CN110044701A - 一种土工合成材料施工损伤测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种土工合成材料施工损伤测试试验装置，包括组合钢箱、加载装置和驱动装置，加载装置通过偏心轮机构带动驱动连杆做上下交替往复运动，进而驱动连杆带动加圧板对组合钢箱中的填土和土工合成材料进行加载测试；采用偏心轮机构，通过改变偏心轮的偏心距离即可实现加圧板的加载高度，同时改变驱动装置的转速，即可实现加圧板的加载频率。该试验装置能够完成室内土工合成材料施工损伤试验，可控制试验的进度，保证钢板箱内土体的均匀受力，充分压实；保证土工合成材料施工损伤试验的精确性；真实的还原了室外土工合成材料施工损伤试验。
Description
技术领域
本发明属于土工试验仪器技术领域，特别涉及一种土工合成材料施工损伤室内试验装置。
背景技术
土工合成材料在铺设以及在填料压实过程中会受到不同程度的损伤，造成强度的降低。由于施工造成的土工合成材料强度降低是设计时必须考虑的因素，施工损伤折减系数是衡量施工过程中的损伤对土工合成材料强度的重要参数。
土工合成材料在施工过程中的影响因素多，随机性较大，在设计时施工机械损伤折减系数的确定比较困难。土工合成材料的施工损伤不仅与材料本身的材质和类型有关，而且与填料粒径、填料尖锐程度、填料的倾倒方式、碾压机械、碾压遍数、碾压方式等施工因素有关。
室外施工损伤试验成本高、时间长且易受天气因素影响，灵活性差，不可控因素多，导致试验误差大，对土工合成材料施工损伤进行室内模拟实验不仅可以重复进行，可以提高试验结果的精确性，还可以控制试验进度以及试验成本，如何在室内模拟压实过程中的土工合成材料施工损伤是一个重要的课题，因此需要急需设计一种土工合成材料施工损伤测试试验装置。
目前用于模拟施工损伤试验的室内装置还未出现，与其原理类似的装置主要为土的压实装置，普遍存在的问题包括：
首先，目前的室内压实试验装置，大都只具有单一的压实功能，除了可以提供稳定的压实效率外，不能改变加载的振动频率和功率。其次，目前的室内压实试验装置，大多只是实现对钢板箱施加压力的功能，但没有具有在填料中铺设土工合成材料，然后模拟土体压实过程功能的试验装置。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供的一种土工合成材料施工损伤测试试验装置，保证了土工合成材料施工损伤试验的精确性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种土工合成材料施工损伤测试装置，包括组合钢箱、加载装置和驱动装置，加载装置用于对组合钢箱中的物料施加压力；
加载装置包括偏心轮机构、驱动连杆、压板驱动杆、加压板和立柱；
驱动连杆的中部与立柱的上部铰接，偏心轮机构的输入端与驱动装置连接，偏心轮机构的输出端与驱动连杆的一端铰接，偏心轮机构能够使驱动连杆的两端上下交替往复运动，驱动连杆的另一端连接与压板驱动杆铰接，压板驱动杆的下端与加压板的顶面铰接，加压板设置在组合钢箱中。
优选的，所述偏心轮机构包括从动轮和偏心连杆；
从动轮的输入轴与驱动装置连接，从动轮的端面设置有滑槽，滑槽中设置有拐臂，拐臂与偏心连杆的下端铰接，偏心连杆的上端与驱动连杆的一端铰接。
优选的，所述滑槽中还设置有定位装置，包括定位臂和定位板；
所述滑槽为T型槽，定位臂配装在T型槽中，定位臂的顶部设置有螺柱，并伸出T型槽，拐臂的下端的侧壁上设置有连接板，连接板和定位板定位板分别套装在定位臂的螺柱上，定位板并位于连接板的顶部，定位板的顶部设置紧固螺母。
优选的，所述驱动装置通过传动装置与从动轮连接，传动装置包括小带轮和大带轮；
小带轮设置在驱动装置的输出轴上，大带轮通过转轴与从动轮连接并同步转动，大带轮和小带轮通过皮带连接。
优选的，包括偏心装置支架，偏心装置支架上设置有带座轴承，所述转轴设置在带座轴承中，从动轮和大带轮分别位于带座轴承的两侧。
优选的，所述组合钢箱包括下钢板箱以及设置在其顶部的上钢板箱，上钢板箱与下钢板箱联通，上钢板箱与下钢板箱的连接处对称设置有水平槽，能够使土工合成材料的两端分别自水平槽中伸出。
