CN111855411B - 一种土工合成材料直拉/拉拔试验仪及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种土工合成材料直拉/拉拔试验仪包括由水平板以及支撑腿构成的工作台，还包括设置于工作台上的驱动装置、拉拔装置、位移测量装置、拉力测量装置以及数据采集器；本发明还公开了利用直拉/拉拔试验仪对土工合成材料进行拉拔试验的试验方法。本发明设计的卧式直拉/拉拔试验仪及其配套的制样模具和制样方法，试验发现设计的仪器和模具科学高效，一机两用，可以很好地实现素土、水泥土和纤维加筋水泥土试样的直接拉伸试验和拉拔试验。

Description

一种土工合成材料直拉/拉拔试验仪及试验方法
技术领域
本发明属于测量仪器领域，具体涉及一种土工合成材料直拉/拉拔试验仪及试验方法。
背景技术
国内针对纤维加筋素土和纤维加筋固化土开展相关研究的机构和人员很多，但能保持连贯且成系统的机构和团队主要有二个，分别是：南京大学唐朝生团队和清华大学李广信团队，此外长江科学院包承纲团队针对加筋土(不限于纤维加筋土，还包括土工合成材料加筋土)结构中筋土界面等力学机理进行了较多分析，因此下面将分为三部分来进行总结，分别是南京大学唐朝生团队研究成果、清华大学李广信团队以及其余国内研究成果。
(1)南京大学唐朝生团队研究成果
唐朝生团队对于纤维加筋土和纤维加筋固化土的研究最早可追溯至2005年，最新公开发表的论文为2016年，其间开展了大量的试验研究，也取得了许多非常有意义的成果。蔡奕等(2005)对不同改性填筑土的12组土样进行了一系列无侧限抗压和剪切试验，发现当团聚体平均粒径小于3.5mm时，素土、纤维土和石灰土粘聚力随粒径增大而减小，内摩擦角随粒径增大而增大，当团聚体粒径平均粒径大于3.5mm时，随粒径增大，纤维土的粘聚力和内摩擦角则变化不大。蔡奕等(2006)通过无侧限抗压强度试验、剪切试验、收缩试验和膨胀率试验对纤维加筋石灰土工程特性进行了研究，发现纤维有效减小了石灰土的膨胀性，改善了石灰土脆性破坏模式。唐朝生等(2007)研究了在纤维加筋黏土中添加一定量的砂对加筋土强度的影响，结果表明当砂掺量为干土重的4％时，纤维加筋土强度最高，过多的砂则会使土体强度降低，而在掺入纤维时通过添加适量砂可提高纤维的混合均匀性。
唐朝生等(2009)通过自制的立式拉拔试验仪对素土中单根聚丙烯纤维进行了拉拔试验，设置土体含水率和干密度为变量，分析了含水率和干密度对纤维与土体间界面作用力的影响，并在一系列假设的基础上推导了纤维的临界加筋长度。Jiang等(2010)通过UCS试验研究了不同纤维掺量、长度以及土粒粒径对纤维加筋强度的影响，结果发现0.3％干土重的掺量，15mm长度规格的聚丙烯纤维加筋效果最好，土粒粒径则是处于3.5～7.5mm间时，加筋土强度最高。唐朝生和顾凯(2010)将聚丙烯纤维和水泥共同掺入软土中对其进行固化，研究了软土初始含水量、纤维掺量和纤维长度对加筋固化土强度的影响，结果表明最优含水量为55％，最右纤维长度为12mm。唐朝生等(2011)通过扫描电镜试验分别对纤维在素土、水泥土和石灰土中的形态及其加筋机理进行了对比分析，结果发现在纤维加筋素土中筋/土界面作用力主要来自纤维表面与土颗粒间相互作用，纤维加筋水泥土中界面作用以粘结力为主，纤维加筋石灰土中界面作用以摩擦力为主。
(2)清华大学李广信团队研究成果
该团队的成果主要集中于李广信和介玉新对纤维加筋土的理论计算方面上，李广信等(1994)提出在加筋土体中，将筋材的作用当成一个附加的压应力作用在加筋土的土骨架上，无需建立或引进任何新的本构模型，即可对加筋土体进行应力变形计算。李广信等(1995)将纤维加入粘性土作为加筋材料，测试了加筋土的抗剪强度、拉伸强度、断裂韧度等，结果表明纤维增强了土体的自愈能力。张小江等研究了聚丙烯纤维增强粘性土抵抗静动载作用下土体发生张拉裂缝的能力，结果表明纤维加筋土是一种比较理想的土坝防渗抗震填料。
(3)其余国内研究成果
丁金华和包承纲(1999)提出加筋有效影响范围的概念，并对其影响因素和分布规律作了初步探讨，利用加筋有效影响范围可以对加筋土结构作出优化设计。包承纲(2006)提出了一种新的综合性加筋机制，将筋材的加固机制大致分为直接加筋和间接加筋，加筋的主要作用在于增强土的整体性，使土由散体变为有一定连续性的介质。包承纲等(2014)对加筋土结构的合理设计方法提出了建议，指出最合理的方法是采用有限元分析和极限平衡分析法相结合的设计。
牛向飞(2011)以公路水泥灰土基层为研究背景，重点研究了聚丙烯纤维加筋水泥灰土的路用性能，以延长路面结构的使用寿命，结果表明纤维的加筋作用增强了水泥灰土稳定砂的抗温缩与干缩性能，提高了其水稳定性，是较为理想的路用加筋材料。杨舒(2011)研究了不同长度、不同掺量的聚氯乙烯纤维加筋海口南渡江砂的工程特性，在大量三轴剪切试验基础上得到纤维加筋土的应力-应变关系曲线，并进行了Duncan-Chang和Lade-Duncan本构模型参数的计算。张金利等(2012)通过三轴实验研究了聚丙烯纤维加筋红黏土的渗透性和力学特性，结果表明聚丙烯加筋作用使红黏土渗透系数保持在低水平，当纤维掺量较低时加筋土破坏模式为鼓胀型，当纤维掺量较大时，试样轴向应变显著增大，但未产生明显破坏。
对于固化土这种脆性材料，其特点就是抗压强度较高而抗拉强度不足，纤维加筋材料则可以显著提高固化土的抗拉强度，提高其塑性，因此研究纤维加筋水泥土的抗拉强度变化规律是十分必要且有意义的。规范上规定的劈裂抗拉强度存在不易操作、制样和试样过程中宜带来较多误差的缺点。
发明内容
本发明针对上述存在的技术问题，提出了一种土工合成材料直拉/拉拔试验仪，并且还提出了利用直拉/拉拔试验仪对其土样进行试验,以研究筋土界面作用特性。
本发明采用的技术方案：
