[发明专利]一种软岩和土体的直接拉伸抗拉强度测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种软岩和土体的直接拉伸抗拉强度测试装置和方法，测试对象为空心柱状土体和软岩。该装置包括机械部分和控制部分；计算机通过电路板与机械部分相连，完成对机械部分的控制及测试数据的收集和处理；测试方法：连接计算机和各部件；将试样的中心孔穿过拉杆装置的中心拉柱，放至于拉座上；中心拉柱可沿轴线对称地分离为左半拉柱和右半拉柱；扣下拉杆装置的左右平杆，调节右拉座位置，使左右半拉柱的外弧面贴合于试样中心孔内壁；由步进电机提供拉伸荷载；测试时采集压力、位移数据，测试结束后计算机程序计算出试样的抗拉强度值。本发明布局紧凑、轻便、易于操作；采用中心拉柱规范试样位置和姿态，确保拉伸中无偏应力；测试结果准确。

技术领域

本发明涉及一种软岩和土体的直接拉伸抗拉强度测试装置及方法，属于抗拉强度试验技术领域。

背景技术

抗拉强度是指材料对外界荷载所产生的拉应力的极限抵抗能力。目前对于土体和软岩的测试方法，主要为单轴拉伸法、巴西劈裂法、轴向压裂法、土梁弯曲法。其中，单轴拉伸法属于直接测试法，巴西劈裂法、轴向压裂法、土梁弯曲法属于间接测试法。

单轴拉伸法是在试样两端直接施加拉力，直至试样被拉断。通过断裂时断面的应力和面积来计算抗拉强度。单轴拉伸法在测试中可观察到试样受力拉伸直至破坏的完整过程，能直观地反应试样受拉破坏的力学行为。但是，对于土体和软岩材料，单轴拉伸测试过程中存在试样装配困难的问题。目前单轴拉伸试验中常采用夹具或高分子胶水，将圆柱状试样的两个端头与拉杆装置连接固定，通过对拉杆装置施加拉伸荷载，实现对试样的拉伸破坏。固定夹具为两个半圆形夹片，利用螺丝将两个夹片对扣紧固，从而固定试样的两个端头。由于土体和软岩硬度小，脆性大，在紧固过程中试样端头容易被挤压破坏。其次，试样两端夹具对中困难，测试过程中易产生偏心力，对测试结果造成影响。再者，拉伸过程中夹具与试样之间易产生相对滑动，试样的真实形变量难以测得。采用高分子胶水粘结试样端头，易使试样端部的内部结构遭到破坏，试样与拉杆装置难以粘结紧固，拉伸过程中试样与拉杆装置间易发生脱离。

间接测试法是假设土体或软岩的拉伸破坏遵循一定的应力-应变关系，采用与试验方法相配套的理论公式间接地计算出材料的抗拉强度。巴西劈裂试验得规范要求，垫条必须对称放置于试样上下，且要求两垫条同试样的接触线应处于试样的竖直纵切面上。但由于垫条尺寸较小，人为摆放效果难以达到规范要求，使得受压时出现偏心压力。此外，在施压过程中劈裂垫条容易发生滑移，导致试验失败。轴向压裂测试中试样的压裂效果不易控制，上下小尺寸圆柱垫块的摆放同样对中困难。土梁弯曲法所需的试样尺寸较大，不易制得，试样断裂位置难以控制在中部位置。

除以上述所存在的问题之外，现行的抗拉强度测试方法的荷载一般由万能试验机提供，夹具、垫条、衬垫等相关零部件需要额外加工定制，整套测试系统价格高昂，体积笨重庞大，不便搬移。试验过程需要多人配合，操作复杂繁琐，效率低。试验人为操作步骤较多，零部件的安装或放置难以达到精确控制，影响试验最终效果。

发明内容

本发明旨在提供一种软岩和土体的直接拉伸抗拉强度测试装置及方法，针对的测试对象为软岩或土体，包括原状土或重塑土。试样形状为空心圆柱状，可由线切割机和台钻制成，试样制备方便。测试采用直接拉伸的方法，能直接观察到试样受拉破坏的整个过程，对试样受拉力学行为产生直观理解，并使抗拉强度值的计算严格遵循了抗拉强度的定义，规避了间接测试法（如巴西劈裂和轴向压裂法）中理论假设和公式换算所带来的误差。

相比传统直接拉伸法，该装置操作简单，试样直接安装固定在拉杆装置上，无需使用额外的夹具或胶水固定试样，避免了对试样结构造成损伤。同时，也规避了巴西劈裂法中试样因水平放置和轴向压裂法试样因下端放置垫块所引起的失稳问题。中心拉柱规范了试样位置，确保拉力沿同一直线，规避了直接拉伸法、巴西劈裂法和轴向压裂法中易出现偏心力的问题。试验测试效果统一，拉断面皆垂直于拉伸方向，并出现在试样的中部位置，试验质量高。