CN104198276B - 土工合成材料大型可视化拉拔试验设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，包括放置试样的试验箱、竖向加载系统和水平加载系统，所述的试验箱中设有填料，所述的竖向加载系统安装在试验箱的上方，所述的水平加载系统包括水平载荷施加装置和拉拔夹具，所述的拉拔夹具通过伸缩杆与水平载荷施加装置连接，在水平载荷施加装置和拉拔夹具之间安装有位移传感器Ⅰ，所述的试验箱上设有钢化玻璃，所述的钢化玻璃前面安装有用于拍摄并记录试验箱中试样变化过程的数码摄录装置，所述的试验箱设有通孔的一侧安装有位移传感器Ⅱ，拉拔时，试验箱中试样的一端与拉拔夹具连接，另一端与位移传感器Ⅱ连接。本发明减少了试验过程中数据读取、记录和处理时产生的误差，使得数据更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉拔试验设备，特别是一种土工合成材料大型可视化拉拔试验设备。
背景技术
目前所公开的拉拔试验设备在拉拔试验过程中只测量加筋材料的前端位移，没有对加筋材料的中部和末端位移进行测量，使得在试验过程中存在较大的误差，同时，实时量测筋材的中部及末端位移，有助于研究筋材受力的全过程及筋土作用机制；现阶段拉拔试验设备尺寸一般都相对较小，拉拔试验受到室内模型尺寸效应的限制，关于筋土界面相互作用的研究不可避免的受到边界效应的影响；另一方面，现有试验设备进行试验仅能够得到筋土界面相互作用过程的宏观力学响应，而无法探明筋土作用过程中界面砂土细观组构的演化规律，从而也无法从颗粒介质层面揭示筋土界面相互作用的细观力学本质，限制了加筋技术的发展和细观变形机理的深入研究。此外，试验数据的读取、记录和处理，也存在着许多缺陷，容易产生认为误差，无法获得精确的试验结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现阶段拉拔试验设备的不足，提供一种试验箱可视化、拉拔实验过程中误差小、试验数据精确的土工合成材料大型可视化拉拔试验设备。
解决上述技术问题的技术方案是：一种土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，包括放置试样的试验箱、竖向加载系统和水平加载系统，所述的试验箱中设有填料，所述的竖向加载系统安装在试验箱的上方，该竖向加载系统包括液压伺服千斤顶、反力框架和液压板，所述的水平加载系统包括水平载荷施加装置和拉拔夹具，所述的拉拔夹具通过伸缩杆与水平载荷施加装置连接，在水平载荷施加装置和拉拔夹具之间安装有位移传感器Ⅰ，所述的试验箱靠近拉拔夹具的端面上设有供试验箱中试样伸出的出口，该试验箱远离拉拔夹具的端面上设有通孔，该通孔的位置与试验箱中试样的位置相对应，所述的试验箱未开设有出口和通孔的端面上设有钢化玻璃，所述的钢化玻璃前面安装有用于拍摄并记录试验箱中试样变化过程的数码摄录装置，所述的试验箱设有通孔的一侧安装有位移传感器Ⅱ，拉拔时，试验箱中试样的一端与拉拔夹具连接，另一端与位移传感器Ⅱ连接。
本发明的进一步技术方案是：所述的拉拔夹具为滑动夹具，该滑动夹具包括夹板和滑动支座，所述的夹板通过支架安装在滑动支座上，所述的夹板由移动夹板和2块固定夹板组成，所述的移动夹板安装在2块固定夹板之间，该移动夹板与其上方的固定夹板之间通过弹簧螺栓安装有弹簧。
所述的试验箱靠近拉拔夹具的端面由固定板和移动板组成，所述固定板固定安装在试验箱上，所述的移动板通过螺栓可拆卸安装在固定板的上方，该移动板和固定板之间的可调节高度间隙为供试验箱中试样伸出的出口。