一种土工合成材料直拉试验仪，包括由水平板以及支撑腿构成的工作台，
还包括设置于工作台上的驱动装置、拉拔装置、位移测量装置、拉力测量装置以及数据采集器；
其中，所述拉拔装置包括设置于工作台上的安装板，所述安装板上的两个长边处设置有对称的滑槽，所述滑槽上设置有条形板，所述条形板上设置有多个等间距的通孔，且所述通孔与滑槽连通，在每个通孔内均设置有滚珠，在条形板上设置有左滑板和右滑板，所述左滑板和右滑板上端分别设置有左卡夹和右卡夹，所述左滑板和右滑板底部均与滚珠滑动连接，所述左卡夹和右卡夹的内部连通形成脊型内腔，所述脊型内腔内放置有待测试样，所述左卡夹后端的卡头两侧分别设置有左固定片，两个左固定片位于左锁紧块前端的安装槽内且通过左锁紧块两侧的锁紧杆进行固定，所述左锁紧块后端的连接头通过双向固定螺杆与驱动装置相连，所述右卡夹前端的卡头两侧分别设置有右固定片，两个右固定片位于右锁紧块后端的安装槽内且通过右锁紧块两侧的锁紧杆进行固定，所述右锁紧块前端的连接头通过双向固定螺杆与拉力测量装置相连；
所述拉力测量装置包括固定台、力传感器、固定块，所述固定台上设置有沿其长度方向的U型槽，所述U型槽底部设置有条形导向孔，所述条形导向孔与工作台上设置的穿孔连通，所述固定块设置于U型槽内，所述固定块底部设置有调节螺杆，所述调节螺杆的自由端依次穿过条形导向孔和穿孔且通过调节螺母固定，所述力传感器的前端与固定块连接，所述力传感器的后端通过双向固定螺杆与右锁紧块前端的连接头相连，所述力传感器的底部设置有传感器垫块，所述传感器垫块位于U型槽内；
所述位移测量装置安装在工作台上，用于测量直拉试验的位移数据；
所述数据采集器通过导线分别与位移测量装置和力传感器通过导线连接，用于采集位移数据及拉力值并上传至上位机。
优选的，所述驱动装置包括变速电机、推拉装置和手摇轮，所述变速电机能正反两个方向旋转，与推拉装置相连且能够根据试验要求为推拉装置设定不同转速和推拉速度，所述推拉装置还可通过手摇轮驱动其前进或后退；
所述推拉装置上的旋转移动杆前端通过双向固定螺杆与左锁紧块的连接头相连，所述旋转移动杆的后端贯穿出推拉装置且与位移测量装置进行连接，所述位移测量装置采用两个数显式位移传感器，两个数显式位移传感器均通过磁性表座分别与变速电机和支撑腿进行固定连接，两个数显式位移传感器的测量端抵住旋转移动杆的后端。
一种土工合成材料直拉试验仪的试验方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：制备待测试样；
步骤S2：将制备好的试样放入左卡夹和右卡夹形成的脊型内腔中，启动电机或手动操作，使得推拉装置上的旋转移动杆带动左卡夹向左移动，试样收到拉力作用力，随着拉力增大试样在薄弱部位断开；
步骤S3：重复上述步骤6次，收集6次直拉试验过程中力值和位移，做出应力-位移曲线，根据应力-位移曲线，分析土工合成材料的特性。
优选的，在上述步骤S1中，制备试样具体过程如下：
(1)按照设计试样厚度计算出所需土量，放入制样模具内并用千斤顶进行压实；
(2)对压实后的土样进行脱模，得到成型试样；
(3)将得到的试样放入标准养护箱内养护至设计龄期，即得到待测试样。
一种土工合成材料拉拔试验仪，包括由水平板以及支撑腿构成的工作台，
还包括设置于工作台上的驱动装置、拉拔装置、位移测量装置、拉力测量装置以及数据采集器；
其中，所述拉拔装置包括设置于工作台上的安装板，所述安装板上的两个长边处设置有对称的滑槽，所述滑槽上设置有条形板，所述条形板上设置有多个等间距的通孔，且所述通孔与滑槽连通，在每个通孔内均设置有滚珠，在条形板上设置滑板，所述滑板的底部与滚珠滑动连接，所述滑板的上端设置有卡夹，所述卡夹内放置有待测试样，所述卡夹后端的卡头两侧均设置有左固定片，两个左固定片位于左锁紧块前端的安装槽内且通过左锁紧块两侧的锁紧杆进行固定，所述左锁紧块后端的的连接头通过双向固定螺杆与驱动装置相连，所述待测试样前端裸露的纤维段固定于拉紧组件的后端，所述拉紧组件的前端与拉力测量装置相连；
所述拉力测量装置包括固定台、力传感器、固定块，所述固定台上设置有沿其长度方向的U型槽，所述U型槽底部设置有条形导向孔，所述条形导向孔与工作台上设置的穿孔连通，所述固定块设置于U型槽内，所述固定块底部设置有调节螺杆，所述调节螺杆的自由端依次穿过条形导向孔和穿孔且通过调节螺母固定，所述力传感器的前端与固定块连接，所述力传感器的后端与拉紧组件的前端相连，所述力传感器的底部设置有传感器垫块，所述传感器垫块位于U型槽内；
所述位移测量装置安装在工作台上，用于测量直拉试验的位移数据；
所述数据采集器通过导线分别与位移测量装置和力传感器通过导线连接，用于采集位移数据及拉力值并上传至上位机。
优选的，所述拉紧组件包括右固定片、右锁紧块和丝杆，所述右固定片设置有两个且分别位于裸露的纤维段两侧，两个右固定片位于右锁紧块后端的安装槽内，且通过右锁紧块两侧的锁紧杆进行固定，所述右锁紧块前端通过双向固定螺母与丝杆后端连接，所述丝杆的前端通过锁紧螺母与力传感器相连。
优选的，所述拉紧组件包括连接杆，所述连接杆后端设置有夹头，裸露的纤维段被夹持夹头内且通过固定螺杆进行固定，所述连接杆的前端与力传感器相连。
优选的，所述驱动装置包括变速电机、推拉装置和手摇轮，所述变速电机能正反两个方向旋转，与推拉装置相连且能够根据试验要求为推拉装置设定不同转速和推拉速度，所述推拉装置还可通过手摇轮驱动其前进或后退；
所述推拉装置上的旋转移动杆前端通过双向固定螺杆与左锁紧块的连接头相连，所述旋转移动杆的后端贯穿出推拉装置且与位移测量装置进行连接，所述位移测量装置采用两个数显式位移传感器，两个数显式位移传感器均通过磁性表座分别与变速电机和支撑腿进行固定连接，两个数显式位移传感器的测量端抵住旋转移动杆的后端。
步骤S1：制备试样；
