專利名稱：一種適于測試土體斷裂參數的測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種適于測試土體斷裂參數的測試儀，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。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；試驗中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
本實用新型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儀器和測試方法，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。本實用新型的技術解決方案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。
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方法確定。
本實用新型的優點測量精度高，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；可測量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增量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是本實用新型的結構示意圖。
附圖2是本實用新型結構原理示意圖。
附圖3是簡單加荷時的荷載位移曲線的試驗成果圖。
附圖4是簡單加荷時的電導增量位移曲線的試驗成果圖。
附圖5是循環加荷時的荷載位移曲線的試驗成果圖。
附圖6是循環加荷時的電導增量位移曲線的試驗成果圖。
附圖7是本發明結構中電導儀的電路結構方塊圖。
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。
具體實施方式
對照附圖1，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，用以平衡試樣自重的消除試樣底部摩擦。
對照附圖2，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。
對照附圖3，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4，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3、4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5、6，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5。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6。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5、6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。
實施例1、2、3試樣有效長度S＝18.5cm，試樣寬度W分別為4.4、4.6、4.8cm，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。所述的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。
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3所示。附圖3中橫軸為加荷桿位移，縱軸為荷載。附圖3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4所示。附圖4中橫軸為加荷桿位移，縱軸為電導增量。
比較附圖4和附圖3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5所示，附圖5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6所示，附圖6中橫軸為加荷桿位移，縱軸為電導增量。依據附圖5、6均可確定臨界荷載，其方法與簡單加荷情況相同，這里不再贅述。
從附圖5、6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。用電導儀測量試樣的電導。用荷載位移曲線法和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1.一種適于測試土體斷裂參數的測試儀，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。
專利摘要本實用新型是一種適于測試土體斷裂參數的測試儀，其結構由加荷手柄、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。其中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。優點測量精度高，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；可測量整個加荷過程的荷載—位移曲線；有效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位移曲線方法確定裂縫起裂的臨界荷載，保證臨界荷載的準確性。
文檔編號G01N3/40GK2789755SQ20052007167
公開日2006年6月21日 申請日期2005年5月16日 優先權日2005年5月16日
發明者王俊杰, 朱俊高, 陳亮 申請人:河海大學