本發(fā)明屬于土力學領(lǐng)域，具體涉及一種非飽和土抗拉強度測試裝置及測試方法。

背景技術(shù)：

早期經(jīng)典的土力學理論主要以飽和土體作為研究對象，太沙基提出的有效應力原理可以較好的解釋并計算飽和土的受力狀態(tài)與力學性質(zhì)。然而，自然界中的土體可能是飽水的，也可能是不飽水的，地球表面很大一部分區(qū)域均處于干旱或半干旱狀態(tài)，以及干濕循環(huán)狀態(tài)(如季節(jié)性降雨或河流、水庫水位變化所影響的區(qū)域)。在飽和土有效應力原理廣泛應用于實際工程并取得成功后，人們就一直在探索一種能很好反映非飽和土體力學性質(zhì)的理論框架。

Bishop于1955年最早在挪威的一次演講中首次提出了一種基于有效應力系數(shù)“χ”的單應力變量非飽和土有效應力理論。Fredlund和Morgenstern認為僅用有效應力單一應力變量難以系統(tǒng)地描述非飽和土的力學性質(zhì)，并于1977年根據(jù)大量研究推導了描述非飽和土強度變形的三組雙變量，提出了非飽和土的雙應力變量理論。近年來，為得到不同飽和度土體普遍適用的有效應力原理，單應力變量有效應力的研究重新得到重視。我國巖土工程專家沈珠江院士于1996年提出“廣義吸力”的概念，其定義為土顆粒之間膠結(jié)力、咬合力與基質(zhì)吸力中能有效增加土體強度與抗變形能力的部分。與“廣義吸力”的概念類似，美籍華裔土力學專家NingLu教授于2004年取非飽和土氣-液-固三相體的代表性單元體作為研究對象，通過理論分析和數(shù)學推導提出了“吸應力”的概念，其含義包括作用于非飽和土顆粒接觸點附近的物理化學力、膠結(jié)力、表面張力以及與基質(zhì)吸力有關(guān)的主動應力?！皬V義吸力”與“吸應力”相關(guān)理論為非飽和土力學理論框架的構(gòu)建提供了重要的理論基礎(chǔ)?！皬V義吸力”或“吸應力”是非飽和土有效應力的重要組成部分，在非飽和土，特別是高吸力狀態(tài)(低含水率)非飽和土的強度與抗變形能力中發(fā)揮著重要的作用。然而，由于“廣義吸力”與“吸應力”構(gòu)成復雜，目前主要處于理論研究階段，暫無有效的直接測試方法，一般通過經(jīng)典的直接剪切試驗或三軸剪切試驗間接獲得。

經(jīng)典的飽和土直剪試驗時將試樣放入上下可分離的剪切盒內(nèi)，上盒固定，下盒可沿水平方向滑動。首先施加垂直壓力，然后對下盒施加水平力，直至試樣剪切破壞，通過土樣破壞過程中的應力-應變曲線計算土樣的抗剪強度。非飽和土直接剪切試驗中的剪切部分與飽和土試驗基本相同，區(qū)別是增加了主要由壓力室與高進氣值陶瓷板組成的土體基質(zhì)吸力控制部分。通過軸平移技術(shù)可控制土樣在不同基質(zhì)吸力狀態(tài)下開展直接剪切試驗。非飽和土的三軸剪切試驗與直接剪切試驗類似，同樣是通過軸平移技術(shù)將經(jīng)典的飽和土三軸試驗擴展至非飽和土領(lǐng)域。目前，非飽和土的直接剪切與三軸剪切試驗被廣泛應用于非飽和土力學研究領(lǐng)域，是非飽和土力學性質(zhì)的主要測試手段。然而，非飽和直剪與三軸試驗雖然能直接測試非飽和土的抗剪強度，并通過計算可獲得基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強度，但無法直接測試土樣的“廣義吸力”與“吸應力”。因此，上述方法無法用于深入研究非飽和土“廣義吸力”與“吸應力”的形成機理與作用機制。此外，受高進氣值陶瓷板技術(shù)限制，軸平移技術(shù)一般僅能控制不超過1500kPa的基質(zhì)吸力，目前廣泛使用的非飽和直剪與三軸試驗儀器無法對更高吸力狀態(tài)的土樣進行測試。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種非飽和土抗拉強度測試裝置及測試方法，該裝置和方法基于相對濕度控制技術(shù)，用于測試非飽和土干濕路徑不同吸力狀態(tài)的抗拉強度與應力-應變曲線。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種非飽和土抗拉強度測試裝置，包括溫濕度控制系統(tǒng)、土樣拉伸系統(tǒng)、應力-應變測控系統(tǒng)和計算機；

