土体拉伸试验装置及土体拉伸试验方法与流程

1.本发明属于边坡强度研究技术领域，更具体地说，是涉及一种土体拉伸试验装置及土体拉伸试验方法。


背景技术：

2.边坡失稳破坏是土体强度从张拉破坏至剪切破坏的渐进变化过程，因此，对土体张拉强度开展研究是明确边坡失稳破坏的关键和基础。边坡稳定性分析的理论基础就是土的强度理论，根据现在对边坡稳定性认识的加深，对于边坡坡顶附近出现张拉破坏的事实已经达成了共识。然而，目前对于土体拉伸强度理论的研究仍然处于初始阶段。目前，通过试验方法确定土体拉伸强度的主要方法分为间接法和直接法两种。间接法通过对土体径向施加压力，量测试样压裂强度，从而间接推算得到土体轴向的张拉强度。但是，间接法得到的土体张拉强度离散性较大，且普遍要大于直接拉伸得到的土体张拉强度。
3.基于此，随着仪器设备的不断发展，直接对土体作用拉力已然成为一种间便可行的方案。在众多直接拉伸试验仪器中，平卧式拉伸仪是最为常见的量测土体张拉强度的仪器，通过夹具或在模型中设置土钉等实现土体的拉伸作用，但是受限于模具形状，只能观察土体表面的裂缝开展情况，得到的土体强度离散性较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种土体拉伸试验装置及土体拉伸试验方法，旨在解决平卧式拉伸仪通过夹具或在模型中设置土钉等实现土体的拉伸作用时，由于受限于模具形状，只能观察土体表面裂缝开展而得到的土体强度离散性较大的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.在第一方面，本发明提供一种土体拉伸试验装置，包括：反力框架，具有相对的顶板和底板；加载组件，包括穿设于所述顶板的加压油泵，与所述加压油泵连通的液压油管，以及与所述液压油管连通的液压油缸；应力传感器，与所述加压油泵靠近所述底板的一端连接；位移传感器，设于所述顶板靠近所述底板的端面；固定卡座，与所述应力传感器连接；以及制土组件，包括与所述固定卡座可拆卸连接的上配接套筒，至少两个与所述上配接套筒可拆卸连接的瓣式侧活动板，可分离设于所述瓣式侧活动板内侧的橡胶膜，以及与所述瓣式侧活动板可拆卸连接的下配接套筒，至少两个所述瓣式侧活动板围合成周向衔接的活动套筒，所述下配接套筒可拆卸连接于所述底板；
7.在制作土体试样时，所述制土组件从所述固定卡座和所述底板中拆卸至独立状态，通过所述上配接套筒、所述瓣式侧活动板、所述橡胶膜和所述下配接套筒构成土体试样的成型腔；
8.在拉伸试验时，所述制土组件通过所述上配接套筒和所述下配接套筒安装至所述固定卡座和所述底板之间，并拆除所述瓣式侧活动板，通过所述加载组件为土体试样施加竖直拉力。
9.在一种可能的实现方式中，所述上配接套筒、所述下配接套筒和所述瓣式侧活动板共同围合形成两头粗、中间细的沙漏状成型腔。
10.在一种可能的实现方式中，每个所述瓣式侧活动板均开设有锁紧孔，相邻的所述瓣式侧活动板在对应的锁紧孔中可拆卸地配合有锁紧螺栓。
11.在一种可能的实现方式中，每个所述瓣式侧活动板均开设有对位孔，相邻的所述瓣式侧活动板在对应的对位孔中可拆卸地配合有对位插销。
12.在一种可能的实现方式中，所述上配接套筒与所述瓣式侧活动板之间，以及所述下配接套筒与所述瓣式侧活动板之间均为螺纹配合、卡扣配合、销配合中的一种或多种。
13.在一种可能的实现方式中，所述上配接套筒与所述固定卡座之间，以及所述下配接套筒与所述底板之间均为螺纹配合、卡扣配合、销配合中的一种或多种。
14.在一种可能的实现方式中，所述上配接套筒与所述固定卡座的配合范围内设有对齐设置的定位孔，所述定位孔中设有伸出所述上配接套筒和所述固定卡座的固定插销，所述位移传感器一端设于所述顶板，另一端设于所述固定插销。
15.在一种可能的实现方式中，所述土体拉伸试验装置还包括与所述加压油泵配合设置的滑动座体，所述滑动座体能够相对于所述顶板移动且固定在目标位置。
16.在一种可能的实现方式中，所述顶板开设有滑槽，所述滑动座体穿设在所述滑槽中。
