本技术属于土体测量，具体涉及一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统及测试方法。
背景技术：
1、土体开裂广泛存在于岩土工程实践中，并可能带来严重的工程事故，如边坡上土体开裂诱发滑坡、土堤坝开裂诱发决堤、地基土壤开裂造成地基失稳等。为了更好的控制土体的开裂，需要预先测试确定土体的断裂韧度。
2、相关技术中，土体断裂韧度测试技术主要基于金属、岩石等固体的标准测试技术进行改进，如三点弯、紧凑拉伸等试验方法。基于这类测试方法所得到的原始数据通常有两种处理方式：（1）基于标准试样的线弹性断裂力学理论解答与峰值荷载计算断裂韧度；（2）基于弹塑性断裂力学理论与荷载位移曲线计算试件开裂过程中的输入能量，进而计算断裂韧度。这两类计算方法决定了试样的两个基本要求：（1）土体试样必须易于加工成标准试件，并具有一定的自稳能力；（2）土体试样的裂缝尖端或加载处不能产生过大的塑性变形，其原因在于：若裂缝尖端产生较大塑性变形，线弹性断裂力学理论解答失效，导致计算结果失真；若加载处产生较大塑性变形，则导致基于荷载位移曲线所计算的输入能量偏大，导致计算结果偏大。
3、而低吸力土体，通常具有很强的流塑性，难以加工成为标准试件，且难以将样品无损地转移至加载装置中；更重要的是，土体试样加载时裂缝尖端和加载位置必然会产生显著的塑性变形。
4、因此，低吸力土体无法满足上述两个基本要求，现有的断裂韧度测试技术并不适用于低吸力土体，实有必要提供一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统及测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
技术实现思路
1、本技术提供一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统及测试方法，通过样品盒制备带有中心孔的土体试样，土体试样随样品盒一起转移至加载装置上，转移过程中不会出现损耗；加载过程中，通过膨胀钢片给橡胶套施加作用力，使作用力沿所述中心孔环向的加载在所述土体试样上，避免了常规线荷载导致的应力集中，从而避免了加载处的局部破坏及过大塑性变形，可以很好的适用于低吸力土体断裂韧度测试的加载；基于加载过程中的土体试样的变形照片，应用j积分理论与数字图像相关技术，可实现低吸力土体的断裂韧度测量，测得的断裂韧度合理考虑了裂纹尖端的塑性耗能，解决了基于线弹性理论公式计算所得断裂韧度结果失真的问题，也解决了基于荷载位移曲线计算所得断裂韧度过大的问题。
2、为解决上述技术问题，本技术的技术方案在于：
3、一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统，包括：
4、样品盒，所述样品盒围成顶部开口的收容空间，所述样品盒用于制备并放置带有中心孔及裂纹的土体试样，所述土体试样为圆环形，所述土体试样的上表面分布有黑白相间的标记物，形成随机散斑图案；
5、加载装置，包括膨胀钢片、橡胶套及驱动组件，多个所述膨胀钢片围成容置空间，所述容置空间底部为楔形，开口面积向远离所述样品盒方向逐渐增大，所述容置空间与所述中心孔连通，相邻两个所述膨胀钢片之间间隔形成第二间隙；所述膨胀钢片包括加载部，所述加载部悬置于所述中心孔内；所述橡胶套夹设于所述土体试样和所述加载部之间，所述橡胶套采用双层结构，两层橡胶套之间夹设有压力传感器，所述压力传感器用于检测施加荷载的大小；所述驱动组件包括顶杆及动力源设备，所述顶杆顶端位于所述容置空间的楔形区域内，底端与所述动力源设备的输出轴连接，所述动力源设备驱动所述顶杆向靠近所述样品盒方向移动，带动多个所述膨胀钢片沿所述中心孔的径向方向向外运动挤压所述橡胶套，所述橡胶套对应产生形变，同时将荷载环向的施加给所述土体试样；