所述溫濕度控制系統(tǒng)包括空氣壓縮機、干濕空氣流量控制機構(gòu)、空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)、干濕空氣混合器、恒溫恒濕倉，所述空氣壓縮機與干濕空氣流量控制機構(gòu)連接，所述干濕空氣流量控制機構(gòu)分別與空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)連接，所述空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)與干濕空氣混合器連接，所述干濕空氣混合器與恒溫恒濕倉連接；所述恒溫恒濕倉上設(shè)有控溫模塊，恒溫恒濕倉內(nèi)設(shè)有溫濕度傳感器、水分傳感器；

所述土樣拉伸系統(tǒng)包括土樣拉伸盒、絲杠滑臺、第一連桿機構(gòu)、第二連桿機構(gòu)、步進電機；所述土樣拉伸盒置于恒溫恒濕倉內(nèi)，所述土樣拉伸盒包括結(jié)構(gòu)相同且對稱設(shè)置的第一土樣放置體和第二土樣放置體；所述第一土樣放置體和第二土樣放置體上均設(shè)有放置土樣的內(nèi)凹槽，2個內(nèi)凹槽相對設(shè)置；所述內(nèi)凹槽開口的寬度小于內(nèi)凹槽的直徑；第二土樣放置體通過第二連桿機構(gòu)固定，第一土樣放置體通過第一連桿機構(gòu)與絲杠滑臺的滑塊連接，絲杠滑臺通過變速箱與步進電機連接；

所述應力-應變測控系統(tǒng)包括應力傳感器、位移傳感器，所述應力傳感器設(shè)置在第二連桿機構(gòu)上，所述位移傳感器的測頭與第一土樣放置體接觸；

所述干濕空氣流量控制機構(gòu)、溫濕度傳感器、控溫模塊、水分傳感器、步進電機、應力傳感器、位移傳感器與計算機連接。

空氣壓縮機中的壓縮空氣分兩個路徑進入干濕空氣流量控制機構(gòu)，然后分別通過空氣干燥機構(gòu)和空氣加濕機構(gòu)，進入空氣干燥機構(gòu)和空氣加濕機構(gòu)的空氣流量通過干濕空氣流量控制機構(gòu)進行自動控制；經(jīng)過空氣干燥機構(gòu)的空氣可完全脫去水蒸氣形成無水的干燥空氣，而經(jīng)過空氣加濕機構(gòu)的空氣則可形成飽和的濕潤空氣；干燥空氣和濕潤空氣在干濕空氣混合器內(nèi)充分混合均勻，隨后流入恒溫恒濕倉中；安裝在恒溫恒濕中的溫濕度傳感器與計算機相連，可實時讀取混合空氣的相對濕度；儀器操作人員可以對混合空氣的相對濕度進行設(shè)定，計算機可根據(jù)相對濕度傳感器的讀數(shù)自動對干濕空氣流量控制機構(gòu)發(fā)出指令，以控制流入空氣干燥機構(gòu)和空氣加濕機構(gòu)中的空氣流量，實現(xiàn)對混合空氣相對濕度的實時控制；當相對濕度傳感器讀數(shù)高于設(shè)定值時，自動增大流入空氣干燥機構(gòu)的空氣流量并同時減小空氣加濕機構(gòu)的空氣流量；而當相對濕度傳感器讀數(shù)低于設(shè)定值時，執(zhí)行相反的操作；相對濕度的混合空氣源源不斷流入恒溫恒濕倉中，使待測土樣試件周圍的空氣相對濕度恒定為設(shè)定值；恒溫恒濕倉中的空氣溫度由與計算機連接的控溫模塊(半導體控溫模塊)實時控制，使土樣試件周圍的空氣溫度始終保持在設(shè)定的數(shù)值；在控制土樣試件周圍溫度與濕度同時，通過水分傳感器實時監(jiān)測土樣試件的含水量變化數(shù)據(jù)，直至含水量達到穩(wěn)定后，土樣試件即達到了設(shè)定溫濕度狀態(tài)下的吸力平衡狀態(tài)；當土樣試件達到吸力平衡狀態(tài)后，由計算機控制步進電機的轉(zhuǎn)速，通過變速箱帶動絲杠滑臺的絲杠轉(zhuǎn)動，使滑塊以設(shè)計的速度緩慢拉動土樣拉伸盒一側(cè)，從而拉伸土樣試件，直至土樣試件拉斷；拉伸過程中實時記錄應力傳感器與位移傳感器數(shù)據(jù)，獲取土樣試件拉升破壞過程中的應力-應變曲線。

