一种土体宏细观拉伸特性围压加载装置及测试方法

1.本发明属于材料性能试验技术领域，具体涉及一种土体宏细观拉伸特性围压加载装置及测试方法。


背景技术：

2.现有技术中,在土体性能试验中，通常不会考虑土体受四周的压力的影响，但是在实际中，土体开裂与四周的压力有一定的关系。


技术实现要素：

3.本发明拟提供一种土体宏细观拉伸特性围压加载装置，能从宏观和微观上得到土体开裂与四周压力之间的关系。
4.为此，本发明所采用的技术方案为：一种土体宏细观拉伸特性围压加载装置，包括底座、试验台、图像采集机构、移动平台、固定平台和加载仓，所述试验台上设置有导向机构，所述固定平台和移动平台左右间隔设置在导向机构上，所述固定平台和移动平台能在导向机构上左右滑动，所述加载仓位于移动平台与固定平台之间，所述加载仓的左右两端敞开供试样穿过，且其上侧面上设置有透明窗口，所述加载仓的前后上下侧面内均设置有用于加载围压的薄膜，所述薄膜与气压加载机构连通，所述图像采集机构位于透明窗口的上方，且通过支架固定在试验台或底座上。
5.作为上述方案的优选，还包括用于制作试样的模具，所述模具包括依次设置的左段、拉伸段和右段，所述拉伸段至少设置有一对，所述左段和右段上设置有用于放置试样的试样端槽，两个所述试样端槽相对设置，且靠近拉伸段的宽度小于远离拉伸段的宽度，一对所述拉伸段设置在试样端槽的前后两侧；所述模具取下拉伸段后，左段能卡入固定平台的缺槽中，右段能卡入加载平台的缺槽中，左段和右段相对设置在加载仓的左右两侧，从而实现试样在围压试验装置上的装夹。
6.进一步优选，所述气压加载机构包括加压泵、分压器、压力控制器和加压管，所述加载仓的前、后、下侧面上均设置有与薄膜连通的加压管，三根所述加压管通过分压器汇合后连接到加压泵上，每根所述加压管上均设置有压力控制器。
7.进一步优选，还包括移动加载机构，所述移动平台的右端设置有移动加载机构，所述移动加载机构能带动加载平台在导向机构上左右移动。
8.进一步优选，所述移动加载机构包括加载电机、减速器、传动机构和丝杆，所述加载电机输出端与减速器的输入端相连，所述减速器的输出端与传动机构的主动端相连，所述传动机构的从动端与丝杆的一端相连且能驱动丝杆转动，所述移动平台的底面设置有带螺纹孔的固定块，所述螺纹孔的螺纹与丝杆螺纹相匹配，所述丝杆的另一端穿过螺纹孔，当丝杆转动时，能带动固定块在丝杆上左右移动，从而带动移动平台沿着导向机构左右移动。
9.进一步优选，还包括控制机构和手电动切换机构，所述手电动切换机构设置在移动平台的右侧，用于丝杆的手动和电动的切换，所述控制机构与加载电机、图像采集机构电
连接，用于控制加载电机、图像采集机构。
10.进一步优选，所述导向机构包括滑轨和能在滑轨上左右移动的滑块，两根所述滑轨前后间隔设置，每根所述滑轨上均左右分开设置有两个滑块，所述固定平台固定设置在左侧的两个滑块上，所述移动平台固定设置在右侧的两个滑块上，所述滑轨的左端设置有尾座，所述固定平台能通过螺栓固定在尾座上。
11.还提供了一种土体宏细观拉伸特性围压试验测试方法，基于上述真三轴拉伸试验装置，包括以下步骤：s1：制样，根据试样拉伸段长度选择拼接模具，在拼接好的模具内侧涂抹润滑，根据试验试样所需的压实度、含水率和试样体积计算试样所需土体质量，称取相应质量的土体放入模具中，进行压实；
12.s2：固定，根据试样的长度，调整移动平台与固定平台之间的距离，拆除模具中拉伸段模具，使透明窗口位于图像采集机构的下方，将试样穿过加载仓，并将试样的左右两端随着左段和右段分别固定在固定平台和移动平台上；
