CN104833592B - 一种土工合成材料各向异性直剪试验系统及其实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土工合成材料各向异性直剪试验系统及其实施方法，该系统包括试验台架、回转支承、刻度盘、下剪切盒、上剪切盒、竖向加载装置、水平加载装置、导轨、位移传感器、回转支承控制装置以及承载板；试验台架上设置有导轨以及位移传感器；回转支承上分别设置有刻度盘以及回转支承控制装置；竖向加载装置依次通过承载板、上剪切盒以及下剪切盒设置在回转支承的上；回转支承带动下剪切盒旋转；待进行剪切试验的土工合成材料的横截面呈圆形，其直径与下剪切盒的外径相同；水平加载装置与回转支承相连并可在导轨上进行滑动。本发明解决了现有技术中试验得到的土工合成材料与填土的界面力学性能无法真实反映工程实际的技术问题。
Description
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直剪试验系统及其实施方法，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直剪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》(SL235-2012)和《公路工程土工合成材料试验规程》(JTGE50-2006)均提到了土工合成材料直剪试验。但是，目前土工合成材料直剪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)土工合成材料直剪试验时，一般仅做一个方向的“筋-土”直剪试验，无法考虑土工合成材料的各向异性；(4)土工合成材料直剪试验时，一般采用硬质基底，直剪试验过程中其受力机理为“填土-土工合成材料-硬质基底”之间相互作用，而工程实际中应为“填土-土工合成材料-填土”相互作用，两者存在较大差别，直剪试验所得出的土工合成材料与填土的界面力学性能一不定能真实的反映出工程实际中土工合成材料与填土的实际界面力学性能。
综上所述，由于现行土工合成材料直剪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与填土的界面力学性能无法真实反映工程实际。事实上，试验得到的土工合成材料与填土之间的界面力学性能往往要优于工程实际中土工合成材料与填土的界面力学性能，采用现行土工合成材料直剪试验得到的土工合成材料与填土界面力学性能进行工程设计时，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与填土的界面力学性能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直剪试验系统及其实施方法。
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直剪试验系统，其特征在于：所述土工合成材料各向异性直剪试验系统包括试验台架、回转支承、刻度盘、下剪切盒、夹具、上剪切盒、竖向加载装置、水平加载装置、导轨、位移传感器、固定支座、回转支承控制装置、承载板以及控制机柜；所述固定支座以及控制机柜分别设置在试验台架上；所述试验台架上设置有导轨以及位移传感器；所述回转支承上分别设置有刻度盘以及回转支承控制装置；所述竖向加载装置依次通过承载板、上剪切盒以及下剪切盒自上而下设置在回转支承的上表面；所述竖向加载装置通过承载板向上剪切盒、待进行剪切试验的土工合成材料以及下剪切盒施加竖向压力；所述回转支承带动下剪切盒绕回转支承的轴向旋转；待进行剪切试验的土工合成材料置于上剪切盒与下剪切盒之间并通过夹具固定在下剪切盒的上表面；待进行剪切试验的土工合成材料的横截面呈圆形，所述待进行剪切试验的土工合成材料的直径与下剪切盒的外径相同；所述上剪切盒通过固定支座固定在试验台架上；所述水平加载装置与回转支承相连并带动回转支承在导轨上进行滑动；所述控制机柜分别与水平加载装置以及竖向加载装置相连。
进一步的，本发明所采用的下剪切盒为半封闭空心圆柱体；所述下剪切盒的内径不小于300mm，所述下剪切盒的厚度不小于5mm，高度不小50mm；所述上剪切盒为含有内切圆的正多边形柱体；所述上剪切盒的内径不小于200mm，所述上剪切盒的壁厚最薄弱处厚度不小于3mm，所述上剪切盒的高度不小于100mm，所述上剪切盒的正多边形外径与下剪切盒内径之差不应小于80mm。