所述的试验箱的底端安装有滑动底座，所述的滑动底座底端安装有定向滑轮。
拉拔时，所述的位移传感器Ⅱ通过穿过通孔的钢绞线分别与试验箱中试样的端部和中部相连接。
所述的试验箱的内径尺寸为：长=600mm，宽=400mm，高=500mm。
所述的钢化玻璃的尺寸为：长=400mm，高=200mm。
所述的水平载荷施加装置为推拉电动机。
所述的土工合成材料大型可视化拉拔试验设备还包括控制台，该控制台中设有集成电板和控制面板，所述的水平载荷施加装置和位移传感器Ⅰ均安装在控制台中。
所述的土工合成材料大型可视化拉拔试验设备还包括用于放置试验箱、竖向加载系统和水平加载系统的承重台，所述的承重台的底端设有脚支座。
由于采用上述技术方案，本发明之土工合成材料大型可视化拉拔试验设备与现有的拉拔试验设备相比，具有以下有益效果：
1.拉拔试验过程中试样的中部和末端位移测量：
本发明中在水平载荷施加装置和拉拔夹具之间安装有位移传感器Ⅰ，试验箱远离拉拔夹具的一侧安装有位移传感器Ⅱ，拉拔时，试验箱中试样（即加筋材料）的一端（即前端）与拉拔夹具连接，另一端（即末端）与位移传感器Ⅱ连接。所述的位移传感器Ⅰ用以测量拉拔试验过程中加筋材料的前端的位移，所述的位移传感器Ⅱ用以测量拉拔试验过程中加筋材料的中部及末端的位移，通过加筋材料前端位移、中部位移和末端位移的相互对比分析，一方面可以尽量减少试验记录过程中的误差，使得后续的计算结果更加贴合实际，另一方，有助于分析拉拔过程中筋材的各部位受力特征及其变形规律，从而深入研究筋土相互作用机制。
2.拉拔试验箱的可视化：
本发明中的试验箱在未开设有供试验箱内土工合成材料伸出的出口和供钢绞线穿过的通孔的前端面（即观察端）上设有钢化玻璃，所述的钢化玻璃前面安装有用于拍摄并记录试验箱中试样变化过程的数码摄录装置，通过试验箱观察端上的钢化玻璃实现拉拔试验过程中试验箱中的筋土界面的可视化，利用显微数码摄录技术，采用高清数码和体视显微镜对钢化玻璃区域内筋土界面土体颗粒进行实时摄录，由数字图像细观结构分析软件统计得到筋土荷载传递过程中颗粒配位数、粒间接触法向、颗粒长轴定向、局部孔隙率等主要细观组构参量的变化规律；获取加筋粗粒土拉拔试验过程中筋土界面附近土体颗粒的位移场和应变场变化，研究分析筋土界面土体颗粒的运动规律。
3.拉拔试验箱尺寸的大型化：
本发明中试验箱内径尺寸为600mm×400mm×500mm（长×宽×高），该试验箱的尺寸比一般试验箱的大，因此相较于一般拉拔试验箱试验过程中受到尺寸效应的影响更小，试验所得的结果更贴合实际。这是由于在拉拔试验过程中由于上覆应力的加载与土体颗粒间的应力传递作用，与现场实际加筋情况相比，小尺寸试验箱加筋土体更容易产生应力集中现象，同时会有一部分的应力被试样与拉拔试验箱间的侧壁摩擦力所抵消，使得试验结果不可避免的受到尺寸效应影响，在拉拔试验中使用体积更大的拉拔试验箱时，可以有效增大筋土界面的接触面积从而削弱尺寸效应对拉拔试验的影响，得到更好的试验结果。
4.数据采集自动化：
现公开的拉拔设备大多还是采用人工读数记录结果的方法，这种方法不仅费时费力，而且在读数的过程中很容易产生误差，试验越繁杂这种现象越明显。而且试验过程中出现偏差，试验结果不理想时，数据的反馈也不及时。本发明还包括控制台，该控制台中设有集成电板和控制面板，在拉拔试验过程中可通过集成电板实现了试验数据采集的自动化，可以将试验结果实时反映在控制台的液晶面板上，并可以通过将控制台与个人计算机联接来进行数据分析和后处理，不仅使得试验的结果一目了然，还可以实时监控试验的进展并及时发现问题，提高试验的效率。此外，还可以通过控制台的可输入式控制面板对试验中各参数进行精确的设置，进一步减少试验过程中的人为误差。
