一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置，其特征在于，包括以下組成部分：用于為整個裝置提供動力的、由步進電機與直流電機組成的動力裝置；用于調節電機工作情況的控制器；用于將電機高速轉動力矩轉換為低速水平拉力的傳動轉換裝置；用于為試樣提供均勻、穩定拉應力的拉伸裝置；用于采集試驗數據的數據采集裝置；用于固定數據采集裝置的固定擋板。本發明研制了一個能夠制取不同長度拉伸段試樣的制樣模具和一套適用于該組試驗裝置的試驗方法。本裝置結構緊湊、簡單，易于實現，在為建設工程的設計提供指導作用的同時，也能作為專業學科的教學與科研實驗設備之用。
【專利說明】一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及巖土工程中的一種測試手段，具體涉及一種用于測試土體單軸拉伸特 性的試驗方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 土體強度主要取決于土顆粒間的作用力，土顆粒間的作用力不僅能表現有抗壓、 抗剪強度，還能夠表現在抗拉強度方面。但是，在實際的巖土工程設計與建設中，人們往往 只考慮土體的抗壓與抗剪強度，而忽略其抗拉強度或者視其為零，主要原因是土體的抗拉 強度相對于其抗壓與抗剪強度而言較小。然而，土體的抗拉強度是確實存在的，尤其對于粘 性土、黃土、凍土等土體而言，其抗拉強度更是不能忽視的。
[0003]目前常用的拉伸試驗包括直接拉伸與間接拉伸兩大類，其中間接拉伸由于本身存 在一定的假設條件以及較多的影響因素，限制了其在土體拉伸試驗中的廣泛應用，所以目 前對土體拉伸特性的測試方法主要集中在直接拉伸方面。直接拉伸包括單軸拉伸與三軸拉 伸，其中單軸拉伸也是水利部規定的用于測試土體抗拉強度的試驗方法。但是常規的單軸 拉伸試驗方法在使用過程中也暴露出了一些問題，如加載端的應力松弛、集中與偏心力，夕卜 力因素(重力、摩擦力）以及不同拉伸段長度等因素的影響都會在一定程度上影響試驗結果 的準確性，所以目前國內并沒有一套統一用于測試土體拉伸特性的試驗方法及裝置。因此， 如果能在單軸拉伸試驗裝置的基礎上，研制一套更加準確、簡單、直觀、影響因素少的單軸 臥式拉伸試驗裝置，將有助于推動在土體拉伸特性方面更深層次的研究。
【發明內容】
[0004] 本發明為了提高在土體拉伸特性方面的研究水平，提出一種能夠較準確測試土體 單軸拉伸特性的試驗方法及裝置。
[0005] 本發明通過以下技術方案實現： 一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置，包括以下組成部分： 用于為整個裝置提供動力的動力裝置，所述動力裝置包括步進電機與直流電機，所述 步進電機與直流電機并聯連接； 用于調節電機工作情況的控制器； 用于將電機高速轉動力矩轉換為低速水平拉力的傳動轉換裝置； 用于為試樣提供均勻、穩定拉應力的拉伸裝置，所述試樣通過制樣模具制得； 用于采集試驗數據的數據采集裝置； 用于固定數據采集裝置的固定擋板； 其中，所述動力裝置一端與控制器連接，動力裝置另一端同時與傳動轉換裝置和拉伸 裝置連接；所述數據采集裝置一端連接于拉伸裝置上，數據采集裝置另一端固定于固定擋 板上。
[0006] 本發明所述步進電機的轉速為10-200r/min，直流電機的轉速為2800r/min。
[0007] 本發明所述傳動轉換裝置包括絲桿，絲桿一端與動力裝置連接，絲桿另一端與拉 伸裝置連接。
[0008] 本發明所述拉伸裝置包括軸向雙導軌、滑動底板及夾具，夾具固定在滑動底板上， 滑動底板固定在軸向雙導軌上。
[0009] 本發明所述數據采集裝置包括力傳感器、位移傳感器、應變儀及計算機，其中所述 力傳感器一端安裝在固定擋板上，另一端安裝在滑動底板上；所述位移傳感器安裝在滑動 底板的外側；所述力傳感器、位移傳感器通過應變儀與計算機連接。
