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一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置及其使用方法

阅读：523发布：2021-03-03

IPRDB可以提供一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置及其使用方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置及其使用方法，该智能试验装置包括底座、试样装载单元、测量单元、动力加载单元以及数据处理单元。本发明既能够简便而又精确地测量土体的抗拉强度，同时还能够在计算机上自动绘制出土体抗拉强度与位移量的变化关系图，以及能够保存土体在拉应力下逐渐断裂的影像资料，以便更好地我研究土体的抗拉特性提供参考依据。，下面是一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置及其使用方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，其特征在于，包括底座(8)、试样装载单元、测量单元、动力加载单元以及数据处理单元，所述底座(8)上设有试样装载单元、测量单元和动力加载单元，所述测量单元、动力加载单元分别通过数据线与数据处理单元连接；

所述试样装载单元包括波浪形模具(13)、插销(12)和第一底板(4)，所述测量单元包括拉力传感器(10)、回弹式位移传感器(7)、图像传感器(1)、第二底板(3)和柔性连接杆(15)，所述动力加载单元包括丝杆(6)、导向杆(5)和电机(9)，所述数据处理单元包括解调器(14)和计算机(16)，所述解调器(14)通过数据线与计算机(16)相连接；所述波浪形模具(13)为左右两个部分拼接，侧壁上设有八个圆孔，波浪形模具(13)的左端设置在第一底板(4)上，通过拉钩(2)和接头(11)与拉力传感器(10)连接，右端设置在底座(8)上；所述丝杆(6)的一端穿过第二底板(3)与电机(9)连接，另一端固定在底座(8)上；所述导向杆(5)的一端依次穿过第一底板(4)和第二底板(3)与底座(8)连接，另一端固定在底座(8)上；所述拉力传感器(10)固定在第二底板(3)上；所述回弹式位移传感器(7)设在底座(8)上；所述图像传感器(1)通过柔性连接杆(15)固定在波浪形模具(13)的中间部位的正上方；拉力传感器(10)、回弹式位移传感器(7)和图像传感器(1)分别通过数据线与数据处理单元相连接；所述动力加载单元的电机(9)通过数据线与数据处理单元相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，其特征在于，所述底座(8)上设有波浪形模具(13)、电机(9)、回弹式位移传感器(7)、丝杆(6)、导向杆(5)、柔性连接杆(15)；所述电机(9)为无级变速电机或多级变速电机。

3.根据权利要求2所述的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，其特征在于，所述第一底板(4)的上表面设有四个圆孔，与波浪形模具(13)上的圆孔相对应，通过插销(12)与波浪形模具(13)相连接，上表面设有凹槽与波浪形模具(13)嵌合，侧面设有贯穿的第一左圆孔(17)和第一右圆孔(18)。

4.根据权利要求3所述的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，其特征在于，所述第二底板(3)的侧面设有贯穿的第二左圆孔(19)、中圆孔(21)和第二右圆孔(20)；所述中圆孔(21)的内部设有与丝杆(6)相反的内螺纹；所述丝杆(6)为螺杆或滚珠丝杆，穿过中圆孔(21)。

5.根据权利要求4所述的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，其特征在于，所述第二左圆孔(19)、第二右圆孔(20)、第一左圆孔(17)和第一右圆孔(18)的孔径相同。

6.根据权利要求5所述的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，其特征在于，所述导向杆为柱状铁杆，数量为两个，其中一个导向杆穿过第一左圆孔(17)和第二左圆孔(19)，另一个导向杆穿过第一右圆孔(18)和第二右圆孔(20)。

7.根据权利要求6所述的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，其特征在于，所述回弹式位移传感器(7)的数量至少为两个。

8.根据权利要求7所述的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，其特征在于，所述柔性连接杆(15)可任意弯曲，弯曲后的形状固定。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置的操作方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤1，组装智能试验装置：将拉钩(2)与接头(11)进行嵌入式连接，插入插销(12)，使波浪形模具(13)分别与第一底板(4)、底座(8)稳固连接；启动电机(9)，调整第一底板(4)的位置，第一底板(4)和底座(8)接触后停止电机(9)；

步骤2，装载试样：根据含水率和压实度的控制条件，称取一定质量的土，放入组装好的波浪形模具(13)内，均匀铺平；或使用特制的环刀制备试样，将试样放入组装好的波浪形模具(13)内；

步骤3，拉伸试样：操作计算机(16)启动电机(9)，开始对试样施加拉力，直到试样断裂；

试样断裂后，停止试验，拔出插销(12)，取下波浪形模具(13)，取出其中已经断裂的试样；

步骤4，获取试验数据：计算机(16)接收和存储测量单元的测量数据，包括在试验过程中试样受到的拉力，产生的位移和整个过程的影像；通过计算机(16)处理所测得的数据，得到完整的应力-应变曲线并配上对应时刻的试样图片。

说明书全文

一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于土工实验技术领域，特别是涉及一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置及其使用方法。

