土体二维断裂试验方法及试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种土体断裂试验装置及方法，属于土体断裂试验技术领域，尤其涉及一种土体拉伸型、剪切型、拉伸与剪切复合型以及压缩与剪切复合型破坏的试验方法及试验装置，具体涉及一种土体二维断裂试验方法及试验装置。
【背景技术】
[0002]土体因裂缝扩展引起的破坏问题是很多土工结构破坏的重要原因之一。尽管土体的断裂破坏问题已被学术界和工程界普遍认可，但是人们对土体断裂破坏问题的研究仍然很不够，许多关键科学问题尚未解决。
[0003]根据裂纹受力情况与裂纹面的位移方式，裂纹分为三种基本类型:1型(张开型)、II型(剪切型)和III型(撕裂型)。研究发现土体中不存在III型(撕裂型)断裂破坏形式。在实际土工构筑物中，将土体裂缝扩展的应力状态限制为纯拉力(S卩I型)或纯剪力(S卩II型)状态是不合理的，多数情况下是拉力与剪力并存状态(简称为拉剪力状态)、或者是压力与剪力并存状态(简称为压剪力状态)。本发明主要涉及拉伸与剪切复合型(简称拉剪型)以及压缩与剪切复合型(简称压剪型)破坏的方法和试验装置的研究，同时本发明还能实现拉伸型和剪切型破坏研究。
[0004]室内试验是研究土体裂缝问题最基础、最主要的方法，研究土体I型断裂破坏的试验方法较多，主要是三点弯曲试验、紧凑型拉伸试验、厚壁圆筒试样环形试验和圆柱形试样径向压裂试验等，还有一些针对重力问题改进的试验装置，研究土体II型断裂破坏性状的试验方法主要是非对称四点弯曲试验，而土体的复合型断裂破坏几乎无人研究。
[0005]对于边裂缝及中心裂缝试样，拉剪型和压剪型荷载施加需要两套独立的加载系统，比较复杂。此外，为得到任意作用角度范围内应力与试样应力变化及开裂状态的关系，以上方法在操作过程中必然需要进行数量庞大的试验，通过对压力与剪力进行细致的调整配合，得到所需数值与作用角度的压剪合力。同时，即使如此，实际操作中仍难以得到具有较好连续分布特性的压剪合力与土样应变及临界应力关系。目前，压剪型、拉剪型等断裂破坏问题都需要独立不同的试验装置研究，不便于各类型断裂问题之间的比较研究。
【发明内容】
[0006]本发明针对拉剪型和压剪型荷载施加需要两套独立加载系统的试验方法存在不足和对同时实现不同类型断裂问题研究的需要，本发明设计新的土体二维断裂试验方法及试验装置，对于研究土体压剪型、拉剪型、拉伸型和剪切型断裂破坏问题有着十分积极的意义。
[0007]本发明主要涉及压剪型、拉剪型、拉伸型和剪切型四种土体断裂类型的试验，其中拉剪型施加在土体试样的拉剪力分解为垂直于重力方向的剪力和平行于重力方向且与重力方向相反的拉力，同样压剪型试验施加在土体试样的压剪力可分为可分解为垂直于重力方向的剪力和平行于重力方向且与重力方向相同的压力。
[0008](1)拉剪型断裂试验原理:同时向试样预制裂缝所在平面施加切向剪力和法向拉力，并保持在试验过程中剪力和拉力的合力作用方向保持不变，直至试样破坏。
[0009](2)压剪型断裂试验原理:同时向试样预制裂缝所在平面施加切向剪力和法向压力，并保持在试验过程中剪力和压力的合力作用方向保持不变，直至试样破坏。
[0010]本发明的二维断裂试验方法，包括以下步骤内容:
[0011](1)试验制备，制备长方体试样，所述试样的其中一个轴方向开有缝，开缝的方式包括单侧开缝、双侧开缝或内部开缝;与所述试样开缝方向垂直的一个轴方向两端末设置有安装孔。
[0012](2)检测试验装置是否存在异常。
[0013](3)根据不同断裂试验类型，将两个完全一样加载板I和加载板II分别组合好，将试样两端的安装孔分别安装到加载板I的试样固定孔I与加载板II的试样固定孔II上。所述加载板I与加载板II在同一平面上放置并形成关于试样中心对称的加载夹具。
[0014](4)根据断裂试验所需加载角度，将加载杆I和加载杆II分别安装在加载杆安装孔
I和加载杆安装孔II上，然后安装到动力加载装置上。加载杆I和加载杆II始终保持在同一直线上。