17.本发明提供的土体拉伸试验装置至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本发明提供的土体拉伸试验装置，利用反力框架作为支撑结构，利用加载组件为土体试样施加竖直拉力，利用应力传感器记录加载过程中的拉力，利用位移传感器记录土体试样的持续位移变化，可以直接得到土体试样的抗拉强度，在制土组件中，可以通过上配接套筒、瓣式侧活动板、橡胶膜和下配接套筒制作土体试样，又可以通过拆卸瓣式侧活动板，并安装至固定卡座和底板之间来实现土体试样的竖直固定目的，从而可以观察土体试样在拉伸过程中整体裂缝的开展情况，得到更为一致的土体强度，便于利用ct扫描、piv技术等记录整体拉裂破坏过程。此外，由于制土组件既可以制土又可以固定土体试样，能够统一土体试样的尺寸，得到更为一致的土体强度，并且，上配接套筒、瓣式侧活动板和下配接套筒可以对土体试样进行均匀的拉伸作用，橡胶膜能够与土体试样紧密贴合，保证土体试样的完整性。
18.在第二方面，本发明还提供一种土体拉伸试验方法，采用如上任一实施例所述的土体拉伸试验装置，包括以下步骤：
19.制土阶段：将橡胶膜包裹在瓣式侧活动板内侧，将瓣式侧活动板与下配接套筒组装，在形成的成型腔内填入土体并压实，将上配接套筒组装，拆下瓣式侧活动板，得到土体试样；
20.试验阶段：已经拆下瓣式侧活动板的制土组件及土体试样，通过上配接套筒和下配接套筒组装至固定卡座和底板之间，利用加载组件提供竖直方向的拉力，利用位移传感器记录土体试样的持续位移变化，利用应力传感器记录加载过程中的拉力，绘制土体试样位移与应力的变化曲线，直接得到土体试样的抗拉强度。
21.本发明提供的土体拉伸试验方法，采用如上任一实施例所述的土体拉伸试验装置，二者技术效果相同，在此不再赘述。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明一实施例提供的土体拉伸试验装置的结构示意图；
24.图2为本发明一实施例提供的制土组件的结构示意图。
25.附图标记说明：
26.100、土体拉伸试验装置
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110、反力框架
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111、顶板
27.112、底板
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120、加载组件
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121、加压油泵
28.122、液压油管
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123、液压油缸
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130、应力传感器
29.140、位移传感器
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150、固定卡座
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160、制土组件
30.161、上配接套筒
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162、瓣式侧活动板
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163、橡胶膜
31.164、下配接套筒
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165、锁紧孔
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166、对位孔
32.167、紧固螺栓
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170、固定插销
