CN107356482B - 测试土工合成材料蠕变性能的试验平台 - Google Patents

测试土工合成材料蠕变性能的试验平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测试土工合成材料蠕变性能的试验平台，包括试验台架、试验箱、竖向加载装置、承载滑动装置、水平加载装置、左侧夹具、右侧夹具、传感器和控制系统，试验箱用于填充土壤，承载滑动装置包括水平安装在试验台架上的两根滑杆和与滑杆滑动配合的滑套，滑套顶部水平安装底板，试验箱固定安装在底板上表面，底板上还设有加载框架，竖向加载装置固定安装在加载框架中部，左侧夹具和右侧夹具对称安装在试验箱两侧、且对称设置，右侧夹具借助于拉杆连接传感器，左侧夹具与水平加载装置的动力端连；通过在试验箱内填充土壤，待测试土工合成材料位于土壤内，能够真实模拟土工合成材料在土壤约束/侧限情况下的蠕变情况，提高试验精度。

Description

测试土工合成材料蠕变性能的试验平台
技术领域
本发明涉及土工合成材料测试技术领域，尤其涉及一种测试土工合成材料蠕变性能的试验平台。
背景技术
土工合成材料与传统的砖石、水泥等材料相比，其轻巧、经济实用的特点，使其成为一种新型的岩土工程材料。随着土工合成材料在工程中的大量应用，由于其长期处于负荷状态，人们开始关心土工合成材料的长期力学性质的变化是否影响工程加固体的长期稳定。
土工合成在工程结构中的一个重要特性是:在恒定荷载下其变形是时间的函数，即表现出明显的蠕变特性。在土体中作为加筋/加强作用的土工合成材料应具有良好的抗蠕变性能，否则在长期荷载的作用下，材料如产生较大的变形将会使结构失去稳定，而影响其在结构中的加强作用，甚至可能会造成工程结构的塌陷，因此，亟待对土工合成材料的蠕变特性性进行深入研究。
对于土工合成材料蠕变性能的测试，传统的试验方法与装置是测定土工合成材料在不受土壤侧限约束条件下的拉伸蠕变性能，由于实际工程中筋土的相互作用，土工合成材料在土壤中的蠕变有可能会减小，进而使试验结果与实际工程中土工材料的真实受力有所出入，故其试验结果不能真实反映土工合成材料在土壤中的蠕变特性。
如申请号为201220050240.9的专利文献，公开了一种土工合成材料蠕变试验仪，以及申请号为201110412460.1的专利文献，公开了一种蠕变测试装置，上述两种该装置是测定土工合成材料在不受土壤侧限约束条件下的拉伸蠕变性能，试验结果不能真实反映土工合成材料在土壤中的蠕变特性。
另外一方面，国内部分高校所采用的蠕变测试装置均存在不同的技术缺陷：
（1）用上下两个夹具夹住土工合成材料。这样设置可能会使土工合成材料试样在试验时除会受到拉伸荷载外，还可能会受到上夹具及其上部结构带来的重力，影响试验精度。
（2）变形测量系统中用橡皮筋将上下夹具和带表游标卡尺箍住，以对试验过程试样的变化进行量测。虽然带表游标卡尺能保证量测的精度，但是蠕变特性试验历时较长，一般约为1000 h左右，用橡皮筋做固定的话，如若中途橡皮筋受到损坏，不能保证夹具和卡尺结合在一起，必然会影响数据的准确度，且不易维护。
（3）下夹具下部连接有加载装置，加载装置通过托盘上的砝码来控制恒定拉力。这样设置没能满足规范要求中：荷载应均匀分布于试样的整个宽度。另外，规范规定加载系统应具有对试样施加预张力的能力，规定预张力值等于拉伸强度的1%，直接放置不能保证施加的预张力是否满足要求。其次，规范还规定施加拉伸蠕变荷载至规定值所需的加载时间不超过60s，通过砝码可能达不到要求。
（4）现有设备需要专人观察并记录试验情况，试验历时较长，工作负荷大。
（5）现有设备因多采用砝码加载，故位移速率不能进行调节。
（6）因为蠕变试验历时较长，所以容许伸长量的空间要充足。
（7）现有设备没有紧急停止装置，无法确保实验过程中实验操作人员的安全。
