CN104897484B - 一种土工合成材料扭剪试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种土工合成材料扭剪试验系统及方法，该系统包括试验台架、下试验盒、上试验盒、扭矩传感器、回转支承、回转支承控制装置、竖向加载装置、信号采集控制装置和用于夹持待进行扭剪试验的土工合成材料试样的夹具；竖向加载装置、上试验盒、待进行扭剪试验的土工合成材料试样、下试验盒、扭矩传感器和回转支承自上而下依次设置在试验台架上；回转支承控制装置与回转支承相连；信号采集控制装置与扭矩传感器和竖向加载装置相连。本发明解决了目前试验得到的土工合成材料与土体之间力学性能参数差异较大，试验所得出的土工合成材料力学性能指标无法有效指导加筋土技术设计与施工，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的技术问题。

Description

一种土工合成材料扭剪试验系统及方法

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扭剪试验系统及方法，尤其涉及一种黄土沟壑区加筋土技术的土工合成材料扭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》(SL 235-2012)和《公路工程土工合成材料试验规程》(JTG E50-2006)中测试土工合成材料与土体之间力学性能的试验包括直剪试验和拉拔试验两种。但是，目前土工合成材料直剪和拉拔试验过程中仍存在诸多问题：(1)土工合成材料取样时，样品拉拔试验方向随意性大，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)土工合成材料直剪和拉拔试验时，未规定土工合成材料测试方向，不同测试方向工况下直剪和拉拔试验测得的力学性能参数差异较大，直剪和拉拔试验所得出的土工合成材料力学性能指标无法有效指导加筋土技术设计与施工，且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拔试验过程中存在诸如取样、试验方法等问题，不同测试方向工况下直剪和拉拔试验测得的力学性能参数差异较大，直剪和拉拔试验所得出的土工合成材料力学性能指标无法有效指导加筋土技术设计与施工，且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。因此，采用现行规范测试土工合成材料与土体之间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与土体之间力学性能参数差异较大，试验所得出的土工合成材料力学性能指标无法有效指导加筋土技术设计与施工，且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的技术问题，进而提供了一种土工合成材料扭剪试验系统及其方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土工合成材料扭剪试验系统，其特征在于：所述土工合成材料扭剪试验系统包括试验台架、下试验盒、上试验盒、扭矩传感器、回转支承、回转支承控制装置、竖向加载装置、信号采集控制装置以及用于夹持待进行扭剪试验的土工合成材料试样的夹具；所述竖向加载装置、上试验盒、待进行扭剪试验的土工合成材料试样、下试验盒、扭矩传感器以及回转支承自上而下依次设置在试验台架上；所述回转支承控制装置与回转支承相连并控制回转支承开启、停止以及调节旋转速度；所述信号采集控制装置分别与扭矩传感器以及竖向加载装置相连。

作为优选，本发明所采用的回转支承、扭矩传感器、上试验盒以及下试验盒的截面均为圆形，所述回转支承、扭矩传感器、上试验盒以及下试验盒呈同心设置。

作为优选，本发明所采用的土工合成材料扭剪试验系统还包括固定支座、反力架以及与反力架相连的反力杆；所述竖向加载装置设置在反力架上；所述上试验盒通过固定支座与反力杆相连。

作为优选，本发明所采用的土工合成材料扭剪试验系统还包括设置在竖向加载装置与上试验盒之间的承载板；所述竖向加载装置通过承载板向上试验盒施加竖向荷载；

作为优选，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试验盒的内径之差在5～10mm范围内。

作为优选，本发明所采用的下试验盒是半封闭的空心圆柱体；所述下试验盒的内径不小于300mm，所述下试验盒的厚度不小于5mm，高度不小于50mm；所述上试验盒是含有内切圆的正多边形柱体；所述上试验盒的内径不小于200mm，所述上试验盒的壁厚最薄弱处厚度不小于3mm，所述上试验盒的高度不小于100mm，所述上试验盒的外径与下试验盒内径之差不小于80mm；所述正多边形柱体是正六边形柱体或正八边形柱体。

作为优选，本发明所采用的待进行扭剪试验的土工合成材料的横截面呈圆形，待进行扭剪试验的土工合成材料试样的直径与下试验盒的外径相同。

作为优选，本发明所采用的回转支承与扭矩传感器之间以及下试验盒与扭矩传感器之间均通过卡槽固定连接；所述回转支承的旋转精度不低于0.1°，旋转范围为0～180°，旋转速度为0.5～5°/min，旋转精度不小于0.1°/min。

