專利名稱：土體斷裂參數的測試方法及其測試儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是低強度材料斷裂參數的測試方法及其測試儀器，屬于土體斷裂參數測試儀器技術領域。
背景技術：
現有技術中常用的是標準三點彎曲斷裂試驗方法。所述標準三點彎曲試驗是測試金屬和混凝土斷裂參數的標準方法，試驗中加荷方向和試樣的自重方向一致。現有技術測試土體等抗斷裂性能較差材料的斷裂參數時，試樣可能在加荷前發生因試樣自重引起的斷裂破壞，即使不發生這種破壞，也因試樣自重與斷裂荷載相比不可忽略而明顯影響試驗結果；另外，現有技術用位移引伸儀測量裂縫口張開位移，這使得試樣裂縫切口質量和引伸儀的安裝質量對試驗結果存在較大影響，對土樣而言，位移引伸儀更是難以安裝；再者，用現有的方法試驗土樣時很難獲得荷載峰值后的試驗曲線；對于荷載—位移曲線中無明顯荷載峰值的情況，用現有的方法確定裂縫起裂的臨界荷載的精度很難保證。
發明內容
本發明的目的在于克服上述常規斷裂試驗方法和測試儀器的缺陷，提出一種適用于研究土體斷裂特性的測試方法和儀器，具有既操作簡便又能保證精度的土體斷裂儀。它不僅消除了試樣自重對試驗過程和試驗結果的影響，而且提高了測試精度，適宜土體這類抗斷裂性能較差材料的斷裂特性試驗研究。本發明的技術解決方案土體斷裂參數的測試方法是加荷方式為簡單加荷或循環加荷，加荷方向為水平方向，荷載由一小量程高精度荷重傳感器測量，加荷桿位移由百分表測量，試樣電導由電導儀測量，臨界荷載由荷載位移曲線和電導增量位移曲線確定。
土體斷裂參數測試儀，其結構是加荷手柄連接變速箱，變速箱連接傳力桿，傳力桿連接荷重傳感器，荷重傳感器連接加荷桿，百分表與試樣加荷桿相連，電導儀中的電極直接插入試樣兩端，萬向滾輪支撐放置于試樣底部。
本發明的優點測量精度高、可消除試樣自重影響的新斷裂參數測試儀器，其操作簡便，對試樣裂縫切口質量要求不高，試樣質量易于保證。加荷方向與試樣自重方向垂直，消除了試樣自重對試驗過程和試驗結果的影響；可量測整個加荷過程的荷載位移曲線，包括軟化段；小量程高精度的荷重傳感器可以測得足夠精度的荷載值；百分表測量加荷桿位移，避免了試樣裂縫切口質量和引伸儀安裝質量對試驗結果的影響；電導儀測量試驗中試樣的電導變化；通過荷載位移曲線和電導位移曲線兩種方法確定裂縫起裂的臨界荷載，保證了臨界荷載的準確性。
附圖1是本發明簡單加荷時的荷載位移曲線的試驗成果圖。
附圖2是本發明簡單加荷時的電導增量位移曲線的試驗成果圖。
附圖3是本發明循環加荷時的荷載位移曲線的試驗成果圖。
附圖4是本發明循環加荷時的電導增量位移曲線的試驗成果圖。
附圖5是本發明的結構示意圖。
附圖6是本發明結構原理示意圖。
附圖7是本發明結構中電導儀的電路結構示意圖。
圖中的1’是加荷手柄、2’是變速箱、3’是傳力桿、4’是荷重傳感器、5’是加荷桿、6’是百分表、7’是電導儀、8’是萬向滾輪支撐、9’是試樣、AA、BB是試樣支點、CC是試樣加荷桿、DD是電極、F是裂縫切口、W是試樣寬度、B是試樣厚度、P是載荷、a是裂縫深度、S是試樣有效長度、10’是電極；11’是傳感器12’是放大器；13’是A/D轉換；14’是數據采集；15’是中央處理器；16’是數據輸出。
具體實施例方式
對照附圖1，加荷方式為簡單加荷，加荷方向為水平方向，荷載由一小量程高精度荷重傳感器測量，加荷桿位移由百分表測量，試樣電導由電導儀測量，臨界荷載由荷載位移曲線或電導增量位移曲線表示。依據荷載P和加荷桿位移繪制荷載位移曲線。
