CN113552000B - 基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于温度‑荷载耦合作用的土工合成材料试验装置及方法，装置包括工作台、左支撑架、右支撑架、固定夹具、滑动夹具、保温试验箱、温度调控设备、反力架、竖向加载杠杆、调平机构和水平拉力加载组件；保温试验箱放置在工作台上，左支撑架和右支撑架位于保温试验箱的左、右两侧；左支撑架上固连有多个固定夹具，右支撑架上安装有与固定夹具数量相同的滑动夹具，每个滑动夹具与各自的水平拉力加载组件或者拉拔电机连接；温度调控设备与保温试验箱连接；所述反力架的上部作用在保温试验箱内填料上，调平机构用于竖向加载杠杆的调平。该装置能够用于蠕变和拉拔试验，可以较真实的模拟土工合成材料在实际工程中的工作环境。

Description

基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置及方法
技术领域
本发明属于土工合成材料试验技术领域，具体涉及一种基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置及方法。
背景技术
土工合成材料是以人工合成的聚合物为原料，制成的如土工格栅、土工格室、土工网、土工膜袋、土工布等产品，用于置于土体内部、表面或各种土体之间，起到加强或保护土体的作用，土工合成材料凭其优异的工作性能被广泛应用于各种工程中。
在实际使用中，土工合成材料往往深埋于土体之中，需要承受较大的土体荷载，会影响土工合成材料的力学性能。此外，温度因素对土工合成材料的力学性能也有着很大的影响。为保证使用寿命，在使用前需要模拟实际环境开展土工合成材料试验，研究土工合成材料的力学性能。
现有土工合成材料试验装置主要有下列问题：一、无法将多种试验集合到一个装置上，仅仅能够做一种试验；二、试验装置无法同时提供温度调控和竖向、横向加载值变化；三、现有装置竖向加载多采用液压千斤顶加载方式，这种加载经过大量试验证明加载值极不稳定，无法使得竖向荷载长期处于一个稳定值；四、温度调控大多采用“气冷”，这种通过气体调节温度的方式有很大弊端，会导致上部空气较热，下部较凉，试样所处环境温度并非分布均匀从而造成很大误差，因此本申请提出一种基于温度-载荷耦合作用的土工合成材料试验装置，对开展土工合成材料力学性能的室内研究具有重大意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置及方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置，其特征在于，该装置包括工作台、左支撑架、右支撑架、固定夹具、滑动夹具、保温试验箱、温度调控设备、反力架、竖向加载杠杆、调平机构和水平拉力加载组件；
所述保温试验箱放置在工作台上，左支撑架和右支撑架安装在工作台上，且位于保温试验箱的左、右两侧；左支撑架上固连有多个固定夹具，右支撑架上安装有与固定夹具数量相同的滑动夹具，滑动夹具与固定夹具的位置一一对应，滑动夹具能在右支撑架上滑动；每个滑动夹具与各自的水平拉力加载组件或者拉拔电机连接；温度调控设备与保温试验箱连接；
所述反力架套装在保温试验箱和工作台上，反力架的上部作用在保温试验箱内填料上；竖向加载杠杆位于工作台的下方，竖向加载杠杆的一端与反力架的下部和工作台底部的支杆铰接，竖向加载杠杆的另一端设置有竖向加载砝码箱；调平机构用于竖向加载杠杆的调平。
所述调平机构包括调平杠杆、调平支架和调平砝码；调平杠杆的一端穿过工作台的支杆，与反力架下部的挂钩连接；调平砝码套装在调平杠杆上，且能在调平杠杆上往复移动；调平支架安装在工作台的底部，竖向加载杠杆贯穿调平支架；调平支架的底部设有调节螺柱。
所述水平拉力加载组件包括水平拉力杠杆、导向轮、连接绳和水平加载砝码箱；导向轮安装在工作台上，连接绳的一端与滑动夹具固连，另一端与水平加载砝码箱连接，连接绳套装在导向轮上；水平拉力杠杆的一端与工作台铰接，水平加载砝码箱悬挂在水平拉力杠杆的另一端。
所述右支撑架上设有与滑动夹具数量相同的滑轨，滑动夹具的底部设有与滑轨配合的滑轮。