一种基于如上所述的土工合成材料扭剪试验系统对土工合成材料进行扭剪试验的实施方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)裁取待进行扭剪试验的土工合成材料试样，所述待进行扭剪试验的土工合成材料试样的横截面呈圆形，所述待进行扭剪试验的土工合成材料试样的直径与土工合成材料扭剪试验系统的下试验盒的外径相同；

2)卸下土工合成材料扭剪试验系统的上试验盒以及下试验盒，填筑试验土样，试验土样在上试验盒中以及在下试验盒中的压实度与工程应用中现场实际压实度一致，所述下试验盒中填筑试验土样的高度与下试验盒的盒高相同，所述上试验盒中填筑试验土样的高度不小于50mm；

3)将待进行扭剪试验的土工合成材料试样铺设于下试验盒内部的试验土样的上表面，并通过夹具固定，待进行扭剪试验的土工合成材料试样保持平整、无折叠以及无褶皱；

4)将下试验盒安装至扭矩传感器上；

5)安装上试验盒，调节固定支座，通过固定支座约束上试验盒的水平位移；

6)调节竖向加载装置，对承载板施加竖向荷载，使承载板与试验土样表面接触良好；

7)通过竖向加载装置施加50kPa坚向荷载，加载固结时间不小于20min；加载固结完成后通过支承控制装置开启回转支承并调节旋转速度，旋转速度为0.5～5°/min，旋转精度不小于0.1°/min；

8)通过信号采集控制装置记录扭矩传感器测得的扭矩值，记录间隔时间为0.5～2.0s，直至扭矩值出现峰值或试验进行至扭矩值为稳定值时，试验完成；

9)选用不同的待进行扭剪试验的土工合成材料试样，重复步骤2)～步骤8)，分别通过竖向加载装置施加100kPa、200kPa以及400kPa的竖向压力下各试验一块待进行扭剪试验的土工合成材料试样；

10)计算下试验盒与上试验盒上土工合成材料试样间的剪应力：

其中：

τ为下试验盒与上试验盒之间的待进行扭剪试验的土工合成材料试样的剪应力；

F_s为下试验盒与上试验盒间剪切力；

A为上试验盒的内径面积；

F_s等于下试验盒与扭矩传感器之间产生的剪切力；

其中：

M为扭剪试验过程中扭矩传感器测得的扭矩峰值或试验进行至扭矩值为稳定值；

d为扭矩传感器有效高度；

11)绘制不同竖向应力σ和剪应力峰值τ的关系曲线，求得待进行扭剪试验的土工合成材料试样与试验土样界面的摩擦角和表观粘聚力。

本发明提供了一种土工合成材料扭剪试验系统及方法，该土工合成材料扭剪试验系统包括下试验盒、上试验盒、扭矩传感器、回转支承、回转支承控制装置、夹具、竖向加载装置、固定支座、承载板、反力杆、信号采集控制装置、土工合成材料试样、试验台架以及反力架。本发明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扭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试验盒旋转，实现了土工合成材料试验与试验土样的扭剪试验，革命性的创造了土工合成材料扭剪试验系统，实现了土工合成材料与土体之间力学性能参数的唯一性，使测试结果更稳定，克服了现行规范中直剪和拉拔试验不同测试方向工况下测得的力学性能参数差异显著的缺陷，有效避免了现行规范中直剪和拉拔试验测试土工合成材料与土体之间力学性能指标无法有效指导加筋土技术设计与施工，且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扭剪试验系统的立面结构示意图；

图2是图1的俯视图；

附图标记说明如下：

1-下试验盒；2-上试验盒；3-扭矩传感器；4-回转支承；5-回转支承控制装置；6-夹具；7-竖向加载装置；8-固定支座；9-承载板；10-反力杆；11-信号采集控制装置；12-土工合成材料试样；13-试验台架；14-反力架。

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扭剪试验系统，包括下试验盒1、上试验盒2、扭矩传感器3、回转支承4、回转支承控制装置5、夹具6、竖向加载装置7、固定支座8、承载板9、反力杆10、信号采集控制装置11、土工合成材料试样12、试验台架13以及反力架14。

竖向加载装置7设置在反力架14上，上试验盒2通过固定支座8与反力杆18相连。

下试验盒1是半封闭的空心圆柱体，内径为300mm，厚度为5mm，高度为100mm；上试验盒2是含有内切圆的正多边形柱体；上试验盒2的内径为200mm，壁厚最薄弱处厚度为3mm，高度为100mm，上试验盒2的外径与下试验盒1内径之差不小于80mm。正多边形柱体是正六边形柱体或正八边形柱体。

