王云仙 于連玉

摘 要：巖土材料細(xì)觀力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果與宏觀力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證之間一直以來(lái)缺乏相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備，因?yàn)閹r土材料具有非均勻性，特別研制巖土材料間接拉伸強(qiáng)度測(cè)定儀，并使它與工業(yè)CT配套使用。該儀器中，試件做成環(huán)狀，試件中部為三個(gè)滑塊，一個(gè)錐形棒插入三個(gè)滑塊中，錐形棒與滑塊內(nèi)壁錐形面吻合，錐形棒在豎向荷載作用下，向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)滑塊水平運(yùn)動(dòng)，從而在試件內(nèi)壁產(chǎn)生動(dòng)態(tài)內(nèi)壓力。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)內(nèi)壁壓力達(dá)到一定值后試樣破壞，然后利用工業(yè)CT掃描，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到試樣的抗拉強(qiáng)度，最終確定此儀器的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：巖土材料；工業(yè)CT；拉伸強(qiáng)度儀；實(shí)用性

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2015）19021901

1 概述

抗拉強(qiáng)度程中對(duì)土體裂縫、邊坡加固、坍塌、基坑變形等工程問(wèn)題都有一定的影響，比較重要。抗拉強(qiáng)度是巖土材料一個(gè)比較重要的力學(xué)性質(zhì)，由于其測(cè)定困難，在工程中使用相對(duì)較少，對(duì)其研究并不多。

工程巖土材料一般都是典型的非均勻性材料。傳統(tǒng)的測(cè)試方法均存在著只考慮單一斷面的缺陷，其測(cè)量結(jié)果較材料本身真實(shí)值有一定差別。后來(lái)發(fā)展出現(xiàn)的套筒致裂法和環(huán)狀試樣法證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，與其它的實(shí)驗(yàn)方法相比具有明顯的優(yōu)越性，但也存在制樣裝樣困難，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集繁瑣等問(wèn)題。

在工程中準(zhǔn)確測(cè)定巖土抗拉強(qiáng)度意義重大，必須考慮非均勻性對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響。因此，需要設(shè)計(jì)一種新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將材料的非均勻性列為影響因素，準(zhǔn)確測(cè)定巖土材料的抗拉強(qiáng)度?；诖耍菊撐脑O(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)裝置，這種裝置采用間接測(cè)定法測(cè)定巖土材料抗拉特性，設(shè)計(jì)中充分考慮了巖土工程材料的非均勻性的特點(diǎn)，其測(cè)量方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

在巖土工程界，CT技術(shù)起步比較晚，尤其是國(guó)內(nèi)，國(guó)外研究的內(nèi)容主要集中在巖土體的密度、孔隙度、含水量、溶質(zhì)濃度、孔隙大小和裂隙寬度等，多孔介質(zhì)中流體運(yùn)動(dòng)也得到監(jiān)測(cè)和量化。

本文重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)的可與工業(yè)CT相配合使用的巖土材料拉伸強(qiáng)度儀的實(shí)用性，這種裝置采用間接測(cè)定法測(cè)定巖土材料抗拉特性，設(shè)計(jì)中充分考慮了巖土工程材料的非均勻性的特點(diǎn)，其測(cè)量方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

2 試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與加工

2.1 試驗(yàn)設(shè)備的理論分析

以下是試驗(yàn)計(jì)算的示意圖。其中F是試驗(yàn)加載時(shí)的荷載值，單位：kN；①為一三棱臺(tái)；②為三個(gè)滑塊；③為一圓環(huán)試件。

在以往研究的基礎(chǔ)上，將材料的非均勻性列為影響因素，設(shè)計(jì)中充分考慮了巖土工程材料非均勻性的特點(diǎn)以及卸荷回彈的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套新的拉伸強(qiáng)度儀。

圖3設(shè)備的下底板的外徑為150mm，內(nèi)徑為30mm，厚10mm，在底板上有三對(duì)平行的V字槽，兩個(gè)V字槽相距46mm。設(shè)備的左部是長(zhǎng)40.77mm、寬15mm、厚4mm的薄片，其上車兩個(gè)圓心相距16.8mm、直徑為10.8mm的圓，用以放10mm的鋼珠，在實(shí)驗(yàn)中起到支撐和軌道的作用。

圖3為一代設(shè)計(jì)設(shè)備的設(shè)計(jì)圖。

試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括成型試件、托盤、三瓣圓環(huán)（中間插一根匹配的圓錐棒）和加載系統(tǒng)。試驗(yàn)主要流程包括：將下底板及鋼珠擺好，然后將三瓣上頂板槽對(duì)槽的放置好，下來(lái)將成型試件套入三瓣圓環(huán)，再放入圓錐棒，將試件連同整個(gè)

設(shè)備一起放到加載器正下方。加載器下降到一定高度

與圓錐棒的頂面接觸，隨后加載不斷加大，圓錐棒不斷向下擠壓，三瓣圓環(huán)不斷向外水平，試件的內(nèi)壁在三瓣圓環(huán)的擠壓下不斷受力，與三瓣圓環(huán)連接的上頂板在應(yīng)力作用下沿著底部的滑道向外緩慢移動(dòng)，直至試件破壞，停止試驗(yàn)。

圖4 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)階段

3.1 重塑黃土試樣制備

重塑黃土經(jīng)過(guò)碎、烘、篩、配水，配制到要求的含水量，計(jì)算其物理性質(zhì)指標(biāo)，并根據(jù)其物理性質(zhì)指標(biāo)計(jì)算試驗(yàn)所需參數(shù)。

3.2 儀器操作及使用

將成型的試樣小心托放到試驗(yàn)裝置之上，在移動(dòng)試樣過(guò)程中要用力適當(dāng)，避免土樣受到破壞而影響試驗(yàn)結(jié)果。

加載器緩慢下降，觀察計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集界面。當(dāng)加載器剛接觸到錐棒時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力，這時(shí)停止下降，將所有采集數(shù)據(jù)的記錄全部清零。然后繼續(xù)下降，將所有采集壓力傳感器采集到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可看到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集界面壓力曲線上升。隨著加載器的不斷下降，壓力不斷上升，錐棒也不斷向下運(yùn)動(dòng)，擠壓儀器圓環(huán)內(nèi)壁，擴(kuò)大其外徑，從而破壞試件。當(dāng)看到壓力曲線突然下降時(shí)，即試件已破壞，停止加載。在采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)中解析數(shù)據(jù)，生成壓力曲線圖和位移曲線圖，根據(jù)需要保存相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

重塑黃土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論

本次試驗(yàn)主要目的是對(duì)巖土材料的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行分析，在分析前人對(duì)黃土抗拉特性研究的基礎(chǔ)上，使用自主研發(fā)的設(shè)備，進(jìn)行重塑黃土抗拉特性的研究。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，結(jié)果基本一致。本文設(shè)計(jì)的這套設(shè)備可與工業(yè)CT配合，可以有效地用于巖土材料間接拉伸破裂逐漸發(fā)展的分析中。

通過(guò)本文研制的設(shè)備可以幫助在土木工程、道路工程等涉及巖土材料拉伸變形力學(xué)性能的研究中起到重要的作用。并且，該設(shè)備間接測(cè)得的巖土數(shù)據(jù)更接近巖土本身的特性指數(shù)，可以在平時(shí)的土工試驗(yàn)中進(jìn)行使用。

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