优选的，所述压板驱动杆的上端还铰接有上连杆，上连杆的另一端与立柱铰接。
优选的，所述加压板的顶面的中心设置有压板连杆，压板驱动杆的下端与压板连杆的上端连接。
优选的，所述加圧板的顶部还设置有砝码，用于调节加圧板的压力。
优选的，所述驱动装置为变频调速电机。
本发明还提供了上述土工合成材料施工损伤测试装置的试验方法，包括以下步骤；
S1，根据填料击实试验得出的最大干密度和控制压实度要求，计算出组合钢箱中的填土量，在组合钢箱中装入计算得到的填土量并压实；
S2，采用加载装置进行加载测试，直至使组合钢箱的土达到控制压实度，并记录加载测试过程中的加圧板的加载频率、加载高度以及加载压次数；
S3，在下钢板箱中进行填土并压实，压实后的土与下钢板箱的表面平齐，然后在下钢板箱的顶部铺设土工合成材料，最后在下钢板箱的顶部安装上钢板箱，并在上钢板箱中填充土并压实，上钢板箱和下钢板箱中填充的土量与步骤S1计算的填土量相同；
S4，根据步骤S2得到的加载频率、加载高度以及加载压次数，对步骤3的组合钢箱中的土进行加载测试，直至组合钢箱的土达到控制压实度；
S5，对加载测试后的土工合成材料进行拉伸试验得到拉伸强度，将得到的拉伸强度与试验前土工合成材料的拉伸强度进行比较，得出土工合成材料施工损伤折减系数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种土工合成材料施工损伤测试试验装置，包括组合钢箱、加载装置和驱动装置，加载装置通过偏心轮机构带动驱动连杆做上下交替往复运动，进而驱动连杆带动加圧板对组合钢箱中的填土和土工合成材料进行加载测试；采用偏心轮机构，通过改变偏心轮的偏心距离即可实现加圧板的加载高度，同时改变驱动装置的转速，即可实现加圧板的加载频率。该试验装置能够完成室内土工合成材料施工损伤试验，可控制试验的进度，保证钢板箱内土体的均匀受力，充分压实；保证土工合成材料施工损伤试验的精确性；真实的还原了室外土工合成材料施工损伤试验。
偏心轮机构包括从动轮和偏心连杆，从动轮转动带动偏心连杆做圆周转动，进而带动驱动连杆的上下交替运动，实现加圧板对物料的反复冲压，结构简单，运行稳定。
进一步设置定位机构，对偏心连杆与偏心轮的铰接位置进行定位，保证测量的精度，同时通过改变偏心连杆在滑槽中的位置，即可改变加圧板的加载高度，实现加圧板的加载高度的调节。
驱动装置通过传动装置与从动轮连接，通过大带轮与小带轮的直径比，能够进一步控制加圧板的加载频率。
组合钢箱将两个钢板箱上下拼接一起，上钢板箱和下钢板箱拼接处留有一道缝隙，土工合成材料铺在下钢板箱顶面时，通过缝隙使其部分漏出箱外，紧接着在土工合成材料上面拼接好上钢板箱，此时土工合成材料被夹在两钢板箱之间，可以真实的模拟压实过程中土工合成材料的受力状态，概念清晰，受力状态明确，使土体应力均匀，保证试验结果真实可靠。
驱动装置为变频调速电机，通过该电机控制加圧板的频率，结构简单，成本低廉。
本发明还提供了上述土工合成材料施工损伤测试试验装置的试验方法。首先获得填土在控制压实度下的加载参数，然后根据获得的加载参数对铺设土工合成材料的填土进行相同的加载测试。紧接着在下钢板箱中装填相同的填土量，借助加载板对土体进行上下压实，较真实的还原出对土工合成材料下部土体进行摊铺碾压的工况。在已压实的下钢板箱顶部土体上铺设一层土工合成材料，并安装上钢板箱，在上钢板箱填土进行土工合成材料上部土体的摊铺碾压，这一功能通过碾压上钢板箱填土来实现。在规定时间内压实机械的来回碾压次数可以调整，通过改变发动机的转速进而改变加载板的加载频率来模拟这一功能。压实机械的吨位变化，可在试验装置中可通过改变砝码的重量来模拟这一功能。整个过程联合起来，真实的还原了现场土工合成材料施工损伤试验过程。取出模拟碾压损伤后的填土中铺设的土工合成材料，测量其拉伸强度，并与加载前的拉伸强度进行比较，进而得到损伤折减系数。该试验装置能够完成室内土工合成材料施工损伤试验，可控制试验的进度，保证钢板箱内土体的均匀受力，充分压实；真实的还原了室外土工合成材料施工损伤试验；可以较为精确的得到不同种类土工合成材料、不同填土、不同压实工艺下的土工合成材料施工损伤折减系数。