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180、滑动座体
33.190、底座
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200、土体试样
具体实施方式
34.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“固定”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。当一个元件被认为是“连接于”、“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。本文所提到的“连接”可以是一体连接，也可以是分体连接，可以是可拆卸连接，也可以是不可拆卸连接。本文所提到的“可拆卸连接”则要求必须是能够反复拆卸安装的方式。“多个”指两个及以上数量。
36.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
37.请一并参阅图1及图2，现对本发明实施例提供的土体拉伸试验装置100及土体拉伸试验方法进行说明。
38.请参阅图1和图2，本发明实施例提供了一种土体拉伸试验装置100，包括：反力框架110，具有相对的顶板111和底板112；加载组件120，包括穿设于顶板111的加压油泵121，与加压油泵121连通的液压油管122，以及与液压油管122连通的液压油缸123；应力传感器130，与加压油泵121靠近底板112的一端连接；位移传感器140，设于顶板111靠近底板112的端面；固定卡座150，与应力传感器130连接；以及制土组件160，包括与固定卡座150可拆卸连接的上配接套筒161，至少两个与上配接套筒161可拆卸连接的瓣式侧活动板162，可分离设于瓣式侧活动板162内侧的橡胶膜163，以及与瓣式侧活动板162可拆卸连接的下配接套筒164，至少两个瓣式侧活动板162围合成周向衔接的活动套筒，下配接套筒164可拆卸连接
于底板112。
39.在制作土体试样200时，制土组件160从固定卡座150和底板112中拆卸至独立状态，通过上配接套筒161、瓣式侧活动板162、橡胶膜163和下配接套筒164构成土体试样200的成型腔；在拉伸试验时，制土组件160通过上配接套筒161和下配接套筒164安装至固定卡座150和底板112之间，并拆除瓣式侧活动板162，通过加载组件120为土体试样200施加竖直拉力。
40.需要说明的是，本发明实施例所提供的土体拉伸试验装置100结合三轴试验中的试样模型尺寸，土体拉伸试验装置100中的土体试样200尺寸与三轴试验中的土体试样200尺寸相同，克服了平卧式拉伸仪试样尺寸混乱的弊端，利用制土组件160所制成的土体试样200的标准尺寸为φ3mm。本发明实施例所提供的土体拉伸试验装置100的操作过程更加简便，容易上手，土体试样200的制备过程简单易行，土体试样200的拉伸原理直接明了，试验结果易获取。
41.本发明实施例所提供的土体拉伸试验装置100还包括底座190，反力框架110的底板112通过螺纹连接、焊接等方式固定在底座190的上方，底座190作为整个试验装置的试验平台，起到承载整体结构的作用。
42.具体而言，反力框架110能够抵消拉力，加载组件120至少部分地配合于反力框架110，应力传感器130可以采用s型传感器，上配接套筒161和下配接套筒164能够为土体试样200提供均匀的拉力作用。在制土时，橡胶膜163至少设于瓣式侧活动板162内侧，还可以覆盖在上配接套筒161和下配接套筒164内侧；在试验时，拆除瓣式侧活动板162，橡胶膜163与瓣式侧活动板162分离，能够保证土体试样200不会松散、垮塌。制土组件160既能够制作土体试样200，又能够对土体试样200施加均匀拉力，使得配套装置一致性和系统性更高。
43.可以理解的是，瓣式侧活动板162可以是两个、三个、四个等以上数量，多个瓣式侧活动板162共同围合成周向衔接的活动套筒，从而可以围合成具有周向轮廓的成型腔，得到能够竖直设置的土体试样200，在加载组件120的拉力作用下，使土体拉伸试验装置100为垂直式结构。在试验时，可以利用ct扫描或dic技术监测或记录土体试样200在拉伸过程中的整体裂缝开展情况。