按上述方案，所述內(nèi)凹槽為的截面為圓弧形，內(nèi)凹槽的開口的寬度小于圓弧的直徑。

按上述方案，所述干濕空氣流量控制機構(gòu)包括第一步進電機、第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第一氣體轉(zhuǎn)子流量計、第二氣體轉(zhuǎn)子流量計；第一步進電機與第一齒輪連接，第一齒輪與第二齒輪嚙合，第二齒輪與第三齒輪嚙合；第一氣體轉(zhuǎn)子流量計的進口通過第一連接管與空氣壓縮機連通，第二氣體轉(zhuǎn)子流量計通過第二連接管與空氣壓縮機連通，第一連接管和第二連接管上均設(shè)有調(diào)節(jié)閥門，第一連接管上的調(diào)節(jié)閥門由第二齒輪控制，第二連接管上的調(diào)節(jié)閥門由第三齒輪控制；第一氣體轉(zhuǎn)子流量計與空氣干燥機構(gòu)連接，第二氣體轉(zhuǎn)子流量計與空氣加濕機構(gòu)連接；第一步進電機與計算機連接。第一步進電機驅(qū)動第一齒輪旋轉(zhuǎn)，第一齒輪帶動第二齒輪和第三齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動第一氣體轉(zhuǎn)子流量計、第二氣體轉(zhuǎn)子流量計的調(diào)節(jié)閥門向相反的方向轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)兩路流出氣體不同的流量，即增大一路氣體流量的同時，減小另一路氣體流量；當控制第一步進電機反轉(zhuǎn)時，可達到相反的調(diào)節(jié)效果；兩路經(jīng)流量調(diào)節(jié)后的空氣流出干濕空氣流量控制機構(gòu)后分別與空氣干燥機構(gòu)與空氣加濕機構(gòu)連接；試驗過程中，計算機對恒溫恒濕倉內(nèi)空氣相對濕度進行實時監(jiān)測，當空氣相對濕度低于或高于設(shè)定值時，計算機自動控制干濕空氣流量控制機構(gòu)上的第一步進電機旋轉(zhuǎn)，緩慢增大或降低空氣加濕機構(gòu)的空氣流量，同時減小或增大空氣干燥機構(gòu)的空氣流量，使恒溫恒濕倉內(nèi)的空氣相對濕度穩(wěn)定在設(shè)定值。

按上述方案，所述空氣干燥機構(gòu)包括依次連接的五個干燥管，每個干燥管內(nèi)均設(shè)有干燥劑；最前面的干燥管通過第一連接管與干濕空氣流量控制機構(gòu)連接，第一連接管的出口伸入干燥劑內(nèi)，并置于干燥管管底；最后面的干燥管通過第二連接管與干濕空氣混合器連接，第二連接管的進口設(shè)在干燥管頂部，并置于干燥劑上；相鄰干燥管通過第三連接管連接，第三連接管的進口設(shè)在前一個干燥管頂部，并置于干燥劑上；第三連接管的出口伸入后一個干燥劑的干燥劑內(nèi)，并置于干燥管管底；使流入空氣與干燥管內(nèi)的干燥劑充分接觸，保證空氣中的水分完全脫去。

