CN104833581A - 一种土工合成材料各向异性拉伸试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种土工合成材料各向异性拉伸试验系统及方法，该系统包括试验台架、导轨、刻度盘、试样托架、试验框架梁、液压加载装置、固定端、移动端、夹具、位移传感器以及信号采集控制装置；试验台架上设置有刻度盘、导轨以及试样托架；待试验的土工合成材料试样置于试样托架上；试验框架梁设置在导轨上并可自如滑动；固定端、液压加载装置以及位移传感器分别固定设置在试验框架梁上；液压加载装置分别与位移传感器和移动端相连；固定端和移动端的端部分别设置有夹具；信号采集控制装置分别与试样托架、液压加载装置以及位移传感器相连。本发明有效避免了试验测试值与土工合成材料实际受力特性严重不符以及具有测试过程精确可控的优点。

Description

一种土工合成材料各向异性拉伸试验系统及方法

技术领域

本发明属于土工合成材料力学性能试验测试领域，涉及一种土工合成材料各向异性拉伸试验系统及方法，尤其涉及一种黄土沟壑区加筋土技术的土工合成材料各向异性拉伸试验系统及其实施方法。

背景技术

土工合成材料是以人工合成的聚合物(如塑料、化纤、合成橡胶等)为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，发挥加强或保护土体的作用。主要包括土工织物、土工格栅，土工膜、土工特种材料和土工复合材料，玻纤网，土工垫等类型。

目前，《土工合成材料测试规程》(SL 235-2012)和《公路工程土工合成材料试验规程》(JTG E50-2006)均提到了土工合成材料拉伸试验。但是，目前土工合成材料拉伸试验过程中仍存在诸多问题：(1)土工合成材料取样时，样品直剪试验方向随意性大，试验得到的力学性能不一定具有代表性；(2)土工合成材料取样时，目前仅规定了土工合成材料取样范围和取样尺寸，而所取各样品间可能存在不一致性；(3)土工合成材料拉伸试验时，一般仅做一个(或两个)方向的试验，无法考虑土工合成材料的各向异性，拉伸试验所得出的土工合成材料力学性能指标不能真实的反映出工程实际中土工合成材料的实际力学性能。

综上所述，由于现行土工合成材料拉伸试验过程中存在诸如取样、试验方法等问题，其试验得到的土工合成材料力学性能指标不能真实的反映出工程实际中土工合成材料的实际力学性能。事实上，试验得到的土工合成材料力学性能指标往往要优于工程实际中土工合成材料的实际力学性能，采用现行土工合成材料直剪拉伸试验得到的土工合成材料力学性能指标进行工程设计时，其安全性能存在较大隐患，严重威胁着工程质量和人民生命财产安全。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中试验得到的土工合成材料力学性能指标无法真实反映工程实际的技术问题，进而提供了一种充分考虑了土工合成材料力学性能的各向异性、有效避免了现行规范中试验测试值与土工合成材料实际受力特性严重不符以及测试过程精确可控的土工合成材料各向异性拉伸试验系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土工合成材料各向异性拉伸试验系统，其特征在于：所述土工合成材料各向异性拉伸试验系统包括试验台架、导轨、刻度盘、试样托架、试验框架梁、液压加载装置、固定端、移动端、夹具、位移传感器以及信号采集控制装置；所述试验台架的上表面设置有圆形的刻度盘、导轨以及试样托架；所述导轨与刻度盘同心设置；待进行拉伸试验的土工合成材料试样的横截面呈圆形并置于试样托架上；所述试验框架梁设置在导轨上并在导轨上自如滑动；所述固定端、液压加载装置以及位移传感器分别固定设置在试验框架梁上；所述液压加载装置与位移传感器相连；所述液压加载装置与移动端固定相连并带动移动端移动；所述固定端的端部以及移动端的端部分别设置有用于夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样的夹具；所述固定端、待进行拉伸试验的土工合成材料试样以及移动端在工作时处于同一水平高度；所述信号采集控制装置分别与试样托架、液压加载装置以及位移传感器相连，用于控制试样托架升降、液压加载装置加载和采集位移传感器数据。

作为优选，本发明所采用的导轨上设置有限位凹槽以及置于限位凹槽中的滑动滚珠；所述试验框架梁通过滑动滚珠与导轨连接并在导轨上自如滑动。

作为优选，本发明所采用的夹具夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样的宽度不小于200mm；两夹具之间夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样的夹持长度不小于100mm。