步骤S2：将力传感器和数显式位移传感器采样频率均设置为10Hz，然后将制备好的试样放入卡夹内部，调整滑板的厚度，实现卡夹上下微调对中，调节调节螺杆的高度实现拉紧组件与卡夹对中，将裸露的纤维端部夹持于拉紧组件上，将变速电机速度设定为0.8mm/min，推拉装置上的旋转移动杆带动卡夹以恒定速率向左移动，纤维与土体发生滑动；
步骤S3：每个试样上都有三根纤维，单个拉拔试验即对3根纤维均进行拉拔，则按照每组需要6个独立重复试验，每组试验做重复试样2个，重复步骤S2，采用3倍均方差方法剔除异常值，同一组试验的变异系数Cv(％)应符合Cv≤6％的要求；
步骤S4：采集拉拔试验过程中的拉力和位移绘制拉力-位移曲线，根据拉拔试验过程中纤维受力变化情况，可以定量对比分析出外力作用下土工合成材料中的纤维受力特性。
优选的，在上述步骤S1中，制备试样具体过程如下：
(1)试样厚度设计为60mm，在其厚度方向上设计埋入3根纤维且位置处于试样厚度面的中线上，相邻两根纤维的间距为15mm，按设计压实度算出试样总需土量，均分为4份；
(2)在制样模具内依次放入底垫板，再依次放入第一分离式垫块、第二分离式垫块、第三分离式垫块、第四分离式垫块和第五分离式垫块，倒入第1份土样至第二块分离式垫块上且使用工具进行初步压实，用镊子将第一根纤维的一头穿过第三分离式垫块的贯通缝中，另一头按设计埋入长度放入土样上，倒入第2份土样后使用工具进行初步压实，按照上述方式放入第2根纤维，以次类推四份土样都倒入后，在土样的表面放置第六分离式垫块且用千斤顶进行压实；
(3)对压实后的土样进行脱模，得到成型试样；
(4)将得到的试样放入标准养护箱内养护至设计龄期，即得到待测试样。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.试验仪所有部件都是可拆卸并且通用的，能够利用到不同的试验中，提高试验设备部的利用率；
2.试验仪中在卡夹下方设置滑板，滑板与底部的滑轨滑动连接，避免了卡夹相对移动产生的摩擦力的影响，进而提高了测量力值的准确性，其次，滑板的厚度可调，适用于不同的试验中。
3.试验仪中固定力传感器的固定块底部设置有调节螺杆，通过调节螺杆可上下调节固定块的高度，有利于利于拉拔试验和直拉试验的对中,其次，调节螺杆可沿着固定台上的条形导向孔左右移动，使得力传感器可适用于拉拔试验和直拉试验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1中直拉试验仪的结构示意图；
图2为实施例1中左卡夹和右卡夹拉拔试样的结构示意图；
图3为实施例2中拉拔试验仪的结构示意图；
图4为实施例3中拉拔试验仪的结构示意图；
图5为实施例3中卡夹拉拔试样的结构示意图；
图6为实施例1-3中安装板的俯视图；
图7为实施例2-3中制样模具内垫块的俯视图；
图8为图7中B-B方向的剖视图；
图9为直拉过程应力位移应变曲线及试样典型破坏形态；(a)直拉过程应力位移曲线；(b)细纤维加筋；(c)粗纤维加筋；
图10为西安土拉拔曲线波峰与波谷拉拔力值随压实度变化规律；(a)波峰拉拔力值；(b)波谷拉拔力值；
图11为三亚土拉拔曲线波峰与波谷拉拔力值随压实度变化规律；(a)波峰拉拔力值；(b)波谷拉拔力值；
图12为低压实度水泥固化西安和三亚土试样典型拉拔曲线；(a)西安土试样；(b)三亚土试样；
图13为库尔勒土拉拔曲线波峰与波谷拉拔力值随龄期变化规律；(a)波峰拉拔力值；(b)波谷拉拔力值；
图14为库尔勒土拉拔曲线波峰与波谷拉拔力值随水泥掺量变化规律；(a)波峰拉拔力值；(b)波谷拉拔力值；
图15为库尔勒土拉拔曲线波峰与波谷拉拔力值随压实度变化规律；(a)波峰拉拔力值；(b)波谷拉拔力值；
图16为细纤维加筋库尔勒水泥土拉拔曲线波峰/谷拉拔力值随纤维掺量变化规律；(a)波峰拉拔力值；(b)波谷拉拔力值；
图17为细聚丙烯纤维加筋库尔勒水泥土拉拔出的纤维典型形态；(a)粗聚丙烯纤维在被拔出时所带出的细聚丙烯纤维；(b)粗纤维表面被磨出的纤维丝和粘附的土粒。
其中，1-水平板；2-支撑腿；3-左卡夹；4-右卡夹；5-卡头；6-左锁紧块；7-右锁紧块；8-锁紧螺杆；9-双向固定螺杆；10-推拉装置；11-变速电机；12-手摇轮；13-磁性表座；14-数显式位移传感器；15-力传感器；16-固定块；1601-调节螺杆；17-传感器垫块；18-固定台；19-卡夹；20-双向固定螺母；21-丝杆；22-连接杆；2201-夹头；2202-固定螺杆；23-安装板；2301-滑槽；24-条形板；25-滑板；26-滚珠；27-左滑板；28-右滑板；29-左固定片；30-右固定片；31-第一分离式垫块；32-第二分离式垫块；33-第三分离式垫块；34-第四分离式垫块；35-第五分离式垫块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
本发明具体提供了一种土工合成材料直拉试验仪，包括由水平板1以及支撑腿2构成的工作台，其特征在于，还包括设置于工作台上的驱动装置、拉拔装置、位移测量装置、拉力测量装置以及数据采集器。
参照图1和6所示，具体的，所述拉拔装置包括设置于工作台上的安装板23，所述安装板23上的两个长边处设置有对称的滑槽2301，所述滑槽2301上设置有条形板24，所述条形板24上设置有多个等间距的通孔，且所述通孔与滑槽2301连通，在每个通孔内均设置有滚珠26，在条形板24上设置有左滑板27和右滑板28，所述左滑板27和右滑板28上端分别设置有左卡夹3和右卡夹4，所述左滑板27和右滑板28底部均与滚珠26滑动连接，所述左卡夹3和右卡夹4的内部连通形成脊型内腔，所述脊型内腔内放置有待测试样，所述左卡夹3后端的卡头两侧分别设置有左固定片29，两个左固定片29位于左锁紧块6前端的安装槽内且通过左锁紧块6两侧的锁紧杆8进行固定，所述左锁紧块6后端的连接头通过双向固定螺杆9与驱动装置相连，所述右卡夹4的两侧也设置有连续的齿型凸起，在卡头两侧分别设置有右固定片30，且两个右固定片30的内侧壁上均设置有与齿型槽相配合的连续的齿型槽，两个右固定片30位于右锁紧块7后端的安装槽内且通过右锁紧块两侧的锁紧杆进行固定，所述右锁紧块前端的连接头通过双向固定螺杆9与拉力测量装置相连。