待进行扭剪试验的土工合成材料12的横截面呈圆形，直径与下试验盒1的外径相同。

竖向加载装置7通过承载板9向上试验盒2施加竖向荷载。

承载板9的直径为190mm，承载板9的直径与上试验盒2的内径之差为10mm。

回转支承4与扭矩传感器3通过卡槽固定连接，下试验盒2与扭矩传感器3通过卡槽固定连接，回转支承4的旋转精度为0.1°，旋转范围为0～180°，旋转速度为1°/min，旋转精度为0.1°/min。回转支承控制装置5用于控制回转支承4开启、停止以及调节旋转速度。

上述的土工合成材料扭剪试验系统的实施方法，其步骤如下：

1)裁取待进行扭剪试验的土工合成材料试样12，待进行扭剪试验的土工合成材料试样12的横截面呈圆形，待进行扭剪试验的土工合成材料试样12的直径与土工合成材料扭剪试验的下试验盒1的外径相同；

2)卸下土工合成材料扭剪试验系统的上试验盒2和下试验盒1，填筑试验土样，试验土样在上试验盒2中以及下试验盒1中的压实度与工程应用中现场实际压实度一致，下试验盒1中填筑试验土样的高度与下试验盒1的盒高相同，上试验盒2中填筑试验土样的高度为80mm；

3)将待进行扭剪试验的土工合成材料试样12铺设于下试验盒1内部的试验土样的上表面，并通过夹具6固定，待进行扭剪试验的土工合成材料试样12保持平整、无折叠以及无褶皱；

4)将下试验盒1安装至扭矩传感器3上；

5)安装上试验盒2，调节固定支座8，通过固定支座8约束上试验盒2的水平位移；

6)调节竖向加载装置7，对承载板9施加竖向荷载，使承载板9与试验土样表面接触良好；

7)通过竖向加载装置7施加50kPa坚向荷载，加载固结时间不小于20min；加载固结完成后通过支承控制装置5开启回转支承4并调节旋转速度，旋转速度为1°/min，旋转精度为0.1°/min；

8)通过信号采集控制装置11记录扭矩传感器3测得的扭矩值，记录间隔时间为0.5s，直至扭矩值出现峰值或试验进行至扭矩值为稳定值时，试验完成；

9)选用不同的待进行扭剪试验的土工合成材料试样12，重复步骤2)～步骤8)，分别通过竖向加载装置7施加100kPa、200kPa以及400kPa的竖向压力下各试验一块待进行扭剪试验的土工合成材料试样12；

10)计算下试验盒1与上试验盒2上土工合成材料试样12间的剪应力：

其中，τ为下试验盒1与上试验盒2上土工合成材料试样12间的剪应力，F_s为下试验盒1与上试验盒2间剪切力，A为上试验盒2内径面积。

其中，F_s等于下试验盒2与扭矩传感器2之间产生的剪切力。

其中，M为扭剪试验过程中扭矩传感器3测得的扭矩峰值或试验进行至扭矩值为稳定值；d为扭矩传感器3有效高度。

11)绘制不同竖向应力σ和剪应力峰值τ的关系曲线，求得待进行扭剪试验的土工合成材料试样12与试验土样界面的摩擦角和表观粘聚力。

通过对HDPE双向土工格栅(土工合成材料的一种类型)进行对比扭剪和直剪试验结果可知，扭剪试验测试得到的摩擦角和表观粘聚力分别为20.6°和21.1kPa。然而，直剪试验时当土工合成材料测试角度为90°时(沿土工格栅肋条方向)，测试得到的摩擦角和表观粘聚力分别为26.3°和28.1kPa。当土工合成材料测试角度为45°时，测试得到的摩擦角和表观粘聚力分别为18.7°和17.4kPa，90°工况下相比45°测试得到的摩擦角和表观粘聚力分别要高40.6％和61.5。可以看出扭剪试验系统实现了土工合成材料与土体之间力学性能参数的唯一性，使测试结果更稳定，克服了现行规范中直剪和拉拔试验不同测试方向工况下测得的力学性能参数差异显著的缺陷，有效避免了现行规范中直剪和拉拔试验测试土工合成材料与土体之间力学性能指标无法有效指导加筋土技术设计与施工，且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的问题，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 (5)

1.一种基于土工合成材料扭剪试验系统对土工合成材料进行扭剪试验的实施方法，其土工合成材料扭剪试验系统包括以下组件：试验台架(13)、下试验盒(1)、上试验盒(2)、扭矩传感器(3)、回转支承(4)、回转支承控制装置(5)、竖向加载装置(7)、信号采集控制装置(11)以及用于夹持待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)的夹具(6)；所述竖向加载装置(7)、上试验盒(2)、待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)、下试验盒(1)、扭矩传感器(3)以及回转支承(4)自上而下依次设置在试验台架(13)上；所述回转支承控制装置(5)与回转支承(4)相连并控制回转支承(4)开启、停止以及调节旋转速度；所述信号采集控制装置(11)分别与扭矩传感器(3)以及竖向加载装置(7)相连；