[0015](5)通过计算机控制及数据采集系统设置试验加载方式，所述加载方式包括应变控制加载方式及应力控制加载方式，加载方式决定了加载速率。
[0016](6)通过计算机控制及数据采集系统启动推力提供装置，给加载板I和加载板II施加荷载，检测试样所受的荷载及产生的变形。对加载板I和加载板II所施加为反向等大共线的荷载。
[0017](7)试样破坏后，停止加载，对试验现象进行记录并保存试验数据。
[0018](8)拆除试样并将试验装置拆卸。
[0019]所述试验装置的安装，试验由销钉通过所述试样固定孔I和试样固定孔II分别与所述试样夹持板I和试样夹持板II固定在加载板上，加载杆I和加载杆II分别固定在加载杆安装孔I和加载杆安装孔II上。所述加载杆I和加载杆II另一端分别与外部加载动力装置连接，并始终保持加载杆I和加载杆II在同一直线上。加载杆I和加载杆II的启动、加载方式、加载速率和终止操作均由计算机控制及数据采集系统控制。
[0020]当进行拉剪型“I—II型”断裂试验和拉伸型“I型”断裂试验时，安装上拉剪辅助板I和拉剪辅助板II，卸下压剪辅助板I和压剪辅助板II，当进行压剪型“一I 一 II型”断裂试验和剪切型“II型”断裂试验时安装上压剪辅助板I和压剪辅助板II，卸下拉剪辅助板I和拉剪辅助板II。
[0021]当加载杆I和加载杆II均与试样裂缝角度为90°时，实现拉伸型“I型”断裂试验。当加载杆I和加载杆II均与试样裂缝角度为0°时，实现剪切型“II型”断裂试验。
[0022]所述加载杆I和加载杆II分别固定在不同组次的加载杆安装孔I和加载杆安装孔II上，可实现加载杆I和加载杆II与试样裂缝从0°到90°不同角度的拉剪型“I一II型”断裂试验和压剪型“一I 一II型”断裂试验。
[0023]本发明的二维断裂试验装置包括试样、加载板I和加载板II。所述加载板I和加载板II完全相同的加载板，共同构成加载夹具。
[0024]所述试样是长为H、宽为L和厚为W的长方体，所述长方体L方向的对称轴开有缝，开缝的方式包括单侧开缝、双侧开缝或内部开缝;并且Η方向的两末端对称轴均匀开有的孔洞，便于与加载夹具连接。
[0025]所述加载板I部件包括夹具主体1、加载杆安装孔1、压剪辅助板1、试样固定孔1、试样夹持板1、拉剪辅助板I和加载杆I。所述加载板II部件包括夹具主体I1、加载杆安装孔I1、压剪辅助板I1、试样固定孔I1、试样夹持板I1、拉剪辅助板II和加载杆II。
[0026]所述夹具主体I和夹具主体II为相同的夹具主体，均是完整的近似圆环段的实心体。将一个半同心圆环体以其直径进行三等分后，两条等分线与中间环段体Β的内弧相交后两交点所连接的切线，所连接的切线与中间环段体Β的内弧构成的拱形孔被填充满，中间环段体Β的一端与相邻环段体Α的一端衔接，所述相邻环段体Α的另一端沿垂直于其直径方向生长一个长度小于其宽度立方体D，以上三个部分形成一个完整整体后为所述夹具主体的形状。
[0027]所述加载杆安装孔I和加载杆安装孔II是一致的加载杆安装孔，均是以内侧为一小孔外侧为一大孔构成一组，所述加载杆安装孔以组的形式均匀分布所在夹具主体上。
[0028]所述压剪辅助板I和压剪辅助板II是相同的压剪辅助板，均是具有形状的实心体。所述夹具主体相邻环段体A的内弧与第一条等分线及等分线垂直的直径所构成的密闭形状为所述压剪辅助板的形状;所述压剪辅助板的厚度与所述夹具主体的厚度相同。
[0029]所述试样夹持板I和试样夹持板II是相同的试样夹持板，均包括上下两个部分，分别与所在夹具主体表面形成一个平整表面，在上下两个部分中间形成凹槽，用于夹持放置试样。所述试样夹持板从所述夹具主体中间环段体B连接的切线处上、下表面生长出来形成矩形薄片，生长出来的边为短轴边，长度小于中间环段B的线段所形成长轴边的长度;一短轴边与压剪辅助板密切贴合，另一短轴边在所述夹具主体的第二条等分线上。
[0030]所述试样固定孔I和试样固定孔II是一致的试样固定孔，分别均匀分布在所述试样夹持板I和试样夹持板II的长轴上。所述试样固定孔I和试样固定孔II分别与所述试样两端末端孔洞相匹配。
[0031]所述拉剪辅助板I和