所述保温试验箱由内、中、外三层箱体嵌套构成，外层箱体和中层箱体的底部均放置有工字钢，使外层箱体与中层箱体以及内层箱体与中层箱体之间形成夹层，外层箱体与中层箱体的夹层内填充有保温棉，内层箱体与中层箱体的夹层内填充有保温液。
所述反力架为框架结构，反力架的下部设有与竖向加载杠杆铰接的铰支座，铰支座上安装有挂钩；反力架的上部安装有多个加压托盘。
所述固定夹具和滑动夹具均包含上、下两个夹板，每个夹板与土工合成材料接触的一面均设有橡胶垫片。
一种基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验方法，其特征在于，该方法包括蠕变试验和拉拔试验，蠕变试验的具体步骤为：
步骤一：向保温试验箱内填入填料，并分层压实，土工合成材料埋设在填料中；土工合成材料的两端伸出保温试验箱外，分别与固定夹具和滑动夹具连接；
步骤二：温度调控设备将保温试验箱加热至预设温度并保温；
步骤三：对竖向加载杠杆进行调平；
步骤四：在竖向加载砝码箱内添加砝码，完成土工合成材料竖向载荷的加载；
步骤五：滑动夹具连接水平拉力加载组件，向水平拉力加载组件的水平拉力杠杆的另一端砝码箱内添加水平加载砝码，完成土工合成材料水平载荷的加载；
步骤六：测量出土工合成材料的蠕变量。
所述的基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验方法，其特征在于，拉拔试验的具体步骤为：
步骤一：向保温试验箱内填入填料，并分层压实，土工合成材料埋设在填料中；土工合成材料的一端位于保温试验箱中且不与固定夹具连接，另一端连接滑动夹具；
步骤二：温度调控设备将保温试验箱加热至预设温度并保温；
步骤三：对竖向加载杠杆进行调平；
步骤四：在竖向加载砝码箱内添加砝码，完成土工合成材料竖向载荷的加载；
步骤五：滑动夹具连接拉拔电机，拉拔电机以恒定速率将土工合成材料从保温试验箱内拉出，完成拉拔试验。
上述步骤三的具体过程为：
转动调平支架的调节螺柱，使调节螺柱的上部顶住竖向加载杠杆，使得竖向加载杠杆保持近似水平状态，此时竖向加载砝码箱内不放置砝码；然后移动调平杠杆上的调平砝码的同时反向转动调节螺柱，使调节螺柱与竖向加载杠杆脱离接触，直到竖向加载杠杆悬空并保持稳定，停止移动调平砝码并保持在当前位置，完成竖向加载杠杆的调平。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.该装置既能用于蠕变试验，也能用于拉拔试验，两种试验之间的部件连接与切换操作简单；装置可以提供不同温度，竖向和水平载荷条件，可以较真实的模拟土工合成材料在实际工程中的工作环境，大大缩短了实验时间，降低了时间和经济成本。
2.通过反力架对保温试验箱内的填料施加竖向载荷，以反力架代替通常的液压千斤顶，通过以往的试验发现，液压千斤顶一般用于施加较大荷载的情况，而且载荷不稳定，随时间推移加载的载荷逐渐减小会造成很大的试验误差；而本装置通过堆积砝码的方式施加竖向载荷，保证了载荷的稳定性。
3.通过温度调通设备对保温试验箱夹层内的保温液进行加热/制冷，通过热传递的方式对保温试验箱内的填料进行加热/制冷，相较于传统“气体加热/制冷”可使得填料受热更加均匀。
4.装置的空间布置合理且紧凑，可以同时进行多组试验，提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明除温度调控设备外的结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的俯视图
图4为本发明的反力架的结构示意图；
图5为本发明的挂钩与铰支座的连接示意图；
图中，1-工作台；2-左支撑架；3-右支撑架；4-固定夹具；5-滑动夹具；6-保温试验箱；7-温度调控设备；8-反力架；9-竖向加载杠杆；10-竖向加载砝码箱；11-调平杠杆；12-调平支架；13-调节螺柱；14-水平拉力杠杆；15-导向轮；16-连接绳；17-水平加载砝码箱；
101-支杆；301-滑轨；801-挂钩；802-铰支座；803-加压托盘；804-加压板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但并不以此限定本申请的保护范围。