作为优选，本发明所采用的液压加载装置的拉伸速率在0.05mm/min至50mm/min之间。

作为优选，本发明所采用的试样托架是可升降型试样托架。

一种基于如前所述的土工合成材料各向异性拉伸试验系统对土工合成材料进行各向异性拉伸试验的实施方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)裁取待进行拉伸试验的土工合成材料试样，所述待进行拉伸试验的土工合成材料试样的横截面呈圆形，所述待进行拉伸试验的土工合成材料试样的直径是220mm至240mm之间；

2)将待进行拉伸试验的土工合成材料试样放置于试样托架上，标记待进行拉伸试验的土工合成材料试样的放置方向；

3)通过信号采集控制装置控制试样托架上升至与夹具同一水平高度，将试验框架梁上夹具中线方向调整至刻度盘标记0°处；

4)将待进行拉伸试验的土工合成材料试样在夹具中对中夹持，夹具夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样的宽度不小于200mm；夹具夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样的夹持长度不小于100mm；

5)开动液压加载装置，对已夹持好的待进行拉伸试验的土工合成材料试样进行预拉伸，通过信号采集控制装置控制位移传感器和液压加载装置，使待进行拉伸试验的土工合成材料试样的伸长量至夹具夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样的夹持长度的0.5％，通过信号采集控制装置记录液压加载装置负荷；

6)停止加载，将位移传感器调零；

7)重新开启液压加载装置连续加荷直至待进行拉伸试验的土工合成材料试样断裂，停机并恢复至初始位置；通过信号采集控制装置记录液压加载装置最大负荷，精确不低于1.0N，记录位移传感器最大负荷下的伸长量，精确不低于0.1mm；

8)使用下式计算土工合成材料试样的拉伸强度：

α_f＝F_fC

其中：

α_f为土工合成材料试样拉伸强度；

F_f为土工合成材料试样最大负荷；

对于非织造品、高密度织物或其他类似的土工合成材料试样：

C＝1/B

其中：

B为夹具夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样的宽度；

对于稀松机织土工织物、土工格栅或其他类似的松散结构土工合成材料试样：

C＝N_m/N_s

其中：

N_m为土工合成材料试样1m宽度内的拉伸单元数；

N_s为土工合成材料试样内的拉伸单元数；

9)使用下式计算土工合成材料试样最大负荷下的伸长率：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0(1+0.5\%)}\×100$

其中：

ε为土工合成材料试样伸长率(％)；

L₀为土工合成材料试样夹持长度；

ΔL为土工合成材料试样最大负荷下的伸长量；

10)选用不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样，重复步骤2)～步骤9)，其中，操作步骤2)时，不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样放置在试样托架的位置与步骤2)中待进行拉伸试验的土工合成材料试样的试验位置相同；进行步骤3)时，将试验框架梁夹具中线方向调整至刻度盘标记22.5°处；

11)判断不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样是90°对称还是45°对称；若是90°对称，则将试验框架梁夹具中线方向分别调整至刻度盘标记45°、67.5°以及90°，重复步骤10)，即完成不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样分别在45°、67.5°以及90°时的拉伸试验；若是45°对称，则将试验框架梁夹具中线方向分别调整至刻度盘标记45°，重复步骤10)，即完成不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样在45°时的拉伸试验；