[0010] 本發明所述制樣模具包括四開模與制樣底板，四開模固定在制樣底板上，四開模 由左右兩個夾持段模具與設置在左右兩個夾持段模具中間的上下兩個拉伸段模具組成，拉 伸段模具與夾持段模具之間可拆卸式連接；其中，左邊的夾持段模具為第一模具，右邊的加 持段模具為第二模具，第一模具與第二模具沿四開模寬度方向的中心線對稱設置，并且對 稱開設球狀缺口；第一模具固定于制樣底板上，第二模具在制樣底板上的安裝位置，相對第 一模具的距離可調；上下兩個拉伸段模具分別為第三模具、第四模具，第三模具、第四模具 沿四開模長度方向的中心線對稱設置；第三模具與試樣接觸的面和第四模具與試樣接觸的 面與所述制樣底板的邊緣平行；所述第一模具、第二模具上的球狀缺口與所述第三模具、第 四模具的下邊緣相連，圍合形成制樣腔。
[0011] 一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置的拉伸方法，包括以下步驟： 第一步，確定試樣尺寸及制樣：根據試驗方案，通過制樣模具制取不同拉伸段長度的試 樣； 第二步，拆模并裝樣：將第一步中的制樣模具開模得到所需試樣，并將試樣固定于拉伸 裝置上； 第三步，設定拉伸速率：通過控制器設定步進電機的轉速以達到試驗方案中要求的拉 伸速率； 第四步，檢查并標定數據采集裝置； 第五步，通過控制器啟動步進電機，進行試驗； 第六步，采集并分析數據采集裝置所獲取的試驗數據。 第七步，暫停步進電機，觀察試樣是否破壞或者達到破壞標準，如果試樣還未破壞，重 新啟動步進電機直到試樣發生破壞； 第八步，確定試驗結束后，停止數據的采集與步進電機的工作，更換傳送帶利用直流電 機將滑動底板快速復位。
[0012] 本發明所述方法第二步中，在固定試樣時先將試樣的兩端置于夾具中，然后根據 試樣長度調節夾具在滑動底板上的安裝位置。
[0013] 本發明所述方法第三步中，拉伸速率的范圍為0. 005mm/min-0. lmm/min。
[0014] 與現有技術相比，本發明具有如下技術效果： 本發明不僅給出了主要包括動力裝置、傳動轉換裝置、控制裝置、拉伸裝置及數據采集 裝置的用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置，還研制了一個能夠制取不同長度拉伸段試 樣的制樣模具；結合制樣模具的特點，本裝置可以適用于不同長度試樣的土體單軸拉伸試 驗，結合所研制的試驗裝置，又擬定了一套適用于改組試驗裝置的試驗方法。
[0015] 本裝置結構緊湊、簡單，易于實現，在為建設工程的設計提供指導作用的同時，也 能作為專業學科的教學與科研實驗設備之用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1為制樣模具平面圖； 圖2為本裝置結構示意圖； 圖3為本發明試驗方法流程圖。
[0017] 圖中，1、四開模；2、制樣底板；3、步進電機；4、直流電機；5、軸向雙導軌；6、滑動底 板；7、夾具；8、絲桿；9、螺栓；10、力傳感器；11、位移傳感器；12、應變儀；13、計算機；14、固 定擋板；15、控制器；1-1、第一模具；1-2、第二模具；1-3、第三模具；1-4、第四模具。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護范圍不局限于 所述實施例。
[0019] 如圖1所示，本發明中所述的用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置的制樣模 具，制樣模具包括四開模1與制樣底板2,四開模1固定在制樣底板2上，四開模1由左右兩 個夾持段模具與設置在左右兩個夾持段模具中間的上下兩個拉伸段模具組成，拉伸段模具 與夾持段模具之間可拆卸式連接；其中，左邊的夾持段模具為第一模具1-1，右邊的加持段 模具為第二模具1-2,第一模具1-1與第二模具1-2沿四開模1寬度方向的中心線對稱設 置，并且對稱開設球狀缺口；第一模具1-1固定于制樣底板2上，第二模具1-2在制樣底板 2上的安裝位置，相對第一模具1-1的距離可調；上下兩個拉伸段模具分別為第三模具1-3、 第四模具1-4,第三模具1-3、第四模具1-4沿四開模1長度方向的中心線對稱設置；第三模 具1-3與試樣接觸的面和第四模具1-4與試樣接觸的面與所述制樣底板2的邊緣平行；所 述第一模具1-1、第二模具1-2上的球狀缺口與所述第三模具1-3、第四模具1-4下邊緣相 連，圍合形成制樣腔，。
