CN105372131B - 一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置及方法。该装置包括机架、加压夹持单元、模型桩(10)、测量单元和采集控制单元，所述的土工合成材料(11)水平放置在机架上方并通过加压夹持单元固定，所述的加压夹持单元连接至采集控制单元，所述的模型桩(10)垂直机架底面设置并与所述的土工合成材料(11)接触，所述的测量单元测量土工合成材料(11)性能数据。与现有技术相比，本发明具有结构简单、测试数据全面、测试结果价值高等优点。

Description

一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种土工合成材料性能测试装置及方法，尤其是涉及一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置及方法。

背景技术

桩承加筋路堤是一种适用于软土地基处理的施工方法，主要通过合理置入软土中的桩与桩上铺设的土工合成材料共同作用以满足软基上路堤在稳定性和变形两方面的要求，这种路堤建设技术具有施工方便、工期短、侧向变形和工后沉降小等优点。该施工方法应用前景广阔，但由于其技术复杂，所涉及材料种类多，其作用方式和破环机理仍不十分清楚。

土工合成材料作为桩承加筋路堤的重要组成部分之一，其作用机理，受力方式，破坏模式均不十分清楚，因而在实际工程中土工合成材料种类及材料性能的选取非常保守。因此单独对土工合成材料工作时的形态，内力分布以及破坏模式进行研究是非常必要的。一般纺织物的检测手段之一是胀破试验，这个方法同样适用于土工合成材料，但涨破试验的结果只显示材料本身性能，不能反映土工合成材料在实际工况下与和桩共同作用的性能。

目前，在桩承加筋路堤领域的研究主要是桩承加筋路堤中的土拱效应，或者只研究筋材挠度的变化，如西安建筑科技大学胡伟伟等人的专利“桩承式加筋路堤三维土拱效应试验装置和方法”(公开号CN103389364A)、西安建筑科技大学曹卫平的专利“桩承式加筋路堤平面土拱效应试验装置”(公开号CN103352482A)、浙江大学陈仁朋等人的专利“桩网结构土工格栅挠度分布的测试装置和方法”(公开号CN104406536A)，这些发明一部分研究桩承加筋路堤的其他组成部分，一部分从宏观角度观察了土工合成材料的变形，没有能够涉及到土工合成材料在实际工况下的应变分布特征和受力测试的装置。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置，包括机架、加压夹持单元、模型桩、测量单元和采集控制单元，所述的土工合成材料水平放置在机架上方并通过加压夹持单元固定，所述的加压夹持单元连接至采集控制单元，所述的模型桩垂直机架底面设置并与所述的土工合成材料接触，所述的测量单元测量土工合成材料性能数据。

所述的机架为可拆卸式机架，包括上板、底板和机架柱，所述的上板和底板对应设置，所述的机架柱垂直设置在上板和底板边缘并支撑上板和底板，该结构简单，方便拆装，便于实验使用。

所述的上板为圆环板，该圆环板上表面沿内圆边缘设有一圈凹槽，所述的土工合成材料水平放置在该圆环板上方，其边缘落入所述的凹槽中，使用圆环板实现土工合成材料的预固定。

所述的加压夹持单元包括盖板以及设置在盖板上的进气通道和测压通道，所述的盖板覆盖在土工合成材料上方并与所述的上板螺栓连接，所述的进气通道和测压通道均连接至采集控制单元，加压夹持单元设置在土工合成材料上方，并紧密固定形成密闭空间，同时利用采集控制单元进行加压，进一步模拟上覆土层压力，从而进行性能测试。

所述的土工合成材料和盖板之间还设置橡皮膜或塑料薄膜，可根据土工合成材料是否透气确定是否需要设置橡皮膜或塑料薄膜，当土工合成材料不透气时可直接进行测试，当土工合成材料透气时可以上覆无强度的塑料薄膜或者强度弱的橡皮膜使之与盖板形成密闭空间。

所述的底板上设有用于固定所述的模型桩的固定孔位，所述的固定孔位分行分列均匀设置在底板上，底板上通过设置分行分列的固定孔位从而使得模型桩安装间距的可调，更好地模拟实际工况下的因桩的间距不同对土工合成材料性能的影响。