进一步的，本发明所采用的正多边形柱体是正五边形柱体、正六边形柱体、正七边形柱体、正八边形柱体。
进一步的，本发明所采用的回转支承与下剪切盒通过卡槽固定连接，所述回转支承的旋转精度为0.5°，所述回转支承的旋转范围为0～180°。
进一步的，本发明所采用的承载板的直径不小于190mm，所述承载板的直径与上剪切盒内径之差应在5～10mm范围内。
进一步的，本发明所采用的控制机柜包括竖向加载控制装置、水平加载控制装置、运行指示灯以及智能显示控制采集装置；所述竖向加载控制装置与竖向加载装置相连；所述水平加载控制装置与水平加载装置相连。
一种基于如上所述的土工合成材料各向异性直剪试验系统对土工合成材料进行各向异性直剪试验的实施方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
A)裁取土工合成材料试样，所述土工合成材料试样的横截面呈圆形，所述土工合成材料试样的直径与土工合成材料各向异性直剪试验系统的下剪切盒的外径相同；
B)卸下土工合成材料各向异性直剪试验系统的上剪切盒和下剪切盒，填筑试验土样，所述试验土样在上剪切盒中以及下剪切盒中的压实度与工程应用中现场实际压实度一致，所述下剪切盒中填筑试验土样的高度与下剪切盒的盒高相同，所述上剪切盒中填筑试验土样的高度不小于50mm；
C)将土工合成材料试样铺设于下剪切盒内部的试验土样的上表面上，通过夹具将土工合成材料试样与下剪切盒固定，土工合成材料试样保持平整、无折叠以及无褶皱；
D)将下剪切盒安装至回转支承上，回转支承上的刻度盘标记0°处土工合成材料试样位置；
E)安装上剪切盒，调节固定支座，通过固定支座约束上剪切盒的水平位移；
F)安装水平加载装置、位移传感器，并通过竖向加载控制装置对竖向加载装置施加50kPa竖向压力；
G)通过水平加载控制装置控制水平加载装置施加水平位移速率，施加应变控制式水平荷载，所述水平位移速率为0.5-5mm/min，精度不低于0.1mm/min；通过智能显示控制采集装置记录水平荷载及对应的相对位移，记录间隔时间为0.5-2.0s，直至达到土工合成材料试样的剪切面直径的16.5％时结束试验；
H)卸下上剪切盒和下剪切盒，仔细地除去土工合成材料试样，检查土工合成材料试样是否发生伸长、褶皱或损坏；如果发生伸长、褶皱或损坏，则需要更换土工合成材料试样并重新进行步骤C)至步骤G)；若未发生伸长、褶皱或损坏，则采用另一块土工合成材料试样继续进行步骤I)；
I)选用不同的土工合成材料试样，重复步骤B)～步骤H)，分别在竖向压力是100kPa、200kPa以及400kPa的法向应力下各试验一块土工合成材料试样，即完成土工合成材料试样在0°时在不同竖向压力下的直剪试验；
J)选用不同的土工合成材料试样，重复步骤B)～步骤I)，实施步骤D)时，将土工合成材料试样放置在下剪切盒标记0°处位置，同时通过回转支承控制装置旋转回转支承至22.5°，即完成土工合成材料试样在22.5°时在不同竖向压力下的直剪试验；
K)判断土工合成材料试样是90°对称还是45°对称；若是90°对称，则通过回转支承控制装置分别旋转回转支承至45°、67.5°以及90°，重复步骤J)，即完成土工合成材料试样分别在45°、67.5°以及90°时在不同竖向压力下的直剪试验；若是45°对称，则通过回转支承控制装置旋转回转支承至45°，重复步骤J)，即完成土工合成材料试样在45°时在不同竖向压力下的直剪试验；
L)记录水平荷载减去等量竖向压力作用下导轨所产生的滑动摩阻力，所述导轨所产生的滑动摩阻力是土工合成材料试样与步骤B)中所填筑的试验土样之间剪切力，所述剪切力除以上剪切盒内径面积即为剪应力；
M)绘制各直剪方向最大剪应力与竖向应力关系曲线，可得到各直剪方向土工合成材料试样与步骤B)中所填筑的试验土样之间摩擦角和表观粘聚力；在土工合成材料试样是90°对称时，所述各直剪方向分别是0°、22.5°、45°、67.5°以及90°；在土工合成材料试样是45°对称时，所述各直剪方向分别是0°、22.5°以及45°；
N)绘制土工合成材料试样与步骤B)中所填筑的试验土样之间摩擦角和表观粘聚力包络图。