按上述方案，所述空氣加濕機構(gòu)包括依次連接的五個加濕管，加濕管內(nèi)設(shè)有蒸餾水；最前面的加濕管通過第四連接管與干濕空氣流量控制機構(gòu)連接，第四連接管的出口伸入蒸餾水內(nèi)，并置于加濕管管底；最后面的加濕管通過第五連接管與干濕空氣混合器連接，第五連接管的進口設(shè)在加濕管頂部，并置于蒸餾水上；相鄰加濕管通過第六連接管連接，第六連接管的進口設(shè)在前一個加濕管頂部，并置于蒸餾水上；第六連接管的出口伸入后一個設(shè)在后一個加濕管的蒸餾水內(nèi)，并置于干燥管管底；第四連接管的出口處和第六連接管的出口設(shè)有多孔石；以便于流出空氣加濕機構(gòu)的空氣形成飽和的濕潤空氣。

按上述方案，所述干濕空氣混合器包括兩端封閉的筒體，筒體的下部對稱設(shè)置有空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)的出口；兩個出口上方設(shè)有風扇；筒體的頂部通過第七連接管與恒溫恒濕倉連通；以便于干濕空氣充分、均勻、快速混合。

按上述方案，所述土樣拉伸盒下設(shè)有滾珠，以減除摩擦力的影響。所述第一土樣放置體和第二土樣放置體的上下兩端均設(shè)有孔，螺桿依次穿過第一土樣放置體和第二土樣放置體后，由螺母固定；所述土樣拉伸盒還包括分別置于內(nèi)凹槽兩側(cè)的擋板，擋板的形狀與兩個內(nèi)凹槽對稱設(shè)置時的形狀相同，以方便制作土體試件。

本發(fā)明還提供一種采用上述非飽和土抗拉強度測試裝置進行非飽和土抗拉強度測試的方法，包括以下步驟：

1)、土體試件制備；

2)、將土體試件置于土樣拉伸盒內(nèi)；

3)、使土體試件達到設(shè)定溫濕度狀態(tài)下的吸力平衡狀態(tài)；

4)、等吸力拉伸土體試件，直至土體試件受拉斷裂；實時記錄應力傳感器、位移傳感器數(shù)據(jù)；

5)、根據(jù)記錄的應力傳感器、位移傳感器數(shù)據(jù)繪制應力-應變曲線；試驗過程中出現(xiàn)的最大拉應力值即為土體試件的抗拉強度。

步驟1)中，土體試件通過土樣拉伸盒的內(nèi)凹槽、螺栓、擋板制得，使得土體試件的制作非常簡單、方便。

本發(fā)明的有益效果在于：

本裝置和方法使壓縮空氣以一定的流速分別通過空氣干燥機構(gòu)和空氣加濕機構(gòu)后在干濕空氣混合器內(nèi)混合均勻；通過干濕空氣流量控制機構(gòu)、溫濕度傳感器、溫控模塊、計算機等對混合空氣的相對濕度和溫度進行全自動控制,以及將一定相對濕度的空氣不斷注入恒溫恒濕倉中，使土樣試件在各級設(shè)定的相對濕度與溫度條件下達到吸力平衡狀態(tài)(使土樣達到設(shè)計的干濕路徑與吸力平衡狀態(tài))；通過由土樣拉伸盒、絲杠滑臺、步進電機、變速箱、應力傳感器、位移傳感器等對土樣試件開展等吸力拉伸試驗(使土樣試件在恒定的吸力狀態(tài)下勻速拉伸)，獲取土樣在干濕路徑，不同吸力狀態(tài)下的抗拉強度與應力-應變曲線；當土樣試件受拉截面的拉應力超過抗拉強度時，土樣試件受拉破壞，此時測得的拉應力即為抗拉強度；本裝置和方法操作簡單、方便，可直接用于研究土樣“廣義吸力”與“吸應力”的作用機制；廣泛用于各類涉及土力學基礎(chǔ)理論的實際工程建設(shè)與科學研究領(lǐng)域；

本裝置可將土樣試件的吸力控制在其可能達到的最高值，測試范圍比傳統(tǒng)的基于軸平移技術(shù)的測試方法的測試范圍有顯著提高，可為非飽和土力學基礎(chǔ)理論與測試技術(shù)的研究提供重要的技術(shù)手段；