所述的模型桩包括固定端、桩身和桩帽，所述的固定端固定在所述的固定孔位内，所述的桩身连接固定端，所述的桩帽固定在桩身顶部并与所述的土工合成材料接触，该模型桩分为可拆卸的三段，便于使用。

所述的采集控制单元包括控制器、加压电磁阀、降压电磁阀、气泵和气压传感器，所述的加压电磁阀和降压电磁阀设置连通所述的进气通道并分别连接控制器，所述的气泵连接所述的进气通道，所述的气压传感器设置在所述的测压通道中并连接所述的控制器，采集控制单元能实时检测到施加在盖板上的气压并进一步控制施加压力的大小。

所述的测量单元包括土压计、应变片、位移计和高速静态应变测试仪，所述的土压计设置在所述的桩帽顶端，所述的应变片贴于所述的土工合成材料上下表面，所述的土压计和应变片均连接至高速静态应变测试仪，所述的位移计垂直设置在底板上，其上端与所述的土工合成材料接触，该位移计还连接至所述的采集控制单元，通过高速静态应变测试仪采集桩帽顶端压力以及土工合成材料上下表面的应力，同时位移计用于测试受试土工合成材料向下鼓胀变形的挠曲程度，便于进一步性能分析。

一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据桩承加筋路堤实际工况确定模型桩间距、橡皮膜或塑料薄膜厚度以及所需的气压压力值；

(2)准备受试土工复合材料，并在其上下表面黏贴应变片，将所述的应变片通过导线连接至高速静态应变测试仪；

(3)搭建机架，在上板上依次放至待测试土工合成材料以及橡皮膜或塑料薄膜；

(4)根据确定的模型桩间距在底板上设置模型桩，在桩帽上粘贴土压计，并将土压计连接至高速静态应变测试仪；

(5)在底板上垂直安装位移计并连接至采集控制单元；

(6)固定加压夹持单元盖板，并接通进气通道和测压通道；

(7)采集控制单元控制作用在盖板上的气压压力值逐级变化，并实时采集应变片、土压计和位移计的测量数据。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)该发明将模型桩和土工合成材料相结合，能够有效反应土工合成材料在实际工况下的性能；

(2)在土工合成材料上设置加压夹持单元，对土工合成材料进行加压，从而模拟实际工况下覆土层压力，通过采集控制单元对土工合成材料逐级加压，实时采集数据，能有效反应土工合成材料不同荷载条件下的形态特征。

(3)测量单元包括土压计、应变片和位移计等，可测量得到桩帽顶端压力、土工合成材料上下表面的应力以及土工合成材料向下鼓胀变形的挠曲程度，测量多个性能参数，更具有实验价值。

附图说明

图1为本发明土工合成材料性能测试装置的结构示意图；

图2为本发明土工合成材料性能测试装置的俯视图。

图中，1为进气孔，2为测压孔，3为固定螺栓，4为盖板，5为上板，6为机架柱，7为位移计，8为底板，9为固定孔位，10为模型桩，11为土工合成材料，12为控制器，13为测压管，14为进气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、图2所示，一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置，包括机架、加压夹持单元、模型桩10、测量单元和采集控制单元，其中待测试的土工合成材料11可选用各种土工织物、土工膜和土工格栅，将所述的土工合成材料11水平放置在机架上方并通过加压夹持单元固定，所述的加压夹持单元连接至采集控制单元，所述的模型桩10垂直机架底面设置并与所述的土工合成材料11接触，所述的测量单元测量土工合成材料11性能数据。

所述的机架为可拆卸式机架，为试验的主体装置，由钢构件拼装而成，主要包括上板5、底板8和机架柱6，所述的上板5和底板8对应设置，所述的机架柱6垂直设置在上板5和底板8边缘并支撑上板5和底板8，该结构简单，方便拆装，便于实验使用。所述的上板5为圆环板，该圆环板上表面沿内圆边缘设有一圈凹槽，所述的土工合成材料11水平放置在该圆环板上方，其边缘落入所述的凹槽中，使用圆环板实现土工合成材料11的预固定。所述的加压夹持单元包括盖板4以及设置在盖板4上的进气通道和测压通道，所述的进气通道包括设置在盖板4表面的进气孔1和测压孔2以及分别对应连接的进气管14和测压管13，所述的盖板4覆盖在土工合成材料11上方并通过固定螺栓3与所述的上板5固定连接，所述的进气管14和测压管13均连接至采集控制单元，加压夹持单元设置在土工合成材料11上方，并紧密固定形成密闭空间，同时利用采集控制单元进行加压，进一步模拟上覆土层压力，从而进行性能测试。所述的土工合成材料11和盖板4之间还设置橡皮膜或塑料薄膜，可根据土工合成材料11是否透气确定是否需要设置橡皮膜或塑料薄膜，当土工合成材料11不透气时可直接进行测试，当土工合成材料11透气时可以上覆无强度的塑料薄膜或者强度弱的橡皮膜使之与盖板4形成密闭空间。