附图说明
图1为本发明土工合成材料施工损伤试验装置结构示意图；
图2为本发明偏心装置结构示意图；
图3为本发明偏心装置剖面图；
图4为本发明组合钢板箱结构示意图。
图中：1：电机座架，2：电机，3：小带轮，4：皮带，5：大带轮，6：带座轴承，7：偏心连杆，8：驱动连杆，9：立柱，10：销轴，11：上连杆，12：压板驱动杆，13：压板连杆，14：加压板，15：上钢板箱，16：下钢板箱，16-1：钢板箱外沿，16-2：固定螺母，17：土工合成材料，18：从动轮，18-1：拐臂，18-2：塞打螺栓，18-3：螺母，18-4：定位臂，18-5：定位板，18-7：转轴，19：偏心装置支架，20：钢底板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1，一种土工合成材料施工损伤试验装置，包括支架组件，以及设置其上的组合钢箱、加载装置和驱动装置。
组合钢箱中用于填充夯土，并在夯土的之间铺设土工合成材料17，驱动装置与加载装置连接，驱动装置用于给加载装置提供动力，加载装置用于对组合钢箱的土工合成材料17施加压力。
支架组件包括钢底板20，以及设置在顶部的电机座架1、立柱9和偏心装置支架19，驱动装置安装在电机座架1上，驱动装置的输出轴上设置有小带轮3。
加载装置包括从动轮18、大带轮5、带座轴承6、偏心连杆7、驱动连杆8、上连杆11、压板驱动杆12、压板连杆13和加压板14。
带座轴承6固定在偏心装置支架19上，带座轴承6中设置有转轴18-7，从动轮18和大带轮5分别设置在转轴18-7的两端并同步转动，大带轮5通过皮带4与小带轮3连接。
偏心连杆7的一端与从动轮18偏心连接，组成偏心轮机构，偏心连杆7的另一端与驱动连杆8连接，驱动连杆8水平铰接在立柱9的上部，偏心轮机构能够使驱动连杆8的两端上下交替往复运动。
驱动连杆8的另一端与压板驱动杆12的中部铰接，压板驱动杆12的上端与上连杆11的一端铰接，上连杆11的另一端通过销钉10与立柱铰接；压板驱动杆12的下端与压板连杆13的上端连接，压板连杆13的下端与加压板14的顶面焊接连接，加压板14位于组合钢箱中。
参阅图2，从动轮18的端面设置有T型槽，T型槽沿从动轮18的侧壁延伸至从动轮的中心，T型槽中设置配装有拐臂18-1和定位装置，定位装置位于靠近从动轮18中心的一侧，定位装置用于对拐臂进行径向定位，拐臂18-1的中心设置有螺纹孔，偏心连杆7的下端通过塞打螺栓18-2安装在拐臂18-1的顶部，偏心连杆7的安装孔能够绕塞打螺栓转动。
参阅图3，定位装置包括定位臂18-4和定位板18-5，定位臂18-4配装在T型槽中，定位臂18-4的顶部设置有螺柱，并伸出T型槽，拐臂18-1的下端的侧壁上设置有连接板，连接板套装在定位臂18-4的螺柱上，定位板18-5套设在螺柱上，通过螺母18-3紧固，实现定位臂18-4与拐臂的固定，通过移动定位装置，调节拐臂18-1的位置的偏析距离，并实现对拐臂18-1的定位，进而实现对驱动连杆8运动行程的调控。
调节螺母18-3与定位板18-5的相对位置，进而移动拐臂，改变从动轮18的偏心半径，使得偏心连杆7的转动位置发生变化，进而带动加压板14对土体加载时高度的变化。
继续参阅图4，组合钢板箱包括上钢板箱15和下钢板箱16；下钢板箱16为盒装结构用于盛装夯土，上钢板箱15配装在下钢板箱16的顶部，上钢板箱15的下端和下钢板箱16上端的两侧均设置有钢板箱外沿16-1，上钢板箱15和下钢板箱16的钢板箱外沿16-1通过固定螺母16-2连接，土工合成材料17设置在上钢板箱15和下钢板箱16之间。
加压板14位于上钢板箱15中，并能够沿上钢板箱15的内壁上下移动，对下钢板箱16内的土工合成材料17加载压力。
可以理解的是，在试验前需要在下钢板箱中填土，填满土后在钢板箱顶部铺设土工合成材料，贴合下钢板箱进行上钢板箱15的封盖。在钢板箱外沿16-1处进行固定螺母16-2固定，保证对土体进行施加荷载时，填料不从钢板箱的缝隙流出，组合钢板箱整体结构稳定。
