CN104502270A - 一种测定土-筋界面摩擦系数的直剪仪及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定土-筋界面摩擦系数的直剪仪及测定方法，包括下部承台、液压仪、以及固定在下部承台上的步进马达和用于计算摩擦系数的控制器；下部承台上安装有能够在下部平台上水平移动的下盒，并在步进马达的驱动下移动；下盒上放置有待测筋带，待测筋带上设置有土体式样。本发明能过模拟不同温度，不同环境湿度条件下加筋土的土-筋之间的摩阻状态，不论在实验室条件或者实际原型试验现场条件下，均可进行试验操作，而且能适应的测试筋带范围更广，更切合实际条件。本发明首次实现了在试验室测定土-筋界面摩擦系数的可能。同时本发明测试仪装置轻便、原理简单、操作简洁、稳定性好、经济实用，并且具有可重复操作。

Description

一种测定土-筋界面摩擦系数的直剪仪及测定方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种摩擦系数测定装置，具体涉及一种测定土-筋界面摩擦系数的直剪仪及测定方法。

背景技术

加筋土挡墙或加筋土支挡结构，主要依靠土体与拉筋之间产生的摩阻力来限制土体的变形，改良土体的力学特性，从而达到加筋的效果。其基本原理存在于拉筋与土体之间的相互摩阻联结之中，只有正确测定土-筋之间的摩擦系数，才能使加筋土挡墙在设计、经济方面更加趋于合理。

伴随着我国公路建设事业的发展，必然要求其对公路附属设施(此处指加筋土挡墙)在强度、耐久性等方面提出更高的要求。这就要求在设计之初获得的加筋土的各种实验参数更加符合实际，更加正确。因此，如何获取正确的土-筋摩擦系数，其摩擦系数的测定方法，以及筋带在土体中的布置方法，一直以来是众多学着研究和争论的焦点。同时，到目前为止，还没有一套测定土-筋之间摩擦系数的试验设备，也没有形成统一、规范的试验操作方法和流程。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种结构轻巧、方便操作、受外部因素影响小以及测量结果精确的测定土-筋界面摩擦系数的直剪仪及测定方法，该测定仪首次实现了在试验室测定土-筋界面摩擦系数的可能，解决加筋土土-筋界面摩擦系数试验测试问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种测定土-筋界面摩擦系数的直剪仪，包括下部承台、液压仪、以及固定在下部承台上的步进马达和用于计算摩擦系数的控制器；下部承台上安装有能够在下部平台上水平移动的下盒，并在步进马达的驱动下移动；下盒上放置有待测筋带，待测筋带上设置有土体式样；下部承台上还固定有上盖，上盖内安装有液压仪，液压仪均匀的将压力传递给设置于其下部的土体式样。

所述液压仪与土体式样之间设置有薄壁钢板，液压仪通过薄壁钢板将压力均匀地传递给土体式样。

所述下盒的上部开设有方槽，方槽内嵌入厚钢板，待测筋带紧密粘接在厚钢板的上表面上；下盒通过拉杆与步进马达的输出轴相连。

所述下部承台上安装有供下盒水平移动的轨道。

所述液压仪的下部与压力传感器相接触，步进马达的前部安装有拉力传感器；压力传感器和拉力传感器的信号输出端均与控制器的信号输入端相连。

所述压力传感器采用JXY-4型压轴式双模土压力传感器，拉力传感器采用SY-S3型拉力传感器，步进马达采用28BYJ-48型步进马达。

所述控制器包括操作面板，以及内部的用于为整个直剪仪提供电源的电源模块和用于计算摩擦系数的数据处理模块；操作面板上设置有显示器、电源开关、显示屏幕切换按钮、液压仪控制按钮、步进马达控制按钮、压力传感器开关以及拉力传感器开关；液压仪控制按钮、步进马达控制按钮、压力传感器开关、拉力传感器开关以及电源开关均通过导线与相对应的液压仪、步进马达、压力传感器、拉力传感器以及电源模块相连。

所述数据处理模块的输入端与拉力传感器和压力传感器相连，输出端与显示器相连。

所述上盖通过蝶形螺母和固定螺栓固定在下部承台上。

本发明还公开了一种土-筋界面摩擦系数的测定方法，包括以下步骤：

1)取出上盖，将土体试样，安装于上盖中；再将待测筋带粘结于厚钢板上，并将其整体安装于下盒的方槽中；此时将上盖扣于下盒上，并紧固，使土-筋之间接触紧密；

2)打开电源开关，并分别打开压力传感器开关、拉力传感器开关；此时调节液压控制按钮，使土-筋之间产生挤压力；接下来，开启步进马达控制按钮使步进马达拉动下盒前进；

3)压力传感器和拉力传感器将记录该过程中土-筋界面之间的摩擦力学特性随时间的变化曲线以及速率随时间的变化曲线；旋转屏幕切换按钮，切换各个记录曲线，并计算该测试时间段内的瞬时压力、拉力、速率及其平均值，进而求得土-筋界面上的摩擦力；再根据整个摩擦体的质量和得到的摩擦力，通过下式计算得到的土-筋界面之间额摩擦系数：

