如下I)將土體拉伸試件放置于啞鈴型半開鋼制模具的空腔中；2)將包括土體拉伸試件的啞鈴型半開鋼制模具兩端分別與第一第二對中傳力軸承裝置相連；3)啟動液壓加載數字伺服控制系統，按等應力或等應變加載方式控制拉伸千斤頂拉伸與其相連的啞鈴型半開鋼制模具沿試件軸向移動；4)拉力傳感器將拉伸千斤頂所施加的拉力大小傳遞給計算機數據采集處理系統，光柵尺位移傳感器將啞鈴型半開鋼制模具的軸向位移也傳遞給計算機數據采集處理系統；5)計算機數據采集處理系統將光柵尺位移傳感器所測試的位移和拉力傳感器所測試的拉力進行自動存儲和實時顯示，通過計算機數據采集處理系統內部編制的數據處理計算程序自動獲得土體試件的拉力 位移曲線和應力 應變曲線，并依此獲得土體抗拉強度和拉伸彈性模量。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
權利要求
1.ー種土體數控拉伸試驗系統，其特征是，包括拉伸加載裝置、液壓加載數字伺服控制系統和位移拉カ自動測試分析系統，所述拉伸加載裝置分別與液壓加載數字伺服控制系統和位移拉カ自動測試分析系統相連；所述拉伸加載裝置包括拉伸工作平臺，所述拉伸エ作平臺設有兩個相對的固定支架，相對側的其中ー個固定支架上設有第一對中傳力軸承裝置，另ー個固定支架上設有水平放置的拉伸千斤頂，千斤頂的推拉桿外端部與第二對中傳カ軸承裝置固定連接，第一對中傳カ軸承裝置和第二對中傳カ軸承裝置之間設有啞鈴型半開鋼制模具，啞鈴型半開鋼制模具中放置拉伸試件，啞鈴型半開鋼制模具的兩端分別與第一對中傳カ軸承裝置和第二對中傳カ軸承裝置相連。
2.如權利要求I所述的系統，其特征是，所述拉伸千斤頂上設有拉カ傳感器，拉カ傳感器與位移拉カ自動測試分析系統相連。
3.如權利要求I所述的系統，其特征是，所述第一、第二對中傳カ軸承裝置均包括ー個軸承支座，軸承支座通過其內的滾動球鉸與傳カ拉桿相連，傳カ拉桿與啞鈴型半開鋼制模具一端相連。
4.如權利要求I所述的系統，其特征是，所述啞鈴型半開鋼制模具由沿縱向斷開的對稱兩部分組成，兩部分對接后的中心形成一啞鈴型空腔，啞鈴型空腔中放置土體拉伸試件，所述斷開的對稱兩部分的兩端分別與第一、第二對中傳カ軸承裝置相連。
5.如權利要求I所述的系統，其特征是，所述液壓加載數字伺服控制系統包括相連的數字伺服控制試驗臺和伺服電機系統，伺服電機系統包括油箱，油箱上設有伺服電機和壓力表，油箱通過油路與拉伸千斤頂的進出口相連，油路上設有電磁控制閥。
6.如權利要求I所述的系統，其特征是，所述位移拉カ自動測試分析系統包括相連的光柵尺位移傳感器、拉カ傳感器和計算機數據采集處理系統，所述光柵尺位移傳感器設置于與拉伸千斤頂相連端的啞鈴型半開鋼制模具上。
7.ー種利用權利要求I所述的土體數控拉伸試驗系統進行拉伸試驗的方法，其特征是，步驟如下 1)將士體拉伸試件放置于啞鈴型半開鋼制模具的空腔中； 2)將包括土體拉伸試件的啞鈴型半開鋼制模具兩端分別與第一、第二對中傳力軸承裝置相連； 3)啟動液壓加載數字伺服控制系統，按等應カ或等應變加載方式控制拉伸千斤頂拉伸與其相連的啞鈴型半開鋼制模具沿試件軸向移動； 4)拉カ傳感器將拉伸千斤頂所施加的拉カ大小傳遞給計算機數據采集處理系統；光柵尺位移傳感器將啞鈴型半開鋼制模具的軸向位移也傳遞給計算機數據采集處理系統； 5)計算機數據采集處理系統將光柵尺位移傳感器所測試的位移和拉カ傳感器所測試的拉カ進行自動存儲和實時顯示，通過計算機數據采集處理系統內部編制的數據處理計算程序自動獲得土體試件的拉力 位移曲線和應力 應變曲線,并依此獲得土體抗拉強度和拉伸彈性模量。
全文摘要
本發明公開了一種土體數控拉伸試驗系統，拉伸加載裝置分別與液壓加載數字伺服控制系統和位移拉力自動測試分析系統相連；拉伸加載裝置包括拉伸工作平臺，拉伸工作平臺設有兩個相對的固定支架，相對側其中一個固定支架上設有第一對中傳力軸承裝置，另一個固定支架上設有水平放置的拉伸千斤頂，千斤頂推拉桿外端部與第二對中傳力軸承裝置固定連接，第一第二對中傳力軸承裝置之間設有放置拉伸試件的啞鈴型半開鋼制模具，啞鈴型半開鋼制模具兩端分別與第一第二對中傳力軸承裝置相連。本發明可以更準確測試土體拉伸變形模量與抗拉強度，更有效揭示土體拉伸變形與強度特性，為土工結構物的合理設計與安全控制提供重要力學試驗參數。
文檔編號G01N3/10GK102854064SQ20121037961
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者張強勇, 張緒濤, 向文 申請人:山東大學