所述拉力测量装置包括固定台18、力传感器15、固定块16，所述固定台18上设置有沿其长度方向的U型槽，所述U型槽底部设置有条形导向孔，所述条形导向孔与工作台上设置的穿孔连通，所述固定块16设置于U型槽内，所述固定块16底部设置有调节螺杆1601，所述调节螺杆1601的自由端依次穿过条形导向孔和穿孔且通过调节螺母固定，所述力传感器15的前端与固定块16连接，所述力传感器15的后端通过双向固定螺杆9与右锁紧块7前端的连接头相连，所述力传感器15的底部设置有传感器垫块17，所述传感器垫块17位于U型槽内。
所述驱动装置包括变速电机11、推拉装置10和手摇轮12，所述变速电机11能正反两个方向旋转，与推拉装置10相连且能够根据试验要求为推拉装置10设定不同转速和推拉速度，所述推拉装置10还可通过手摇轮12驱动其前进或后退；
所述推拉装置上的旋转移动杆前端通过双向固定螺杆9与左锁紧块7的连接头相连，所述旋转移动杆的后端贯穿出推拉装置且与位移测量装置进行连接，所述位移测量装置采用两个数显式位移传感器14，两个数显式位移传感器14均通过两个磁性表座13分别与变速电机11和支撑腿2进行固定连接，两个数显式位移传感器14的测量端抵住旋转移动杆的后端。
本实施例中，所述左卡夹和右卡夹上的卡头有两种不同类型，其具体结构如下。
卡头的宽度为4mm，其长度为15mm，其高度为50mm，在卡头的两侧壁上均设置有连续的齿型凸起，两个左固定片和右固定片面向卡头的一侧均设置有与连续的齿形凸起相配合的连续的齿形槽。
卡头的的宽度为8mm，长度为20mm，高度为50mm，在卡头的两侧壁上设置有外凿毛，两个左固定片和两个右固定片面向卡头的一侧设置有凿毛相配合的内凿毛。
本实施例中，变速电机11可提供0.02mm/min、0.8mm/min和2.4mm/min三挡速度，力传感器15采用温州山度仪器有限公司生产的SH-1K型传感器，最大量程1KN，分度值为0.5N，通过双向固定螺杆9分别与卡头和右侧固定块连接。力传感器15最大采样频率10HZ，将力传感器15和数显式位移传感器14采样频率皆设置为10HZ，做到力值和位移能够同步采样。考虑到夹头和连接结构自身重量且长度较长，为防止这部分对力传感器产生影响，在力传感器下方设置可调高度的垫块。
所述数据采集器通过导线分别与数显式位移传感器和力传感器通过导线连接，用于采集位移数据及拉力值并上传至上位机。
参照图1和2所示，本发明还提出了一种土工合成材料直拉试验方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备待测试样；
步骤S2：将制备好的试样放入左卡夹和右卡夹形成的脊型内腔中，启动电机或手动操作，使得推拉装置上的旋转移动杆带动左卡夹向左移动，试样收到拉力作用力，随着拉力增大试样在薄弱部位断开；
步骤S3：重复上述步骤6次，收集6次直拉试验过程中力值和位移，做出应力-位移曲线，根据应力-位移曲线，分析土工合成材料的特性。
如图9(a)所示，首先根据应力-位移曲线可以得到试样的最大直拉强度，此外曲线可以显示出试样断裂后受力的降低幅度以及位移的增长速度，据此可以分析出土样经水泥固化后脆性显著增强，经纤维加筋后试样的“脆性破坏”模式得到改善。虽然纤维加筋水泥土应力位移曲线在达到最大值后也会骤降，但降低到的应力值与峰值差距小得多，其中细聚丙烯纤维加筋水泥土试样的降低值要小于粗聚丙烯纤维加筋水泥土，而粗细混合聚丙烯纤维加筋水泥土试样降低值又小于细聚丙烯纤维加筋水泥土。这表明经纤维加筋后即使固化土试样在受拉出现裂缝后依然有承载能力，在应力达到较低值前应力有较长的发展过程，从9(b)和(c)可以看到试样受拉开裂后，纤维依然起着“桥梁”的作用，将试样连接成整体。
在上述步骤S1中，制备试样具体过程如下：
(1)按照设计试样厚度计算出所需土量，放入制样模具内并用千斤顶进行压实；
(2)对压实后的土样进行脱模，得到成型试样；
(3)将得到的试样放入标准养护箱内养护至设计龄期，即得到待测试样。
实施例2
本发明还提供了一种土工合成材料拉拔试验仪，包括由水平板1以及支撑腿2构成的工作台，其特征在于，还包括设置于工作台上的驱动装置、拉拔装置、位移测量装置、拉力测量装置以及数据采集器。
参照图3所示，具体的，所述拉拔装置包括设置于工作台上的安装板23，所述安装板23上的两个长边处设置有对称的滑槽2301，所述滑槽2301上设置有条形板24，所述条形板24上设置有多个等间距的通孔，且所述通孔与滑槽2301连通，在每个通孔内均设置有滚珠26，在条形板24上设置滑板25，所述滑板25的底部与滚珠26滑动连接，所述滑板25的上端设置有卡夹19，所述卡夹19内放置有待测试样，所述卡夹19后端的卡头的两侧均设置有左固定片29，两个左固定片29位于左锁紧块6前端的安装槽内且通过左锁紧块6两侧的锁紧杆8进行固定，所述左锁紧块6的连接头通过双向固定螺杆9与驱动装置相连，所述待测试样前端面上裸露的纤维段被夹持于两个右固定片30内，两个右固定片30位于右锁紧块7后端的安装槽内，且通过右锁紧块7两侧的锁紧杆8进行固定，所述右锁紧块7前端通过双向固定螺母20与丝杆21后端连接，所述丝杆21的前端通过锁紧螺母与拉力测量装置相连。