背景技术

[0002] 在传统工程地质环境及土体力学性质的研究中，土体通常不主动作为抗拉材料使用，认为土体的抗拉强度很小或几乎视为零，导致在实际工程中土体的抗拉强度常常被忽视，而对土体力学性质的研究也多侧重于抗压和抗剪，对抗拉的研究较少。实际上，土体的抗拉特性在土体变形与破坏的过程中起着非常重要的作用，由此也产生了诸多与之相关的土体工程问题。比如干燥环境中土体中发育的龟裂现象、地裂缝的发育、边坡后部的张拉裂隙、土石坝心墙在拱效应作用下的拉裂破坏等，均与土体张拉破坏有着密切联系。因此，对土体的抗拉特性进行研究，测量土体的抗拉强度，并采取一定的工程措施来提高土体的抗拉强度具有重要的工程意义。

[0003] 公知的对土体的抗拉强度的测试主要在室内进行，其测试方法可以分为两类：一类是直接测定法，即单轴拉伸试验和三轴拉伸试验方法；另一类是间接测定法，包括径向压裂试验、弯曲梁试验和环状试样法等。由于间接测定法存在较多的理论假设，通过一系列计算得到的抗拉强度并不能直接反应土体断裂时的力学性能，与实际情况有较大差异。而直接测定法是在土样的两端直接施加拉应力直至断裂破坏，获得的结果具有较高的可靠度。同时，对比土体抗剪特性的研究，到目前为止还没有获得业界普遍认同的土体抗拉强度试验装置。

[0004] 综上所述，如何加快研发一种集性能可靠、使用简便为一体的测量土体抗拉强度的智能试验装置是本领域的一项紧迫的任务。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术所存在的不足而提供一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，本发明既能够简便而又精确地测量土体的抗拉强度，同时还能够在计算机上自动绘制出土体抗拉强度与位移量的变化关系图，以及能够保存土体在拉应力下逐渐断裂的影像资料，以便更好地我研究土体的抗拉特性提供参考。

[0006] 根据本发明提出的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，其特征在于，包括底座、试样装载单元、测量单元、动力加载单元以及数据处理单元，所述底座上设有试样装载单元、测量单元和动力加载单元，所述测量单元、动力加载单元分别通过数据线与数据处理单元连接；所述试样装载单元包括波浪形模具、插销和第一底板，所述测量单元包括拉力传感器、回弹式位移传感器、图像传感器、第二底板和柔性连接杆，所述动力加载单元包括丝杆、导向杆和电机，所述数据处理单元包括解调器和计算机，所述解调器通过数据线与计算机相连接；所述波浪形模具为左右两个部分拼接，侧壁上设有八个圆孔，波浪形模具的左端设置在第一底板上，通过拉钩和接头与拉力传感器连接，右端设置在底座上；所述丝杆的一端穿过第二底板与电机连接，另一端固定在底座上；所述导向杆的一端依次穿过第一底板和第二底板与底座连接，另一端固定在底座上；所述拉力传感器固定在第二底板上；所述回弹式位移传感器设在底座上；所述图像传感器通过柔性连接杆固定在波浪形模具的中间部位的正上方；拉力传感器、回弹式位移传感器和图像传感器分别通过数据线与数据处理单元相连接；所述动力加载单元的电机通过数据线与数据处理单元相连接。

[0007] 本发明的实现原理是：将制备好的试样放入波浪形模具中，启动电机，丝杆带动第二底板、拉力传感器和波浪形模具的左端一起水平向左移动，试样受拉产生断裂；导向杆一端固定在底座上，另一端依次穿过第一底板和第二底板与底座连接，波浪形模具的左端通过插销固定在第一底板上，波浪形模具的左端发生移动时会带动第一底板，第一底板会沿着导向杆移动，第一底板不会因为受到试样在抵抗拉应力时所产生的反力而偏离原有的位置，这保证试样受力的方向一致；波浪形模具的两侧呈波浪状，增大波浪形模具的内壁与试样之间的接触面积，一方面避免土体出现端部效应，另一方面保证土体和波浪形模具的侧壁之间不产生滑动；在试样发生断裂破坏的过程中，计算机精确、连续记录试验过程中的各项参数，根据位移量匹配对应时刻的试样图片。

[0008] 本发明与现有技术相比其显著优点在于：

[0009] 一是本发明预设土体的断裂位置，并且能够控制应力加载速率，试验重复性好。

[0010] 二是本发明采用拉力传感器和回弹式位移传感器，试验数据精确度高，并且能够连续记录拉伸过程中拉应力与土样位移量的变化关系图。

[0011] 三是本发明施加水平向的拉应力拉伸土样，避免了垂直方向拉伸时土体自身重力对试验结果的影响。

[0012] 四是本发明能够简便、快速地进行试验，节约了大量的时间成本，本发明适用于各类土体工程，具有很好的实用性。

[0013] 五是本发明能够记录并保存土体在拉应力下逐渐断裂的影像资料，以便为更好地研究土体的抗拉特性提供参考依据。

附图说明

[0014] 图1是本发明提出的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置的俯视图。

[0015] 图2是本发明提出的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置的侧剖图。

[0016] 图3是本发明提出的第一底板的结构示意图。

[0017] 图4是本发明提出的第二底板的结构示意图。

[0018] 图5是本发明提出的波浪形模具的结构示意图。

[0019] 图6是本发明实施例2的应力-应变曲线示意图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做作进一步的详细描述。