13.s3：加载，通过压力控制器设定加载围压，在加载过程时，分多次加载，每次加载时，设置一定的围压，待达到该值时停止加载，同时图像采集机构采集每次拉伸前后的土体结构图像，直到试样破坏；
14.s4：结果分析，在试验过程中自动采集宏观围压和平台移动位移的数据，并生产应力-位移曲线图，同时对采集的土体结构图像进行处理并提取土体细观结构图像，最后将两者进行结合分析。
15.其中优选的是，在所述s1中土体放入时，分多次放入，且每次放入后均要进行压实和层间刮毛处理。
16.其中优选的是，在所述s3中，在多次加载时，围压的设定先大后小。
17.本发明的有益效果：在试验过程中，不仅能采集到宏观围压和土体侧移的数据，还能得到土体细观结构图像，将两者结合分析，能有效得到土体在不同围压作用下的变形机理；同时分为多次加载，使得整个加载过程较为均衡稳定；并且在围压加载时，整个加载力通过薄膜作用在试样的中间段，能有效避免试样出现应力集中的情况。
附图说明
18.图1为本发明的结构示意图。
19.图2为本发明中模具的结构示意图。
20.图3为本发明中加载仓的结构示意图。
具体实施方式
21.下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
22.如图1-图3所示，一种土体宏细观拉伸特性围压加载装置，主要由底座1、试验台2、图像采集机构3、移动平台5、固定平台6和加载仓15组成。其中试验台2水平设置在底座1上，在试验台2上设置有导向机构，固定平台6和移动平台5左右水平设置在导向机构上，且能在导向机构上左右移动。
23.加载仓15位于移动平台与固定平台之间，加载仓15的左右两端敞开供试样穿过，且其上侧面上设置有透明窗口，在加载仓15的前后上下侧面内均设置有用于加载围压的薄
膜，薄膜与气压加载机构连通。为方便采集土体结构图像，图像采集机构3位于透明窗口的上方，且通过支架7固定在试验台2或底座1上。
24.还包括用于制作试样的模具14，模具14包括依次设置的左段14a、拉伸段14b和右段14c，拉伸段14b至少设置有一对且每对长短不一致，左段14a和右段14c上设置有用于放置试样的试样端槽，两个试样端槽相对设置，且靠近拉伸段14b的宽度小于远离拉伸段14b的宽度，一对拉伸段14b设置在试样端槽的前后两侧。当模具14取下拉伸段14b后，左段14a能卡入固定平台6的缺槽中，右段14c能卡入加载平台5的缺槽中，左段14a和右段14c相对设置在加载仓15的左右两侧，从而实现试样在围压试验装置上的装夹。
25.气压加载机构包括加压泵、分压器、压力控制器和加压管16，为防止加压管影响图像采集机构3的采集，只在加载仓15的前、后、下侧面上设置有与薄膜连通的加压管16，且三根加压管16通过分压器汇合后连接到加压泵上，上侧面的围压通过力的相互作用实现。为方便控制每个侧面上的围压，在每根加压管16上均设置有压力控制器。
26.还包括移动加载机构，移动平台5的右端设置有移动加载机构，移动加载机构能带动加载平台5在导向机构上左右移动。移动加载机构的具体结构包括加载电机、减速器、传动机构和丝杆4，其中加载电机、减速器均设置在底座内，传动机构的大部分也位于底座内，加载电机输出端与减速器的输入端相连，减速器的输出端与传动机构的主动端相连，传动机构的从动端与丝杆4的一端相连且能驱动丝杆4转动，移动平台5的底面设置有带螺纹孔的固定块8，螺纹孔的螺纹与丝杆4螺纹相匹配，丝杆4a的另一端穿过螺纹孔。当丝杆4转动时，能带动固定块8在丝杆4上左右移动，从而带动移动平台5沿着导向机构左右移动。