所述拉力测量装置包括固定台18、力传感器15、固定块16，所述固定台18上设置有沿其长度方向的U型槽，所述U型槽底部设置有条形导向孔，所述条形导向孔与工作台上设置的穿孔连通，所述固定块16设置于U型槽内，所述固定块16底部设置有调节螺杆1601，所述调节螺杆1601的自由端依次穿过条形导向孔和穿孔且通过螺母固定，所述力传感器15的后端与丝杆21的前端通过锁紧螺母相连，所述力传感器15的前端与固定块16连接，所述力传感器15的底部设置有传感器垫块17，所述传感器垫块17位于U型槽内。
所述驱动装置包括变速电机11、推拉装置10和手摇轮12，所述变速电机11能正反两个方向旋转，与推拉装置10相连且能够根据试验要求为推拉装置10设定不同转速和推拉速度，所述推拉装置10还可通过手摇轮12驱动其前进或后退。
所述推拉装置10上的旋转移动杆前端通过双向固定螺杆9与左锁紧块6的连接头相连，所述旋转移动杆的后端贯穿出推拉装置10且与位移测量装置进行连接，所述位移测量装置采用两个数显式位移传感器14，两个数显式位移传感器14均通过磁性表座13分别与变速电机11和支撑腿2进行固定连接，两个数显式位移传感器14的测量端抵住旋转移动杆的后端。
所述数据采集器通过导线分别与数显式位移传感器14和力传感器15通过导线连接，用于采集位移数据及拉力值并上传至上位机。
本实施例中，所述卡夹后端的卡头有两组不同的尺寸。
卡头的宽度为4mm，其长度为15mm，其高度为50mm，在卡头的两侧壁上均设置有连续的齿型凸起，两个左固定片和右固定片面向卡头的一侧均设置有与连续的齿形凸起相配合的连续的齿形槽。
卡头的的宽度为8mm，长度为20mm，高度为50mm，在卡头的两侧壁上设置有外凿毛，两个左固定片和两个右固定片面向卡头的一侧设置有凿毛相配合的内凿毛。
本发明还提供一种土工合成材料拉拔试验仪的试验方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：制备试样；
步骤S2：将力传感器和数显式位移传感器采样频率均设置为10Hz，然后将制备好的试样放入卡夹内部，调整滑板的厚度，实现卡夹上下微调对中，调节调节螺杆的高度，实现丝杆与卡夹对中，裸露的纤维端部夹持于右锁紧块上，将变速电机速度设定为0.8mm/min，推拉装置上的旋转移动杆带动卡夹以恒定速率向左移动，纤维与土体发生滑动；
步骤S3：每个试样上都有三根纤维，单个拉拔试验即对3根纤维均进行拉拔，则按照每组需要6个独立重复试验，每组试验做重复试样2个，重复步骤S2，采用3倍均方差方法剔除异常值，同一组试验的变异系数Cv(％)应符合Cv≤6％的要求；
步骤S4：采集拉拔试验过程中的拉力和位移绘制拉力-位移曲线，根据拉拔试验过程中纤维受力变化情况，可以定量对比分析出外力作用下土工合成材料中的纤维受力特性。
得到拉力-位移曲线后可以定量对比分析出外力作用下不同土样(素土、水泥土等)中的纤维受力特性，也就是筋土界面作用特性，进而结合细微观试验可以定量分析出不同纤维(细纤维、粗纤维)的加筋增强机理。
在上述步骤S1中，制备试样具体过程如下：
(1)试样厚度设计为60mm，在其厚度方向上设计埋入3根纤维且位置处于试样厚度面的中线上，相邻两根纤维的间距为15mm，按设计压实度算出试样总需土量，均分为4份；
(2)在制样模具内依次放入底垫板，再依次放入第一分离式垫块31、第二分离式垫块32、第三分离式垫块33、第四分离式垫块34和第五分离式垫块35(如图7和8所示)，倒入第1份土样至第二块分离式垫块32上且使用工具进行初步压实，用镊子将第一根纤维的一头穿过第三分离式垫块33的贯通缝(缝宽为1.4mm)中，另一头按设计埋入长度放入土样上，倒入第2份土样后使用工具进行初步压实，按照上述方式放入第2根纤维，以次类推四份土样都倒入后，在土样的表面放置第六分离式垫块(图中未显示)且用千斤顶进行压实；
(3)对压实后的土样进行脱模，得到成型试样，试样的形状与卡夹内腔相吻合，呈梯形结构；
(4)将得到的试样放入标准养护箱内养护至设计龄期，即得到待测试样。
实施例3
与实施例2不同的是本实施例中试样裸露的纤维被夹持在连接杆22后端的夹头2201内且通过固定螺杆2202进行固定，所述连接杆22的前端与力传感器15相连。本实施例适用于单根纤维拉拔试验。
原直剪仪右侧固定块设计成上下左右皆不可调节，这不利于拉拔试验和直拉试验的对中，特别是对于拉拔试验，三层纤维的高度不同，因此将其改造成左右上下皆可调节的机构。对于对中问题分为左右对中和上下对中，左右对中通过调节卡夹的卡头左右的夹持结构相对位置来解决(如图5所示)，上下对中采用了两种方法配合实现，一种是通过设计不同厚度的滑板，拉拔试验试样中三层纤维上下两层对称布置，因此通过转换试样上下面相当于只有两种高度，因此设计了两种厚度的滑板，较薄的用于上下两层纤维拉拔，较厚的用于中层纤维拉拔，卡头的高度也保证了上下微调对中；二是在右侧固定块下方设计成可调高度的调节螺杆。此外考虑到卡头和拉紧组件自身重量且长度较长，为防止这部分对力传感器产生影响，在力传感器下方设置可调高度的垫块。
在本实施例中通过选择不同厚度的滑板，较薄的用于上下两层纤维拉拔，较厚的用于中层纤维拉拔，更换不同厚度的滑板，有利于卡头的高度上下微调对中，考虑到卡头和连接杆结构自身重量且长度较长，为防止这部分对力传感器产生影响，在力传感器下方设置可调高度的垫块。
利用实施例3的拉拔试验仪进行单根纤维纤维拉拔试验。
土样选择了西安土、三亚土和库尔勒土三种，进行了素土、水泥土和细聚丙烯纤维加筋水泥土分别作为基体的拉拔试验，变量包括压实度、龄期、水泥掺量和细聚丙烯纤维掺量，具体方案及相关代号说明如下：
①素土
素土进行了不同压实度的试验，代号为X/S/KSc1/2/3，X为西安土，S为三亚土，K为库尔勒土，最后的数字1/2/3分别表示压实度为85％、90％和95％；
②水泥固化土
水泥固化土进行了不同龄期、水泥掺量和压实度的试验，代号是X/S/KC(1/2/3)c(1/2/3)d(1/2/3)，第一个数字1/2/3表示水泥掺量为4％、8％和12％，第二个数字1/2/3表示压实度为85％、90％和95％，第三个数字1/2/3表示龄期为1d、7d和14d；
