CN106289987A - 一种能实现各向拉拔的试验系统及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于合成材料力学性能测试技术领域，具体来说，涉及到一种能实现各向拉拔的试验系统及其实施方法。该试验系统包括试验台、电控柜、触摸屏、伺服电机、电动缸、拉压传感器、气缸、气缸承载板、回转支承、试样盒承载板、上试样盒、下试样盒、步进电机、回转驱动、同步回转装置、夹具、土工格栅、气缸活塞。与现有技术相比，本发明所述的能实现各向拉拔的试验系统及其实施方法有效避免了现行试验系统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。

Description

一种能实现各向拉拔的试验系统及其实施方法

技术领域

本发明属于合成材料力学性能测试技术领域，具体来说，涉及到一种能实现各向拉拔的试验系统及其实施方法。。

背景技术

现代加筋土技术是法国工程师HemiVidal于1966年首先提出的，并于20世纪80年代初引入中国，现已在水利、铁路、公路、港口和建筑工程中得到大量应用，解决了许多土木工程中的技术难题，取得良好的社会和经济效益，因而该技术得以蓬勃发展。

近几十年来，不同种类的筋材（从低延性的金属到高延性的高分子聚合物）被用于加筋土结构中，而高分子聚合物筋材在加筋土工程中应用则更广。一般认为，对刚度较小的土工合成材料，用直剪摩擦试验确定其强度参数较符合实际；对刚度较大的材料，则采用拉拔试验更适宜。美国学者McGown提出，对各种加筋土结构而言，起加筋作用的都是土工合成材料的抗拔阻力，他主张用拉拔试验来测定界面强度，同时获得埋在土内筋材的应力-应变关系。法国Schdsser认为，拉拔试验的优点在于测试结果能自动反映土体剪胀和压密状态，并较好模拟筋材在土内的工作条件。现场实测结果已证明，拉拔试验的确能模拟加筋土结构中的加筋行为，为获得合适的设计参数提供了一种可靠的方法，而土工格栅被认为是阻止拉拔破坏最有效筋材之一。

影响拉拔试验结果的因素有很多，以下两点是由试验系统产生的：一是土工合成材料与盒（箱）壁之间的摩擦作用，它使所施加的拉拔力增大，无形中增强了土工合成材料的拉拔特性；二是拉拔速度，拉拔速度的不稳定也会造成对土工合成材料拉拔特性的估计偏差。试验的目的是研究土工合成材料与填土之间的界面力学性能，必须准确记录试验中所施加的法向压力、拉拔力和土工合成材料的水平位移。因此，试验系统的精度至关重要。同时，也需要综合考虑土工合成材料受不同方向载荷下的性能是否有所不同，设计时应该取各方向上的最小值。

综上所述，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，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

为解决上述技术问题，本发明提供了一种测试数据精确、过程可控性好、操作简便的能实现各向拉拔的试验系统及其实施方法。

本发明所述的一种能实现各向拉拔的试验系统，所述试验系统包括试验台1、电控柜2、触摸屏3、伺服电机4、电动缸5、拉压传感器6、气缸7、气缸承载板8、回转支承9、试样盒承载板10、上试样盒11、下试样盒12、步进电机13、回转驱动14、同步回转装置15、夹具16、土工格栅17和活塞杆18；所述电控柜2以及电动缸5设置在试验台1一侧，左右设置；所述电控柜2配有触摸屏3；所述电动缸5采用伺服电机4驱动,并与拉压传感器6一端相连，该拉压传感器6另一端与夹具16相连；所述试验台1另一侧上设置有回转驱动14，与下试样盒12同轴固定；上试样盒11与回转支承9同轴固定，穿过并置于试样盒承载板10上；上试样盒11与下试样盒12通过同步回转装置15固定连接，通过步进电机13带动回转驱动14旋转，进而使上试样盒11与下试样盒12同步旋转；所述气缸7固定于气缸承载板8上，并与上试样盒11、下试样盒12、回转驱动14同心；所述活塞杆18连接在气缸7下端；土工格栅17置于下试样盒12的上表面；所述电控柜1分别与伺服电机4以及气缸6相连。

本发明所述的一种能实现各向拉拔的试验系统，所述伺服电机4驱动电动缸5，通过拉压传感器6与夹具16相连，提供水平拉拔力与水平位移，速度精度0.1mm/min；利用PLC读取电机编码器脉冲数，实时计算位移，位移精度0.01mm。