本发明为一种基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置(简称装置)，包括工作台1、左支撑架2、右支撑架3、固定夹具4、滑动夹具5、保温试验箱6、温度调控设备7、反力架8、竖向加载杠杆9、调平机构和水平拉力加载组件；
所述保温试验箱6放置在工作台1上，左支撑架2和右支撑架3安装在工作台1上，且位于保温试验箱6的左、右两侧；左支撑架2上固连有多个固定夹具4，右支撑架3上滑动安装有与固定夹具4数量相同的滑动夹具5，滑动夹具5与固定夹具4的位置一一对应，用于夹持土工合成材料；每个滑动夹具5与各自的水平拉力加载组件或者拉拔电机连接，与水平拉力加载组件连接时，用于土工合成材料的蠕变试验；与拉拔电机连接时，用于土工合成材料的拉拔试验；温度调控设备7与保温试验箱6连接，用于调控保温试验箱6的温度，为试验提供温度变化条件；
所述反力架8套装在保温试验箱6和工作台1上，反力架8的上部作用在保温试验箱6内填料上；竖向加载杠杆9位于工作台1的下方，竖向加载杠杆9的一端与反力架8的下部和工作台1底部的支杆101铰接，竖向加载杠杆9的另一端设置有竖向加载砝码箱10，通过在竖向加载砝码箱10内添加砝码下压反力架8，使反力架8的上部对埋设在填料中的土工合成材料施加竖向载荷；
调平机构用于竖向加载杠杆9的调平，补偿反力架8、竖向加载杠杆9和竖向加载砝码箱10的自重。
所述调平机构包括调平杠杆11、调平支架12和调平砝码(图中未画出)；反力架8的下部设有挂钩801，调平杠杆11的一端穿过工作台1的支杆101，与反力架8的挂钩801连接；调平砝码套装在调平杠杆11上，且能在调平杠杆11上往复移动；调平支架12安装在工作台1的底部，且位于竖向加载杠杆9的中部，竖向加载杠杆9穿过调平支架12；调平支架12的底部设有调节螺柱13，为竖向加载杠杆9提供支撑或用于竖向加载杠杆9的辅助调平；当装置不使用时，调节螺柱13的上部顶住与竖向加载杠杆9，为竖向加载杠杆9提供支撑力；调平时，移动调平砝码的同时转动调节螺柱13，使调节螺柱13与竖向加载杠杆9脱离接触，直到竖向加载杠杆9悬空并保持稳定，此时停止移动调平砝码并保持在当前位置，完成竖向加载杠杆9的调平。
所述水平拉力加载组件包括水平拉力杠杆14、导向轮15、连接绳16和水平加载砝码箱17，导向轮15安装在工作台1上，连接绳16的一端与滑动夹具5固连，另一端与水平加载砝码箱17连接，连接绳16套装在导向轮15上；水平拉力杠杆14的一端与工作台1铰接，水平加载砝码箱17悬挂在水平拉力杠杆14的另一端；通过导向轮15将水平加载砝码箱17内砝码的重力转换为连接绳16的拉力，进而通过滑动夹具5对土工合成材料施加水平拉力。
所述右支撑架3上设有与滑动夹具5数量相同的滑轨301，滑动夹具5的底部设有与滑轨配合的滑轮(图中未画出)，使滑动夹具5能够在右支撑架3上滑动，为蠕变试验或拉伸试验过程中滑动夹具5的运动提供空间。
所述保温试验箱6的左、右侧壁上均开有通孔，土工合成材料的两端穿过两侧的通孔伸出保温试验箱6外，分别与固定夹具4和滑动夹具5连接；保温试验箱6由内、中、外层箱体嵌套构成，外层箱体和中层箱体的底部均放置有工字钢，使外层箱体与中层箱体以及内层箱体与中层箱体之间形成夹层，外层箱体与中层箱体的夹层内填充有保温棉，减缓热量的散失；内层箱体与中层箱体的夹层厚度为30mm，内层箱体与中层箱体的夹层内填充有保温液，使保温液包裹整个保温试验箱，温度调控设备7通过管道与保温试验箱6连接，将保温试验箱6夹层内的保温液抽出，在温度调控设备7的内部加热/冷却后，再将其送回夹层；温度调控设备对保温液进行-20℃～60℃范围的温度调控，对保温液起到加热与冷却作用，进行为保温试验箱6内的土层提供温度，以进行不同温度下土工合成材料的蠕变或拉伸试验。
所述内层箱体和中层箱体均采用钢板制成，防止箱体受到竖向载荷时发生侧向挠曲变形；外层箱体采用铁皮制成，节约成本。
