CN108225943A - 一种能防止膨润土衬垫材料水化试样膨出的鱼腹形浮置咬合式侧限框 - Google Patents

Abstract

本发明属岩土工程技术领域，具体涉及一种能防止膨润土衬垫材料水化试样膨出的鱼腹形浮置咬合式侧限框装置。由下框、上框、下框咬齿、上框咬齿、下框防漏唇、上框防漏唇、咬齿定位槽、咬齿定位棱、浮置弹簧、鱼腹结构支撑柱、鱼腹结构受拉构件和固定螺丝组成。下框和上框通过咬齿的咬合作用实现水平向固定，通过防漏唇实现对水化的土工复合膨润土衬垫试样的侧限，同时浮置弹簧可使得侧限框装置高度随测试的土工复合膨润土衬垫试样高度变化，保证了正压力可有效作用于试样上。通过鱼腹结构支撑柱和受拉构件，有效提高了结构整体刚度。本发明解决了土工膜‑土工复合膨润土衬垫界面剪切试验过程中膨润土颗粒侧向膨出的问题，对于提高试验测试精度具有重要意义。

Description

一种能防止膨润土衬垫材料水化试样膨出的鱼腹形浮置咬合 式侧限框

技术领域

本发明属岩土工程技术领域，具体涉及一种能防止膨润土衬垫材料水化试样膨出的鱼腹形浮置咬合式侧限框。

背景技术

土工复合膨润土衬垫（Geosynthetic clay liner, GCL）是一种由两层土工聚合物（土工膜、土工布等）夹持膨润土，并通过针刺或编织形成的具有较低渗透系数的复合防渗材料，我国《生活垃圾卫生填埋处理技术规范GB50869》和《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范CJJ176》中均规定了生活垃圾填埋场中需使用以土工膜和土工复合膨润土衬垫为主体的底部衬垫形式。在垃圾填埋场底部衬垫层中，土工复合膨润土衬垫的工作原理是利用膨润土在水化作用下颗粒会发生的膨胀的机理，吸收地基土中的水分，形成致密的不透水层，起到防渗作用。但是，由于填埋场底部衬垫层中土工复合膨润土衬垫需要与土工膜共同使用，两种土工合成材料之间形成的界面抗剪强度普遍较低，因而在土工膜和土工复合膨润土衬垫界面上可能形成潜在的滑动面，对于垃圾填埋场的整体稳定性而言极为不利，在地震等极端条件下该薄弱界面的危害会被进一步放大。所以在垃圾填埋场的堆体稳定设计中，必须充分考虑土工复合膨润土衬垫和土工膜界面低剪切强度的问题，而该问题的考虑必须以土工复合膨润土衬垫和土工膜界面剪切试验为基础。目前主要采用直接剪切法和循环剪切法来分别测试土工膜和土工复合膨润土衬垫在服役条件下的界面静、动力剪切强度特性，剪切试验前需要预先将土工复合膨润土衬垫做水化处理。而土工复合膨润土衬垫水化试样的剪切试验过程中，由于高正压力和剪切力的同时作用，膨润土衬垫内部会产生较大的超孔压，膨润土的低渗透性决定了孔压不能迅速消散，进而会导致膨润土在超孔压的作用下发生侧向膨出，极大地影响试验结果。因此，亟需研制能够有效避免土工复合膨润土衬垫剪切试验过程中发生膨润土颗粒侧向挤出装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能防止膨润土衬垫材料水化试样膨出的鱼腹形浮置咬合式侧限框。

本发明提出的能防止膨润土衬垫材料水化试样膨出的鱼腹形浮置咬合式侧限框，由下框1和上框2组成，其中：

下框1由下框咬齿3、下框防漏唇5、咬齿定位槽7、浮置弹簧9、鱼腹结构支撑柱10、鱼腹结构受拉杆件11和固定螺丝12组成，下框咬齿3采用工字型不锈钢构件，每个下框咬齿3两侧分别与下框防漏唇5和下框1焊接在一起，每两个相邻下框咬齿３之间间距一致，下框咬齿3主要起插入上框2中预留槽口，实现下框1和上框2的咬合固定的作用，下框防漏唇5采用一层薄不锈钢板，均匀焊接于下框咬齿3上，试验过程中起限制土工复合膨润土衬垫中膨润土发生侧向挤出的作用；相邻下框咬齿3之间的预留孔位构成咬齿定位槽7，其呈十字型结构，为上框咬齿4的插入位置，以实现下框1和上框2的咬合连接；若干个浮置弹簧9一端均焊接于下框1上，另一端抵住上框１底部，在正压力作用下可以发生压缩，即用以保证剪切试验过程中，侧限框的高度会随着侧限框内土工复合膨润土衬垫试样13的高度一起变化，从而确保正压力可以作用到土工复合膨润土衬垫试样13上；每组鱼腹结构支撑柱10为４根，两组鱼腹结构支撑柱10对称分布于下框1两侧，且与下框1组成一体，各鱼腹结构支撑柱10长度不同，中间两根鱼腹结构支撑柱10较长，边缘两根鱼腹结构支撑柱10较短，用以形成鱼腹形结构，每根鱼腹形支撑柱10端部有预留螺丝孔洞，用于与鱼腹结构受拉构件11连接，鱼腹结构受拉构件11采用不锈钢条，不锈钢条上有预留孔洞，通过固定螺丝12，实现与鱼腹结构支撑柱10的连接；