6、图像装置，包括图像采集设备和图像处理设备，所述图像采集设备设置于所述样品盒的正上方，用于在加载过程中拍摄所述土体试样表面散斑图像的实时变化图像，所述图像处理设备与所述图像采集设备连接，用于接收所述图像采集设备拍摄的图像，并基于数字图像相关技术处理后，计算出所述土体试样的应变场。
7、优选的，所述样品盒包括底板、侧板及盖板，所述侧板固定于所述底板上方并围绕所述底板一周，所述底板和所述侧板配合围成所述收容空间，所述盖板封盖所述收容空间的顶部开口，所述盖板采用透明亚克力材质制成，所述底板上设置有与所述收容空间连通的第一通孔，所述膨胀钢片的加载部穿过所述第一通孔伸入所述中心孔内，所述中心孔的孔径不小于所述第一通孔的孔径，所述裂纹自所述中心孔向所述土体试样的内部延伸，所述裂纹远离所述中心孔的一端为尖端。
8、优选的，所述样品盒的固定的方式为环向固定，沿所述样品盒的环向设置多个固定块，所述固定块与所述样品盒通过螺栓固定，多个所述固定块沿所述样品盒的轴线呈环形阵列分布。
9、优选的，所述加载装置还包括底座，所述膨胀钢片还延缓包括固定部，所述底座用于固定安装带有所述土体试样的样品盒，所述底座贯穿设置有第二通孔及自所述第二通孔的孔壁向远离所述第二通孔轴线方向凹陷形成的多个安装槽，所述第二通孔的轴线与所述第一通孔的轴线位于同一直线上，多个所述安装槽沿所述第二通孔的轴线呈环形阵列分布，多个所述膨胀钢片的固定部一一对应的安装于多个所述安装槽内，所述安装槽的长度方向为所述固定部的行程方向，所述安装槽的长度大于所述固定部的长度，所述安装槽长度超出的部分作为所述固定部的行程空间。
10、优选的，所述膨胀钢片还包括连接所述固定部和加载部的连接部，所述连接部位于所述第一通孔内，所述连接部与所述第一通孔的孔壁间隔形成第一间隙，所述第一间隙的宽度不小于所述固定部的行程长度。
11、优选的，所述膨胀钢片还包括导杆及弹簧，所述导杆与所述固定部固定，所述导杆的延伸方向与所述安装槽的长度方向相同，所述底座的侧壁及所述固定块上均设置有避让所述导杆的穿孔，所述穿孔的直径与所述导杆的直径相匹配；所述弹簧夹设于所述固定块与所述固定部之间。
12、优选的，还包括支架，所述支架包括底框、承台、调节设备及导向设备，所述底框采用型钢拼接形成长方体形的框架式结构；所述承台悬置于所述底框上方，其包括上安装板、下安装板及立柱，所述上安装板和所述下安装板平行间隔设置，所述立柱的顶部与所述上安装板固定，底部与所述下安装板固定，所述上安装板用于固定安装所述底座，所述上安装板上贯穿设置有第三通孔，所述底座的底部穿过所述第三通孔外露；所述下安装板用于固定安装所述动力源设备；所述调节设备包括立板、丝杆、滑块及调节板，所述立板固定于所述底框一侧，所述丝杆的两端通过两个轴承安装在所述立板的上、下两端，所述滑块套设于所述丝杆上，所述调节板连接所述滑块和所述承台，通过所述丝杆的旋转驱动所述滑块上、下直线运动，带动所述调节板及承台上、下移动；所述导向设备包括导轨及导块，两个所述导轨平行间隔设置于所述承台两侧，所述导块一一对应的安装在所述导轨上，两个所述导块均与所述承台固定，所述导块和所述导轨的配合结构，起到直线导向作用，避免所述承台移动过程中跑偏。
13、一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试方法，采用上述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统进行测试，所述一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试方法包括如下步骤：
14、步骤s1，采用样品盒制备用于测试的土体试样，在土体试样表面撒上黑白相间的标记物，形成随机散斑图案；