所述的底板8上设有用于固定所述的模型桩10的固定孔位9，所述的固定孔位9分行分列均匀设置在底板8上，所述的模型桩10包括固定端、桩身和桩帽，所述的固定端固定在所述的固定孔位9内，所述的桩身连接固定端，所述的桩帽固定在桩身顶部并与所述的土工合成材料11接触，其中桩身为直径25mm不锈钢棒，桩帽为50×50mm正方形桩帽，该模型桩10分为可拆卸的三段，便于使用，同时底板8上通过设置分行分列的固定孔位9从而使得模型桩10安装间距可按照实际情况进行调整，更好地模拟实际工况下的因桩的间距不同对土工合成材料11性能的影响，该实施例中底板8上的固定孔位9为螺丝孔，模型桩10固定端设有与之匹配的螺纹，从而进行固定连接。

所述的采集控制单元包括控制器12、加压电磁阀、降压电磁阀、气泵和气压传感器，所述的加压电磁阀和降压电磁阀设置连通所述的进气通道并分别连接控制器12，所述的气泵连接所述的进气通道，所述的气压传感器设置在所述的测压通道中并连接所述的控制器12，控制器12可以通过编写的操控程序对气压进行控制，使其满足分级分次加载，维持某一气压值不变以及泄气等功能，同时采集控制单元能实时检测到施加在盖板4上的气压并进一步控制施加压力的大小，该控制单元还设置操控屏，可实现人工操作控制。

所述的测量单元包括土压计、应变片、位移计7和高速静态应变测试仪，所述的土压计设置在所述的桩帽顶端，所述的应变片贴于所述的土工合成材料11上下表面，所述的土压计和应变片均连接至高速静态应变测试仪，所述的位移计7垂直设置在底板8上，其下端通过夹具夹持并放置在底板8上，上端与所述的土工合成材料11接触，该位移计7还连接至所述的控制单元，该实施例中高速静态应变测试仪采用YE2539高速静态测试仪。通过高速静态应变测试仪采集桩帽顶端压力以及土工合成材料11上下表面的应力，同时位移计7用于测试受试土工合成材料11向下鼓胀变形的挠曲程度，便于进一步性能分析。

测试之前模型桩10的桩位根据需要放置并固定，土工合成材料11应当打磨平整，根据模型桩10位置确定应当黏贴应变片的位置，然后黏贴应变片、焊接导线并与YE2539高速静态测试仪相连；模型桩10桩帽顶部应放置土压力计并与YE2539高速静态测试仪相连；底板8上应放置位移计7，然后将贴好应变片的受试材料置于机架顶板上方使得位移计7的测试端紧挨受试材料；根据试验需要将高弹橡皮膜或者塑料薄膜盖在受试材料上；将盖板4盖在机架顶板5上后用固定螺栓3拧紧，再插上进气管14和测压管13即可进行试验；试验时通过电脑程序操作分级加载气压直至达到预设气压或者受试材料破坏，并实时测量各种数据即可。