下面，结合说明书附图和具体实施例对本发明之土工合成材料大型可视化拉拔试验设备的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：本发明之土工合成材料大型可视化拉拔试验设备的结构示意图。
图2：本发明中拉拔夹具的结构示意图。
图3：本发明中试验箱的结构示意图。
图4：图1的俯视图（去掉竖向加载系统）。
在上述附图中，各标号说明如下：
1-试验箱，11-钢化玻璃，12-固定板，13-移动板，14-滑动底座，15-定向滑轮，16-供试验箱中试样伸出的出口，2-拉拔夹具，21-夹板，211-移动夹板，212-固定夹板，22-滑动支座，23-支架，24-弹簧螺栓，25-弹簧，26-螺栓，3-伸缩杆，4-位移传感器Ⅱ，5-钢绞线，6-控制台，7-承重台，71-脚支座，8-液压伺服千斤顶，9-反力框架，10-液压板，17-试样。
具体实施方式
一种土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，包括放置试样的试验箱1、竖向加载系统、水平加载系统、控制台6和用于放置试验箱1、控制台6、竖向加载系统和水平加载系统的承重台7，所述的控制台6中设有集成电板和控制面板，所述的承重台的底端设有脚支座71。所述的试验箱1的内径尺寸为：长=600-700mm，宽=400-500mm，高=500-600mm。所述的试验箱1的底端安装有滑动底座14，所述的滑动底座14底端安装有定向滑轮15。所述的试验箱1中设有填料，所述的填料可为碎石、砂土、粘性土等土工填料，所述的竖向加载系统安装在试验箱的上方，该竖向加载系统通过液压伺服阀来调控竖向荷载的加载，通过调节配套的高精度油压表来实现指定上覆应力的施加。该竖向加载系统包括液压伺服千斤顶、反力框架和液压板，所述的液压千斤顶安装在反力框架上，所述的液压板安装在液压千斤顶的加载端。
所述的水平加载系统包括水平载荷施加装置和拉拔夹具2，所述的水平载荷施加装置为推拉电动机或拉拔千斤顶，所述的拉拔夹具2为滑动夹具，该滑动夹具包括夹板21和滑动支座22（该滑动支座可减少拉拔时拉拔夹具与承重台之间的摩擦，从而减少误差），所述的夹板21通过支架23安装在滑动支座22上，所述的夹板21由移动夹板211和2块固定夹板212组成，所述的2块固定夹板212由下至上固定安装在连接板上，所述的移动夹板211安装在2块固定夹板212之间，该移动夹板211与其上方的固定夹板之间通过弹簧螺栓24安装有弹簧25，所述的弹簧螺栓24上安装有螺栓26。所述的拉拔夹具2通过伸缩杆3与推拉电动机连接，在推拉电动机和拉拔夹具2之间安装有拉压传感器和位移传感器Ⅰ，所述的水平载荷施加装置、拉压传感器和位移传感器Ⅰ均安装在控制台中。所述的位移传感器Ⅰ与伸缩杆3连接，该位移传感器Ⅰ测量伸缩杆3的移动位移，所述的试验箱1靠近拉拔夹具2的端面上设有供试验箱中试样伸出的出口，即所述的试验箱1靠近拉拔夹具的端面由固定板12和移动板13组成，所述固定板12固定安装在试验箱1上，所述的移动板13通过螺栓可拆卸安装在试验箱1上，且该移动板13安装在固定板12的上方，所述的移动板13和固定板12之间形成的间隙即为供试验箱1中试样伸出的出口，可通过调节移动板13的上下位置以调节该移动板13与固定板12之间的距离，从而调节供试验箱中试样伸出的出口的大小，以供试样（加筋材料）从试验箱中可自由伸出进行加筋拉拔试验。