對照附圖2，依據試樣的電導變化量或電導值和加荷桿位移繪制電導增量位移曲線或者電導位移曲線。
上述兩種曲線均可用于確定臨界荷載的大小。對于附圖1、2所示曲線，在荷載達峰值前，試樣電導沒有變化，即裂縫沒有發生擴展，荷載達峰值后，電導隨位移發生變化，即裂縫發生擴展，荷載峰值就是裂縫起裂的臨界荷載，臨界荷載對應的位移正好是電導增量位移曲線的拐點對應的位移，兩種方法確定的結果一致。有些情況的荷載位移曲線并不出現明顯的荷載峰值，臨界荷載可依據電導增量位移曲線的拐點確定，臨界荷載的準確性可以保證。
對照附圖3、4，加荷方式為循環加荷，加荷方向為水平方向，荷載由一小量程高精度荷重傳感器測量，加荷桿位移由百分表測量，試樣電導由電導儀測量，臨界荷載由荷載位移曲線或電導增量位移曲線表示。依據荷載P和加荷桿位移繪制荷載位移曲線，如附圖3。或依據試樣的電導變化量或電導值和加荷桿位移繪制電導增量位移曲線或者電導位移曲線，如附圖4。上述兩種曲線同樣均可用于確定臨界荷載的大小。對于附圖3、4所示曲線，荷載峰值就是裂縫起裂的臨界荷載，臨界荷載對應的位移正好是電導增量位移曲線的第一拐點對應的位移，兩種方法確定的結果一致。在荷載達峰值前的卸荷—加荷循環中，電導沒有發生變化，表明裂縫沒有發生擴展；在荷載達峰值后的卸荷—加荷循環中，卸荷時電導保持不變，加荷時電導緩慢變化，當荷載達再加荷的峰值后，電導沿原曲線變化，表明卸荷時裂縫沒有發生擴展，加荷時裂縫發生擴展。
對照附圖5，其結構是加荷手柄1’連接變速箱2’，按照一定加荷速率施加荷載；變速箱2’連接傳力桿3’，控制荷載方向和根據試樣尺寸調節加荷桿位置；傳力桿3’連接荷重傳感器4’，用以測量施加于試樣的荷載大小；荷重傳感器4’連接加荷桿5’，給試樣施加均布線荷載；百分表6’與試樣加荷桿相連，測量加荷過程中試樣加荷桿的位移；電導儀7’中的電極DD直接插入試樣9’兩端，測量試驗過程中試樣電導的變化；萬向滾輪支撐8’放置于試樣底部，用以平衡試樣9’自重和消除試樣底部摩擦。
對照附圖6，其工作過程是首先把制備好的試樣安裝在土體斷裂儀中，通過試樣加荷桿CC給試樣施加均布線荷載P，通過百分表6’測量試驗中試樣加荷桿的位移，同時通過插入試樣兩端的電極DD，用電導儀7’測量試驗過程中試樣的電導值。
實施例1、2、3試樣有效長度S＝18.50cm，試樣寬度W分別為4.40、4.60、4.80cm，試樣厚度B分別為2.20、2.30、2.40cm，裂縫深度a分別為2.00、2.25、2.50cm。
加荷方向為水平向，荷載由一小量程高精度荷重傳感器測量，加荷桿位移由百分表測量，試樣電導由電導儀測量，臨界荷載由荷載位移曲線或電導增量位移曲線表示。
對于簡單加荷情況，試驗中荷載、加荷桿位移、試樣電導測量值示于附表1，表中電導增量由電導計算得到。臨界荷載可由荷載位移曲線或電導增量位移曲線得到。依據荷載P和加荷桿位移繪制荷載位移曲線，如附圖1所示。附圖1中橫軸為加荷桿位移，縱軸為荷載。附圖1中可以看出，當荷載小于峰值時，荷載隨加荷桿位移基本呈線性增大，荷載峰值就是臨界荷載。依據試樣的電導變化量和加荷桿位移繪制電導增量位移曲線，如附圖2所示。附圖2中橫軸為加荷桿位移，縱軸為電導增量。
比較附圖2和附圖1可知，在加荷桿位移小于荷載峰值對應的位移時，試樣電導增量為零，即裂縫沒有發生擴展；當加荷桿位移大于荷載峰值對應的位移時，試樣電導發生變化，即裂縫發生擴展；荷載峰值對應的加荷桿位移正好是電導增量位移曲線的拐點對應的位移，即裂縫起裂的位移，荷載峰值就是臨界荷載。兩種方法確定的結果一致。