所述反力架8为框架结构，反力架8的下部设有与竖向加载杠杆铰接的铰支座802，铰支座802上安装有挂钩801；反力架8的上部安装有多个加压托盘803，所有加压托盘803的底部共同安装有一个加压板804，通过加压板804将竖向载荷传递至保温试验箱6内填料上，使得受力更加均匀。
所述左支撑架2和右支撑架3均沿竖直方向分为多层，可以同时进行多组试验，结构布置更加紧凑合理。
所述固定夹具4和滑动夹具5均包含上、下两个夹板，通过两个夹板夹持土工合成材料的端部，并通过螺栓连接两个夹板；每个夹板与土工合成材料接触的一面设有橡胶垫片，避免磨损土工合成材料。
使用上述装置进行蠕变试验的具体步骤如下：
步骤一：向保温试验箱6内填入填料，并分层压实，在与保温试验箱6的通孔平齐的位置放置土工合成材料，土工合成材料的两端伸出保温试验箱6外，分别与固定夹具4和滑动夹具5连接；
步骤二：温度调控设备7将保温试验箱6加热至预设温度，并保持一段时间，通过保温试验箱6对填料进行充分加热；
步骤三：转动调节螺柱13，使调节螺柱13的上部顶住竖向加载杠杆9，使得竖向加载杠杆9保持近似水平状态，此时竖向加载杠杆9的另一端砝码箱10内不放置竖向加载砝码；然后移动调平杠杆11上的调平砝码的同时反向转动调节螺柱13，使调节螺柱13与竖向加载杠杆9脱离接触，直到竖向加载杠杆9悬空并保持稳定，此时停止移动调平砝码并保持在当前位置，竖向加载杠杆9的调平结束，以补偿反力架8、竖向加载杠杆9和竖向加载砝码箱10的自重，避免反力架8、竖向加载杠杆9和竖向加载砝码箱10的自重对保温试验箱6内的填料施加竖向载荷；
步骤四：在竖向加载杠杆9的另一端竖向加载砝码箱10内添加砝码，使竖向加载杠杆9下压反力架8，通过反力架8的上部对保温试验箱6内填料施加竖向载荷，完成土工合成材料竖向载荷的加载；
步骤五：滑动夹具5连接水平拉力加载组件，向水平加载砝码箱17内添加砝码，水平加载砝码的重力通过连接绳16转换为土工合成材料的水平拉力，完成土工合成材料水平载荷的加载；
步骤六：一段时间后测量出土工合成材料的蠕变，固定夹具4和滑动夹具5两者之间的位移量反映了土工合成材料的蠕变量，也可以在土工合成材料上设置应变片或在滑动夹具5端部设置位移传感器测量蠕变量。
使用上述装置进行拉拔试验的具体步骤如下：
步骤一：向保温试验箱6内填入填料，并分层压实，在与保温试验箱6的通孔平齐的位置放置土工合成材料，土工合成材料靠近固定夹具4的一端位于保温试验箱6内，不与固定夹具4连接；土工合成材料的另一端连接滑动夹具5；
步骤二：温度调控设备7将保温试验箱6加热至预设温度，并保持一段时间，通过保温试验箱6对填料进行充分加热；
步骤三：转动调节螺柱13，使调节螺柱13的上部顶住竖向加载杠杆9，使得竖向加载杠杆9保持近似水平状态，此时竖向加载杠杆9的另一端竖向加载砝码箱10内不放置竖向加载砝码；然后移动调平杠杆11上的调平砝码的同时反向转动调节螺柱13，使调节螺柱13与竖向加载杠杆9脱离接触，直到竖向加载杠杆9悬空并保持稳定，此时停止移动调平砝码并保持在当前位置，竖向加载杠杆9的调平结束，以补偿反力架8、竖向加载杠杆9和竖向加载砝码箱10的自重，避免反力架8、竖向加载杠杆9和竖向加载砝码箱10的自重对保温试验箱6内的填料施加竖向载荷；
步骤四：在竖向加载砝码10内添加砝码，使竖向加载杠杆9下压反力架8，通过反力架8的上部对保温试验箱6内填料施加竖向载荷，完成土工合成材料竖向载荷的加载；
步骤五：滑动夹具5连接拉拔电机，通过拉拔电机以恒定速率将土工合成材料从保温试验箱6内拉出，测量试验数据，完成拉拔试验。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置，其特征在于，该装置包括工作台、左支撑架、右支撑架、固定夹具、滑动夹具、保温试验箱、温度调控设备、反力架、竖向加载杠杆、调平机构和水平拉力加载组件；
所述保温试验箱放置在工作台上，左支撑架和右支撑架安装在工作台上，且位于保温试验箱的左、右两侧；左支撑架上固连有多个固定夹具，右支撑架上安装有与固定夹具数量相同的滑动夹具，滑动夹具与固定夹具的位置一一对应，滑动夹具能在右支撑架上滑动；每个滑动夹具与各自的水平拉力加载组件或者拉拔电机连接；温度调控设备与保温试验箱连接；