27.还包括控制机构9和手电动切换机构10。其中手电动切换机构10设置在移动平台5的右侧，用于丝杆4的手动和电动的切换，由于土料的抗拉强度较低，在拉伸过程中需要严格控制其拉伸的长度，因此在拉伸试验过程中采用移动加载机构控制丝杆4的转动。当不需要拉伸时，在移动移动平台5时，如采用电动则移动速度较慢，因此采用手动控制丝杆4的转动。控制机构9设置在底座1的侧面，且与加载电机、图像采集机构3电连接，用于控制加载电机、图像采集机构3，控制机构还具有能设定拉伸的长度，即设定固定块8移动的距离。当模具14固定在移动平台5和固定平台6后，通过控制机构打开加载电机和图像采集机构3。
28.导向机构具体结构包括滑轨11和能在滑轨11上左右移动的滑块12，两根滑轨11前后间隔设置，每根滑轨11上均左右分开设置有两个滑块12，固定平台6固定设置在左侧的两个滑块12上，移动平台5固定设置在右侧的两个滑块12上，滑轨11的左端设置有尾座13，固定平台6能通过螺栓固定在尾座13上，在滑轨11的右端设置有用于与尾座13一起支撑滑轨11的支撑座，在支撑座上设置有供丝杆4穿过的通孔。
29.一种土体宏细观拉伸特性围压试验测试方法，基于上述的围压试验装置，包括以下步骤：
30.第一步：制样，根据试样拉伸段14b长度选择拼接模具14，在拼接好的模具14内侧涂抹润滑，根据试验试样所需的压实度、含水率和试样体积计算试样所需土体质量，称取相应质量的土体均分成5份后分次放入模具14中，，每次放入时需要进行压实和层间刮毛处理；
31.第二步：固定，根据试样的长度，调整移动平台5与固定平台6之间的距离，使透明窗口位于图像采集机构3的下方，拆除模具中拉伸段模具，将试样穿过加载仓15，并将试样
的左右两端随着左段和右段分别固定在固定平台6和移动平台5上；
32.第三步：加载，通过压力控制器设定加载围压，在加载过程时，分多次加载，每次加载时，设置一定的围压，且围压的设定先大后小，待达到该值时停止加载，同时图像采集机构3采集每次拉伸前后的土体结构图像，直到试样破坏，整个过程中采集10-15组图像；
33.第四步：结果分析，在试验过程中自动采集宏观围压和平台移动位移的数据，并生产应力-位移曲线图，同时对采集的土体结构图像进行处理并提取土体细观结构图像，最后将两者进行结合分析。
34.本装置还可在一定围压下，进行拉伸试验，包括以下步骤，
35.第一步：制样，根据试样拉伸段14b长度选择拼接模具14，在拼接好的模具14内侧涂抹润滑，根据试验试样所需的压实度、含水率和试样体积计算试样所需土体质量，称取相应质量的土体均分成5份后分次放入模具14中，，每次放入时需要进行压实和层间刮毛处理；
36.第二步：固定，先将固定平台6固定，再根据试样的长度，调整移动平台5与固定平台6之间的距离，拆除模具中拉伸段模具，将试样穿过加载仓15，并将试样的左右两端随着左段和右段分别固定在固定平台6和移动平台5上；
37.第三步：加载，先通过压力控制器设定加载围压，再设置拉伸速率，开始加载，在加载过程时，分多次加载，每次加载时，设置一定的拉伸长度，且拉伸长度的设定先大后小(在初始时，可将其设定为0.05mm)，待达到该值时停止拉伸，同时图像采集机构3采集每次拉伸前后的土体结构图像，直到试样拉伸破坏，整个过程中采集10-15组图像；
38.第四步：结果分析，在试验过程中自动采集宏观拉应力和拉伸位移的数据，并生产应力-位移曲线图，同时对采集的土体结构图像进行增强、融合、分割、拼接等处理，提取土体细观结构图像，最后将两者进行结合分析。