44.对于加载组件120来说，加压油泵121具有与应力传感器130连接的施力端，液压油缸123可以设置在反力框架110上、可以设置在底座190上，也可以设置在邻近反力框架110和底座190的位置，用于提供拉力所需的液压油。另外，加载组件120还可以包括与液压油缸123连接的手动摇柄，便于试验人员调整性操作，或者，加载组件120还可以包括与液压油缸123连接的自动施压件，根据程序设定规则，实现自动化加压效果。
45.当然，加载组件120还可以是其他结构形式的，例如，气囊加压、电机驱动加压等方式。
46.本发明实施例提供的土体拉伸试验装置100至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本发明实施例提供的土体拉伸试验装置100，利用反力框架110作为支撑结构，利用加载组件120为土体试样200施加竖直拉力，利用应力传感器130记录加载过程中的拉力，利用位移传感器140记录土体试样200的持续位移变化，可以直接得到土体试样200的抗拉强度，在制土组件160中，可以通过上配接套筒161、瓣式侧活动板162、橡胶膜163和下配接套筒164制作土体试样200，又可以通过拆卸瓣式侧活动板162，并安装至固定卡座150和底板112
之间来实现土体试样200的竖直固定目的，从而可以观察土体试样200在拉伸过程中整体裂缝的开展情况，得到更为一致的土体强度，便于利用ct扫描、piv监测技术等记录整体拉裂破坏过程。此外，由于制土组件160既可以制土又可以固定土体试样200，能够统一土体试样200的尺寸，得到更为一致的土体强度，并且，上配接套筒161、瓣式侧活动板162和下配接套筒164可以对土体试样200进行均匀的拉伸作用，橡胶膜163能够与土体试样200紧密贴合，保证土体试样200的完整性。
47.请参阅图1和图2，在一些可能的实施方式中，上配接套筒161、下配接套筒164和瓣式侧活动板162共同围合形成两头粗、中间细的沙漏状成型腔。本实施方式中，两头粗、中间细的沙漏状成型腔，形似多里克柱式，能够制备得到两头粗、中间细的土体试样200，如此使得在试验时，土体试样200在中部发生拉伸破坏，可将拉剪破坏状态控制至纯拉伸破坏状态，减小了土体试样200受剪切破坏的可能性。
48.可以理解的是，瓣式侧活动板162和上配接套筒161、下配接套筒164在形成沙漏状成型腔的内侧壁均为平滑过渡。另外，为了提高配合可靠性，瓣式侧活动板162和上配接套筒161、下配接套筒164的接触面相对于轴线方向呈角度设置，即增大了接触面积。
49.请参阅图2，在一些可能的实施方式中，每个瓣式侧活动板162均开设有锁紧孔165，相邻的瓣式侧活动板162在对应的锁紧孔165中可拆卸地配合有锁紧螺栓。本实施方式中，相邻的瓣式侧活动板162采用螺纹锁紧的方式进行锁紧固定和拆卸，组装和拆卸速度更快，减少了试验时间和操作难度。可以理解的是，每个瓣式侧活动板162可以设有多个锁紧孔165。
50.请参阅图2，在一些可能的实施方式中，每个瓣式侧活动板162均开设有对位孔166，相邻的瓣式侧活动板162在对应的对位孔166中可拆卸地配合有对位插销。本实施方式中，每个瓣式侧活动板162可以设有多个对位孔166，对位孔166和对位插销的配合，能够在安装瓣式侧活动板162时，加快对正速度。
51.对于上配接套筒161、下配接套筒164与瓣式侧活动板162之间的配合方式不做限制，下面举例说明。
52.请参阅图2，在一些可能的实施方式中，上配接套筒161与瓣式侧活动板162之间，以及下配接套筒164与瓣式侧活动板162之间均为螺纹配合、卡扣配合、销配合中的一种或多种。以上配接套筒161与瓣式侧活动板162为例，二者之间可以采用单一的配合方式，也可以采用多重的配合方式，实现加强牢固的效果。