所述土工合成材料扭剪试验系统还包括固定支座(8)、反力架(14)以及与反力架(14)相连的反力杆(10)；所述竖向加载装置(7)设置在反力架(14)上；所述上试验盒(2)通过固定支座(8)与反力杆(10)相连；

所述土工合成材料扭剪试验系统还包括设置在竖向加载装置(7)与上试验盒(2)之间的承载板(9)；所述竖向加载装置(7)通过承载板(9)向上试验盒(2)施加竖向荷载；

其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)裁取待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)，所述待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)的横截面呈圆形，所述待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)的直径与土工合成材料扭剪试验系统的下试验盒(1)的内径相同；

2)卸下土工合成材料扭剪试验系统的上试验盒(2)以及下试验盒(1)，填筑试验土样，试验土样在上试验盒(2)中以及在下试验盒(1)中的压实度与工程应用中现场实际压实度一致，所述下试验盒(1)中填筑试验土样的高度与下试验盒(1)的盒高相同，所述上试验盒(2)中填筑试验土样的高度不小于50mm；

3)将待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)铺设于下试验盒(1)内部的试验土样的上表面，并通过夹具(6)固定，待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)保持平整、无折叠以及无褶皱；

4)将下试验盒(1)安装至扭矩传感器(3)上；

5)安装上试验盒(2)，调节固定支座(8)，通过固定支座(8)约束上试验盒(2)的水平位移；

6)调节竖向加载装置(7)，对承载板(9)施加竖向荷载，使承载板(9)与试验土样表面接触良好；

7)通过竖向加载装置(7)施加50kPa竖向荷载，加载固结时间不小于20min；加载固结完成后通过支承控制装置(5)开启回转支承(4)并调节旋转速度，旋转速度为0.5～5°/min，旋转精度不小于0.1°/min；

8)通过信号采集控制装置(11)记录扭矩传感器(3)测得的扭矩值，记录间隔时间为0.5～2.0s，直至扭矩值出现峰值或试验进行至扭矩值为稳定值时，试验完成；

9)选用不同的待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)，重复步骤2)～步骤8)，分别通过竖向加载装置(7)施加100kPa、200kPa以及400kPa的竖向压力下各试验一块待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)；

10)计算下试验盒(1)与上试验盒(2)上土工合成材料试样(12)间的剪应力：

<mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>A</mi> </mfrac> </mrow>

其中：

τ为下试验盒(1)与上试验盒(2)之间的待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)的剪应力；

F_s为下试验盒(1)与上试验盒(2)间剪切力；

A为上试验盒(2)的内径面积；

F_s等于下试验盒(2)与扭矩传感器(3)之间产生的剪切力；

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>M</mi> <mi>d</mi> </mfrac> </mrow>

其中：

M为扭剪试验过程中扭矩传感器(3)测得的扭矩峰值或试验进行至扭矩值为稳定值；

d为扭矩传感器(3)有效高度；

11)绘制不同竖向荷载σ和剪应力峰值τ的关系曲线，求得待进行扭剪试验的土工合成材料试样(12)与试验土样界面的摩擦角和表观粘聚力。

2.根据权利要求1所述的实施方法，其特征在于：所述回转支承(4)、扭矩传感器(3)、上试验盒(2)以及下试验盒(1)的截面均为圆形，所述回转支承(4)、扭矩传感器(3)、上试验盒(2)以及下试验盒(1)呈同心设置。

3.根据权利要求2所述的实施方法，其特征在于：所述承载板(9)的直径不小于190mm，所述承载板(9)的直径与上试验盒(2)的内径之差在5～10mm范围内。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的实施方法，其特征在于：所述下试验盒(1)是半封闭的空心圆柱体；所述下试验盒(1)的内径不小于300mm，所述下试验盒(1)的厚度不小于5mm，高度不小于50mm；所述上试验盒(2)是含有内切圆的正多边形柱体；所述上试验盒(2)的内径不小于200mm，所述上试验盒(2)的壁厚最薄弱处厚度不小于3mm，所述上试验盒(2)的高度不小于100mm，所述上试验盒(2)的外径与下试验盒(1)内径之差不小于80mm；所述正多边形柱体是正六边形柱体或正八边形柱体。

5.根据权利要求4所述的实施方法，其特征在于：所述回转支承(4)与扭矩传感器(3)之间以及下试验盒(2)与扭矩传感器(3)之间均通过卡槽固定连接；所述回转支承(4)的旋转范围为0～180°，旋转速度为0.5～5°/min，旋转精度不小于0.1°/min。