式中，为摩擦系数，F为拉应力，P为正应力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置带有显示器以及开关按钮的控制设备和带有直剪仪的测试部件，通过数据处理模块将测试部件上传感器所采集的数据传送给数据处理模块进行简单的预处理计算，进而得到当前试验条件下的土-筋界面摩擦系数。本发明能过模拟不同温度，不同环境湿度条件下加筋土的土-筋之间的摩阻状态，不论在实验室条件或者实际原型试验现场条件下，均可进行试验操作，而且能适应的测试筋带范围更广，更切合实际条件，能更客观的评价加筋土土-筋之间的摩擦状况。本发明首次实现了在试验室测定土-筋界面摩擦系数的可能。同时本发明测试仪装置轻便、原理简单、操作简洁、稳定性好、经济实用，并且具有可重复操作。

进一步的，本发明薄壁钢板用来均衡液压仪作用在土样上的压力，使压力可以均匀分布在土样试件上。

进一步的，本发明厚钢板用来粘结待测筋带或土工格栅，能够防止在剪切过程中土工格栅发生变形而改变剪切面，保证剪切面始终存在于土样和格栅之间。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的左视剖面图；

图4为本发明的立体图。

其中，1为下部承台；2为下盒；3为厚钢板；4为待测筋带；5为土体试样；6为薄壁钢板；7为JXY-4型压轴式双模土压力传感器；8为液压仪；9为上盖；10为蝶形螺母；11为固定螺栓；12为步进马达；13为SY-S3型拉力传感器；14为控制器；15为轨道；16为显示器；17为电源开关；18为连杆；19为屏幕切换按钮；20为液压仪控制按钮；21为步进马达控制按钮；22为压力传感器开关；23为拉力传感器开关

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

参见图1至图4，本发明包括下部承台以及安装在下部承台上的测量装置，测量装置包括安装试验试件的直剪仪，以及操作控制设备；直剪仪由三部分组成，包括下部承台1以及固定于下部承台1上的上盖9、安装待测筋带4的下盒2、对下盒2施加拉力的步进马达12以及控制器14；下部承台1上安装有供下盒水平移动的轨道15，以及固定上盖9的固定螺栓11；上盖9内部安装有液压仪8，用来对土样施加压力，其加压与加压通过导线与控制设备相连实现，在其下面安装有JXY-4型压轴式双模土压力盒，上盖可以通过螺母固定于下部承台上面。如图3所示，液压仪8下面与JXY-4型压轴式双模土压力传感器7相接触，通过薄壁钢板6将压力均匀地传递给土体式样5；JXY-4型压轴式双模土压力传感器，用来采集液压仪施加在土样上的压力，压力信号的输出端与控制设备的显示器相连，其下部与薄壁钢板相接处。下盒2为内凹方槽，方槽内嵌入厚钢板3，待测筋带4与厚钢板3紧密粘结；下盒2通过连杆18与步进马达12相连，在施力过程中下盒2沿轨道15前后移动；SY-S3型拉力传感器13安装在步进马达12前部。控制器14内设置有用于计算摩擦系数的数据处理模块、显示器16以及为整个直剪仪提供电源的电源模块；数据处理模块的输入端与拉力传感器13和压力传感器7相连，输出端与显示器16相连。如图2所示，显示器16的侧面设置有用于切换显示内容的显示屏幕切换按钮19、液压仪控制按钮20、步进马达控制按钮21、压力传感器开关22、拉力传感器开关23以及电源开关17；液压仪控制按钮20、步进马达控制按钮21、压力传感器开关22、拉力传感器开关23以及电源开关17均通过导线与相对应的液压仪8、步进马达12、JXY-4型压轴式双模土压力传感器7、SY-S3型拉力传感器13以及电源模块相连。

本发明的具体操作方法是：扭下蝶形螺母10，取出上盖9，将待测土体制作成方块土样5，安装于上盖9图示位置；再将待测筋带4粘结于厚钢板3上，并将其整体安装于图示的下盒位置；此时将上盖9通过螺栓倒扣于下盒上，并紧固蝶型螺母，使土-筋之间接触紧密；该过程完毕后，打开电源开关17，并分别打开压力传感器开关22、拉力传感器开关23；此时再调节液压控制按钮20，土-筋之间存在一定的挤压力；接下来，开启步进马达控制按钮21使步进马达12以一定速率拉动下盒2前进。此时，传感器将记录该过程中土-筋界面之间的摩擦力学特性随时间的变化曲线以及速率随时间的变化曲线；旋转屏幕切换按钮19，切换各个记录曲线，并计算该测试时间段内的瞬时压力、拉力、速率及其平均值。进而可求得土-筋界面上的摩擦力。再根据整个摩擦体的质量和得到的摩擦力即可计算得到的土-筋界面之间额摩擦系数。具体包含的计算公式有：