所述的试验箱1远离拉拔夹具2的端面上设有通孔，该通孔的位置与试验箱1中试样的位置相对应，所述的试验箱1设有通孔的一侧安装有位移传感器Ⅱ4，所述的试验箱1未开设有出口和通孔的端面上设有双层钢化玻璃11，所述的钢化玻璃11的尺寸为：长=400-500mm，高=200-300mm。所述的钢化玻璃11前面安装有用于拍摄并记录试验箱中试样变化过程的数码摄录装置，所述的数码显微装置为数码显微镜及体视显微镜，拉拔时，试验箱1中试样的一端与拉拔夹具2连接，另一端通过穿过通孔的钢绞线5与位移传感器Ⅱ4连接。
工作原理：为了更好的研究拉拔试验过程中筋土界面相互作用，本发明采用的拉拔试验设备中添加了土工格栅中部及末端位移的测量，通过土工格栅的前端位移、中部及末端位移的相互对比分析，可以尽量减少试验记录过程中的误差，使得后续的计算结果更加贴合实际。
根据《SL 235-2012 土工合成材料测试规程》和《JTG E50-2006 公路工程土工合成材料试验规程》中的界面拉拔摩擦强度公式为：
（1）
可知加筋材料的嵌入长度L对界面拉拔强度的数值有很大的影响。设加筋材料的初始嵌入长度为L0、前端位移为L1、中部位移为L2、末端位移为L3。而现公布的拉拔试验设备绝大多数是没有中部位移和末端位移测量的，此时L的计算公式为：
L = L0 - L1 （2）
而添加了末端位移测量后，嵌入长度L的计算公式为：
L = L0 - L3 （3）
由于试验中的加筋材料不是完全刚性材料而是弹塑性材料，加筋材料的前端位移与末端位移大小是不一致的，L3 ≤ L1对比(式2)和(式3)可易知没有进行末端位移测量的拉拔试验界面摩擦强度计算结果是偏大的，存在着误差，而添加末端位移测量后试验的计算结果更准确。
此外，对比各工况各因素情况下加筋材料的中部位移和末端位移，总结归纳中部位移和末端位移的规律，探讨拉拔试验过程中加筋材料的变形演化规律。设前端累积变形为，中部累积变形为，此时变形的计算公式为：。
在做拉拔实验时，将试样放置在试验箱中，所述的试样为由土工合成材料制作而成的土工格栅或板块，在试验箱总填充粘土或土将试样包裹住，试验箱1中试样的一端（前端）夹在拉拔夹具2的夹板上（即将螺栓26松开，将试样的一端放置在移动夹板211和其下方的固定夹板212之间，再拧紧螺栓26），通过位移传感器Ⅰ测量试样的前端位移，该试样的另一端（末端）和中部分别通过钢绞线5与位移传感器Ⅱ4连接（即将2根钢绞线5的一端通过螺栓与位移传感器Ⅱ4连接，另一端穿过通孔分别与试验箱1中试样的末端和中部连接以测量试样的末端位移，所述的钢绞线5与试样位于同一水平面且绷直，在试验开始前将末端位移清零，实现拉拔试验的末端位移测量），通过位移传感器Ⅱ4测量试样的末端位移和中部位移。在拉拔试验开始前，可通过液晶控制面板设定各项试验参数（法向压力，加筋嵌入长度及宽度，拉拔位移等），然后进行试验实现拉拔试验数据采集的自动化。拉拔过程中可利用钢化玻璃前的高清数码和显微镜对拉拔试验箱前侧钢化玻璃区域内筋土界面土体颗粒进行实时摄录，然后利用相应的图像后处理软件对摄录图像进行进一步的处理实现拉拔试验的可视化。当每一次拉拔试验结束后，本发明中的拉拔试验设备会立即通过与控制台相连的打印机将当前试验的结果打印出来，包括当前试验的拉拔速度、试样（格栅）前端位移、格栅末端位移及最大剪切力等试验数据，并联接个人计算机完成实验数据的采集、分析和后处理。
Claims (7)