需要注意的是，上钢板箱与下钢板箱的高度不同，这是因为上钢板箱内需要放置加压板14，此时需要预留一定的高度供加压板进行加载试验，加压板的厚度可根据需要进行人为的改变。
本发明驱动装置采用电机2提供驱动，电机2具体为变频调速电机，通过调整电机的转速改变传动速率，进而改变加圧板的加压频率，以达到改变压实频率的目的。
所述驱动装置除电机外亦可采用液压加载驱动系统、气压加载驱动系统或机械加载驱动系统。
下面对该土工合成材料施工损伤试验装置的工作原理进行详细的阐述。
启动电机2的开关按钮，通过调节电机2的转速带动小带轮3的启动，小带轮3通过皮带4带动大带轮5转动，大带轮5通过转轴18-7与从动轮连接，从动轮带动偏心连杆7的下端做圆周转动，进而偏心连杆7的上端带动驱动连杆8绕铰接部上下交替移动，驱动连杆8带动压板驱动杆12上下移动，压板驱动杆12通过压板连杆13带动加圧板14在组合钢箱中上下移动，对土工合成材料加载压力，进行上下压实试验。
本发明的土工合成材料施工损伤试验装置，通过上钢板箱与下钢板箱拼接固定，将土体放置于钢板箱内，借助加载装置对试验箱施加荷载模拟压路机的碾压过程，进行土工合成材料施工损伤室内试验；通过控制电机的转速来改变皮带的传动速率，以达到改变加载频率的目的；通过调整螺母与定位板间的相对位置，改变偏心装置轮盘的偏心半径，进而改变加压板与上钢板箱土体顶面的距离，以调整加载高度；通过对加压板与压板连杆连接的部位进行加压砝码的拆卸，可改变加载的加载板砝码重量；本发明可以完成室内土工合成材料施工损伤试验，可控制试验的进度，保证钢板箱内土体的均匀受力，充分压实；保证土工合成材料施工损伤试验的精确性；真实的还原了室外土工合成材料施工损伤试验。
下面对土工合成材料施工损伤试验装置的方法进行详细的阐述。
S1，根据填料击实试验得出的最大干密度和控制压实度要求，计算出组合钢箱中的填土量，在组合钢箱中装入计算得到的填土量并压实。
组合钢箱中的填料与施工时铺设所用填料一致，并进行人工压实，压实至要求压实度，压实后的填土填满下钢板箱，将下钢板箱表面的填土进行刷毛，随后进行上钢板箱的安装，在上钢板箱内继续填土，直至组合钢箱中的土量与计算的填土量相同。
S2，采用加载装置进行加载测试，直至使组合钢箱的土达到控制压实度，并记录加载测试过程中的加圧板的加载频率、加载高度、加载重量以及加载压次数。
S3，在钢板箱内进行加土工合成材料的填料加载试验。
将步骤2中组合钢箱中的填土清理，然后在下钢板箱中进行填土并人工压实，压实后的土与下钢板箱的表面平齐，然后在下钢板箱的顶部铺设土工合成材料，要求土工合成材料被拉直平整，土工合成材料不得有褶皱或卷曲，然后在四周加以固定，最后在下钢板箱的顶部安装上钢板箱，并在上钢板箱中填充土并压实，上钢板箱和下钢板箱中填充的土量与步骤S1计算的填土量相同。
对土工合成材料铺设前进行拉伸试验，记下土工合成材料的拉伸强度。
S4，根据步骤S2得到的加载频率、加载高度、加载重量以及加载压次数，对步骤3的组合钢箱中的土进行加载测试，直至组合钢箱的土达到控制压实度，即进行步骤2相同的加载过程。
S5，拆开组合钢箱，将压实后的填料移走，取出铺设的土工合成材料，记录土工合成材料所受到的表观损伤，并对对步骤4加载测试后的土工合成材料进行拉伸试验得到拉伸强度，将得到的拉伸强度与试验前土工合成材料的拉伸强度进行比较，得出土工合成材料施工损伤折减系数。
本发明的土工合成材料施工损伤试验装置，用于室内土工合成材料施工损伤试验，可完成各种不同的土工合成材料在不同填料、模拟不同碾压机械、碾压遍数、碾压方式下的施工损伤试验。该装置可保证钢板箱内土体的均匀受力，充分压实，确保了试验的精确性，真实的模拟了土工合成材料在施工过程中的损伤，可为设计时参数选择提供可靠依据。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种土工合成材料施工损伤测试装置，其特征在于，包括组合钢箱、加载装置和驱动装置，加载装置用于对组合钢箱中的物料施加压力；