[0020] 如圖2所示，本發明所述的用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置包括以下組成 部分： 1)用于為整個裝置提供動力的動力裝置，包括步進電機3與直流電機4;其中，步進電 機3與直流電機4并聯連接。優選地，步進電機3的工作轉速為10-200r/min，主要為試樣 提供拉伸動力，直流電機4的轉速為固定值2800r/min，主要在拉伸試驗結束后為拉伸裝置 的復位提供動力，雙電機的組合利用可提高工作效率。
[0021] 2)用于調節電機工作情況的控制器15 ;通過控制器15調節兩個電機的工作情況。
[0022] 3)用于將電機高速轉動力矩轉換為低速水平拉力的傳動轉換裝置；其中，傳動轉 換裝置主要包括雙級變速箱、傳送帶、皮帶盤、絲桿8與絲桿螺母9,雙級變速箱的變速倍數 分別為10倍與150倍，分別安裝在傳送帶的上下兩側，絲桿8-端通過軸承底座與下部變 速箱（150倍）連接，另一端與絲桿螺母連接，絲桿螺母固定在拉伸裝置上，并牽引其沿軸向 移動，滑動底板6則通過與固定擋板14的連接而浮動固定在軸向雙導軌5上。
[0023] 4)用于為試樣提供均勻、穩定拉應力的拉伸裝置，所述試樣制樣模具制得；所述拉 伸裝置由軸向雙導軌5、軸向軸承（6個)、滑動底板6及夾具7組成，夾具7通過螺栓固定在 滑動底板6上，其中滑動底板6上有四排螺孔，分別用于固定四組不同長度的試樣，而滑動 底板6通過軸向軸承固定在軸向雙導軌5上，本發明所述螺栓9即固定在滑動底板6上的 四排螺孔中。
[0024] 5)用于采集試驗數據的數據采集裝置；數據采集裝置包括力傳感器10、位移傳感 器11、應變儀12及計算機13,其中所述力傳感器10的量程為500kg，精度為0. 05%，位移傳 感器11的量程為20mm，精度為0. 001mm，安裝在滑動底板6的外側，并在試驗底板上設置一 個有一定移動范圍的固定擋板，用于固定位移傳感器的探頭；應變儀12為靜態應變儀，可 自動采集數據。
[0025] 6)用于固定數據采集裝置的固定擋板14 ;所述力傳感器10 -端安裝在固定擋板 14上，另一端安裝在滑動底板6上，整體呈浮動固定的形式。
[0026] 其中，所述動力裝置一端與控制器15連接，另一端與傳動轉換裝置和拉伸裝置連 接；所述傳動轉換裝置安裝于動力裝置與拉伸裝置之間；所述數據采集裝置一端連接于拉 伸裝置上，另一端固定于固定擋板14上。
[0027] 本發明還給出了利用本發明所述裝置用于測試土體單軸拉伸特性的試驗方法，包 括以下步驟： 第一步，確定試樣尺寸及制樣：根據試驗方案，通過制樣模具制取不同拉伸段長度的試 樣； 第二步，拆模并裝樣：將第一步中的制樣模具開模得到所需試樣，并將試樣固定于拉伸 裝置上； 第三步，設定拉伸速率：通過控制器15設定步進電機3的轉速以達到試驗方案中要求 的拉伸速率； 第四步，檢查并標定數據采集裝置； 第五步，啟動步進電機3,在其作用下開始進行拉伸試驗，同時開始對其數據進行自動 米集。
[0028] 第六步，對試驗獲得的數據進行整理分析，并在此基礎上探討土體在單軸拉伸過 程中其拉伸特性的變化規律。
[0029] 優選地，在本發明所述的試驗方法第一步中給出四個實施例，即拉伸段有四組不 同的長度，分別為10mm、20mm、40mm與80mm，具體根據試驗方案的要求確定。