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直剪试验系统及其实施方法，该土工合成材料各向异性直剪试验系统包括回转支承、刻度盘、下剪切盒、夹具、上剪切盒、竖向加载装置、水平加载装置、导轨、位移传感器、固定支座、机柜、试验台架、回转支承控制装置、竖向加载控制装置、水平加载控制装置、运行指示灯、智能显示控制采集装置、土工合成材料试样、承载板。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直剪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，通过回转支承带动下剪切盒旋转，实现了土工合成材料试验与试验土样的任意角度直剪试验，革命性的创造了土工合成材料各向异性直剪试验系统，实现了土工合成材料直剪试验力学性能的各向异性测试；上、下剪切盒均采用工程实际中填土，真实反映了工程实际中“填土-土工合成材料-填土”的真实受力情况；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直剪试验系统的平面结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是考虑和未考虑土工合成材料各向异性直剪试验得到的土工合成材料试样与试验土样之间摩擦角的包络图；
图4是考虑和未考虑土工合成材料各向异性直剪试验得到的土工合成材料试样与试验土样之间表观粘聚力的包络图。
附图标记说明如下：
1-回转支承；2-刻度盘；3-下剪切盒；4-夹具；5-上剪切盒；6-竖向加载装置；7-水平加载装置；8-导轨；9-位移传感器；10-固定支座；11-机柜；12-试验台架；13-回转支承控制装置；14-竖向加载控制装置；15-水平加载控制装置；16-运行指示灯；17-智能显示控制采集装置；18-土工合成材料试样；19-承载板。
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直剪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直剪试验系统，包括回转支承1、刻度盘2、下剪切盒3、夹具4、上剪切盒5、竖向加载装置6、水平加载装置7、导轨8、位移传感器9、固定支座10、机柜11、试验台架12、回转支承控制装置13、竖向加载控制装置14、水平加载控制装置15、运行指示灯16、智能显示控制采集装置17、土工合成材料试样18、承载板19。
下剪切盒3为半封闭空心圆柱体，内径为300mm，厚度为5mm，高度为150mm。
上剪切盒5为正八边形内切圆柱体，内径为200mm，最薄弱处厚度为3mm，高度为100mm，且上剪切盒5八边形外径与下剪切盒3内径之差大于80mm。
土工合成材料试样18为圆形，其直径与下剪切盒3外径相同，为305mm。
回转支承1上装有刻度盘2，回转支承1与下剪切盒3通过卡槽固定连接，回转支承1带动下剪切盒3旋转，回转支承1旋转精度为0.5°，旋转范围为0～180°。
承载板19直径为190mm，且承载板19直径与上剪切盒5内径之差为10mm。
上述的土工合成材料各向异性直剪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18，试样为圆形，其直径与下剪切盒3外径相同，为305mm。各试样结构形式应完全一致，试样45°对称，取样12个；试样90°对称时取样20个；
B)卸下上剪切盒5和下剪切盒3，填筑试验土样，压实度与工程应用中现场实际压实度一致，压实度为94。下剪切盒3填筑土样高度与盒高相同，上剪切盒5填筑土样高度为50mm；
C)将土工合成材料试样18铺设于下剪切盒3上，通过夹具4将土工合成材料试样18与下剪切盒3固定，试样应平整、没有折叠和褶皱；
D)将下剪切盒3安装至回转支承1上，刻度盘2标记0°处土工合成材料试样18位置；
E)安装上剪切盒5，调节固定支座10，约束上剪切盒5水平位移；
F)安装水平加载装置7、位移传感器9，并通过竖向加载控制装置14控制竖向加载装置6施加压力的大小，施加50kPa的竖向压力；
G)通过水平加载控制装置15控制水平加载装置7施加水平位移速率，施加应变控制式水平荷载，速率为1mm/min，精度为0.1mm/min，通过智能显示控制采集装置17记录水平荷载及对应的相对位移，记录间隔时间为1s，直至达到剪切面直径的16.5％时结束试验；
H)卸下上剪切盒5和下剪切盒3，仔细地除去试验土样，检查土工合成材料试样18是否发生伸长、褶皱或损坏；
I)选用不同的土工合成材料试样18，重复步骤B)～步骤H)，放置土工合成材料试样18时，重复步骤B)～步骤H)，在100kPa、200kPa和400kPa法向应力下再各试验一块土工合成材料试样18，即完成0°直剪试验；