本发明所述的一种能实现各向拉拔的试验系统，所述上试样盒11与下试样盒12为空心圆柱形，且尺寸一致，内径大于等于200mm，高度大于等于50mm。

本发明所述的一种能实现各向拉拔的试验系统，所述上试样盒11通过安装调整垫片调整与下试样盒12在垂直方向上的间隙。

本发明所述的一种能实现各向拉拔的试验系统，所述回转驱动14采用步进电机13驱动旋转，旋转角度为0-360°。

本发明所述能实现各向拉拔的试验系统的实施方法，所述实施方法具体步骤为：

A）将土工格栅17，裁取横截面呈圆形，直径比上试样盒11、下试样盒12内径大20mm；

B）向下试样盒12填充试验土样并压实，压实度视实际工况而定，压实好之后将其固定于回转驱动14上；将上试样盒11穿过试样盒承载板8并与回转支承9连接固定，根据土工格栅17的厚度添加调整垫片，使上试样盒11与下试样盒12之间的间隙略大于土工格栅17的厚度；

C）将土工格栅17置于下试样盒12的上表面上，保证土工格栅17充满上试样盒11与下试样盒12的重合截面；

D）操作触摸屏3，控制伺服电机4将电动缸5伸出，到达试验开始指定位置，通过夹具16将土工格栅17夹紧固定；

E）操作触摸屏3，调节气缸7压力，通过活塞杆(18)向上试样盒(11)施法向应力，气压调节精度为0.1kPa，2.5小时内气压下降小于等于0.5%；

F）操作触摸屏3，设定水平位移速率，控制在0.5-5mm/min以内；

G）开始进行试验，通过PLC实时采集伺服电机4的转速，并根据编码器读数反馈记录实时位移；触摸屏3实时显示并记录法向应力与水平拉拔力，采样频率为1Hz，直到土工格栅17的被完全拉出或拉断时结束试验；

H）将气缸7泄压，去下上试样盒11，检查土工格栅17是否发生损坏；弱损坏，则需要更换土工格栅17并重新进行步骤A至G；若未发生损坏，则将土工格栅17放回拉拔试验前的初始位置；

I）将上试样盒11重新安装好，将夹具16松开并操作触摸屏3将其退至电动缸5原点，控制步进电机13使回转驱动旋转指定角度；

J）控制电动缸5重新回到试验原点，再用夹具16将已转至指定角度的土工格栅17重新固定好，重新进行步骤D至G；这样就通过不同方向对土工格栅17进行了拉拔试验。

在本发明中，伺服电机驱动电动缸提供拉拔力和水平位移，速度位移精度高、调节范围广，有提高了试验数据的准确性；同时，通过步进电机带动回转驱动旋转，并且上、下试样盒通过同步回转装置固定，使上、下试样盒同步旋转，实现了0-360°拉拔；利用调节垫片调节上、下试样盒的间隙，消除了试样盒表面与土工格栅的摩擦力对试验结果的影响；通过气缸提供法向应力，压力值可通过压力表随时读取，并且与上、下试样盒法向同心，使土样受力更加均匀，计算时理论值更接近实际值，更能反映真实工况。

与现有技术相比，本发明所述的能实现各向拉拔的试验系统及其实施方法有效避免了现行试验系统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：本发明所述试验系统的平面结构图；图2：拉拨力随拉拨位移变化曲线；1-试验台；2-电控柜；3-触摸屏；4-伺服电机；5-电动缸；6-拉压传感器；7-气缸；8-气缸承载板；9-回转支承；10-试样盒承载板；11-上试样盒；12-下试样盒；13-步进电机；14-回转驱动；15-同步回转装置；16-夹具；17-土工格栅；18-气缸活塞。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述的能实现各向拉拔的试验系统做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

一种能实现各向拉拔的试验系统，包括试验台1、电控柜2、触摸屏3、伺服电机4、电动缸5、拉压传感器6、气缸7、气缸承载板8、回转支承9、试样盒承载板10、上试样盒11、下试样盒12、步进电机13、回转驱动14、同步回转装置15、夹具16、土工格栅17和活塞杆18；所述电控柜2以及电动缸5设置在试验台1一侧，左右设置；电控柜2配有触摸屏3；电动缸5采用伺服电机4驱动,并与拉压传感器6一端相连，该拉压传感器6另一端与夹具16相连；所述试验台1另一侧上设置有回转驱动14，与下试样盒12同轴固定；上试样盒11与回转支承9同轴固定，穿过并置于试样盒承载板10上；上试样盒11与下试样盒12通过同步回转装置15固定连接，通过步进电机13带动回转驱动14旋转，进而使上试样盒11与下试样盒12同步旋转；所述气缸7固定于气缸承载板8上，并与上试样盒11、下试样盒12、回转驱动14同心；活塞杆18连接在气缸7下端；土工格栅17置于下试样盒12的上表面；所述电控柜1分别与伺服电机4以及气缸6相连。