因此，研发一种能较为真实反映土工合成材料在土壤中的蠕变力学特性，且操作方便的土工合成材料蠕变性能测试装置具有重要的科研应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测试土工合成材料蠕变性能的试验平台，通过与土工合成材料配套设置试验箱，试验箱内填充土壤，并用竖向加载装置将土壤压实，而待测试土工合成材料位于土壤内，能够真实模拟土工合成材料在土壤约束/侧限情况下的蠕变情况，而且是在无人工干扰的情况下进行试验，保证了试验数据的精确度。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种测试土工合成材料蠕变性能的试验平台，包括试验台架、试验箱、竖向加载装置、承载滑动装置、水平加载装置、左侧夹具、右侧夹具、传感器和控制系统，所述试验箱用于填充土壤，所述承载滑动装置包括水平安装在试验台架上的两根滑杆和与滑杆滑动配合的滑套，滑套顶部水平安装底板，所述试验箱固定安装在底板上表面，底板上还设有加载框架，所述竖向加载装置固定安装在加载框架中部，所述左侧夹具和右侧夹具对称安装在试验箱两侧、且对称设置，右侧夹具借助于拉杆连接传感器，左侧夹具与水平加载装置的动力端连接。
所述竖向加载装置包括竖向液压缸和加载板，所述竖向液压缸的缸体前端固定安装在加载框架横梁中部，竖向液压缸的活塞杆下端借助于球形铰链连接加载板，竖向加载装置用于压实试验箱内的土壤。
所述试验箱包括下试验箱和上试验箱，所述下试验箱为上开口的矩形箱体结构，下试验箱的上开口与左侧夹具和右侧夹具的夹持面平行，所述上试验箱为上下开口的矩形筒体结构。
所述水平加载装置包括水平液压缸，水平液压缸借助于支架安装在试验台架上方，水平液压缸的活塞杆端部借助于球形铰链连接左侧夹具。
所述左侧夹具和右侧夹具结构相同，均包括上夹板和下夹板，上夹板与下夹板借助于螺钉连接、且上夹板与下夹板贴合面之间设置凹凸嵌合结构。
所述控制系统包括电源、工控机、显示屏和控制面板，所述工控机信号输入端连接传感器和伸长计，传感器用于检测水平加载装置施加在土工材料上的拉力，所述伸长计用于测量试验过程中土工材料的伸长量，工控机信号输入端连接控制面板，控制面板上设置用于调整水平液压缸和竖向液压缸的拉力和压力的旋钮，所述工控机信号输出端连接显示屏，所述工控机信号输出端连接水平液压缸和竖向液压缸的控制端。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过与土工合成材料配套设置试验箱，试验箱内填充土壤，并用竖向加载装置将土壤压实，而待测试土工合成材料位于土壤内，能够真实模拟土工合成材料在土壤约束/侧限情况下的蠕变情况，有益效果主要体现在以下几个方面：
（1）较为真实的模拟土工合成材料在受土壤约束条件下的拉伸蠕变/拉伸蠕变断裂、伸长松弛和负荷松弛的性能，比较符合现场的实际情况，而且操作方便，为土工合成材料蠕变力学特性的研究提供了一种科学有效的装置；
（2）夹持试样的左侧夹具和右侧夹具在限制试样的滑移的同时，保证了加载时土工材料试样受力均匀，减小了实验误差，荷载施加更加符合规范，具有更高的准确率。
另外一方面，本发明通过设置用于控制竖向加载装置和水平加载装置的控制系统，控制系统通过采集传感器和伸长计的参数对试验数据进行记录，同时能够在试验过程中调整竖向加载装置的压力和水平加载装置的拉力，并进行记录，实现试验过程的自动化，试验结果更加精确。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的右视图。
图3是控制系统的原理框图；