J)选用不同的土工合成材料试样18，重复步骤B)～步骤I)，实施步骤D)时，将土工合成材料试样18放置在下剪切盒3标记0°处位置，通过回转支承控制装置13旋转回转支承1至22.5°，即完成22.5°直剪试验；
K)重复J步骤，分别旋转回转支承1至45°，即完成45°直剪试验；
L)记录水平荷载减去等量竖向压力作用下导轨8所产生的滑动摩阻力即为土工合成材料试样18与试验土样之间剪切力，该剪切力除以上剪切盒3内径面积即为剪应力；
M)绘制各直剪方向(0°、22.5°和45°)最大剪应力与竖向应力关系曲线，即可得到各直剪方向土工合成材料试样18与试验土样之间摩擦角和表观粘聚力；
N)绘制土工合成材料试样18与试验土样之间摩擦角和表观粘聚力包络图。
图3和图4分别为考虑和未考虑土工合成材料各向异性直剪试验得到的土工合成材料试样18与试验土样之间摩擦角和表观粘聚力包络图。可以(在45°方向实线和虚线长度不一样，即可看出力学性能不一样)看到当直剪角度为45°时，考虑土工合成材料各向异性直剪试验测试得到土工合成材料试样18与试验土样实际摩擦角和表观粘聚力分别仅为未考虑土工合成材料各向异性直剪试验测试得到的摩擦角和表观粘聚力的70％和75％。可以看出，当采用未考虑土工合成材料各向异性直剪试验测试得到的摩擦角和表观粘聚力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 (7)
1.一种土工合成材料各向异性直剪试验系统，其特征在于：所述土工合成材料各向异性直剪试验系统包括试验台架(12)、回转支承(1)、刻度盘(2)、下剪切盒(3)、夹具(4)、上剪切盒(5)、竖向加载装置(6)、水平加载装置(7)、导轨(8)、位移传感器(9)、固定支座(10)、回转支承控制装置(13)、承载板(19)以及控制机柜(11)；所述固定支座(10)以及控制机柜(11)分别设置在试验台架(12)上；所述试验台架(12)上设置有导轨(8)以及位移传感器(9)；所述回转支承(1)上分别设置有刻度盘(2)以及回转支承控制装置(13)；所述竖向加载装置(6)依次通过承载板(19)、上剪切盒(5)以及下剪切盒(3)自上而下设置在回转支承(1)的上表面；所述竖向加载装置(6)通过承载板(19)向上剪切盒(5)、待进行剪切试验的土工合成材料(18)以及下剪切盒(3)施加竖向压力；所述回转支承(1)带动下剪切盒(3)绕回转支承(1)的轴向旋转；待进行剪切试验的土工合成材料(18)置于上剪切盒(5)与下剪切盒(3)之间并通过夹具(4)固定在下剪切盒(3)的上表面；待进行剪切试验的土工合成材料(18)的横截面呈圆形，所述待进行剪切试验的土工合成材料(18)的直径与下剪切盒(3)的外径相同；所述上剪切盒(5)通过固定支座(10)固定在试验台架(12)上；所述水平加载装置(7)与回转支承(1)相连并带动回转支承(1)在导轨(8)上进行滑动；所述控制机柜(11)分别与水平加载装置(7)以及竖向加载装置(6)相连。
2.根据权利要求1所述的土工合成材料各向异性直剪试验系统，其特征在于：所述下剪切盒(3)为半封闭空心圆柱体；所述下剪切盒(3)的内径不小于300mm，所述下剪切盒(3)的厚度不小于5mm，高度不小50mm；所述上剪切盒(5)为含有内切圆的正多边形柱体；所述上剪切盒(5)的内径不小于200mm，所述上剪切盒(5)的壁厚最薄弱处厚度不小于3mm，所述上剪切盒(5)的高度不小于100mm，所述上剪切盒(5)的正多边形外径与下剪切盒(3)内径之差不应小于80mm。
3.根据权利要求2所述的土工合成材料各向异性直剪试验系统，其特征在于：所述正多边形柱体是正五边形柱体、正六边形柱体、正七边形柱体、正八边形柱体。
4.根据权利要求3所述的土工合成材料各向异性直剪试验系统，其特征在于：所述回转支承(1)与下剪切盒(3)通过卡槽固定连接，所述回转支承(1)的旋转精度为0.5°，所述回转支承(1)的旋转范围为0～180°。
5.根据权利要求4所述的土工合成材料各向异性直剪试验系统，其特征在于：所述承载板(19)的直径不小于190mm，所述承载板(19)的直径与上剪切盒(5)内径之差应在5～10mm范围内。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的土工合成材料各向异性直剪试验系统，其特征在于：所述控制机柜包括竖向加载控制装置(14)、水平加载控制装置(15)、运行指示灯(16)以及智能显示控制采集装置(17)；所述竖向加载控制装置(14)与竖向加载装置(6)相连；所述水平加载控制装置(15)与水平加载装置(7)相连。