15、步骤s2，将装有土体试样的样品盒放置到加载装置上，使橡胶套抵接土体试样的中心孔孔壁，启动动力源设备驱动顶杆向上推进，通过橡胶套对土体试样加载环向的荷载；
16、步骤s3，拍摄记录土体试样变形的全过程，土体试样断裂后，基于数字图像相关技术处理土体试样变形前后的照片，计算出土体试样的应变场，同时基于应变场与所述压力传感器所记录的压力数据，计算土体试样在当前吸力下的应力应变曲线，进而获得土体试样的变形模量；
17、步骤s4，基于土体试样应变场与土体变形模量，计算土体试样在当前吸力下的断裂韧度。
18、优选的，步骤s1具体包括如下步骤：
19、步骤s11：在所述样品盒内表面涂抹一层凡士林，以减小土体试样与所述样品盒之间的摩擦；
20、步骤s12：在烘干土体中持续加入去离子水并搅拌，直到形成均匀泥浆，将泥浆倒入所述样品盒中，静置等待多余水蒸发；
21、步骤s13：待泥浆蒸发至液限含水量时，采用环刀切除中心部分形成中心孔，然后采用切刀切出所述裂纹，得到土体试样；
22、步骤s14：静置待土体试样蒸发至测试目标含水量后，采用保鲜膜将土体试样密封24小时，确保土体试样内部含水量分布均匀；
23、步骤s15：在所述土体试样的上表面撒上黑白相间的标记物，形成随机散斑图案。
24、优选的，步骤s4中，土体试样断裂韧度的计算过程包括如下步骤：
25、步骤s41，在预留裂纹处建立笛卡尔坐标系，以裂纹的尖端为原点，以裂纹延伸方向为 x轴方向，垂直于裂纹延伸方向的方向为 y轴方向，在裂纹扩展前对应的应变场上选取积分路径，积分路径围绕预留裂纹尖端设置，并绕过塑性应变区；
26、步骤s42，基于应变及变形模量数据对积分路径计算积分，积分结果即为当前吸力下的土体断裂表面能，计算过程如下：
27、；
28、式中，j为断裂表面能；为应变能密度；为积分路径边界上的应力矢量； u i表示积分路径上的位移矢量；s为积分路径长度； x、 y为积分路径上点的横、纵坐标值；
29、；
30、式中，为应变能密度；、均表示应变；表示应力；
31、；
32、式中，表示应变；为积分路径上弧微元外法线的方向余弦；
33、步骤s43，将土体试样的断裂表面能换算为断裂韧度，换算过程表示为：；
34、式中，k为断裂韧度，e为土体试样的弹性模量。
35、本技术的有益效果在于：
36、（1）通过样品盒制备带有中心孔的土体试样，制备过程简单，土体试样随样品盒一起转移至加载装置上，转移过程中不会出现损耗；
37、（2）加载过程中，通过膨胀钢片给橡胶套施加作用力，使作用力沿所述中心孔环向的加载在所述土体试样上，实现低吸力土体断裂韧度测试样品的均匀加载，避免了常规线荷载导致的应力集中，从而避免了加载处的局部破坏及过大塑性变形，可以很好的适用于低吸力土体断裂韧度测试的加载；
38、（3）改变了加载方向，水平放置土体试样并加载，可避免自重对软土断裂韧度测试的影响，从而提供土体试样的自稳性，可以制备成标准试件；
39、（4）基于加载过程中的土体试样的变形照片，应用j积分理论与数字图像相关技术，可实现低吸力土体的断裂韧度测量，测得的断裂韧度合理考虑了裂纹尖端的塑性耗能，解决了基于线弹性理论公式计算所得断裂韧度结果失真的问题，也解决了基于荷载位移曲线计算所得断裂韧度过大的问题；
40、（5）不仅适用于低吸力土体的断裂韧度测量，同时也可用于高吸力土体的断裂韧度测量，从而实现全吸力范围的土体断裂韧度测量。
1.一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统，其特征在于，所述样品盒包括底板、侧板及盖板，所述侧板固定于所述底板上方并围绕所述底板一周，所述底板和所述侧板配合围成所述收容空间，所述盖板封盖所述收容空间的顶部开口，所述盖板采用透明亚克力材质制成，所述底板上设置有与所述收容空间连通的第一通孔，所述膨胀钢片的加载部穿过所述第一通孔伸入所述中心孔内，所述中心孔的孔径不小于所述第一通孔的孔径，所述裂纹自所述中心孔向所述土体试样的内部延伸，所述裂纹远离所述中心孔的一端为尖端。