1.一种土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，包括放置试样的试验箱（1）、竖向加载系统和水平加载系统，所述的试验箱（1）中设有填料，所述的竖向加载系统安装在试验箱的上方，该竖向加载系统包括液压伺服千斤顶、反力框架和液压板，其特征在于：所述的水平加载系统包括水平载荷施加装置和拉拔夹具（2），所述的拉拔夹具（2）通过伸缩杆（3）与水平载荷施加装置连接，在水平载荷施加装置和拉拔夹具（2）之间安装有位移传感器Ⅰ，所述的试验箱（1）靠近拉拔夹具（2）的端面上设有供试验箱中试样伸出的出口，该试验箱（1）远离拉拔夹具（2）的端面上设有通孔，该通孔的位置与试验箱（1）中试样的位置相对应，所述的试验箱（1）未开设有出口和通孔的端面上设有钢化玻璃（11），所述的钢化玻璃（11）前面安装有用于拍摄并记录试验箱中试样变化过程的数码摄录装置，所述的试验箱（1）设有通孔的一侧安装有位移传感器Ⅱ（4），所述的拉拔夹具（2）为滑动夹具，该滑动夹具包括夹板（21）和滑动支座（22），所述的夹板通过支架（23）安装在滑动支座（22）上，所述的夹板（21）由移动夹板（211）和（2）块固定夹板（212）组成，所述的移动夹板（211）安装在（2）块固定夹板（212）之间，该移动夹板（211）与其上方的固定夹板之间通过弹簧螺栓（24）安装有弹簧（25），所述的试验箱（1）靠近拉拔夹具的端面由固定板（12）和移动板（13）组成，所述固定板（12）固定安装在试验箱（1）上，所述的移动板（13）通过螺栓可拆卸安装在固定板（12）的上方，该移动板（13）和固定板（12）之间的可调节高度间隙为供试验箱（1）中试样伸出的出口，拉拔时，试验箱（1）中试样的一端与拉拔夹具（2）连接，另一端与位移传感器Ⅱ（4）连接，所述的位移传感器Ⅱ（4）通过穿过通孔的钢绞线（5）分别与试验箱（1）中试样的端部和中部相连接。
2.根据权利要求1所述的土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，其特征在于：所述的试验箱（1）的底端安装有滑动底座（14），所述的滑动底座（14）底端安装有定向滑轮（15）。
3.根据权利要求1所述的一种土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，其特征在于：所述的试验箱（1）的内径尺寸为：长=600mm，宽=400mm，高=500mm。
4.根据权利要求3所述的土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，其特征在于：所述的钢化玻璃（11）的尺寸为：长=400mm，高=200mm。
5.根据权利要求1-3任一权利要求所述的土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，其特征在于：所述的水平载荷施加装置为推拉电动机。
6.根据权利要求5所述的土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，其特征在于：所述的土工合成材料大型可视化拉拔试验设备还包括控制台（6），该控制台（6）中设有集成电板和控制面板，所述的水平载荷施加装置和位移传感器Ⅰ均安装在控制台中。
7.根据权利要求6所述的一种土工合成材料大型可视化拉拔试验设备，其特征在于：所述的土工合成材料大型可视化拉拔试验设备还包括用于放置试验箱、竖向加载系统和水平加载系统的承重台（7），所述的承重台的底端设有脚支座（71）。
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