式中：

——摩擦系数

F——(剪)拉应力

P——正应力

本发明完成对不同筋带类型，不同土质的土-筋界面摩擦系数摩擦系数的测定工作，而且可以模拟在实验室条件下土-筋界面所受到的摩擦系数。同时，该发明有很强的环境适应能力和模拟实际工作环境条件下的试验测试。因此本发明所测得的数据精度高，科学性强，从而可以为有关加筋土的设计等科研工作提供可靠的数据，同时也可为已建成的加筋土支挡结构的安全性再评价提供可靠依据。因此本发明是一种理想的土-筋界面摩擦系数测定设备。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测定土-筋界面摩擦系数的直剪仪，其特征在于：包括下部承台(1)、液压仪(9)、以及固定在下部承台(1)上的步进马达(12)和用于计算摩擦系数的控制器(14)；下部承台(1)上安装有能够在下部平台(1)上水平移动的下盒(2)，并在步进马达(12)的驱动下移动；下盒(2)上放置有待测筋带(4)，待测筋带(4)上设置有土体式样(5)；下部承台(1)上还固定有上盖(9)，上盖(9)内安装有液压仪(8)，液压仪(8)均匀的将压力传递给设置于其下部的土体式样(5)。

2.根据权利要求1所述的新型测定土-筋界面摩擦系数直剪仪，其特征在于：所述液压仪(8)与土体式样(5)之间设置有薄壁钢板(6)，液压仪(8)通过薄壁钢板(6)将压力均匀地传递给土体式样(5)。

3.根据权利要求1或2所述的新型测定土-筋界面摩擦系数直剪仪，其特征在于：所述下盒(2)的上部开设有方槽，方槽内嵌入厚钢板(3)，待测筋带(4)紧密粘接在厚钢板(3)的上表面上；下盒(2)通过拉杆(18)与步进马达(12)的输出轴相连。

4.根据权利要求3所述的新型测定土-筋界面摩擦系数直剪仪，其特征在于：所述下部承台(1)上安装有供下盒(2)水平移动的轨道(15)。

5.根据权利要求4所述的新型测定土-筋界面摩擦系数直剪仪，其特征在于：所述液压仪(8)的下部与压力传感器(7)相接触，步进马达(12)的前部安装有拉力传感器(13)；压力传感器(7)和拉力传感器(13)的信号输出端均与控制器(14)的信号输入端相连。

6.根据权利要求5所述的新型测定土-筋界面摩擦系数直剪仪，其特征在于：所述压力传感器(7)采用JXY-4型压轴式双模土压力传感器，拉力传感器(13)采用SY-S3型拉力传感器，步进马达(12)采用28BYJ-48型步进马达。

7.根据权利要求5所述的新型测定土-筋界面摩擦系数直剪仪，其特征在于：所述控制器(14)包括操作面板，以及内部的用于为整个直剪仪提供电源的电源模块和用于计算摩擦系数的数据处理模块；操作面板上设置有显示器(16)、电源开关(17)、显示屏幕切换按钮(19)、液压仪控制按钮(20)、步进马达控制按钮(21)、压力传感器开关(22)以及拉力传感器开关(23)；液压仪控制按钮(20)、步进马达控制按钮(21)、压力传感器开关(22)、拉力传感器开关(23)以及电源开关(17)均通过导线与相对应的液压仪(8)、步进马达(12)、压力传感器(7)、拉力传感器(13)以及电源模块相连。

8.根据权利要求7所述的新型测定土-筋界面摩擦系数直剪仪，其特征在于：所述数据处理模块的输入端与拉力传感器(13)和压力传感器(7)相连，输出端与显示器(16)相连。

9.根据权利要求1所述的新型测定土-筋界面摩擦系数直剪仪，其特征在于：所述上盖(9)通过蝶形螺母(10)和固定螺栓(11)固定在下部承台(1)上。

10.一种采用权利要求7所述直剪仪的土-筋界面摩擦系数的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)取出上盖(9)，将土体试样(5)，安装于上盖(9)中；再将待测筋带(4)粘结于厚钢板(3)上，并将其整体安装于下盒的方槽中；此时将上盖(9)扣于下盒(2)上，并紧固，使土-筋之间接触紧密；

2)打开电源开关(17)，并分别打开压力传感器开关(22)、拉力传感器开关(23)；此时调节液压控制按钮(20)，使土-筋之间产生挤压力；接下来，开启步进马达控制按钮(21)使步进马达(12)拉动下盒(2)前进；

3)压力传感器(7)和拉力传感器(13)将记录该过程中土-筋界面之间的摩擦力学特性随时间的变化曲线以及速率随时间的变化曲线；旋转屏幕切换按钮(19)，切换各个记录曲线，并计算该测试时间段内的瞬时压力、拉力、速率及其平均值，进而求得土-筋界面上的摩擦力；再根据整个摩擦体的质量和得到的摩擦力，通过下式计算得到的土-筋界面之间额摩擦系数：

式中，为摩擦系数，F为拉应力，P为正应力。