实时量测土体的内部拉应力及裂隙发育的环形试验装置的制作方法

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种实时量测土地内部拉应力及裂隙发育的环形试验装置。

背景技术：

在岩土工程领域中，抗拉强度和拉应力是控制土体裂隙发展的两个主要因素，土地在干化的过程中，内部拉应力变大，当拉应力超过抗拉强度时，土体出现裂缝，了解土体中拉应力增加导致裂纹萌生的机理至关重要。

通常采用夹具装置和三轴仪器来测量和预测抗拉强度，这些传统土体抗拉强度测试方法均通过向土体施加外部荷载的方式使土体发生抗拉破坏，而导致无法真正测得土体内部的拉应力变化，且采用的方形或圆柱形试样均为密闭土地，较难保证所测拉应力的均匀性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种实时量测土体的内部拉应力及裂隙发育的环形试验装置，具有安装快速，测试便捷和装置占地面积少的特点。

实时量测土体的内部拉应力及裂隙发育的环形试验装置，包括土样受拉单元、应力应变测试单元和图像采集单元，所述土样受拉单元为环形土样受拉单元，所述环形土样受拉单元包括环形土样盛放装置、土样裂隙捕捉层和称重装置，其中，所述称重装置上设置有环形土样盛放装置，所述环形土样盛放装置内盛放有环形土样，所述环形土样的顶层可拆卸设置有土样裂隙捕捉层，所述土样裂隙捕捉层上设置有摄像装置，所述摄像装置与图像采集单元电连接，所述环形土样盛放装置与应力应变测试单元电连接。

所述土样裂隙捕捉层为砂土层。

所述称重装置为天平。

所述环形土样盛放装置包括外环和内环，所述外环和内环均为pvc材料围合组成，所述外环和内环内均涂抹有润滑油。

所述内环内可拆卸设置有应变片，所述环形土样盛放装置通过应变片与应力应变测试单元电连接。

所述内环内的中心位置处均匀相对可拆卸设置有四片应变片，所述应变片为电阻式应变片。

所述应力应变测试单元包括温度显示器、含水率显示器和四通道应变数据采集器，所述应变片与四通道应变数据采集器电连接，所述温度显示器和含水率显示器均设置在称重装置上，所述温度显示器和含水率显示器均与四通道应变数据采集器电连接。

所述温度显示器和含水率显示器为液晶显示屏或数码管种的任意一种，所述四通道应变数据采集器中包括具有数据计算处理功能的芯片，所述数据计算处理功能的芯片为mcu、pc机、plc或工控机中的任意一种。

所述摄像装置为ccd高速相机，与所述ccd高速相机配对设置有相机支架，所述相机支架设置在称重装置一侧，所述ccd高速相机与图像采集单元电连接。

所述图像采集单元为piv测试系统。

本发明公开了一种实时量测土体的内部拉应力及裂隙发育的环形试验装置，采用环形土样盛放装置，在内环上安装应变片测量拉伸应变得到内部拉应力变化，得到土体的抗拉强度，通过环形土样上层的土样裂隙捕捉层与摄像装置和土样采样装置配合，描述了裂隙的发育过程，本发明将饱和土样静置，使其自然失水，用应变片测得土样在此过程中的拉应力，能够更加真实反应拉应力的变化过程，使得对土体抗拉强度的预测更加可靠，环形土样盛放装置，减少了装置的占地面积，具有外形新颖，简单美观，便于安装应变片的效果，而且使得对抗拉强度的量测、裂隙的捕捉、位移的计算具有方便快捷的有益效果。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的环形土样盛放装置、称重装置和应力应变测试单元的俯视结构示意图。

其中，附图标记如下：

1.环形土样，2.内环，3.外环，4.应变片，5.温度显示器，6.含水率显示器，7.称重装置，8.四通道应变数据采集器，9.摄像装置，10.图像采集单元，11.应力应变测试单元，12.相机支架，13.环形土样盛放装置。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施，而不是全部的实施，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做、出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，实时量测土体的内部拉应力及裂隙发育的环形试验装置，包括土样受拉单元、应力应变测试单元11和图像采集单元10，所述土样受拉单元为环形土样受拉单元，所述环形土样受拉单元包括环形土样盛放装置13、土样裂隙捕捉层和称重装置7，其中，所述称重装置7上设置有环形土样盛放装置13，所述环形土样盛放装置13内盛放有环形土样1，所述环形土样1的顶层可拆卸设置有土样裂隙捕捉层，所述土样裂隙捕捉层上设置有摄像装置9，所述摄像装置9与图像采集单元10电连接，所述环形土样盛放装置13与应力应变测试单元11电连接。