對于循環加荷情況，試驗中荷載、加荷桿位移、試樣電導測量值示于附表2，表中電導增量由電導計算得到。臨界荷載可由荷載位移曲線或電導增量位移曲線得到。依據荷載P和加荷桿位移繪制荷載位移曲線，如附圖3所示，附圖3中橫軸為加荷桿位移，縱軸為荷載。依據試樣的電導變化量和加荷桿位移繪制電導增量位移曲線，如附圖4所示，附圖4中橫軸為加荷桿位移，縱軸為電導增量。依據附圖3、4均可確定臨界荷載，其方法與簡單加荷情況相似。
從附圖3、4還可以看出，在荷載達峰值前的卸荷—加荷循環中，電導沒有發生變化，表明裂縫沒有發生擴展；在荷載達峰值后的卸荷—加荷循環中，卸荷時電導保持不變，加荷時電導緩慢變化，當荷載達再加荷的峰值后，電導沿原曲線變化，表明卸荷時裂縫沒有發生擴展，加荷時裂縫發生擴展。
試用證明，消除了土樣自重對試驗過程和試驗結果的影響。對傳統的標準三點彎曲斷裂試驗方法進行了改進，加載方向由豎直向改為水平向，從而使加載方向與土樣自重方向垂直。小量程高精度的荷重傳感器保證了荷載測量精度。試樣底部應用萬向滾輪支撐，消除試驗底部摩擦力的同時并不約束試樣的變形。百分表用于測量試樣加荷桿的位移。試樣的電導用電導儀測得。該電導儀由現有技術電極10’、傳感器11’、放大器12’、A/D轉換13’、數據采集14’、中央處理器15’、數據輸出16’串接而成。
用荷載—加荷桿位移曲線法和電導增量位移曲線或電導位移曲線法確定試樣起裂的臨界荷載，可以確保臨界荷載的準確性。可以測得試樣整個斷裂過程中的荷載—加荷桿位移曲線。可分別進行三點彎曲斷裂試驗和四點非對稱斷裂試驗。可分別測試土樣I型和II型裂縫問題的斷裂韌度KIC、KIIC和I-II復合裂縫問題的K因子。
表1 簡單加荷試驗測試數據
表2 循環加荷試驗測試數據
權利要求
1.土體斷裂參數的測試方法，其特征是加荷方式為簡單加荷或循環加荷，加荷方向為水平方向，荷載由一小量程高精度荷重傳感器測量，加荷桿位移由百分表測量，試樣電導由電導儀測量，臨界荷載由荷載位移曲線或電導增量位移曲線表示。
2.土體斷裂參數測試儀，其特征是加荷手柄(1’)連接變速箱(2’)，變速箱(2’)連接傳力桿(3’)，傳力桿(3’)連接荷重傳感器(4’)，荷重傳感器(4’)連接加荷桿(5’)，百分表(6’)與試樣加荷桿(5’)相連，電導儀(7’)中的電極(DD)直接插入試樣(9’)兩端，萬向滾輪支撐(8’)放置于試樣(9’)底部。
全文摘要
本發明是土體斷裂參數的測試方法及其測試儀，其測試方法在于加荷方向為水平方向，荷載由一小量程高精度荷重傳感器測量，加荷桿位移由百分表測量，試樣電導由電導儀測量，臨界荷載由荷載位移曲線和電導增量位移曲線確定。測試儀由加荷手柄、變速箱、傳力桿、荷重傳感器、加荷桿、百分表、電導儀、萬向滾輪支撐、試樣組成。優點測量精度高、可消除試樣自重影響的新斷裂參數測試儀器，操作簡便，試樣質量易于保證。消除試樣自重對試驗過程和試驗結果的影響；測量整個加荷過程的荷載一位移曲線；避免試樣裂縫切口質量和引伸儀安裝質量對試驗結果的影響；通過荷載位移曲線和電導增量位移曲線方法確定裂縫起裂的臨界荷載，保證了臨界荷載的準確性。
文檔編號G01N3/40GK1699955SQ20051004001
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月16日 優先權日2005年5月16日
發明者朱俊高, 王俊杰, 陳亮 申請人:河海大學