一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试方法，该方法包括如下步骤：

第一步，根据桩承加筋路堤实际工况确定影响土工合成材料11性能的因素，包括模型桩10间距、橡皮膜或塑料薄膜厚度以及所需的气压压力值，采用量纲分析法确定各相似常数。

第二步，确定试验材料，即土工合成材料11的种类和强度。

第三步，测试前期准备，包括以下几个步骤：

(101)将土工合成材料11裁剪为适合夹持的大小；

(102)在土工合成材料11上下面黏贴应变片；

(103)在应变片上焊接导线；

(104)将应变片与YE2539高速静态测试仪连接。

第四步，进行试验，包括以下几个步骤：

(1)搭建机架，在上板5上放置土工合成材料11以及橡皮膜或塑料薄膜；

(2)根据确定的模型桩10间距在底板8上设置模型桩10，在桩帽上粘贴土压计，并将土压计连接至高速静态应变测试仪；

(3)在底板8上垂直安装位移计7并连接至采集控制单元；

(4)固定加压夹持单元盖板4，并接通进气通道和测压通道；

(7)采集控制单元控制作用在盖板4上的气压压力值逐级变化，并实时采集应变片、土压计和位移计7的测量数据。

Claims (7)

1.一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置，其特征在于，包括机架、加压夹持单元、模型桩(10)、测量单元和采集控制单元，所述的土工合成材料(11)水平放置在机架上方并通过加压夹持单元固定，所述的加压夹持单元连接至采集控制单元，所述的模型桩(10)垂直机架底面设置并与所述的土工合成材料(11)接触，所述的测量单元测量土工合成材料(11)性能数据；

所述的机架为可拆卸式机架，包括上板(5)、底板(8)和机架柱(6)，所述的上板(5)和底板(8)对应设置，所述的机架柱(6)垂直设置在上板(5)和底板(8)边缘并支撑上板(5)和底板(8)；

所述的上板(5)为圆环板，该圆环板上表面沿内圆边缘设有一圈凹槽，所述的土工合成材料(11)水平放置在该圆环板上方，其边缘落入所述的凹槽中；

所述的加压夹持单元包括盖板(4)以及设置在盖板(4)上的进气通道和测压通道，所述的盖板(4)覆盖在土工合成材料(11)上方并与所述的上板(5)螺栓连接，所述的进气通道和测压通道均连接至采集控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置，其特征在于，所述的土工合成材料(11)和盖板(4)之间还设置橡皮膜或塑料薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置，其特征在于，所述的底板(8)上设有用于固定所述的模型桩(10)的固定孔位(9)，所述的固定孔位(9)分行分列均匀设置在底板(8)上。

4.根据权利要求3所述的一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置，其特征在于，所述的模型桩(10)包括固定端、桩身和桩帽，所述的固定端固定在所述的固定孔位(9)内，所述的桩身连接固定端，所述的桩帽固定在桩身顶部并与所述的土工合成材料(11)接触。

5.根据权利要求1所述的一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置，其特征在于，所述的采集控制单元包括控制器(12)、加压电磁阀、降压电磁阀、气泵和气压传感器，所述的加压电磁阀和降压电磁阀设置连通所述的进气通道并分别连接控制器(12)，所述的气泵连接所述的进气通道，所述的气压传感器设置在所述的测压通道中并连接所述的控制器(12)。

6.根据权利要求4所述的一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置，其特征在于，所述的测量单元包括土压计、应变片、位移计(7)和高速静态应变测试仪，所述的土压计设置在所述的桩帽顶端，所述的应变片贴于所述的土工合成材料(11)上下表面，所述的土压计和应变片均连接至高速静态应变测试仪，所述的位移计(7)垂直设置在底板(8)上，其上端与所述的土工合成材料(11)接触，该位移计(7)还连接至所述的采集控制单元。

7.采用权利要求1～6任一项所述的一种模拟实际工况的土工合成材料性能测试装置的测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据桩承加筋路堤实际工况确定模型桩(10)间距、橡皮膜或塑料薄膜厚度以及所需的气压压力值；

(2)准备受试土工复合材料，并在其上下表面黏贴应变片，将所述的应变片通过导线连接至高速静态应变测试仪；

(3)搭建机架，在上板(5)上依次放至待测试土工合成材料(11)以及橡皮膜或塑料薄膜；

(4)根据确定的模型桩(10)间距在底板(8)上设置模型桩(10)，在桩帽上粘贴土压计，并将土压计连接至高速静态应变测试仪；

(5)在底板(8)上垂直安装位移计(7)并连接至采集控制单元；

(6)固定加压夹持单元盖板(4)，并接通进气通道和测压通道；

(7)采集控制单元控制作用在盖板(4)上的气压压力值逐级变化，并实时采集应变片、土压计和位移计(7)的测量数据。