12)绘制待进行拉伸试验的土工合成材料试样在各方向的拉伸强度和最大负荷下的伸长率包络图。

本发明的优点是：

本发明提供了一种土工合成材料各向异性拉伸试验系统及其实施方法，该土工合成材料各向异性拉伸试验系统包括试验台架、导轨、滑动滚珠、刻度盘、试样托架、试验框架梁、液压加载装置、固定端、移动端、夹具、位移传感器、信号采集控制装置、土工合成材料试样。试验框架梁通过滑动滚珠与导轨连接，试验框架梁通过滑动滚珠在导轨上旋转；试验框架梁上设置有液压加载装置、固定端、移动端、夹具、位移传感器；固定端与试验框架梁刚性连接，移动端与液压加载装置刚性连接；待进行拉伸试验的土工合成材料的横截面呈圆形；位移传感器固定于试验框架梁上，测量移动端位移量；信号采集控制装置分别与液压加载装置、试样托架和位移传感器相连。本发明所创新的采用了圆形的土工合成材料试样，使各土工合成材料试样拉伸试验时保持材料的一致性，有效解决了土工合成材料取样的随意性。同时，通过导轨和滑动滚珠带动试验框架梁旋转，实现了土工合成材料试验与试验土样的任意角度拉伸试验，革命性的创造了土工合成材料各向异性拉伸试验系统，实现了土工合成材料拉伸试验力学性能的各向异性测试；该试验系统充分考虑了土工合成材料力学性能的各向异性，有效避免了现行规范中试验测试值与土工合成材料实际受力特性严重不符的问题，解决了土工合成材料工程应用中存在的安全隐患。

附图说明

图1是本发明的土工合成材料各向异性拉伸试验系统的立面结构示意图；

图2是图1的剖面图；

附图标记说明如下：

1-夹具；2-固定端；3-移动端；4-液压加载装置；5-试验框架梁；6-试样托架；7-位移传感器；8-导轨；9-刻度盘；10-试验台架；11-信号采集控制装置；12-滑动滚珠；13-土工合成材料试样。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的土工合成材料各向异性拉伸试验系统及其实施方法做进一步的详细说明：

实施例：

参见图1以及图2，一种土工合成材料各向异性拉伸试验系统，包括夹具1；固定端2；移动端3；液压加载装置4；试验框架梁5；试样托架6；位移传感器7；导轨8；刻度盘9；试验台架10；信号采集控制装置11；滑动滚珠12；土工合成材料试样13。

试验台架的上表面设置有圆形的刻度盘、导轨以及试样托架；导轨与刻度盘同心设置；待进行拉伸试验的土工合成材料试样的横截面呈圆形并置于试样托架上；试验框架梁设置在导轨上并在导轨上自如滑动；固定端、液压加载装置以及位移传感器分别固定设置在试验框架梁上；液压加载装置与位移传感器相连；液压加载装置与移动端固定相连并带动移动端移动；固定端的端部以及移动端的端部分别设置有用于夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样的夹具；固定端、待进行拉伸试验的土工合成材料试样以及移动端在工作时处于同一水平高度；信号采集控制装置11由试样托架升降控制装置、液压加载控制装置和位移传感器数据采集装置三部分组成，用于控制试样托架6升降、液压加载装置4加载和采集位移传感器7数据。信号采集控制装置分别与试样托架、液压加载装置以及位移传感器相连，用于控制试样托架6升降、液压加载装置4加载和采集位移传感器7数据。导轨上设置有限位凹槽以及置于限位凹槽中的滑动滚珠；试验框架梁通过滑动滚珠与导轨连接并在导轨上自如滑动。

夹具1钳口表面宽度为220mm。

液压加载装置4拉伸速率可通过信号采集控制装置11控制，拉伸速率在0.05mm/min至50mm/min之间，优选拉伸速率为1.0mm/min。

位移传感器7通过信号采集控制装置11采集、记录移动端3位移量。

试样托架6通过信号采集控制装置11控制升降。

上述的土工合成材料各向异性拉伸试验系统的实施方法，其步骤如下：

A)裁取土工合成材料试样13，土工合成材料试样13的横截面为圆形，土工合成材料试样13的直径为220mm；各试样结构形式应完全一致，试样45°对称，取样3个；试样90°对称时取样5个；

B)将土工合成材料试样13放置于试样托架6，标记土工合成材料试样13放置方向；

C)通过信号采集控制装置11控制试样托架6上升至与夹具1同一水平高度，将试验框架梁5上夹具1中线方向调整至刻度盘9标记0°处；

D)将土工合成材料试样13在夹具1中对中夹持，夹具1夹持试样宽度为200mm。两夹具1之间的夹持长度不小于100mm；

E)开动液压加载装置4，对已夹持好的试件进行预拉伸，通过信号采集控制装置11控制位移传感器7和液压加载装置4，使预拉伸土工合成材料试样13伸长量至两夹具1间的夹持长度的0.5％，通过信号采集控制装置11记录液压加载装置4负荷；

F)停止加载，位移传感器7调零；

G)重新开动液压加载装置4连续加荷直至试样断裂，停机并恢复至初始位置。通过信号采集控制装置11记录液压加载装置4最大负荷，精确为1.0N，记录位移传感器7最大负荷下的伸长量，精确为0.05mm；