③细聚丙烯纤维加筋水泥土
细聚丙烯纤维加筋水泥土仅进行了不同纤维掺量的试验，水泥掺量固定为8％，纤维长度固定为12mm，压实度固定为95％，龄期固定为7d，代号为X/S/K M(1/2/3)L2c3d2，M表示细聚丙烯纤维，第一个数字1/2/3表示纤维掺量为0.1％、0.2％和0.3％。
1.素土中单根纤维拉拔试验
对西安土、三亚土和库尔勒土三种土样进行了素土中粗聚丙烯纤维拉拔试验，素土中纤维都能被完整拔出，其拉拔过程中一二级波峰拉拔力值统计结果如表1所示。
表1三种土样素土中纤维拉拔试验波峰/谷力值统计
Figure GDA0002697724680000171
由表1数据可得出西安和三亚土素土试样粗聚丙烯纤维拉拔过程中波峰和波谷拉拔力值随压实度的变化规律，如图10和图11所示，库尔勒土试样压实度为85％和90％时无数据，这是因为库尔勒土为砂性土，素土颗粒之间粘聚力很小，制样困难，这两种压实度下的库尔勒素土试样无法开展拉拔试验。
由图10和图11可以得到：
(1)对于西安土和三亚土素土试样，随着压实度提高，粗聚丙烯纤维拉拔曲线波峰拉拔力值和波谷拉拔力值都逐渐增大。当压实度从85％递增到95％，西安土试样纤维拉拔曲线一、二、三级波峰拉拔力值分别增长了12.3％和19.2％、23.5％和23.8％、23.6％和14.7％，最大拉拔力值达到了87N；三亚土试样纤维拉拔曲线一、二、三级波峰拉拔力值分别增长了35.7％和24.2％、40％和24.5％、39.3％和28.2％，最大拉拔力值达到了59N。可见西安土试样纤维拉拔过程中受到的峰值拉拔力要明显大于三亚土试样，但压实度提高对三亚土试样峰值拉拔力的提高幅度更大，这是因为西安土试样土粒间的粘聚力比三亚土试样要大，而纤维在拉拔过程中受到的力作用包括滑动摩擦力、粘聚力和咬合力，提高试样的压实度会显著增大纤维与土颗粒间的接触面积，两者间的滑动摩擦力和咬合力也会相应提高，而这两种力在三亚土试样纤维拉拔过程中所受力作用中占有重要比重，因此提高压实度对于三亚土试样拉拔曲线峰值拉拔力提高更显著。但西安土这种土自身粘聚力很大，因此总体来看西安土试样纤维拉拔过程中峰值拉拔力值更大。
拉拔曲线波谷拉拔力值远小于波峰拉拔力值，也随着压实度的提高而增大，随着波的级别发展而降低，原因是波的级别发展也即纤维被逐渐拔出，纤维的埋设深度逐渐减小，随着纤维埋设深度减小，拉拔过程中纤维所受到的滑动摩擦力和粘聚力都将减小；此外，随着纤维不断被拔出，过程中土体的波形结构也将被粗聚丙烯纤维的波形结构不断磨损，因此其对纤维的咬合力也逐渐减小。
(2)库尔勒土的砂性性质使其土颗粒间的粘聚力很小，造成土体与纤维间的粘聚力也很小，粗聚丙烯纤维从库尔勒素土试样中拔出时所受到的阻力主要由滑动摩擦力和咬合力组成。过小的粘聚力使得低压实度库尔勒素土试样很难成型，高压实度试样成型后纤维拉拔曲线峰值拉拔力值都明显小于西安土试样和三亚土试样。以95％压实度素土试样为例，西安土试样一、二、三级波峰拉拔力值分别是三亚土试样相应力值的1.47倍、1.70倍和1.56倍，是库尔勒土试样相应力值的3.78倍、3.82倍和4.48倍。可以看出三种土样拉拔曲线峰值拉拔力值大小排序与三种土样的粘聚力排序一样，因此，粘聚力和压实度对纤维在土体中滑动所受到的阻力大小起关键作用，特别是在施工中应严格按照设计要求对土样进行压实，以保证纤维能充分发挥其加筋作用。
2.水泥固化土中单根纤维拉拔试验
水泥固化西安、三亚和固化库尔勒土试样拉拔试验结果如表2所示。
表2三种土样水泥土中纤维拉拔试验波峰/谷力值统计
Figure GDA0002697724680000191
试验中发现低压实度水泥固化西安和三亚土试样(XC2c1d2和SC2c1d2)粗聚丙烯纤维拉拔曲线同样具有多峰的波形特征，但相比素土试样的拉拔曲线还是有不同的地方，XC2c1d2和SC2c1d2的典型拉拔曲线如图12所示，(a)表示西安土试样，(b)表示三亚土试样。根据表2数据可得出水泥固化三亚土试样粗聚丙烯纤维拉拔曲线波峰/谷拉拔力值随试样养护龄期、水泥掺量和压实度变化的规律。
由图17和表2可看出首先水泥的掺入显著提高了试样拉拔曲线波峰/谷拉拔力值，水泥固化西安土试样相比85％压实度素土试样，其拉拔曲线一、二、三级波峰拉拔力值分别提高了106.9％、113.2％和118.2％，波谷拉拔力值分别提高了200％、140％和350％；水泥固化三亚土试样相比85％素土试样，其一、二、三级波峰拉拔力值分别提高了184.3％、188.6％和178.6％，波谷拉拔力值分别提高了70.4％、85％和82.4％。相比于压实度较高的素土试样(95％)，低压实度的水泥土波峰和波谷拉拔力值也显著较高，水泥固化西安土相比95％压实度素土，其一、二、三级波峰拉拔力值分别提高了54.6％、43.6％和53.8％，波谷力值分别提高了43.1％、-4％和-8.2％；水泥固化三亚土试样相比95％压实度素土试样，其拉拔曲线一、二、三级波峰拉拔力值分别提高了68.6％、65.6％和56％，波谷拉拔力值分别提高了27.8％、12.1％和14.8％。可见水泥可显著增强纤维与土体间的作用力，特别是对于压实度较低的土体，这是因为掺入的水泥发生水化反应生成的产物具有较高的强度，可以增大纤维与土体间的粘聚力，同时水化产物填充于土颗粒空隙也可以起到增大土体密实度的作用。