采用全自動控制，能確保測試結(jié)果的準確性；

本裝置結(jié)構(gòu)簡單、合理；本方法簡單、方便實施。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明非飽和土抗拉強度測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是土樣拉伸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是干濕空氣流量控制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是空氣干燥機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是空氣加濕機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是干濕空氣混合器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是第一土樣放置體和第二土樣放置體閉合時土樣拉伸盒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是第一土樣放置體和第二土樣放置體分離時土樣拉伸盒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是擋板的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、手動調(diào)壓閥，2、手動流量閥，3、干濕空氣流量控制機構(gòu)，4、空氣干燥機構(gòu)，5、空氣加濕機構(gòu)，6、干濕空氣混合器，7、恒溫恒濕倉，8、試驗臺，9、計算機，10、半導體控溫模塊，11、溫濕度傳感器、12、水分傳感器，13、土樣拉伸盒，14、絲杠滑臺，15、第一連桿機構(gòu)，16、第二連桿機構(gòu)，17、鉸接頭，18、步進電機，19、第一土樣放置體，20、第二土樣放置體，21、滾珠，22、應力傳感器，23、位移傳感器，24、滑塊，25、內(nèi)凹槽，26、第一步進電機，27、第一齒輪，28、第二齒輪,29、第三齒輪,30、第一氣體轉(zhuǎn)子流量計,31、第二氣體轉(zhuǎn)子流量計，32、干燥管，33、第一連接管，34、第二連接管，35、第三連接管，36、干燥劑，37、加濕管，38、第四連接管，39、第五連接管，40、第六連接管，41、蒸餾水，42、多孔石，43、筒體，44、風扇，45、第七連接管，46、螺栓，47、擋板。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參見圖1，一種非飽和土抗拉強度測試裝置，包括溫濕度控制系統(tǒng)、土樣拉伸系統(tǒng)、應力-應變測控系統(tǒng)和計算機；

溫濕度控制系統(tǒng)包括空氣壓縮機、干濕空氣流量控制機構(gòu)、空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)、干濕空氣混合器、恒溫恒濕倉，空氣壓縮機與干濕空氣流量控制機構(gòu)連接，在空氣壓縮機與干濕空氣流量控制機構(gòu)之間設(shè)有手動調(diào)壓閥、壓力表、手動流量閥；干濕空氣流量控制機構(gòu)分別與空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)連接，空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)與干濕空氣混合器連接，干濕空氣混合器與恒溫恒濕倉連接；恒溫恒濕倉上設(shè)有控溫模塊，恒溫恒濕倉內(nèi)設(shè)有溫濕度傳感器、水分傳感器；

土樣拉伸系統(tǒng)包括土樣拉伸盒、絲杠滑臺、第一連桿機構(gòu)、第二連桿機構(gòu)、步進電機；步進電機、土樣拉伸盒、絲杠滑臺，置于試驗臺上；土樣拉伸盒置于恒溫恒濕倉內(nèi)，土樣拉伸盒包括結(jié)構(gòu)相同且對稱設(shè)置的第一土樣放置體和第二土樣放置體；第一土樣放置體和第二土樣放置體上均設(shè)有放置土樣的內(nèi)凹槽，2個內(nèi)凹槽相對設(shè)置；內(nèi)凹槽為的截面為圓弧形，內(nèi)凹槽的開口的寬度小于圓弧的直徑；第二土樣放置體通過第二連桿機構(gòu)固定在試驗臺上，第一土樣放置體通過第一連桿機構(gòu)與絲杠滑臺的滑塊連接，絲杠滑臺通過變速箱與步進電機連接；第一連桿機構(gòu)包括若干通過鉸接頭連接的第一剛性連桿，鉸接頭可保證拉力方向水平；第二連桿機構(gòu)包括第二剛性連桿；土樣拉伸盒底部設(shè)有滾珠，減除摩擦力影響；