H)使用下式计算土工合成材料试样13的拉伸强度：

α_f＝F_fC

式中α_f为土工合成材料试样13拉伸强度；F_f为土工合成材料试样13最大负荷。

对于非织造品、高密度织物或其他类似土工合成材料试样13：

C＝1/B

式中B为土工合成材料试样13夹具1夹持宽度。

对于稀松机织土工织物、土工格栅或其他类似的松散结构土工合成材料试样13：

C＝N_m/N_s

式中N_m为土工合成材料试样13在1m宽度内的拉伸单元数；N_s为土工合成材料试样13内的拉伸单元数。

I)使用下式计算土工合成材料试样13最大负荷下的伸长率：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0(1+0.5\%)}\×100$

式中ε为土工合成材料试样13伸长率(％)；L₀为土工合成材料试样13夹持长度；ΔL为土工合成材料试样13最大负荷下的伸长量。

J)选用不同的土工合成材料试样13，重复步骤B)～步骤H)，其中操作步骤B)时，土工合成材料试样13放置在试样托架6的位置与之前试验位置相同；操作步骤C)时，将试验框架梁5夹具1中线方向调整至刻度盘9标记22.5°处。

K)判断土工合成材料试样13是90°对称还是45°对称；若是90°对称，则将试验框架梁5夹具1中线方向分别调整至刻度盘9标记45°、67.5°以及90°，重复步骤J)，即完成土工合成材料试样13分别在45°、67.5°以及90°时的拉伸试验。若是45°对称，则将试验框架梁5夹具1中线方向分别调整至刻度盘(9)标记45°，重复步骤J)，即完成土工合成材料试样13在45°时的拉伸试验；

L)绘制各方向土工合成材料试样18拉伸强度和最大负荷下的伸长率包络图。

通过对HDPE双向土工格栅(土工合成材料的一种类型)进行拉伸试验结果可知，HDPE土工格栅0°方向2％，5％和10％应变时拉伸强度分别为32.4kN·m^-1，65.2kN·m^-1和109.3kN·m^-1，而通过HDPE双向土工格栅拉伸强度包络图可以看出，45°方向拉伸强度最低，其2％，5％和10％应变时拉伸强度分别为18.3kN·m^-1，41.8kN·m^-1和75.1kN·m^-1。45°方向2％，5％和10％应变时拉伸强度仅为0°方向拉伸强度的56.5％，64.1％和68.7％。最大负荷下的伸长率方面，HDPE土工格栅0°方向最大负荷下的伸长率为12.7％，而45°方向最大负荷下的伸长率为32.1％，45°方向最大负荷下的伸长率是0°方向的2.53倍。可以看出，当采用未考虑土工合成材料各向异性拉伸试验测试得到的拉伸强度进行土工合成材料工程设计时，设计计算满足安全性能要求的工程可能实际安全性能不满足要求，严重威胁着工程质量和人民生命财产安全。综上所述，本发明充分考虑了土工合成材料力学性能的各向异性，有效避免了现行规范中试验测试值与土工合成材料实际受力特性严重不符的问题，彻底解决了土工合成材料工程应用中存在的安全隐患。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照最佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种土工合成材料各向异性拉伸试验系统，其特征在于：所述土工合成材料各向异性拉伸试验系统包括试验台架(10)、导轨(8)、刻度盘(9)、试样托架(6)、试验框架梁(5)、液压加载装置(4)、固定端(2)、移动端(3)、夹具(1)、位移传感器(7)以及信号采集控制装置(11)；所述试验台架(10)的上表面设置有圆形的刻度盘(9)、导轨(8)以及试样托架(6)；所述导轨(8)与刻度盘(9)同心设置；待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的横截面呈圆形并置于试样托架(6)上；所述试验框架梁(5)设置在导轨(8)上并在导轨(8)上自如滑动；所述固定端(2)、液压加载装置(4)以及位移传感器(7)分别固定设置在试验框架梁(5)上；所述液压加载装置(4)与位移传感器(7)相连；所述液压加载装置(4)与移动端(3)固定相连并带动移动端(3)移动；所述固定端(2)的端部以及移动端(3)的端部分别设置有用于夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的夹具(1)；所述固定端(2)、待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)以及移动端(3)在工作时处于同一水平高度；所述信号采集控制装置(11)分别与试样托架(6)、液压加载装置(4)以及位移传感器(7)相连。