53.具体而言，可以在上配接套筒161的内侧壁设置内螺纹，在瓣式侧活动板162的外侧壁设置外螺纹，通过旋拧的方式实现二者之间的配合关系，当然，内螺纹和外螺纹可以互换位置。也可以在上配接套筒161上设置弹性卡块，在瓣式侧活动板162上设置卡槽，通过卡扣的方式实现二者之间的配合关系，当然，弹性卡块和卡槽可以互换位置。还可以在上配接套筒161和瓣式侧活动板162均设置螺纹孔，利用限位销进行固定，从而实现二者之间的配合关系。下配接套筒164、瓣式侧活动板162的配合方式，与上配接套筒161、瓣式侧活动板162的配合方式相同，在此不再赘述。如此设置，能够简单快速地实现制土组件160的组装和拆卸。
54.当然，在其他可能的实施方式中，还可以采用其他的配合方式，并不局限于此。
55.对于上配接套筒161与固定卡座150之间、下配接套筒164与底板112之间的配合关
系不做限制，下面举例说明。
56.在一些可能的实施方式中，上配接套筒161与固定卡座150之间，以及下配接套筒164与底板112之间均为螺纹配合、卡扣配合、销配合中的一种或多种。可以理解的是，上配接套筒161与固定卡座150之间、下配接套筒164与底板112之间，可以采用单一的配合方式，也可以采用多重的配合方式，实现加强牢固的效果。
57.具体而言，固定卡座150可以为中空结构，在固定卡座150的内侧壁设置内螺纹，在上配接套筒161的外侧壁设置外螺纹，通过螺纹配合实现连接关系，当然，内螺纹和外螺纹可以互换位置。固定卡座150也可以设有凹槽，上配接套筒161设有弹性卡块，通过卡扣的方式实现连接关系，当然，凹槽和弹性卡块可以互换位置。固定卡座150和上配接套筒161还可以均设置螺纹孔，利用限位销进行固定，从而实现二者的配合关系。下配接套筒164可以通过紧固螺栓167固定至底板112，也可以采用类似上配接套筒161和固定卡座150之间卡扣、限位销的方式，对此不做限制。
58.如此设置，能够简单快速地实现制土组件160的组装和拆卸。当然，在其他可能的实施方式中，还可以采用其他的配合方式，并不局限于此。
59.请参阅图1，在一些可能的实施方式中，上配接套筒161与固定卡座150的配合范围内设有对齐设置的定位孔，定位孔中设有伸出上配接套筒161和固定卡座150的固定插销170，位移传感器140一端设于顶板111，另一端设于固定插销170。本实施方式中，并不限制上配接套筒161与固定卡座150的配合方式。在上配接套筒161和固定卡座150的壁厚方向均开设有定位孔，且彼此的定位孔对齐设置，在定位孔中可拆卸地设有固定插销170，位移传感器140的两端分别设于顶板111和固定插销170之间。
60.可以理解的是，位移传感器140可以是其整体结构的两端分别设于顶板111和固定插销170，也可以是其检测路径的虚拟路径两端分别设于顶板111和固定插销170，对此不做限制，只要保证在固定插销170的升降过程中，位移传感器140能够准确记录固定插销170的升降位移即可，固定插销170的升降位移，即为土体试样200的拉伸位移。
61.如此设置，一方面，固定插销170能够对上配接套筒161和固定卡座150的配合关系起到加固的作用，形成双重保护，以提高固定的可靠性。另一方面，固定插销170能够辅助位移传感器140更准确地记录位移变化，提高检测结果的准确性。
62.对于上配接套筒161、下配接套筒164的具体结构不做限制，下面举例说明。
63.在一些可能的实施方式中，上配接套筒161包括与瓣式侧活动板162可拆卸连接的上筒体，以及与上筒体连接的筒体顶座，筒体顶座与固定卡座150可拆卸连接。下配接套筒164包括与瓣式侧活动板162可拆卸连接的下筒体，以及与下筒体连接的筒体底座190，筒体底座190与底板112可拆卸连接。
64.当然，上配接套筒161、下配接套筒164也可以是一体式的一端开口、另一端封闭的筒状结构，还可以是根据安装情况设定的带有安装座的筒状结构，并不局限于此。
65.请参阅图1，在一些可能的实施方式中，土体拉伸试验装置100还包括与加压油泵121配合设置的滑动座体180，滑动座体180能够相对于顶板111移动且固定在目标位置。本实施方式中，利用滑动座体180可以对土体试样200的安装固定位置进行调整，保证土体试样200保持在竖直状态，防止倾斜造成的测量结果不准确性情况。