低压实度水泥固化西安和三亚土试样粗聚丙烯纤维拉拔曲线同样具有明显的多峰结构，且随着纤维不断被拔出土体波峰力值和波谷力值逐渐下降。但不同的是拉拔曲线波长与素土试样拉拔曲线波长有不同的规律，首先一级波长数值更大，但其二、三、四级波长则下降幅度更大，与粗聚丙烯纤维自身理论波长(4mm)的差距也更大。其原因是水泥的水化产物显著增强纤维与土颗粒间的粘聚力和咬合力，纤维要脱黏在土体中滑动就需要克服更大的作用力，其等效于加长了纤维的波长，因此水泥土中拉拔曲线一级波长要大于素土试样中和纤维自身波长；另一方面，纤维脱黏滑动时克服更大的作用力反过来纤维受到的作用力也更大，对其的磨损作用也增大，因此随着纤维不断拔出土体，拉拔曲线波长降低幅度更大。
由图13及表2可看出，随着龄期的增长，波峰拉拔力值和波谷拉拔力值皆逐渐提高，但不同级别间的增长幅度不同，其中一级波峰和波谷拉拔力值增长幅度较大，而二三级波峰和波谷拉拔力值增长幅度较小。当龄期由1d增至7d再增至14d，一级波峰拉拔力值分别增长了19.2％和16.1％，一级波谷拉拔力值分别增长了48.1％和82.5％；二级波峰拉拔力值分别增长了20.9％和8.6％，二级波谷拉拔力值分别增长了64.7％和17.9％。这是因为随着龄期的增长水泥水化反应产物强度逐渐增大，进而使得纤维与土体间的粘聚力增大，在纤维受拉脱黏产生滑动时此粘聚力即受损，其后随着纤维被继续拉拔出试样此粘聚力相比纤维滑动前大为减小，因此龄期增长带来的纤维与土体间粘聚力的增长进而使得波峰和波谷拉拔力值增长主要在第一级体现的较为明显。
由图14和表2可看出，随着水泥掺量的提高试样拉拔曲线波峰和波谷拉拔力值均逐渐提高，但不同级别增长幅度不同，一级和二级波峰和波谷拉拔力值明显高于三级相应值。当水泥掺量由4％增至8％再增至12％，一级波峰拉拔力值分别增长了18.4％和41.7％，一级波谷拉拔力值分别增长了29.0％和165.0％；二级波峰拉拔力值分别增长了26.6％和55.6％，二级波谷拉拔力值分别增长了133.3％和96.4％；三级波峰拉拔力值分别增长了82.1％和25.5％，三级波谷拉拔力值分别增长了240％和5.9％。水泥掺量的提高主要是增多了水化产物，使得纤维与周边土体形成的“锚固区”面积增大，相当于增大了纤维与土体的粘聚力增大，同时更多的水化物使得土颗粒间更加密实，因此纤维要脱黏产生滑动需要克服更大的作用力，纤维相对也受到更大作用力，到第三级时纤维波形结构和土体波形结构都受到磨损作用，其所能提供的阻滞作用也大为降低。
由图15和表2可看出，压实度的提高对试样拉拔曲线波峰和波谷拉拔力值提高作用明显，不论是第一、二、三级。当试样压实度由85％增至90％再增至95％，一级波峰拉拔力值分别增长了128.3％和48.8％，一级波谷拉拔力值分别增长了21.7％和42.9％；二级波峰拉拔力值分别增长了122.7％和65.3％，二级波谷拉拔力值分别增长了50％和55.6％；三级波峰拉拔力值分别增长了46.7％和131.8％，三级波谷拉拔力值分别增长了75％和142.9％。压实度的提高主要是提高了纤维与土体间的接触面积，可以显著提高两者间的滑动摩擦力和咬合力，特别是对于粗聚丙烯纤维这种波形纤维。因此，此结果进一步说明压实度指标对于纤维加筋作用的发挥起着至关重要的重要，在施工中必须严格控制压实度指标达到设计要求。
3.细聚丙烯纤维加筋水泥土中单根纤维拉拔试验
对于细聚丙烯纤维加筋水泥土试样，试验发现西安土和三亚土试样粗聚丙烯纤维都被拔断，无法拔出；而对于库尔勒土试样，粗聚丙烯纤维都可以顺利拔出，未发生纤维被拔断的现象。因此，细聚丙烯纤维加筋水泥土方面，主要对库尔勒土试样进行了分析。细聚丙烯纤维加筋水泥固化库尔勒土试样中粗聚丙烯纤维拉拔试验波峰和波谷拉拔力值统计结果如表3所示。
表3细纤维加筋库尔勒水泥土中纤维拉拔试验波峰/谷力值统计
Figure GDA0002697724680000221
由图16和表3可看出整体来看随细聚丙烯纤维掺量的提高，拉拔曲线的一、二、三级波峰和波谷拉拔力值的变化规律不太明显，表现出较大的离散性，这与试验中调整变异系数的控制值也有关系。但是对于一级波峰拉拔力值规律性较为明显，相比于水泥固化土，细聚丙烯纤维的加入明显提高了一级波峰拉拔力值，且提高幅度基本呈线性，随着细聚丙烯纤维掺量的提高，一级波峰拉拔力值也逐渐提高。
细聚丙烯纤维加入水泥土提高一级波峰拉拔力值可以解释为：所用粗聚丙烯纤维为波形纤维，靠纤维与土体间的滑动摩擦力、咬合力和粘聚力来阻滞纤维在土体中的滑动，库尔勒土粘聚力很小，水泥的加入可以在纤维周围形成锚固区，相当于增强了纤维与土体间的粘聚力。细聚丙烯纤维的加入后其“桥接”作用可以使分散的纤维组成网状结构，进而将固化土体连接成成片整体，有效增强土体的整体性，相当于使粗纤维周边的锚固区面积变大，这样粗纤维要脱黏滑动需要克服的作用力就更大。而细聚丙烯纤维在水泥土体内随着水泥硬化完成其位置也相对固定，在粗聚丙烯纤维脱黏滑动后其阻滞作用则大为减小。如图17所示为从细聚丙烯纤维加筋库尔勒水泥土试样中拉拔出的粗聚丙烯纤维典型形态，可以明显看到粗聚丙烯纤维在被拔出时所带出的细聚丙烯纤维，以及粗纤维表面被磨出的纤维丝和粘附的土粒。
本发明设计的卧式直拉/拉拔试验仪及其配套的制样模具和制样方法，试验发现设计的仪器和模具科学高效，一机两用，可以很好地实现素土、水泥土和纤维加筋水泥土试样的直接拉伸试验和拉拔试验。数据全程自动采集，减小了人为因素的干扰，做到数据提取精确、准确且高效。
利用本发明的直拉/拉拔试验仪进行了西安土、三亚土和库尔勒土三种土样的素土、水泥固化土和细聚丙烯纤维加筋水泥土的粗聚丙烯纤维拉拔试验，其中西安土和三亚土的素土、低压实度水泥土试样以及库尔勒土的素土、水泥土、细纤维加筋水泥土试样中的粗聚丙烯纤维可以被拔出土样，西安土和三亚土的高压实度水泥土试样和细纤维加筋水泥土试样中的纤维被拉断，无法拔出试样。能被拔出土体的粗聚丙烯纤维拉拔曲线呈现出明显的多峰形态，其波长与粗聚丙烯纤维固有波长密切相关，素土试样中拔出的纤维拉拔曲线一级波长与纤维固有波长基本相同，水泥土试样相应一级波长要略大于纤维固有波长，两者的二级及以后级别波长皆逐渐减小，水泥土中波长降低更快，幅度更大。其原因是水泥水化产物等效加长了纤维的波长，随着纤维逐渐被拔出土体，纤维表面被磨损，等效波长减小，水泥土中纤维滑动受到的阻滞力更大，纤维受到的磨损也相对较大，其等效波长降低更快，且幅度更大。被拔断纤维的拉拔曲线呈现出一次陡降或分台阶陡降两种形态，分别对应于纤维被一次或者逐渐分束拉断两种纤维破坏形态。