[0030] 根據試驗方法第一步中的試樣，結合本發明給出的制樣模具給出一個實施例：根 據土料的最大干密度Y max=1.75g/cm3,曬干過篩后的初始含水率w=4.6%，試驗方案中要求 試樣的壓實度為95%，含水率為最優含水率19. 5%，拉伸速率為0. 005mm/min，拉伸段長度為 10mm (V=156 cm3)，計算試樣質量為309. 75g，配土悶料養護24h后分5層壓實，每層質量為 61. 95g，層間刨毛，壓實前在模具內壁涂一層潤滑油。
[0031] 優選地，在試驗方法弟_步中，拆|旲后將試樣的兩端部固定在夾具7中，后將夾具 7與試樣整體移動到10_拉伸段對應的螺孔位置，通過螺栓9將夾具7固定在滑動底板6 上。
[0032] 根據試驗方法第三步給出一個實施例：調節控制器，由拉伸速率（0. 005mm/min)、 傳動比（3000倍）及絲桿螺距（1. 5mm)計算出步進電機3的工作轉速n=10r/min，通過控制 器15將步進電機的轉速調為10r/min。
[0033] 優選地，本試驗第三步中，拉伸速率的范圍為0. 005mm/min-0. lmm/min。
[0034] 根據試驗方法第四步給出一個實施例：利用彈簧秤對力傳感器10進行標定時，首 先設定力傳感器10的靈敏系數（2. 0)，然后更具彈簧秤與力傳感器10的數值設定修正系數 (760);利用百分表對位移傳感器11進行標定時，同樣需要根據二者的數值設定修正系數 (200)，這樣即可準確測得試樣在拉伸過程中的拉力（N)與位移（_)。
[0035] 本試驗方法第四步中，在力傳感器10的標定方面，先將夾具7左側固定在滑動底 板6上，然后通過彈簧秤給夾具7施加水平作用力，通過對比彈簧秤與力傳感器10采集的 數據進行標定；在位移傳感器11的標定方面，將百分表的探頭接觸在滑動底板6的右端面， 滑動底板6在移動過程中位移傳感器11與百分表同時發生變化，通過對比二者的數據來對 位移傳感器11進行標定，在此基礎上，還可通過設定的拉伸速率對標定效果進行佐證。
[0036] 如圖3所示，優選地，在本試驗方法第六步后還包括以下步驟： 第七步，暫停步進電機3,觀察試樣是否破壞或者達到破壞標準，如果試樣還未破壞，重 新啟動步進電機3直到試樣發生破壞； 第八步，確定試驗結束后，停止數據的采集與步進電機3的工作，更換傳送帶利用直流 電機4將滑動底板6快速復位。
[0037] 本發明中沒有詳細說明的技術特征為現有技術。盡管參照特定的優選實施例已經 表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義 的本發明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節上做出各種變化。
【權利要求】
1. 一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置，其特征在于，包括以下組成部分： 用于為整個裝置提供動力的動力裝置，所述動力裝置包括步進電機（3)與直流電機 (4)，所述步進電機（3)與直流電機（4)并聯連接； 用于調節電機工作情況的控制器（15); 用于將電機高速轉動力矩轉換為低速水平拉力的傳動轉換裝置； 用于為試樣提供均勻、穩定拉應力的拉伸裝置，所述試樣通過制樣模具制得； 用于采集試驗數據的數據采集裝置； 用于固定數據采集裝置的固定擋板（14); 其中，所述動力裝置一端與控制器（15)連接，動力裝置另一端同時與傳動轉換裝置和 拉伸裝置連接；所述數據采集裝置一端連接于拉伸裝置上，數據采集裝置另一端固定于固 定擋板（14)上。
2. 根據權利要求1所述的一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置，其特征在于， 所述步進電機（3)的轉速為10-200r/min，直流電機（4)的轉速為2800r/min。
3. 根據權利要求1所述的一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置，其特征在于， 所述傳動轉換裝置包括絲桿（8)，絲桿（8)-端與動力裝置連接，絲桿（8)另一端與拉伸裝 置連接。