2.根据权利要求1所述的土工合成材料各向异性拉伸试验系统，其特征在于：所述导轨(8)上设置有限位凹槽以及置于限位凹槽中的滑动滚珠(12)；所述试验框架梁(5)通过滑动滚珠(12)与导轨(8)连接并在导轨(8)上自如滑动。

3.根据权利要求1或2所述的土工合成材料各向异性拉伸试验系统，其特征在于：所述夹具(1)夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的宽度不小于200mm；两夹具(1)之间夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的夹持长度不小于100mm。

4.根据权利要求3所述的土工合成材料各向异性拉伸试验系统，其特征在于：所述液压加载装置(4)的拉伸速率在0.05mm/min至50mm/min之间。

5.根据权利要求4所述的土工合成材料各向异性拉伸试验系统，其特征在于：所述试样托架(6)是可升降型试样托架。

6.一种基于如权利要求1-5任一权利要求所述的土工合成材料各向异性拉伸试验系统对土工合成材料进行各向异性拉伸试验的实施方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)裁取待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)，所述待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的横截面呈圆形，所述待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的直径是220mm至240mm之间；

2)将待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)放置于试样托架(6)上，标记待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的放置方向；

3)通过信号采集控制装置(11)控制试样托架(6)上升至与夹具(1)同一水平高度，将试验框架梁(5)上两夹具(1)之间的中线方向调整至刻度盘(9)标记0°处；

4)将待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)在夹具(1)中对中夹持，夹具(1)夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的宽度不小于200mm；夹具(1)夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的夹持长度不小于100mm；

5)开动液压加载装置(4)，对已夹持好的待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)进行预拉伸，通过信号采集控制装置(11)控制位移传感器(7)和液压加载装置(4)，使待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的伸长量至夹具(1)夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的夹持长度的0.5％，通过信号采集控制装置(11)记录液压加载装置(4)负荷；

6)停止加载，将位移传感器(7)调零；

7)重新开启液压加载装置(4)连续加荷直至待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)断裂，停机并恢复至初始位置；通过信号采集控制装置(11)记录液压加载装置(4)最大负荷，精确不低于1.0N，记录位移传感器(7)最大负荷下的伸长量，精确不低于0.1mm；

8)使用下式计算土工合成材料试样(13)的拉伸强度：

α_f＝F_fC

其中：

α_f为土工合成材料试样(13)拉伸强度；

F_f为土工合成材料试样(13)最大负荷；

对于非织造品、高密度织物或其他类似的土工合成材料试样(13)：

C＝1/B

其中：

B为夹具(1)夹持待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的宽度；

对于稀松机织土工织物、土工格栅或其他类似的松散结构土工合成材料试样(13)：

C＝N_m/N_s

其中：

N_m为土工合成材料试样(13)1m宽度内的拉伸单元数；

N_s为土工合成材料试样(13)内的拉伸单元数；

9)使用下式计算土工合成材料试样(13)最大负荷下的伸长率：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0(1+0.5\%)}\×100$

其中：

ε为土工合成材料试样(13)伸长率(％)；

L₀为土工合成材料试样(13)夹持长度；

ΔL为土工合成材料试样(13)最大负荷下的伸长量；

10)选用不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)，重复步骤2)～步骤9)，其中，操作步骤2)时，不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)放置在试样托架(6)的位置与步骤2)中待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)的试验位置相同；进行步骤3)时，将试验框架梁(5)夹具(1)中线方向调整至刻度盘(9)标记22.5°处；

11)判断不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)是90°对称还是45°对称；若是90°对称，则将试验框架梁(5)夹具(1)中线方向分别调整至刻度盘(9)标记45°、67.5°以及90°，重复步骤10)，即完成不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)分别在45°、67.5°以及90°时的拉伸试验；若是45°对称，则将试验框架梁(5)夹具(1)中线方向分别调整至刻度盘(9)标记45°，重复步骤10)，即完成不同的待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)在45°时的拉伸试验；

12)绘制待进行拉伸试验的土工合成材料试样(13)在各方向的拉伸强度和最大负荷下的伸长率包络图。