所述伺服电机4驱动电动缸5，通过拉压传感器6与夹具16相连，提供水平拉拔力与水平位移，速度精度0.1mm/min；利用PLC读取电机编码器脉冲数，实时计算位移，位移精度0.01mm。所述上试样盒11与下试样盒12为空心圆柱形，且尺寸一致，内径大于等于200mm，高度大于等于50mm。所述上试样盒11通过安装调整垫片调整与下试样盒12在垂直方向上的间隙。所述回转驱动14采用步进电机13驱动旋转，旋转角度为0-360°。

电控柜中选用欧姆龙CP1H-Y系列PLC进行控制，配有NB系列触摸屏，并分别有若干指示灯和按钮；电动缸采用迈茨DMC75-0560-1500-020-31；伺服电机型号为安川SGMJV-02A3A61；拉压传感器采用高灵CFBLS-1系列；气缸采用SMC的CS1B200-250；回转驱动采用万达SE12-78-H-25R，回转支承采用万达010.12.280F；步进电机采用鸿宝达86BYG350-114。气缸承载板与试样盒承载板采用钢板，尺寸为700×500×14mm；上试样盒与下试样盒为圆柱形，内径200mm，厚度5mm；夹具为楔形夹具；土工格栅为圆形，其直径220mm。

本发明所述能实现各向拉拔的试验系统的实施方法，所述实施方法具体步骤为：

A）将土工格栅17，裁取横截面呈圆形，直径比上试样盒11、下试样盒12内径大20mm；

B）向下试样盒12填充试验土样并压实，压实度视实际工况而定，压实好之后将其固定于回转驱动14上；将上试样盒11穿过试样盒承载板8并与回转支承9连接固定，根据土工格栅17的厚度添加调整垫片，使上试样盒11与下试样盒12之间的间隙略大于土工格栅17的厚度；

C）将土工格栅17置于下试样盒12的上表面上，保证土工格栅17充满上试样盒11与下试样盒12的重合截面；

D）操作触摸屏3，控制伺服电机4将电动缸5伸出，到达试验开始指定位置，通过夹具16将土工格栅17夹紧固定；

E）操作触摸屏3，调节气缸7压力，通过活塞杆(18)向上试样盒(11)施法向应力，气压调节精度为0.1kPa，2.5小时内气压下降小于0.5%，调节气压为300kPa；

F）操作触摸屏3，设定水平位移速率为1mm/min；

G）开始进行试验，通过PLC实时采集伺服电机4的转速，并根据编码器读数反馈记录实时位移。触摸屏实时显示并记录法向应力与水平拉拔力，采样频率为1Hz，直到土工格栅17的被完全拉出或拉断时结束试验；

H）将气缸7泄压，去下上试样盒11，检查土工格栅17是否发生损坏；弱损坏，则需要更换土工格栅17并重新进行步骤A至G；若未发生损坏，则将土工格栅17放回拉拔试验前的初始位置；

I）将上试样盒11重新安装好，将夹具16松开并操作触摸屏3将其退至电动缸5原点，控制步进电机13使回转驱动旋转指定角度；

J）控制电动缸5重新回到试验原点，再用夹具16将已转至指定角度的土工格栅17重新固定好，重新进行步骤D至G。这样就通过不同方向对土工格栅17进行了拉拔试验。

图2为在上述试验条件下得到的土工格栅在0°与45°角度下拉拔位移与拉拔力的变化曲线。从图中可以看出，土工格栅在0°与45°方向的最大拉拔力不一致，即力学性能不一样。可以看出，当未考虑土工合成材料的各向异性，按照土工合成材料标称性能进行工程设计时，可能不满足要求不满足工程实际需求，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格栅性能的各向异性，可以更准确得评估土工合成材料的性能，解决了工程应用中存在的安全隐患。

Claims (6)