4. 根據權利要求1所述的一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置，其特征在于， 所述拉伸裝置包括軸向雙導軌（5 )、滑動底板（6 )及夾具（7 )，夾具（7 )固定在滑動底板（6 ) 上，滑動底板（6)固定在軸向雙導軌（5)上。
5. 根據權利要求1所述的一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置，其特征在于， 所述數據采集裝置包括力傳感器（10)、位移傳感器（11)、應變儀（12)及計算機（13)，其中 所述力傳感器（10)-端安裝在固定擋板（14)上，另一端安裝在滑動底板（6)上；所述位移 傳感器（11)安裝在滑動底板（6 )的外側；所述力傳感器（10 )、位移傳感器（11)通過應變儀 (12)與計算機（13)連接。
6. 根據權利要求1所述的一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置，其特征在于， 所述制樣模具包括四開模（1)與制樣底板（2)，四開模（1)固定在制樣底板（2)上，四開 模（1)由左右兩個夾持段模具與設置在左右兩個夾持段模具中間的上下兩個拉伸段模具 組成，拉伸段模具與夾持段模具之間可拆卸式連接；其中，左邊的夾持段模具為第一模具 (1-1)，右邊的加持段模具為第二模具（1-2)，第一模具（1-1)與第二模具（1-2)沿四開模 (1) 寬度方向的中心線對稱設置，并且對稱開設球狀缺口；第一模具（1-1)固定于制樣底板 (2) 上，第二模具（1-2)在制樣底板（2)上的安裝位置，相對第一模具（1-1)的距離可調； 上下兩個拉伸段模具分別為第三模具（1-3)、第四模具（1-4)，第三模具（1-3)、第四模具 (1-4)沿四開模（1)長度方向的中心線對稱設置；第三模具（1-3)與試樣接觸的面和第四模 具（1-4)與試樣接觸的面與所述制樣底板（2)的邊緣平行；所述第一模具（1-1 )、第二模具 (1-2)上的球狀缺口與所述第三模具（1-3)、第四模具（1-4)下邊緣相連，圍合形成制樣腔。
7. -種根據權利要求1所述的一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置的拉伸方 法，其特征在于，包括以下步驟： 第一步，確定試樣尺寸及制樣：根據試驗方案，通過制樣模具制取不同拉伸段長度的試 樣； 第二步，拆模并裝樣：將第一步中的制樣模具開模得到所需試樣，并將試樣固定于拉伸 裝置上； 第三步，設定拉伸速率：通過控制器（15)設定步進電機（3)的轉速以達到試驗方案中 要求的拉伸速率； 第四步，檢查并標定數據采集裝置； 第五步，通過控制器（15)啟動步進電機（3)，進行試驗； 第六步，采集并分析數據采集裝置所獲取的試驗數據。 第七步，暫停步進電機（3)，觀察試樣是否破壞或者達到破壞標準，如果試樣還未破壞， 重新啟動步進電機（3)直到試樣發生破壞； 第八步，確定試驗結束后，停止數據的采集與步進電機（3)的工作，更換傳送帶利用直 流電機（4)將滑動底板（6)快速復位。
8. 根據權利要求7所述的一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置的拉伸方法，其 特征在于，第二步中，在固定試樣時先將試樣的兩端置于夾具（7)中，然后根據試樣長度調 節夾具（7 )在滑動底板（6 )上的安裝位置。
9. 根據權利要求7所述的一種用于測試土體單軸拉伸特性的試驗裝置的拉伸方法，其 特征在于，第三步中，拉伸速率的范圍為0. 〇〇5mm/min-〇. lmm/min。
【文檔編號】G01N3/08GK104062180SQ201410247739
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】崔猛, 徐奮強, 劉鑫, 洪寶寧, 易進翔 申請人:河海大學