通过上述几个拉拔实验可以看出，延长试样养护龄期、提高水泥掺量、提高压实度和添加细聚丙烯纤维皆可以提高粗聚丙烯纤维峰值拉拔力，其中提高压实度对改善土体与纤维界面作用特性效果显著，特别是对于库尔勒土这种粘聚力很小的土样，施工中应严格控制压实度达到设计要求。推导出的粗聚丙烯纤维理论最长加筋长度适合于初步的定性分析，可对工程应用提供参考。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制,凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种土工合成材料拉拔试验仪的试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：制备试样；
步骤S2：将力传感器和数显式位移传感器采样频率均设置为10Hz，然后将制备好的试样放入卡夹内部，调整滑板的厚度，实现卡夹上下微调对中，调节调节螺杆的高度实现拉紧组件与卡夹对中，将裸露的纤维端部被夹持于拉紧组件上，将变速电机速度设定为0.8mm/min，推拉装置上的旋转移动杆带动卡夹以恒定速率向左移动，纤维与土体发生滑动；
步骤S3：每个试样上都有三根纤维，单个拉拔试验即对3根纤维均进行拉拔，则按照每组需要6个独立重复试验，每组试验做重复试样2个，重复步骤S2，采用3倍均方差方法剔除异常值，同一组试验的变异系数Cv(％)应符合Cv≤6％的要求；
步骤S4：采集拉拔试验过程中的拉力和位移绘制拉力-位移曲线，根据拉拔试验过程中纤维受力变化情况，可以定量对比分析出外力作用下土工合成材料中的纤维受力特性；
拉拔试验仪包括由水平板以及支撑腿构成的工作台，还包括设置于工作台上的驱动装置、拉拔装置、位移测量装置、拉力测量装置以及数据采集器；
其中，所述拉拔装置包括设置于工作台上的安装板，所述安装板上的两个长边处设置有对称的滑槽，所述滑槽上设置有条形板，所述条形板上设置有多个等间距的通孔，且所述通孔与滑槽连通，在每个通孔内均设置有滚珠，在条形板上设置滑板，所述滑板的底部与滚珠滑动连接，所述滑板的上端设置有卡夹，所述卡夹内放置有待测试样，所述卡夹后端的卡头两侧均设置有左固定片，两个左固定片位于左锁紧块前端的安装槽内且通过左锁紧块两侧的锁紧杆进行固定，所述左锁紧块后端的的连接头通过双向固定螺杆与驱动装置相连，所述待测试样前端裸露的纤维段固定于拉紧组件的后端，所述拉紧组件的前端与拉力测量装置相连；
所述拉力测量装置包括固定台、力传感器、固定块，所述固定台上设置有沿其长度方向的U型槽，所述U型槽底部设置有条形导向孔，所述条形导向孔与工作台上设置的穿孔连通，所述固定块设置于U型槽内，所述固定块底部设置有调节螺杆，所述调节螺杆的自由端依次穿过条形导向孔和穿孔且通过调节螺母固定，所述力传感器的前端与固定块连接，所述力传感器的后端与拉紧组件的前端相连，所述力传感器的底部设置有传感器垫块，所述传感器垫块位于U型槽内；
所述位移测量装置安装在工作台上，用于测量直拉试验的位移数据；
所述数据采集器通过导线分别与位移测量装置和力传感器通过导线连接，用于采集位移数据及拉力值并上传至上位机；
所述驱动装置包括变速电机、推拉装置和手摇轮，所述变速电机能正反两个方向旋转，与推拉装置相连且能够根据试验要求为推拉装置设定不同转速和推拉速度，所述推拉装置还可通过手摇轮驱动其前进或后退；
所述推拉装置上的旋转移动杆前端通过双向固定螺杆与左锁紧块的连接头相连，所述旋转移动杆的后端贯穿出推拉装置且与位移测量装置进行连接，所述位移测量装置采用两个数显式位移传感器，两个数显式位移传感器均通过磁性表座分别与变速电机和支撑腿进行固定连接，两个数显式位移传感器的测量端抵住旋转移动杆的后端。
2.根据权利要求1所述的一种土工合成材料拉拔试验仪的试验方法，其特征在于，所述拉紧组件包括右固定片、右锁紧块和丝杆，所述右固定片设置有两个且分别位于裸露的纤维段两侧，两个右固定片位于右锁紧块后端的安装槽内，且通过右锁紧块两侧的锁紧杆进行固定，所述右锁紧块前端通过双向固定螺母与丝杆后端连接，所述丝杆的前端通过锁紧螺母与力传感器相连。
3.根据权利要求1所述的一种土工合成材料拉拔试验仪的试验方法，其特征在于，所述拉紧组件包括连接杆，所述连接杆后端设置有夹头，裸露的纤维段被夹持夹头内且通过固定螺杆进行固定，所述连接杆的前端与力传感器相连。
4.根据权利要求1所述的一种土工合成材料拉拔试验仪的试验方法，其特征在于，在上述步骤S1中，制备试样具体过程如下：
(1)试样厚度设计为60mm，在其厚度方向上设计埋入3根纤维且位置处于试样厚度面的中线上，相邻两根纤维的间距为15mm，按设计压实度算出试样总需土量，均分为4份；
(2)在制样模具内依次放入底垫板，再依次放入第一分离式垫块、第二分离式垫块、第三分离式垫块、第四分离式垫块和第五分离式垫块，倒入第1份土样至第二块分离式垫块上且使用工具进行初步压实，用镊子将第一根纤维的一头穿过第三分离式垫块的贯通缝中，另一头按设计埋入长度放入土样上，倒入第2份土样后使用工具进行初步压实，按照上述方式放入第2根纤维，以次类推四份土样都倒入后，在土样的表面放置第六分离式垫块且用千斤顶进行压实；
(3)对压实后的土样进行脱模，得到成型试样；
(4)将得到的试样放入标准养护箱内养护至设计龄期，即得到待测试样。
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