上框2由上框咬齿4、上框防漏唇6和咬齿定位棱8组成，上框咬齿4采用不锈钢构件，焊接于上框2上，其形状与下框1上的咬齿定位槽7一致，以保证上框2能通过上框咬齿4与咬齿定位槽7的咬合连接在一起；上框防漏唇6采用预制薄不锈钢板，均匀焊接于上框咬齿4上，与下框防漏唇５共同起到限制土工复合膨润土衬垫试样13中膨润土的侧向挤出；相邻上框咬齿4之间预留的孔洞形成咬齿定位棱8，其形状与下框咬齿3保持一致，起到下框1与上框2咬合固定的作用。

本发明中，浮置弹簧9每侧均匀分布6个，共12个。

本发明中，下框1和上框2通过咬齿的相互咬合形成整体，共同起到限制框内土工复合膨润土衬垫试样13膨润土挤出的作用，且可以实现高度随试样高度一同变化，不影响试验的加载和测试。

本发明的工作过程：

土工膜-土工复合膨润土衬垫界面剪切试验的工作过程如下：将下框1放置于直剪仪的下加圧板15上，并通过螺栓将下框1与下加圧板固定。将裁剪好的预水化完成的测试土工复合膨润土衬垫试样13放置于下框内部，平铺均匀。将上框2按照咬合齿的对应关系，放在下框1上，确保上下框的结合稳固。旋紧固定螺丝12，将鱼腹结构受拉杆件11与鱼腹结构支撑柱10牢固连接在一起。将测试的土工膜试样14放置于上框2上部，确保其主要剪切面积与下部土工复合膨润土试验重合。将直剪仪的上加圧板16缓慢降低，作用于土工膜试样14上，持续加压以使试验厚度变化趋于稳定。通过位移监测系统观察，待剪切试验的厚度变化趋于平缓时，可以开始施加水平向剪切力或位移。待剪切试验完成后，抬起仪器上加圧板16，将土工膜试样14取下。旋松固定螺丝12，取下上框2，再将土工复合膨润土衬垫试样13取出，即可对试样后试验进行观察和分析。

本发明的有益效果：

本发明装置的最大优点是实现了土工膜与土工复合膨润土衬垫界面剪切试验过程中对膨润土侧向挤出的有效限制，消除了试验过程中土工复合膨润土衬垫内超孔压带来的不利影响，有效提高了用一般土工试验仪器测试土工膜-土工复合膨润土衬垫界面剪切特性的试验效果。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明的前视图。

图3为本发明的侧视图。

图4为本发明的俯视图。

图5为本发明处于压缩状态的示意图。

图6为本发明处于压缩状态的正视图。

图7为本发明的下框1的示意图。

图8为本发明的上框2的示意图。

图9为本发明的上框2的反转示意图。

图10为本发明的实验使用原理图。

图中标号：1为下框，2为上框，3为下框咬齿，4为上框咬齿，5为下框防漏唇，6为上框防漏唇，7为咬齿定位槽，8为咬齿定位棱，9为浮置弹簧，10为鱼腹结构支撑柱，11为鱼腹结构受拉杆件，12为固定螺丝，13为测试土工复合膨润土衬垫试样，14为测试土工膜试样，15为仪器下加压板，16为仪器上加压板。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1：