所述反力架套装在保温试验箱和工作台上，反力架的上部作用在保温试验箱内填料上部的加压板上；竖向加载杠杆位于工作台的下方，竖向加载杠杆的一端与反力架的下部和工作台底部的支杆铰接，竖向加载杠杆的另一端设置有竖向加载砝码箱；调平机构用于竖向加载杠杆的调平；
所述调平机构包括调平杠杆、调平支架和调平砝码；调平杠杆的一端穿过工作台的支杆，与反力架下部的挂钩连接；调平砝码套装在调平杠杆上，且能在调平杠杆上往复移动；调平支架安装在工作台的底部，竖向加载杠杆贯穿调平支架；调平支架的底部设有调节螺柱；
所述水平拉力加载组件包括水平拉力杠杆、导向轮、连接绳和水平加载砝码箱；导向轮安装在工作台上，连接绳的一端与滑动夹具固连，另一端与水平加载砝码箱连接，连接绳套装在导向轮上；水平拉力杠杆的一端与工作台铰接，水平加载砝码箱悬挂在水平拉力杠杆的另一端。
2.根据权利要求1所述的基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置，其特征在于，所述右支撑架上设有与滑动夹具数量相同的滑轨，滑动夹具的底部设有与滑轨配合的滑轮。
3.根据权利要求1所述的基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置，其特征在于，所述保温试验箱由内、中、外三层箱体嵌套构成，外层箱体和中层箱体的底部均放置有工字钢，使外层箱体与中层箱体以及内层箱体与中层箱体之间形成夹层，外层箱体与中层箱体的夹层内填充有保温棉，内层箱体与中层箱体的夹层内填充有保温液。
4.根据权利要求1所述的基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置，其特征在于，所述反力架为框架结构，反力架的下部设有与竖向加载杠杆铰接的铰支座，铰支座上安装有挂钩；反力架的上部安装有多个加压托盘。
5.根据权利要求1所述的基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验装置，其特征在于，所述固定夹具和滑动夹具均包含上、下两个夹板，每个夹板与土工合成材料接触的一面均设有橡胶垫片。
6.一种基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验方法，包括蠕变试验和拉拔试验；使用权利要求1～5任一所述的装置进行蠕变试验的具体步骤为：
步骤一：向保温试验箱内填入填料，并分层压实，土工合成材料埋设在填料中；土工合成材料的两端伸出保温试验箱外，分别与固定夹具和滑动夹具连接；
步骤二：温度调控设备将保温试验箱加热至预设温度并保温；
步骤三：对竖向加载杠杆进行调平；
步骤四：在竖向加载砝码箱内添加砝码，完成土工合成材料竖向载荷的加载；
步骤五：滑动夹具连接水平拉力加载组件，向水平拉力加载组件的水平加载砝码箱内添加砝码，完成土工合成材料水平载荷的加载；
步骤六：测量出土工合成材料的蠕变量。
7.根据权利要求6所述的基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验方法，其特征在于，拉拔试验的具体步骤为：
步骤一：向保温试验箱内填入填料，并分层压实，土工合成材料埋设在填料中；土工合成材料的一端位于保温试验箱中且不与固定夹具连接，另一端连接滑动夹具；
步骤二：温度调控设备将保温试验箱加热至预设温度并保温；
步骤三：对竖向加载杠杆进行调平；
步骤四：在竖向加载砝码箱内添加砝码，完成土工合成材料竖向载荷的加载；
步骤五：滑动夹具连接拉拔电机，拉拔电机以恒定速率将土工合成材料从保温试验箱内拉出，完成拉拔试验。
8.根据权利要求7所述的基于温度-荷载耦合作用的土工合成材料试验方法，其特征在于，步骤三的具体过程为：
转动调平支架的调节螺柱，使调节螺柱的上部顶住竖向加载杠杆，使得竖向加载杠杆保持近似水平状态，此时竖向加载砝码箱内不放置砝码；然后移动调平杠杆上的调平砝码的同时反向转动调节螺柱，使调节螺柱与竖向加载杠杆脱离接触，直到竖向加载杠杆悬空并保持稳定，停止移动调平砝码并保持在当前位置，完成竖向加载杠杆的调平。
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