其中：1、底脚调节螺栓；2、紧急停止按钮；3、启动/停止按钮；4、电源开关；5、控制面板；6、水平加载装置；7、左侧夹具；8、上试验盒；9、竖向加载装置；10、下试验盒；11、右侧夹具；12、传感器；13、承载滑动装置；14、竖向加载开关；15、压力调节阀；16、数显压力表；17、试验台架。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-2所示，本发明公开了一种测试土工合成材料蠕变性能的试验平台，包括试验台架17、试验箱、竖向加载装置9、承载滑动装置13、水平加载装置6、左侧夹具7、右侧夹具11、传感器12和控制系统，试验箱用于填充土壤，承载滑动装置13包括水平安装在试验台架17上的两根滑杆和与滑杆滑动配合的滑套，滑套顶部水平安装底板，试验箱固定安装在底板上表面，底板上还设有加载框架，竖向加载装置9固定安装在加载框架中部，左侧夹具7和右侧夹具11对称安装在试验箱两侧、且对称设置，右侧夹具11借助于拉杆连接传感器12，左侧夹具7与水平加载装置6的动力端连接，左侧夹具7和右侧夹具11结构相同，均包括上夹板和下夹板，上夹板与下夹板借助于螺钉连接、且上夹板与下夹板贴合面之间设置凹凸嵌合结构，左侧夹具的下夹板上设置多个凹槽，上夹板上多个与凹槽相配合的凸起，装夹待测土工合成材料时，凸起和凹槽用于限制土工合成材料的位移，夹持试样的夹具限制试样的滑移的同时，保证了加载时土工材料试样受力均匀，减小了实验误差，荷载施加更加符合规范，具有更高的准确率。
竖向加载装置9包括竖向液压缸和加载板，竖向液压缸的缸体前端固定安装在加载框架横梁中部，竖向液压缸的活塞杆下端借助于球形铰链连接加载板，竖向加载装置9用于压实试验箱内的土壤。
试验箱包括下试验箱10和上试验箱8，下试验箱10为上开口的矩形箱体结构，下试验箱10的上开口与左侧夹具7和右侧夹具11的夹持面平行，上试验箱8为上下开口的矩形筒体结构；水平加载装置6包括水平液压缸，水平液压缸借助于支架安装在试验台架17上方，水平液压缸的活塞杆端部借助于球形铰链连接左侧夹具7。
所述控制系统包括电源、工控机、显示屏和控制面板，所述工控机信号输入端连接传感器12和伸长计，传感器12用于检测水平加载装置施加在土工材料上的拉力，所述伸长计用于测量试验过程中土工材料的伸长量，工控机信号输入端连接控制面板，控制面板上设置用于调整水平液压缸和竖向液压缸的拉力和压力的旋钮，所述工控机信号输出端连接显示屏，所述工控机信号输出端连接水平液压缸和竖向液压缸的控制端，通过设置用于控制竖向加载装置和水平加载装置的控制系统，控制系统通过采集传感器和伸长计的参数对试验数据进行记录，同时能够在试验过程中调整竖向加载装置的压力和水平加载装置的拉力，并进行记录，实现试验过程的自动化，试验结果更加精确。
在具体应用过程中，本发明能够真实模拟土工合成材料在土壤约束/侧限情况下的蠕变情况，用左侧夹具和右侧夹具结合的方式夹住土工合成材料两端，在左侧夹具和右侧夹具中间放置一个盛放土壤的开口试验箱，让左侧夹具和右侧夹具的夹持面的高度和下试验箱顶面保持一个水平面，这样在将土填入试验箱后，用液压加载系统中的加载板进行压实，其中竖向加载装置放置于试验箱上部的加载框架上，加载框架有足够的刚度，能支撑荷载，且与外部振动隔离，不受试样断裂的影响，这样保证可以进行恒定的加载，为了改善本发明的可操作性，本发明还配套设置控制箱，用于控制竖向加载装置和水平加载装置的加载力和加载速率，同时通过伸长计测量仪器计量土工合成材料的伸长量。
夹持试样的左侧夹具和右侧夹具由上下设置的两组两个夹板所组成，通过5个螺丝连接在两个相对上下夹板的对应面上，其中一个对应面上设有若干凸起，另一个对应面上设有与凸起相对应的凹槽。这样设置可以限制试样的滑移，保证加载时试样受力均匀，减小了实验误差，荷载施加更加规范，具有更高的准确率。
液压加载系统中包括拉伸荷载和加压荷载。拉伸蠕变荷载可以保持恒定，并精确至±1%。同时可以调节位移速率，位移速率：0.3mm~50mm/min（数字设定）。加载板尺寸和开口试验箱的内边缘尺寸一致，这样可以满足规范要求的荷载均匀分布于试样的整个宽度。在加载操作面板上可对加圧板进行加载、卸载的操作，加载过程中还可以对施加压力进行调节，有电子显示屏显示法向应力的数值，这样可以保证土的密实度，同时可以确认所需的荷载加到试样上，满足规范要求。