所述土样裂隙捕捉层为砂土层。

所述环形土样盛放装置13包括外环3和内环2，所述外环3和内环2均为pvc材料围合组成，所述外环3和内环2内均涂抹有润滑油。

所述的环形土样盛放装置13尺寸为：内环2直径5.5cm，外环3直径15.24cm，高度4.1cm，内环2使用材料为pvc，厚度为0.5cm，外环3使用材料为pvc，其厚度为1.65cm。

所示环形土样盛放装置13的底部、内环2外周、外环3内周均应涂上润滑油，以减小装样过程中产生的摩擦，并保证土样的侧面和底部具有一定的不透水性。在开始试验之前，用塑料薄膜从底部密封土壤样本，并用橡胶薄膜从圆周密封，以保持土壤样本径向收缩时均匀收缩的密封性。

所述称重装置7为天平，天平是测量环形盛放装置13中的土样含水量变化的承载体，砂土层均匀洒于环形土样的表面，用于捕捉土体裂隙的产生，计算裂隙的位移。

所述的天平7用于承载土样，并记录土样含水量的变化；天平的量程为5000g，精度为0.01g。

所述内环2内可拆卸设置有应变片4，所述环形土样盛放装置13通过应变片4与应力应变测试单元11电连接。

所述内环2内的中心位置处均匀相对可拆卸设置有四片应变片4，所述应变片4为电阻式应变片。

所述的测量拉应力的四个应变片4选用四分之一桥电阻式应变片，电阻大小为350ω，四个应变片相对位于矩形的一角，贴于土样pvc内环表面中央，高度为2.04cm。

所述应力应变测试单元11包括温度显示器5、含水率显示器6和四通道应变数据采集器8，所述应变片4与四通道应变数据采集器8电连接，所述温度显示器5和含水率显示器6均设置在称重装置7上，所述温度显示器5和含水率显示器6均与四通道应变数据采集器8电连接。

所述四通道应变数据采集器8与四个应变片4相连，位于环形土样盛放装置1的一侧，能够连续记录应变随时间的变化，其应变值可通过公式转换为应力。所述公式如下：

其中，σtm为所求拉应力，ε(t)为应变片平均示数，ror为内环直径，rir为外环直径，ros为环形土样外直径，er为pvc材料的弹性模量。

所述温度显示器5和含水率显示器6为液晶显示屏或数码管种的任意一种，所述四通道应变数据采集器8中包括具有数据计算处理功能的芯片，所述数据计算处理功能的芯片为mcu、pc机、plc或工控机中的任意一种。

所述温度显示器5显示温度精度为1℃，所述含水率显示器6，显示含水率精度为0.1%，含水率数值通过起始状态重量值与最终状态的重量值获得。

所述摄像装置9为ccd高速相机，与所述ccd高速相机配对设置有相机支架12，所述相机支架12设置在称重装置7一侧，所述ccd高速相机与图像采集单元10电连接。

所述的ccd高速相机分辨率为1626pixel×1236pixel，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，曝光时间为100μs×80ms，采集速率可达200fps，同时提供了camlink专用接口。

所述砂土均匀的洒在环形土样的表面，顶部的摄像装置9每隔10min记录一次，结合piv系统，用于观察裂隙产生后的发育情况，计算裂隙的位移，并对裂隙的位移进行记录处理。

所述图像采集单元10为piv测试系统。

所述实时量测土体内部拉应力及裂隙发育的环形试验装置，其试验方法具体如下：

a.在外环3和内环2的内表面涂上一层薄薄的润滑油，将一定干密度和含水率的土分两次加入直径为15.24cm的外环3中，每层用直径为2.55cm的木棒进行击实，第一层击实高度为2.05cm，第二层击实高度为4.1cm。采用小刀和薄壁钢环在圆柱形土样的中心挖一个半径直径为5.5cm的孔，将pvc内环2缓慢地插入孔中。为防止水分蒸发，试样的侧面和底部涂抹有润滑油。

b.将制备好的环形土样放置在天平上，通过质量的变化换算含水率的改变。

c.在内环2表面对称依次张贴四个应变片4，将应变片4的连接线交接在一起，与四通道应变数据采集器8相连。

d.将环形土样放置于天然状态下，让其自然失水。应变片4的数据由应四通道应变数据采集器8读出，获得土体拉应力。

e.装置顶部的摄像装置每10min记录一次数据，实时量测土体在此过程中的状态变化。

f.通过此过程，可以得到土体内部拉应力的变化规律，并得到土体抗拉强度，为预测裂隙出现提供拉应力参考值。

此外，在环形土体的表面均匀的洒上白色砂土，增添使用图像数据显示器，结合piv测量系统的处理方法，捕捉表面土体的位移，得到在天然干化过程中，裂隙不断发育的动态过程。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。