工业CT技术下岩土材料拉伸强度仪实用性研究

王云仙 于连玉

摘 要：巖土材料细观力学数值模拟结果与宏观力学试验验证之间一直以来缺乏相关试验设备，因为岩土材料具有非均匀性，特别研制岩土材料间接拉伸强度测定仪，并使它与工业CT配套使用。该仪器中，试件做成环状，试件中部为三个滑块，一个锥形棒插入三个滑块中，锥形棒与滑块内壁锥形面吻合，锥形棒在竖向荷载作用下，向下运动，推动滑块水平运动，从而在试件内壁产生动态内压力。试验时，当内壁压力达到一定值后试样破坏，然后利用工业CT扫描，对试验数据进行分析，可以得到试样的抗拉强度，最终确定此仪器的实用性。

关键词：岩土材料；工业CT；拉伸强度仪；实用性

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）19021901

1 概述

抗拉强度程中对土体裂缝、边坡加固、坍塌、基坑变形等工程问题都有一定的影响，比较重要。抗拉强度是岩土材料一个比较重要的力学性质，由于其测定困难，在工程中使用相对较少，对其研究并不多。

工程岩土材料一般都是典型的非均匀性材料。传统的测试方法均存在着只考虑单一断面的缺陷，其测量结果较材料本身真实值有一定差别。后来发展出现的套筒致裂法和环状试样法证明实验结果稳定，与其它的实验方法相比具有明显的优越性，但也存在制样装样困难，应力应变数据采集繁琐等问题。

在工程中准确测定岩土抗拉强度意义重大，必须考虑非均匀性对材料抗拉强度的影响。因此，需要设计一种新的实验设备，将材料的非均匀性列为影响因素，准确测定岩土材料的抗拉强度。基于此，本论文设计了一种实验装置，这种装置采用间接测定法测定岩土材料抗拉特性，设计中充分考虑了岩土工程材料的非均匀性的特点，其测量方法明显优于传统方法。

在岩土工程界，CT技术起步比较晚，尤其是国内，国外研究的内容主要集中在岩土体的密度、孔隙度、含水量、溶质浓度、孔隙大小和裂隙宽度等，多孔介质中流体运动也得到监测和量化。

本文重点研究设计的可与工业CT相配合使用的岩土材料拉伸强度仪的实用性，这种装置采用间接测定法测定岩土材料抗拉特性，设计中充分考虑了岩土工程材料的非均匀性的特点，其测量方法明显优于传统方法。

2 试验设备的设计与加工

2.1 试验设备的理论分析

以下是试验计算的示意图。其中F是试验加载时的荷载值，单位：kN；①为一三棱台；②为三个滑块；③为一圆环试件。

在以往研究的基础上，将材料的非均匀性列为影响因素，设计中充分考虑了岩土工程材料非均匀性的特点以及卸荷回弹的特点，设计了一套新的拉伸强度仪。

图3设备的下底板的外径为150mm，内径为30mm，厚10mm，在底板上有三对平行的V字槽，两个V字槽相距46mm。设备的左部是长40.77mm、宽15mm、厚4mm的薄片，其上车两个圆心相距16.8mm、直径为10.8mm的圆，用以放10mm的钢珠，在实验中起到支撑和轨道的作用。

图3为一代设计设备的设计图。

试验装置结构示意图如图4所示，整个实验装置包括成型试件、托盘、三瓣圆环（中间插一根匹配的圆锥棒）和加载系统。试验主要流程包括：将下底板及钢珠摆好，然后将三瓣上顶板槽对槽的放置好，下来将成型试件套入三瓣圆环，再放入圆锥棒，将试件连同整个

设备一起放到加载器正下方。加载器下降到一定高度

与圆锥棒的顶面接触，随后加载不断加大，圆锥棒不断向下挤压，三瓣圆环不断向外水平，试件的内壁在三瓣圆环的挤压下不断受力，与三瓣圆环连接的上顶板在应力作用下沿着底部的滑道向外缓慢移动，直至试件破坏，停止试验。

图4 设备结构图

3 试验阶段

3.1 重塑黄土试样制备

重塑黄土经过碎、烘、筛、配水，配制到要求的含水量，计算其物理性质指标，并根据其物理性质指标计算试验所需参数。

3.2 仪器操作及使用

将成型的试样小心托放到试验装置之上，在移动试样过程中要用力适当，避免土样受到破坏而影响试验结果。

加载器缓慢下降，观察计算机数据采集界面。当加载器刚接触到锥棒时，系统内产生压力，这时停止下降，将所有采集数据的记录全部清零。然后继续下降，将所有采集压力传感器采集到动态数据，可看到计算机数据采集界面压力曲线上升。随着加载器的不断下降，压力不断上升，锥棒也不断向下运动，挤压仪器圆环内壁，扩大其外径，从而破坏试件。当看到压力曲线突然下降时，即试件已破坏，停止加载。在采集数据系统中解析数据，生成压力曲线图和位移曲线图，根据需要保存相关数据。

3.3 数据分析

重塑黄土的试验数据处理后的实验数据如图5所示。

图5 实验数据曲线

4 试验验证与结论

本次试验主要目的是对岩土材料的抗拉强度进行分析，在分析前人对黄土抗拉特性研究的基础上，使用自主研发的设备，进行重塑黄土抗拉特性的研究。通过试验数据的分析对比，结果基本一致。本文设计的这套设备可与工业CT配合，可以有效地用于岩土材料间接拉伸破裂逐渐发展的分析中。

通过本文研制的设备可以帮助在土木工程、道路工程等涉及岩土材料拉伸变形力学性能的研究中起到重要的作用。并且，该设备间接测得的岩土数据更接近岩土本身的特性指数，可以在平时的土工试验中进行使用。

参考文献

[1]骆亚生，邢义川.黄土的抗拉强度[J].陕西水力发电，1998，14（4）：610.

[2]党进谦.单轴土工拉伸仪的研制[J].水利水电科技进展，2001，21（5）：3132.

[3]李积彦.粘性土抗拉强度试验对比研究[J].路基工程，2007，2（131）：104105.