7.一种基于如权利要求6所述的土工合成材料各向异性直剪试验系统对土工合成材料进行各向异性直剪试验的实施方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
A)裁取土工合成材料试样(18)，所述土工合成材料试样(18)的横截面呈圆形，所述土工合成材料试样(18)的直径与土工合成材料各向异性直剪试验系统的下剪切盒(3)的外径相同；
B)卸下土工合成材料各向异性直剪试验系统的上剪切盒(5)和下剪切盒(3)，填筑试验土样，所述试验土样在上剪切盒(5)中以及下剪切盒(3)中的压实度与工程应用中现场实际压实度一致，所述下剪切盒(3)中填筑试验土样的高度与下剪切盒(3)的盒高相同，所述上剪切盒(5)中填筑试验土样的高度不小于50mm；
C)将土工合成材料试样(18)铺设于下剪切盒(3)内部的试验土样的上表面上，通过夹具(4)将土工合成材料试样(18)与下剪切盒(3)固定，土工合成材料试样(18)保持平整、无折叠以及无褶皱；
D)将下剪切盒(3)安装至回转支承(1)上，回转支承(1)上的刻度盘(2)标记0°处土工合成材料试样(18)位置；
E)安装上剪切盒(5)，调节固定支座(10)，通过固定支座(10)约束上剪切盒(5)的水平位移；
F)安装水平加载装置(7)、位移传感器(9)，并通过竖向加载控制装置(14)对竖向加载装置(6)施加50kPa竖向压力；
G)通过水平加载控制装置(15)控制水平加载装置(7)施加水平位移速率，施加应变控制式水平荷载，所述水平位移速率为0.5-5mm/min，精度不低于0.1mm/min；通过智能显示控制采集装置(17)记录水平荷载及对应的相对位移，记录间隔时间为0.5-2.0s，直至达到土工合成材料试样(18)的剪切面直径的16.5％时结束试验；
H)卸下上剪切盒(5)和下剪切盒(3)，仔细地除去土工合成材料试样(18)，检查土工合成材料试样(18)是否发生伸长、褶皱或损坏；如果发生伸长、褶皱或损坏，则需要更换土工合成材料试样(18)并重新进行步骤C)至步骤G)；若未发生伸长、褶皱或损坏，则采用另一块土工合成材料试样(18)继续进行步骤I)；
I)选用不同的土工合成材料试样(18)，重复步骤B)～步骤H)，分别在竖向压力是100kPa、200kPa以及400kPa的法向应力下各试验一块土工合成材料试样(18)，即完成土工合成材料试样(18)在0°时在不同竖向压力下的直剪试验；
J)选用不同的土工合成材料试样(18)，重复步骤B)～步骤I)，实施步骤D)时，将土工合成材料试样(18)放置在下剪切盒(3)标记0°处位置，同时通过回转支承控制装置(13)旋转回转支承(1)至22.5°，即完成土工合成材料试样(18)在22.5°时在不同竖向压力下的直剪试验；
K)判断土工合成材料试样(18)是90°对称还是45°对称；若是90°对称，则通过回转支承控制装置(13)分别旋转回转支承(1)至45°、67.5°以及90°，重复步骤J)，即完成土工合成材料试样(18)分别在45°、67.5°以及90°时在不同竖向压力下的直剪试验；若是45°对称，则通过回转支承控制装置(13)旋转回转支承(1)至45°，重复步骤J)，即完成土工合成材料试样(18)在45°时在不同竖向压力下的直剪试验；
L)记录水平荷载减去等量竖向压力作用下导轨(8)所产生的滑动摩阻力，所述导轨(8)所产生的滑动摩阻力是土工合成材料试样(18)与步骤B)中所填筑的试验土样之间剪切力，所述剪切力除以上剪切盒(5)内径面积即为剪应力；
M)绘制各直剪方向最大剪应力与竖向应力关系曲线，可得到各直剪方向土工合成材料试样(18)与步骤B)中所填筑的试验土样之间摩擦角和表观粘聚力；在土工合成材料试样(18)是90°对称时，所述各直剪方向分别是0°、22.5°、45°、67.5°以及90°；在土工合成材料试样(18)是45°对称时，所述各直剪方向分别是0°、22.5°以及45°；
N)绘制土工合成材料试样(18)与步骤B)中所填筑的试验土样之间摩擦角和表观粘聚力包络图。
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