[0021] 结合图1-5，本发明提出的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置，包括底座8、试样装载单元、测量单元、动力加载单元以及数据处理单元，所述底座8上设有试样装载单元、测量单元和动力加载单元，所述测量单元、动力加载单元分别通过数据线与数据处理单元连接；所述试样装载单元包括波浪形模具13、插销12和第一底板4，所述测量单元包括拉力传感器10、回弹式位移传感器7、图像传感器1、第二底板3和柔性连接杆15，所述动力加载单元包括丝杆6、导向杆5和电机9，所述数据处理单元包括解调器14和计算机16，所述解调器14通过数据线与计算机16相连接；所述波浪形模具13为左右两个部分拼接，侧壁上设有八个圆孔，波浪形模具13的左端设置在第一底板4上，通过拉钩2和接头11与拉力传感器
10连接，右端设置在底座8上；所述丝杆6的一端穿过第二底板3与电机9连接，另一端固定在底座8上；所述导向杆5的一端依次穿过第一底板4和第二底板3与底座8连接，另一端固定在底座8上；所述拉力传感器10固定在第二底板3上；所述回弹式位移传感器7设在底座8上；所述图像传感器1通过柔性连接杆15固定在波浪形模具13的中间部位的正上方；拉力传感器
10、回弹式位移传感器7和图像传感器1分别通过数据线与数据处理单元相连接；所述动力加载单元的电机9通过数据线与数据处理单元相连接。

[0022] 本发明提出的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置的进一步优选方案是：

[0023] 所述底座8上设有波浪形模具13、电机9、回弹式位移传感器7、丝杆6、导向杆5、柔性连接杆15；所述电机9为无级变速电机或多级变速电机。

[0024] 所述第一底板4的上表面设有四个圆孔，与波浪形模具13上的圆孔相对应，通过插销12与波浪形模具13相连接，上表面设有凹槽与波浪形模具(13)嵌合，侧面设有贯穿的第一左圆孔17和第一右圆孔18。

[0025] 所述第二底板3的侧面设有贯穿的第二左圆孔19、中圆孔21和第二右圆孔20；所述中圆孔21的内部设有与丝杆6相反的内螺纹；所述丝杆6为螺杆或滚珠丝杆，穿过中圆孔21。

[0026] 所述第二左圆孔19、第二右圆孔20、第一左圆孔17和第一右圆孔18的孔径相同。

[0027] 所述导向杆为柱状铁杆，数量为两个，其中一个导向杆穿过第一左圆孔17和第二左圆孔19，另一个导向杆穿过第一右圆孔18和第二右圆孔20。

[0028] 所述回弹式位移传感器7的数量至少为两个。

[0029] 所述柔性连接杆15可任意弯曲，弯曲后的形状固定。

[0030] 实施例1。本发明提出的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置的主要部件的设计参数和要求进一步公开如下：

[0031] 本发明所述的波浪形模具13的材质为铁，镀保护层，长度100mm，宽度80mm，高度50mm，壁厚10mm，中间预设的断裂位置距离两侧50mm；

[0032] 插销12呈柱体，底面直径5mm，长度60mm，材质为铁，镀保护层；

[0033] 拉力传感器10的量程为0～300N，精度为0.01N；

[0034] 回弹式位移传感器7的位移量程为50mm；

[0035] 丝杆6的直径为10mm，长度25cm，带有螺纹，材质为铁，镀保护层；

[0036] 导向杆5的直径为10mm，长度20cm，表面光滑，材质为铁，镀保护层；

[0037] 电机9具有前进、后退和停止的功能，加载速率有0.8mm/min，1.2mm/min和2.4mm/min三档。

[0038] 实施例2。本发明提出的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置及优选方案的使用方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

[0039] 步骤1，组装智能试验装置：将拉钩2与接头11进行嵌入式连接，插入插销12，使波浪形模具13分别与第一底板4、底座8稳固连接；启动电机9，调整第一底板4的位置，第一底板4和底座8接触后停止电机9；

[0040] 步骤2，装载试样：根据含水率和压实度的控制条件，称取一定质量的土，放入组装好的波浪形模具13内，均匀铺平；或使用特制的环刀制备试样，将试样放入组装好的波浪形模具13内；

[0041] 步骤3，拉伸试样：操作计算机16启动电机9，开始对试样施加拉力，直到试样断裂；试样断裂后，停止试验，拔出插销12，取下波浪形模具13，取出其中已经断裂的试样；

[0042] 步骤4，获取试验数据：计算机16接收和存储测量单元的测量数据，包括在试验过程中试样受到的拉力，产生的位移和整个过程的影像；通过计算机16处理所测得的数据，得到完整的应力-应变曲线并配上对应时刻的试样图片；应力-应变曲线如图6所示。

[0043] 本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。

[0044] 以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种用于测量土体抗拉强度的智能试验装置及其使用方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

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