加载装置包括偏心轮机构、驱动连杆(8)、压板驱动杆(12)、加压板(14)和立柱(9)；
驱动连杆(8)的中部与立柱(9)的上部铰接，偏心轮机构的输入端与驱动装置连接，偏心轮机构的输出端与驱动连杆(8)的一端铰接，偏心轮机构能够使驱动连杆(8)的两端上下交替往复运动，驱动连杆(8)的另一端连接与压板驱动杆(12)铰接，压板驱动杆(12)的下端与加压板(14)的顶面铰接，加压板(14)设置在组合钢箱中。
2.根据权利要求1所述土工合成材料施工损伤测试装置，其特征在于，所述偏心轮机构包括从动轮(18)和偏心连杆(7)；
从动轮(18)的输入轴与驱动装置连接，从动轮(18)的端面设置有滑槽，滑槽中设置有拐臂(18-1)，拐臂(18-1)与偏心连杆(7)的下端铰接，偏心连杆(7)的上端与驱动连杆(8)的一端铰接。
3.根据权利要求2所述土工合成材料施工损伤测试装置，其特征在于，所述滑槽中还设置有定位装置，包括定位臂(18-4)和定位板(18-5)；
所述滑槽为T型槽，定位臂(18-4)配装在T型槽中，定位臂(18-4)的顶部设置有螺柱，并伸出T型槽，拐臂(18-1)的下端的侧壁上设置有连接板，连接板和定位板定位板(18-5)分别套装在定位臂(18-4)的螺柱上，定位板(18-5)并位于连接板的顶部，定位板(18-5)的顶部设置紧固螺母。
4.根据权利要求2所述土工合成材料施工损伤测试装置，其特征在于，所述驱动装置通过传动装置与从动轮(18)连接，传动装置包括小带轮(3)和大带轮(5)；
小带轮(3)设置在驱动装置的输出轴上，大带轮(5)通过转轴(18-7)与从动轮(18)连接并同步转动，大带轮(5)和小带轮(3)通过皮带(4)连接。
5.根据权利要求4所述土工合成材料施工损伤测试装置，其特征在于，包括偏心装置支架(19)，偏心装置支架(19)上设置有带座轴承(6)，所述转轴(18-7)设置在带座轴承(6)中，从动轮(18)和大带轮(5)分别位于带座轴承(6)的两侧。
6.根据权利要求1所述土工合成材料施工损伤测试装置，其特征在于，所述组合钢箱包括下钢板箱(16)以及设置在其顶部的上钢板箱(15)，上钢板箱(15)与下钢板箱(16)联通，上钢板箱(15)与下钢板箱(16)的连接处对称设置有水平槽，能够使土工合成材料的两端分别自水平槽中伸出。
7.根据权利要求1所述土工合成材料施工损伤测试装置，其特征在于，所述压板驱动杆(12)的上端还铰接有上连杆(11)，上连杆(11)的另一端与立柱(9)铰接。
8.根据权利要求1所述土工合成材料施工损伤测试装置，其特征在于，所述加压板(14)的顶面的中心设置有压板连杆(13)，压板驱动杆(12)的下端与压板连杆(13)的上端连接，所述加圧板(14)的顶部还设置有砝码，用于调节加圧板的压力。
9.根据权利要求1所述土工合成材料施工损伤测试装置，其特征在于，所述驱动装置为变频调速电机。
10.一种权利要求1-9任一项所述土工合成材料施工损伤测试装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1，根据填料击实试验得出的最大干密度和控制压实度要求，计算出组合钢箱中的填土量，在组合钢箱中装入计算得到的填土量并压实；
S2，采用加载装置进行加载测试，直至使组合钢箱的土达到控制压实度，并记录加载测试过程中的加圧板的加载频率、加载高度以及加载压次数；
S3，在下钢板箱中进行填土并压实，压实后的土与下钢板箱的表面平齐，然后在下钢板箱的顶部铺设土工合成材料，最后在下钢板箱的顶部安装上钢板箱，并在上钢板箱中填充土并压实，上钢板箱和下钢板箱中填充的土量与步骤S1计算的填土量相同；
S4，根据步骤S2得到的加载频率、加载高度以及加载压次数，对步骤3的组合钢箱中的土进行加载测试，直至组合钢箱的土达到控制压实度；
S5，对加载测试后的土工合成材料进行拉伸试验得到拉伸强度，将得到的拉伸强度与试验前土工合成材料的拉伸强度进行比较，得出土工合成材料施工损伤折减系数。
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