3.根据权利要求2所述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统，其特征在于，所述样品盒的固定的方式为环向固定，沿所述样品盒的环向设置多个固定块，所述固定块与所述样品盒通过螺栓固定，多个所述固定块沿所述样品盒的轴线呈环形阵列分布。
4.根据权利要求3所述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统，其特征在于，所述加载装置还包括底座，所述膨胀钢片还包括固定部，所述底座用于固定安装带有所述土体试样的样品盒，所述底座贯穿设置有第二通孔及自所述第二通孔的孔壁向远离所述第二通孔轴线方向凹陷形成的多个安装槽，所述第二通孔的轴线与所述第一通孔的轴线位于同一直线上，多个所述安装槽沿所述第二通孔的轴线呈环形阵列分布，多个所述膨胀钢片的固定部一一对应的安装于多个所述安装槽内，所述安装槽的长度方向为所述固定部的行程方向，所述安装槽的长度大于所述固定部的长度，所述安装槽长度超出的部分作为所述固定部的行程空间。
5.根据权利要求4所述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统，其特征在于，所述膨胀钢片还包括连接所述固定部和加载部的连接部，所述连接部位于所述第一通孔内，所述连接部与所述第一通孔的孔壁间隔形成第一间隙，所述第一间隙的宽度不小于所述固定部的行程长度。
6.根据权利要求5所述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统，其特征在于，所述膨胀钢片还包括导杆及弹簧，所述导杆与所述固定部固定，所述导杆的延伸方向与所述安装槽的长度方向相同，所述底座的侧壁及所述固定块上均设置有避让所述导杆的穿孔，所述穿孔的直径与所述导杆的直径相匹配；所述弹簧夹设于所述固定块与所述固定部之间。
7.根据权利要求4所述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统，其特征在于，还包括支架，所述支架包括底框、承台、调节设备及导向设备，所述底框采用型钢拼接形成长方体形的框架式结构；所述承台悬置于所述底框上方，其包括上安装板、下安装板及立柱，所述上安装板和所述下安装板平行间隔设置，所述立柱的顶部与所述上安装板固定，底部与所述下安装板固定，所述上安装板用于固定安装所述底座，所述上安装板上贯穿设置有第三通孔，所述底座的底部穿过所述第三通孔外露；所述下安装板用于固定安装所述动力源设备；所述调节设备包括立板、丝杆、滑块及调节板，所述立板固定于所述底框一侧，所述丝杆的两端通过两个轴承安装在所述立板的上、下两端，所述滑块套设于所述丝杆上，所述调节板连接所述滑块和所述承台，通过所述丝杆的旋转驱动所述滑块上、下直线运动，带动所述调节板及承台上、下移动；所述导向设备包括导轨及导块，两个所述导轨平行间隔设置于所述承台两侧，所述导块一一对应的安装在所述导轨上，两个所述导块均与所述承台固定，所述导块和所述导轨的配合结构，起到直线导向作用，避免所述承台移动过程中跑偏。
8.一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试系统进行测试，所述一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试方法包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试方法，其特征在于，步骤s1具体包括如下步骤：
10.根据权利要求8所述的一种全吸力范围内的土体断裂韧度测试方法，其特征在于，步骤s4中，土体试样断裂韧度的计算过程包括如下步骤：