應力-應變測控系統(tǒng)包括應力傳感器、位移傳感器，所述應力傳感器設(shè)置在第二連桿機構(gòu)上，所述位移傳感器的測頭與第一土樣放置體接觸；

干濕空氣流量控制機構(gòu)、溫濕度傳感器、控溫模塊、水分傳感器、步進電機、應力傳感器、位移傳感器與計算機連接。

空氣壓縮機中的壓縮空氣通過手動調(diào)壓閥、手動流量閥后分為兩個路徑進入干濕空氣流量控制機構(gòu)，然后分別通過空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)，進入空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)的空氣流量通過計算機、干濕空氣流量控制機構(gòu)進行自動控制；經(jīng)過空氣干燥機構(gòu)的空氣可完全脫去水蒸氣形成無水的干燥空氣，而經(jīng)過空氣加濕機構(gòu)的空氣則可形成飽和的濕潤空氣；干燥空氣和濕潤空氣在干濕空氣混合器內(nèi)(借助風扇的作用)充分混合均勻，隨后流入恒溫恒濕倉中；安裝在恒溫恒濕中的溫濕度傳感器可實時讀取混合空氣的相對濕度；儀器操作人員對混合空氣的相對濕度進行設(shè)定，計算機可根據(jù)相對濕度傳感器的讀數(shù)自動對干濕空氣流量控制機構(gòu)發(fā)出指令，以控制流入空氣干燥機構(gòu)、空氣加濕機構(gòu)中的空氣流量，實現(xiàn)對混合空氣相對濕度的實時控制；當相對濕度傳感器讀數(shù)高于設(shè)定值時，計算機使干濕空氣流量控制機構(gòu)自動增大空氣干燥機構(gòu)空氣流量并同時減小空氣加濕機構(gòu)空氣流量；而當相對濕度傳感器讀數(shù)低于設(shè)定值時，計算機使干濕空氣流量控制機構(gòu)自動增大空氣加濕機構(gòu)空氣流量并同時減小空氣干燥機構(gòu)空氣流量；相對濕度的混合空氣源源不斷流入恒溫恒濕倉中，使待測土樣試件周圍的空氣相對濕度恒定為設(shè)定值；恒溫恒濕倉中的空氣溫度由與計算機連接的半導體控溫模塊實時控制，使土樣試件周圍的空氣溫度始終保持在設(shè)定的數(shù)值；控制土樣試件周圍溫度與濕度同時，通過水分傳感器實時監(jiān)測土樣的含水量變化數(shù)據(jù)，直至含水量達到穩(wěn)定后，土樣試件即達到了設(shè)定溫濕度狀態(tài)下的吸力平衡狀態(tài)；當土樣試件達到吸力平衡狀態(tài)后，由計算機控制步進電機的轉(zhuǎn)速，通過變速箱帶動絲杠滑臺的絲杠轉(zhuǎn)動，使滑塊以設(shè)計的速度緩慢拉動土樣拉伸盒一側(cè)，從而拉伸土樣試件，直至土樣試件拉斷；拉伸過程中實時記錄應力傳感器與位移傳感器數(shù)據(jù)，獲取土樣試件拉升破壞過程中的應力-應變曲線。

參見圖3，干濕空氣流量控制機構(gòu)包括第一步進電機、第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第一氣體轉(zhuǎn)子流量計、第二氣體轉(zhuǎn)子流量計；第一步進電機與第一齒輪連接，第一齒輪與第二齒輪嚙合，第二齒輪與第三齒輪嚙合；第一氣體轉(zhuǎn)子流量計的進口通過第一連接管與空氣壓縮機連通，第二氣體轉(zhuǎn)子流量計通過第二連接管與空氣壓縮機連通，第一連接管和第二連接管上均設(shè)有調(diào)節(jié)閥門，第一連接管上的調(diào)節(jié)閥門由第二齒輪控制，第二連接管上的調(diào)節(jié)閥門由第三齒輪控制；第一氣體轉(zhuǎn)子流量計與空氣干燥機構(gòu)連接，第二氣體轉(zhuǎn)子流量計與空氣加濕機構(gòu)連接；第一步進電機與計算機連接。

