[发明专利]一种非饱和土断裂韧度测试仪及测试方法

说明书

一种非饱和土断裂韧度测试仪，包括试验台，试验台上设置有密闭压力室和可控电机，密闭压力室接空气压缩机，密闭压力室内置承台、陶土板和压力膜，承台上设置有能前后滑动的前档杆和固定的后挡杆，试样位于前档杆和后挡杆间，密闭压力室顶盖下设置有朝向试样的高速摄像机，可控电机的输出接螺旋杆，螺旋杆接套杆，套杆接一号连接杆，一号连接杆与二号连接杆连接且连接处设置力传感器，二号连接杆穿过压力室的前侧壁抵触在前档杆上，密闭压力室的前侧壁内部设置有位移传感器，本发明还提供了相应的测试方法，本发明通过控制压力室气压恒定实现试样基质吸力恒定，并实时捕捉裂端，采用水平加载方式克服土样自重对测试结果的影响。

技术领域

本发明属于岩土工程中非饱和土体断裂特性测试技术领域，特别涉及一种非饱和土三点弯试验测试断裂韧度测试仪及测试方法。

背景技术

我国黄土地区面积约6.31×10⁵m²，占国土面积的6.6％。现场测量结果表明黄土地区广为分布的黄土边坡坡顶和坡体内部中存在着大量不同规模和尺度的裂缝，这些裂缝的存在直接影响到了黄土边坡稳定性。黄土地区地质构造活动和地下水超采引起的地裂缝扩展也是目前西安地区基础设施建设所面临的一大病害。实际上，天然状态下黄土一般处于非饱和状态，在人类工程活动或自然营力影响下，非饱和黄土中裂缝经历了起裂和扩展阶段，裂端应变状态逐步发生变化，土颗粒排列、粒间水膜和饱和度均变化，导致基质吸力也动态变化，而基质吸力直接影响到非饱和黄土断裂韧度。断裂韧度是裂缝发生断裂的临界值，用于判定黄土中既有裂缝是否发生扩展，当应力强度因子大于这一临界值，裂缝便扩展而导致非饱和黄土断裂失稳。而传统三点弯曲或四点弯曲设备并不能直接用于测试非饱和土断裂韧度。一方面，传统断裂韧度测试采用的是竖向加载，仪器施加的荷载与土体自重荷载方向一致导致测试结果不准确。另一方面，土样在加载过程中裂端土体处于非饱和状态，基质吸力随着荷载增加同步变化，传统三点弯曲试验无法控制非饱和土基质吸力，无法用于深入研究非饱和黄土中基质吸力对断裂韧度的影响机理。若采用传统测试非饱和黄土断裂韧度，基质吸力这一本质条件对断裂韧度的影响效应就无法捕捉。

目前，关于非饱和土的断裂韧度测试仪缺乏，测试方法和裂缝扩展过程的研究涉及较少。土体断裂韧度较小，而基质吸力影响很大，对试验设备的精度要求较高，必须采用高精度传感器。因此，急需研发可控制机制吸力的非饱和黄土断裂韧度测试仪和测试方法，用于开展非饱和黄土裂缝扩展机理研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非饱和土断裂韧度测试仪及测试方法，在传统三点弯试验仪外增加一个刚制压力室，通过控制压力室气压实现基质吸力恒定，采用PIV技术实时捕捉裂端，采用水平加载方式克服土样自重对测试结果的影响，通过设置钢珠减小试验与承台摩擦力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种非饱和土断裂韧度测试仪，包括试验台1，试验台1上设置有密闭压力室4和可控电机19，密闭压力室4连接空气压缩机22且在连接管路上设置有空气开关阀24和压力控制阀23，密闭压力室4内置承台10，承台10上安装陶土板8，陶土板8上安装有能够前后滑动的前档杆7和固定的后挡杆5，预设裂缝的试样6放置在陶土板8上，位于前档杆7后挡杆5间，密闭压力室4的顶盖13下设置有朝向试样6的带闪光灯的高速摄像机12，可控电机19的输出端接螺旋杆18，螺旋杆18接一号连接杆16，一号连接杆16与二号连接杆14连接且连接处设置力传感器15，二号连接杆14穿过密闭压力室4的前侧壁抵触在前档杆7上，密闭压力室4的前侧壁内部设置有位移传感器13，所述高速摄像机12、力传感器15、位移传感器13以及可控电机19均连接计算机25。

优选地，所述陶土板8为多微孔隙陶瓷板。

优选地，所述陶土板8环箍有压力膜9，带有U形管段的出水管2自陶土板8和压力膜9之间伸出密闭压力室4。

优选地，所述位移传感器13的监测点为前档杆7与二号连接杆14的接触点。