66.可以理解的是，滑动座体180可以通过滑动配合、滚轮配合等方式移动设于顶板
111，通过定位螺栓、定位卡爪、定位挡块等结构实现固定在目标位置的效果。
67.基于上述滑动座体180，在其中一个实施方式中，顶板111开设有滑槽，滑动座体180穿设在滑槽中。当滑动座体180在滑槽中移动时，加压油泵121同步移动，以保证一致性。滑动座体180为配合在滑槽中的两端开口的中空结构，中空结构所形成的腔体形状不做限制，可以是圆柱、棱柱等形状，加压油泵121部分收容于滑动座体180中。
68.另外，加压油泵121可以整体地相对于滑动座体180在竖直方向移动，进而带动应力传感器130、固定卡座150在竖直方向移动，以记录土体试样200的持续位移变化，或者，加压油泵121可以产生自身结构之间的位移变化，进而带动应力传感器130、固定卡座150在竖直方向移动，以记录土体试样200的持续位移变化。
69.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种土体拉伸试验方法，采用如上任一实施例所述的土体拉伸试验装置100，包括以下步骤：
70.制土阶段：将橡胶膜163包裹在瓣式侧活动板162内侧，将瓣式侧活动板162与下配接套筒164组装，在形成的成型腔内填入土体并压实，将上配接套筒161组装，拆下瓣式侧活动板162，得到土体试样200。
71.结合上述土体拉伸试验装置100的实施例，具体而言，第一步，试验开始时，先在橡胶膜163内部刷上一定量的黄油，确保土体试样200不被橡胶膜163粘连，再将橡胶膜163反向包裹在瓣式侧活动板162上；第二步，将瓣式侧活动板162安装在上配接套筒161和下配接套筒164之间；第三步，将对位插销插入对位孔166中保证瓣式侧活动板162之间对齐贴合；第四步，将锁紧螺栓旋进锁紧孔165中并拧紧；第五步，打开上配接套筒161，将土样放入成型腔中并压实；第六步，当土样压实后，组装上配接套筒161；第七步，从对位孔166中拔出对位插销，将锁紧螺栓从锁紧孔165中旋出，取下瓣式侧活动板162，得到带有上配接套筒161、下配接套筒164及橡胶膜163的土体试样200。
72.试验阶段：已经拆下瓣式侧活动板162的制土组件160及土体试样200，通过上配接套筒161和下配接套筒164组装至固定卡座150和底板112之间，利用加载组件120提供竖直方向的拉力，利用位移传感器140记录土体试样200的持续位移变化，利用应力传感器130记录加载过程中的拉力，绘制土体试样200位移与应力的变化曲线，直接得到土体试样200的抗拉强度。
73.结合上述土体拉伸试验装置100的实施例，具体而言，第一步，将上配接套筒161与固定卡座150连接，将下配接套筒164通过紧固螺栓167固定在反力框架110的底板112上；第二步，在上配接套筒161和固定卡座150的定位孔中插入固定插销170，将位移传感器140安放在固定插销170上，并将位移传感器140清零；第三步，通过液压油缸123和液压油管122将液压油施加在加压油泵121中，通过加压油泵121对固定卡座150施加竖直拉力作用，固定卡座150通过上配接套筒161将拉力均匀地施加给土体试样200，实现对土体试样200的均匀拉力作用；第四步，持续施加拉力直至土体试样200被拉断，通过位移传感器140记录土体试样200的持续位移变化，通过应力传感器130记录加载过程中的拉力，绘制土体试样200位移与应力的变化曲线，直接得到土体试样200的抗拉强度。
74.本发明提供的土体拉伸试验方法，采用如上任一实施例所述的土体拉伸试验装置100，二者技术效果相同，在此不再赘述。
75.可以理解的是，上述实施例中的各部分可以进行自由地组合或删减以形成不同的
组合实施例，在此不再赘述各个组合实施例的具体内容，在此说明之后，可以认为本发明说明书已经记载了各个组合实施例，能够支持不同的组合实施例。
76.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。