如图1~图10所示，装置由下框1和上框2组成，下框1由下框咬齿3、下框防漏唇5、咬齿定位槽7、浮置弹簧9、鱼腹结构支撑柱10、鱼腹结构受拉杆件11和固定螺丝12组成，由于水化的土工复合膨润土衬垫剪切试验过程中会有水挤出，故下框咬齿3为预制工字型不锈钢构件，每个下框咬齿3两侧分别与下框防漏唇5和下框1焊接在一起，每两个相邻咬齿之间间距一致，下框咬齿3主要起插入上框2中预留槽口，实现下框1和上框2的咬合固定的作用，是下框1中最主要的构件；下框防漏唇5为一层薄不锈钢板，均匀焊接在下框咬齿3上，试验过程中起限制土工复合膨润土衬垫中膨润土发生侧向挤出的作用，为主要的功能性构件；咬齿定位槽7即相邻下框咬齿3之间的预留孔位，呈十字型，为上框咬齿4的插入位置，用以实现下框1和上框2的咬合连接；浮置弹簧9每侧均匀分布6个，共12个，弹簧一端焊接在下框1上，在正压力作用下可以发生压缩，即用以保证剪切试验过程中，侧限框的高度会随着侧限框内土工复合膨润土衬垫试样13的高度一起变化，从而确保正压力可以作用到土工复合膨润土衬垫试样13上；鱼腹结构支撑柱10为与下框1共同预制的不锈钢结构，对称分布在下框1两侧，共4根，各支撑柱长度不同，中间两根较长，边缘两根较短，用以形成鱼腹形结构，每根鱼腹形支撑柱10端部有预留螺丝孔洞，用于与鱼腹结构受拉构件11连接，由于土工复合膨润土试样13较薄，故决定了整个侧限框的厚度有限，在试验过程中，土工复合膨润土衬垫13内部的超孔压作用可能导致侧限框变形过大，故设计了鱼腹形加固结构，以增大侧限装置的刚度，鱼腹结构支撑柱10即实现这一功能的主要部件之一；鱼腹结构受拉构件11为一预制不锈钢条，钢条上有预留孔洞，通过特制固定螺丝12，实现与鱼腹结构支撑柱10的连接，由于钢具有较好的受拉性能，故该鱼腹结构受拉构件11的引入，可以将下框防漏唇5上受到的向外的力转化为拉力，进而很好地提高结构的整体刚度；

上框2由上框咬齿4、上框防漏唇6和咬齿定位棱8组成，上框咬齿4性质与下框咬齿3一致，为预制不锈钢构件，焊接于上框2，形状与下框1上的咬齿定位槽7一致，以保证上框2能通过上框咬齿4与咬齿定位槽7的咬合作用连接在一起；上框防漏唇6与下框防漏唇5的性能一致，为预制薄不锈钢板，均匀焊接在上框咬齿4上，与下框防漏唇共同起到限制土工复合膨润土衬垫试样13中膨润土的侧向挤出；咬齿定位棱8为上框咬齿4之间预留的孔洞，形状与下框咬齿3保持一致，同样起到方便下框1与上框2咬合固定的作用。

其中，下框1主体为2mm厚不锈钢板，形状如图7所示，框内为20×70cm矩形。上框2主体同样为2mm厚不锈钢板，形状如图8~图9所示。下框咬齿3为预制工字型不锈钢构件，长度10mm，两侧分别与下框防漏唇5和下框1焊接在一起，每两个相邻咬齿之间间距一致，于下框1长边均匀分布16个，短边均匀分布6个。上框咬齿4为预制不锈钢构件，长度10mm，两侧分布于上边框防漏唇6和上框2焊接在一起，每两个相邻咬齿间距一致，于上框2长边均匀分布17个，短边均匀分布7个，位置与下框防漏唇5正好形成交错。下框防漏唇5为一层1mm厚不锈钢板，均匀焊接在下框咬齿3上。上框防漏唇6为一层1mm厚不锈钢板，焊接在上框咬齿4上。咬齿定位槽7即相邻下框咬齿3之间的预留孔位，呈十字型，高度10mm。咬齿定位棱8为上框咬齿4上附属部件，高度10mm，起到定位作用。浮置弹簧9不受压状态高度20mm，于下框1长边每边均匀分布6个，共12个，弹簧一端焊接在下框1上。鱼腹结构支撑柱10为与下框1共同预制的不锈钢结构，对称分布在下框1长边两侧，共4根，各支撑柱长度不同，中间两根为80mm，边缘两根为40mm，每根鱼腹形支撑柱10端部有预留螺丝孔洞。鱼腹结构受拉构件11为厚度2mm的预制不锈钢条，钢条上有预留孔洞，通过特制固定螺丝12，实现与鱼腹结构支撑柱10的连接。下框1和上框2通过咬齿的相互咬合形成整体，共同起到限制框内土工复合膨润土衬垫试样13膨润土挤出的作用，且可以实现高度随试样高度一同变化。