第一步進電機驅(qū)動第一齒輪旋轉(zhuǎn)，第一齒輪帶動第二齒輪和第三齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動第一氣體轉(zhuǎn)子流量計、第二氣體轉(zhuǎn)子流量計的調(diào)節(jié)閥門向相反的方向轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)兩路流出氣體不同的流量，即增大一路氣體流量的同時，減小另一路氣體流量；當控制第一步進電機反轉(zhuǎn)時，可達到相反的調(diào)節(jié)效果；兩路經(jīng)流量調(diào)節(jié)后的空氣流出干濕空氣流量控制機構(gòu)后分別與空氣干燥機構(gòu)與空氣加濕機構(gòu)連接；試驗過程中，計算機對恒溫恒濕倉內(nèi)空氣相對濕度進行實時監(jiān)測，當空氣相對濕度低于或高于設(shè)定值時，計算機自動控制干濕空氣流量控制機構(gòu)上的第一步進電機旋轉(zhuǎn)，緩慢增大或降低空氣加濕機構(gòu)的空氣流量，同時減小或增大空氣干燥機構(gòu)的空氣流量，使恒溫恒濕倉內(nèi)的空氣相對濕度穩(wěn)定在設(shè)定值。

參見圖4，空氣干燥機構(gòu)包括依次連接的五個干燥管，每個干燥管內(nèi)均設(shè)有干燥劑；最前面的干燥管通過第一連接管與干濕空氣流量控制機構(gòu)連接，第一連接管的出口伸入干燥劑內(nèi)，并置于干燥管管底；最后面的干燥管通過第二連接管與干濕空氣混合器連接，第二連接管的進口設(shè)在干燥管頂部，并置于干燥劑上；相鄰干燥管通過第三連接管連接，第三連接管的進口設(shè)在前一個干燥管頂部，并置于干燥劑上；第三連接管的出口伸入后一個干燥劑的干燥劑內(nèi)，并置于干燥管管底；該結(jié)構(gòu)能使流入空氣與干燥管內(nèi)的干燥劑充分接觸，保證空氣中的水分完全脫去。干燥管的直徑為35mm，高為200mm，干燥劑裝至干燥管高度的80％。

參見圖5，空氣加濕機構(gòu)包括依次連接的五個加濕管，加濕管內(nèi)設(shè)有蒸餾水；最前面的加濕管通過第四連接管與干濕空氣流量控制機構(gòu)連接，第四連接管的出口伸入蒸餾水內(nèi)，并置于加濕管管底；最后面的加濕管通過第五連接管與干濕空氣混合器連接，第五連接管的進口設(shè)在加濕管頂部，并置于蒸餾水上；相鄰加濕管通過第六連接管連接，第六連接管的進口設(shè)在前一個加濕管頂部，并置于蒸餾水上；第六連接管的出口伸入后一個設(shè)在后一個加濕管的蒸餾水內(nèi)，并置于干燥管管底；第四連接管的出口處和第六連接管的出口設(shè)有多孔石，流入的空氣經(jīng)過多孔石后被分解為多個小氣泡，可增大空氣與蒸餾水的接觸面積，使流出加濕管的空氣充分飽和。加濕管的直徑為35mm，高為200mm；加濕管內(nèi)裝入80％容量的蒸餾水。

參見圖6，干濕空氣混合器包括兩端封閉的筒體，筒體為有機玻璃筒，其直徑為100mm，高為200mm；距筒體底面50mm處安裝有一個(電動)風扇，筒體的下部設(shè)有分別與第二連接管、第五連接管連接的進口，2個進口對稱設(shè)置，且置于風扇下方；干燥空氣和濕潤空氣在干濕空氣混合器內(nèi)，借助風扇的作用充分混合均勻；筒體的頂部通過第七連接管與恒溫恒濕倉連通。

參見圖7和圖8，土樣拉伸盒由不銹鋼材質(zhì)制成，分左右兩個對稱的部分，即為第一土樣放置體和第二土樣放置體，合并后外圍是長寬分別為120mm與80mm的矩形，厚度40mm。第一土樣放置體和第二土樣放置體的上下兩端均設(shè)有孔，當?shù)谝煌翗臃胖皿w和第二土樣放置體合并時，螺桿依次穿過第一土樣放置體和第二土樣放置體后，由蝴蝶螺母固定，使土樣拉伸盒兩個部分對齊，呈剛性連接。土樣拉伸盒中間掏空為兩個對稱的半徑為30cm的圓形相交的“∞”形狀，兩圓相交點連線距離50mm。試驗時，土樣拉伸盒呈直立狀態(tài)，厚度方向上兩面臨空；填充于土樣拉伸盒內(nèi)部的土樣試件兩側(cè)與周圍空氣完全接觸，可使土樣試件盡快達到與周圍恒溫恒濕空氣相平衡的吸力狀態(tài)。