1.一种能实现各向拉拔的试验系统，其特征在于，所述试验系统包括试验台（1）、电控柜（2）、触摸屏（3）、伺服电机（4）、电动缸（5）、拉压传感器（6）、气缸（7）、气缸承载板（8）、回转支承（9）、试样盒承载板（10）、上试样盒（11）、下试样盒（12）、步进电机（13）、回转驱动（14）、同步回转装置（15）、夹具（16）、土工格栅（17）和活塞杆（18）；所述电控柜（2）以及电动缸（5）设置在试验台（1）一侧，左右设置；电控柜（2）配有触摸屏（3）；电动缸（5）采用伺服电机（4）驱动,并与拉压传感器（6）一端相连，该拉压传感器（6）另一端与夹具（16）相连；所述试验台（1）另一侧上设置有回转驱动（14），与下试样盒（12）同轴固定；上试样盒（11）与回转支承（9）同轴固定，穿过并置于试样盒承载板（10）上；上试样盒（11）与下试样盒（12）通过同步回转装置（15）固定连接，通过步进电机（13）带动回转驱动（14）旋转，进而使上试样盒（11）与下试样盒（12）同步旋转；所述气缸（7）固定于气缸承载板（8）上，并与上试样盒（11）、下试样盒（12）、回转驱动（14）同心；活塞杆（18）连接在气缸（7）下端；土工格栅（17）置于下试样盒（12）的上表面；所述电控柜（1）分别与伺服电机（4）以及气缸（6）相连。

2.根据权利要求1所述的能实现各向拉拔的试验系统，其特征在于，所述伺服电机（4）驱动电动缸（5），通过拉压传感器（6）与夹具（16）相连，提供水平拉拔力与水平位移，速度精度0.1mm/min；利用PLC读取电机编码器脉冲数，实时计算位移，位移精度0.01mm。

3.根据权利要求1所述的能实现各向拉拔的试验系统，其特征在于，所述上试样盒（11）与下试样盒（12）为空心圆柱形，且尺寸一致，内径大于等于200mm，高度大于等于50mm。

4.根据权利要求1所述的能实现各向拉拔的试验系统，其特征在于，所述上试样盒（11）通过安装调整垫片调整与下试样盒（12）在垂直方向上的间隙。

5.根据权利要求1所述的能实现各向拉拔的试验系统，其特征在于，所述回转驱动（14）采用步进电机（13）驱动旋转，旋转角度为0-360°。

6.根据权利要求1所述能实现各向拉拔的试验系统的实施方法，所述实施方法具体步骤为：

A）将土工格栅（17），裁取横截面呈圆形，直径比上试样盒（11）、下试样盒（12）内径大20mm；

B）向下试样盒（12）填充试验土样并压实，压实度视实际工况而定，压实好之后将其固定于回转驱动（14）上；将上试样盒（11）穿过试样盒承载板（8）并与回转支承（9）连接固定，根据土工格栅（17）的厚度添加调整垫片，使上试样盒（11）与下试样盒（12）之间的间隙略大于土工格栅（17）的厚度；

C）将土工格栅（17）置于下试样盒（12）的上表面上，保证土工格栅（17）充满上试样盒（11）与下试样盒（12）的重合截面；

D）操作触摸屏（3），控制伺服电机（4）将电动缸（5）伸出，到达试验开始指定位置，通过夹具（16）将土工格栅（17）夹紧固定；

E）操作触摸屏（3），调节气缸（7）压力，通过活塞杆(18)向上试样盒(11)施法向应力，气压调节精度为0.1kPa，2.5小时内气压下降小于等于0.5%；

F）操作触摸屏（3），设定水平位移速率，控制在0.5-5mm/min以内；

G）开始进行试验，通过PLC实时采集伺服电机（4）的转速，并根据编码器读数反馈记录实时位移；触摸屏（3）实时显示并记录法向应力与水平拉拔力，采样频率为1Hz，直到土工格栅（17）的被完全拉出或拉断时结束试验；

H）将气缸（7）泄压，去下上试样盒（11），检查土工格栅（17）是否发生损坏；弱损坏，则需要更换土工格栅（17）并重新进行步骤A至G；若未发生损坏，则将土工格栅（17）放回拉拔试验前的初始位置；

I）将上试样盒（11）重新安装好，将夹具（16）松开并操作触摸屏（3）将其退至电动缸（5）原点，控制步进电机（13）使回转驱动旋转指定角度；

J）控制电动缸（5）重新回到试验原点，再用夹具（16）将已转至指定角度的土工格栅（17）重新固定好，重新进行步骤D至G；这样就通过不同方向对土工格栅（17）进行了拉拔试验。