将上述装置用于土工膜和土工复合膨润土衬垫的界面剪切试验，其工作过程如下：将试验用土工膜试样14裁剪为20×80cm；将试验用土工复合膨润土衬垫试样13裁剪为20×70cm，并将该试样于水中正压力1kPa条件下预水化24h。试样水化完成后，将下框1放置于直剪仪的下加圧板15上，并通过螺栓将下框1与下加圧板固定。将裁剪好的预水化完成的测试土工复合膨润土衬垫试样13放置于下框内部，平铺均匀。将上框2按照咬合齿的对应关系，放在下框1上，确保上下框的结合稳固。旋紧固定螺丝12，将鱼腹结构受拉杆件11与鱼腹结构支撑柱10牢固连接在一起。将测试的土工膜试样14放置于上框2上部，确保其主要剪切面积与下部土工复合膨润土试验重合。将直剪仪的上加圧板16缓慢降低，作用于土工膜试样14上，持续加压以使试验厚度变化趋于稳定。通过位移监测系统观察，待剪切试验的厚度变化趋于平缓时，可以开始施加水平向剪切力或位移。待剪切试验完成后，抬起仪器上加圧板16，将土工膜试样14取下。旋松固定螺丝12，取下上框2，再将土工复合膨润土衬垫试样13取出，即可对试样后试验进行观察和分析。参照图1~图10，本领域的技术人员均能顺利实施。

Claims (2)

1.一种能防止膨润土衬垫材料水化试样膨出的鱼腹形浮置咬合式侧限框，由下框(1)和上框(2)组成，其特征在于：

下框(1)由下框咬齿(3)、下框防漏唇(5)、咬齿定位槽(7)、浮置弹簧(9)、鱼腹结构支撑柱(10)、鱼腹结构受拉杆件(11)和固定螺丝(12)组成，下框咬齿(3)采用工字型不锈钢构件，每个下框咬齿(3)两侧分别与下框防漏唇(5)和下框1焊接在一起，每两个相邻下框咬齿(3)之间间距一致，下框咬齿(3)主要起插入上框(2)中预留槽口，实现下框(1)和上框(2)的咬合固定的作用，下框防漏唇(5)采用一层薄不锈钢板，均匀焊接于下框咬齿(3)上，试验过程中起限制土工复合膨润土衬垫中膨润土发生侧向挤出的作用；相邻下框咬齿(3)之间的预留孔位构成咬齿定位槽(7)，其呈十字型结构，为上框咬齿(4)的插入位置，以实现下框(1)和上框(2)的咬合连接；若干个浮置弹簧(9)一端均焊接于下框(1)上，另一端抵住上框(1)底部，在正压力作用下可以发生压缩，即用以保证剪切试验过程中，侧限框的高度会随着侧限框内土工复合膨润土衬垫试样(13)的高度一起变化，从而确保正压力可以作用到土工复合膨润土衬垫试样(13)上；每组鱼腹结构支撑柱(10)为４根，两组鱼腹结构支撑柱(10)对称分布于下框(1)两侧，且与下框(1)组成一体，各鱼腹结构支撑柱(10)长度不同，中间两根鱼腹结构支撑柱(10)较长，边缘两根鱼腹结构支撑柱(10)较短，用以形成鱼腹形结构，每根鱼腹形支撑柱(10)端部有预留螺丝孔洞，用于与鱼腹结构受拉构件(11)连接，鱼腹结构受拉构件(11)采用不锈钢条，不锈钢条上有预留孔洞，通过固定螺丝(12)，实现与鱼腹结构支撑柱(10)的连接；

上框(2)由上框咬齿(4)、上框防漏唇(6)和咬齿定位棱(8)组成，上框咬齿(4)采用不锈钢构件，焊接于上框(2)上，其形状与下框(1)上的咬齿定位槽(7)一致，以保证上框(2)能通过上框咬齿(4)与咬齿定位槽(7)的咬合连接在一起；上框防漏唇(6)采用预制薄不锈钢板，均匀焊接于上框咬齿(4)上，与下框防漏唇(5)共同起到限制土工复合膨润土衬垫试样(13)中膨润土的侧向挤出；相邻上框咬齿(4)之间预留的孔洞形成咬齿定位棱(8)，其形状与下框咬齿(3)保持一致，起到下框(1)与上框(2)咬合固定的作用。

2.根据权利要求1所述的一种能防止膨润土衬垫材料水化试样膨出的鱼腹形浮置咬合式侧限框，其特征在于浮置弹簧(9)每侧均匀分布6个，共12个。