參見圖9，土樣拉伸盒還包括分別置于內(nèi)凹槽兩側(cè)的擋板，擋板厚度為10mm；擋板的形狀與兩個內(nèi)凹槽對稱設(shè)置(第一土樣放置體和第二土樣放置體合并)時的形狀相同。擋板為不銹鋼板。通過兩塊擋板與土樣拉伸盒的內(nèi)凹槽，可分別制備20mm、30mm，以及40mm不同厚度的土樣試件。

采用上述非飽和土抗拉強度測試裝置進行非飽和土抗拉強度測試的方法，包括以下步驟：

1)、土體試件制備；

土體試件所需主要工具為第一土樣放置體、第二土樣放置體、擋板、螺栓、螺母、天平，以及切土刀等；制備重塑土樣時，首選根據(jù)土樣的設(shè)計體積、密度和含水量計算所需擾動土樣的質(zhì)量與水的體積；按照計算結(jié)果取一定質(zhì)量代表性擾動土樣與一定體積的水混合均勻，使用第一土樣放置體、第二土樣放置體、擋板、螺栓、螺母將擾動土樣壓制成設(shè)計的厚度；原狀土樣可直接根據(jù)土樣拉伸盒尺寸切?。蝗缧栝_展脫水路徑試驗，土體試件需要在試驗前根據(jù)土工試驗規(guī)范的相關(guān)標準進行飽和；如需開展吸水路徑試驗，無需首先飽和土體試件；

2)、將土體試件置于土樣拉伸盒內(nèi)；

將制備好的土體試件連同土樣拉伸盒一起安裝至試驗臺上；調(diào)整位移傳感器位置，使位移傳感器的測頭與土樣拉伸盒接觸；取出土樣拉伸盒的螺桿，關(guān)閉恒溫恒濕倉；

3)、使土體試件達到設(shè)定溫濕度狀態(tài)下的吸力平衡狀態(tài)；

啟動空氣壓縮機，通過手動調(diào)壓閥、手動流量閥將進入裝置內(nèi)的空氣調(diào)至合適的氣壓與流量；根據(jù)試驗需要設(shè)定恒溫恒濕倉內(nèi)的溫度與相對濕度；實時監(jiān)測土樣試件的水分傳感器讀數(shù)，直至土樣試件含水量達到穩(wěn)定狀態(tài)；結(jié)合平衡狀態(tài)下的相對濕度與溫度，根據(jù)以下Kelvin公式計算土體吸力；

$\mathrm{\ψ}=-\frac{RT}{v_{w0}{\mathrm{\ω}}_v}\ln \left(RH\right)$

式中：ψ為土體吸力(kPa)，R為通用氣體常量(8.314J/mol·K)，T為絕對溫度，ν_wo為水的比容(m3/kg)，ω_v為水蒸氣的摩爾質(zhì)量(18.016kg/kmol)，RH為空氣的相對濕度；

4)、等吸力拉伸土體試件，直至土體試件受拉斷裂；實時記錄應力傳感器、位移傳感器數(shù)據(jù)；

土樣試件達到設(shè)定的吸力平衡狀態(tài)后，繼續(xù)控制恒溫恒濕倉內(nèi)的溫度與相對濕度；通過計算機輸入設(shè)定的拉伸速度，控制絲杠滑臺以一定的速度拉動土樣拉伸盒一側(cè)(第一土樣放置體)緩慢勻速平移，直至土樣試件受拉斷裂；試驗過程中實時記錄應力與位移傳感器數(shù)據(jù)；

5)、根據(jù)記錄的應力傳感器、位移傳感器數(shù)據(jù)繪制應力-應變曲線；試驗過程中出現(xiàn)的最大拉應力值即為土體試件的抗拉強度。

通過對應力-應變曲線全過程的分析，可用于研究非飽和土樣在設(shè)定的吸力狀態(tài)條件下“廣義吸力”與“吸應力”的形成機理與作用機制。本發(fā)明可用于測試各種土樣在干濕路徑，不同吸力狀態(tài)下的抗拉強度與應力-應變曲線?？蓮V泛用于各類涉及土力學基礎(chǔ)理論的實際工程項目與科學研究領(lǐng)域。

應當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。