为保证加载系统具有对试样施加预张力的能力，且加载时间不超过60s，故在试验过程中进行二次操作。即左侧夹具和右侧夹具夹好试样后，按启动键启动，在水平加载装置的作用下左侧夹具向左移动，跟踪负荷显示实时的负荷。当试样的负荷达到设置的预张力时，左侧夹持器停止移动，等待按第二次启动键。按第二次启动键后, 当试样的负荷达到设置负荷时, 左侧夹具停止移动，试验时间开始计时。
为保证量测标记长度的精度为±0.1%，选择电子伸长计。同时为了保证读数的重现性和仪器的长期稳定性，仪器可以储存数据，通过专用的适配器可以将数据导出，也可以打印输出。
为了保证计时的精确度和及时性，仪器内部具有时间参数设置的功能，另外可以连续记录或按规定的时间间隔记录试样的伸长，以及试样发生断裂时的时间，不再需要专人记录，有效节约了人力资源。又因试验耗时较长，故配有停电保护措施。
另外还有紧急停止装置，确保实验过程中实验操作人员的安全。
同时为适应各种试验环境，提高试验的精确度，本装置添加了仪器水平调节装置，所述仪器水平调节装置为主机底部的六只底脚螺栓，调整后可使仪器始终保持在水平状态，减小了试验误差。
本发明可较真实的反映土工合成材料在土壤中的蠕变力学特性，且操作方便，为土工合成材料蠕变力学特性的研究提供了一种科学有效的装置。

Claims (4)

1.一种测试土工合成材料蠕变性能的试验平台，其特征在于：包括试验台架（17）、试验箱、竖向加载装置（9）、承载滑动装置（13）、水平加载装置（6）、左侧夹具（7）、右侧夹具（11）、传感器（12）和控制系统，所述试验箱用于填充土壤，所述承载滑动装置（13）包括水平安装在试验台架（17）上的两根滑杆和与滑杆滑动配合的滑套，滑套顶部水平安装底板，所述试验箱固定安装在底板上表面，底板上还设有加载框架，所述竖向加载装置（9）固定安装在加载框架中部，所述左侧夹具（7）和右侧夹具（11）对称安装在试验箱两侧、且对称设置，右侧夹具（11）借助于拉杆连接传感器（12），左侧夹具（7）与水平加载装置（6）的动力端连接；所述竖向加载装置（9）包括竖向液压缸和加载板，所述竖向液压缸的缸体前端固定安装在加载框架横梁中部，竖向液压缸的活塞杆下端借助于球形铰链连接加载板，竖向加载装置（9）用于压实试验箱内的土壤；所述试验箱包括下试验箱（10）和上试验箱（8），所述下试验箱（10）为上开口的矩形箱体结构，下试验箱（10）的上开口与左侧夹具（7）和右侧夹具（11）的夹持面平行，所述上试验箱（8）为上下开口的矩形筒体结构。
2.根据权利要求1所述的测试土工合成材料蠕变性能的试验平台，其特征在于：所述水平加载装置（6）包括水平液压缸，水平液压缸借助于支架安装在试验台架（17）上方，水平液压缸的活塞杆端部借助于球形铰链连接左侧夹具（7）。
3.根据权利要求2所述的测试土工合成材料蠕变性能的试验平台，其特征在于：所述左侧夹具（7）和右侧夹具（11）结构相同，均包括上夹板和下夹板，上夹板与下夹板借助于螺钉连接、且上夹板与下夹板贴合面之间设置凹凸嵌合结构。
4.根据权利要求3所述的测试土工合成材料蠕变性能的试验平台，其特征在于：所述控制系统包括电源、工控机、显示屏和控制面板，所述工控机信号输入端连接传感器（12）和伸长计，传感器（12）用于检测水平加载装置施加在土工材料上的拉力，所述伸长计用于测量试验过程中土工材料的伸长量，工控机信号输入端连接控制面板，控制面板上设置用于调整水平液压缸和竖向液压缸的拉力和压力的旋钮，所述工控机信号输出端连接显示屏，所述工控机信号输出端连接水平液压缸和竖向液压缸的控制端。
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