CN114636667B - 一种废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种废旧轮胎‑土水平界面剪切特性测试装置，支撑系统包括多个环向排列的连接件，试样系统包括由下至上设置的滑动装置、内部充填土体的剪切箱和废旧轮胎，竖向传荷系统包括由下至上设置的环形垫板、多个环向排列的传荷圆柱、传荷圆板、传荷加劲肋梁和承压盘，传荷圆柱与连接件对应设置在废旧轮胎弧形胎面的内外侧且通过螺栓固连，伺服加载系统包括连接承压盘的竖向加载千斤顶和连接剪切箱的水平推拉作动器，数据采集系统包括水平/竖向力传感器、水平/竖向位移计和界面变形显微摄像头。本申请满足剪切试验对不同埋深及尺寸条件的需求，消除土‑土之间的摩擦影响，从细观尺度掌握界面剪胀(缩)规律及界面附近土颗粒运动和破碎特征。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程及地质工程试验技术领域，具体地，涉及一种废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置。
背景技术
近年来，随着汽车产量的不断增长，淘汰下来的废旧轮胎数量也逐年剧增，大量废轮胎堆积不仅占用土地，还会污染自然环境，对其处理不当则会带来严重的环保问题，危害周边居民身体健康。因此，如何科学、环保、经济、安全、高效地对废旧轮胎进行回收利用是亟待解决的重大现实问题。目前，废旧轮胎由于具有良好的耐久性、环向抗拉性和胎面摩阻性等特点，已被应用于加固岩土边坡、挡土墙、路堤和软弱地基等加筋土工程中。筋-土界面剪切力学行为是加筋土工程的核心机理之一，因此，为了掌握废旧轮胎加筋土的加固机理和性能，废旧轮胎-土界面剪切力学特性的测定是至关重要的。
通常地，为最大限度发挥废旧轮胎对岩土的加固效益，废旧轮胎加筋土是将轮胎水平排列后埋入地下土层中，考虑到轮胎本身的形状，废旧轮胎-土的相互作用界面既有竖直界面，也有水平界面。当前针对整个废旧轮胎加筋土以及废旧轮胎-土水平界面的力学测试装置数量较少，而且大多是截取局部的某个轮胎片进行剪切试验，这与实际应用情况差距较大，势必无法反映出整个废旧轮胎-土水平界面的剪切力学性质。
部分研究人员进一步开发出了可涉及整个轮胎界面的剪切试验装置，这些装置通常由填充土体的上、下两个剪切盒组成，一般是把轮胎埋置于剪切盒的土体中并使其沿水平剪切面滑动进行试验测试。由于轮胎直径较大，其胎面直径范围内填充的土体水平截面面积也较大，使得轮胎内填土与水平界面剪切面土(以下简称：土-土)之间的摩擦剪切占了轮胎加筋土水平界面剪切强度的很大比例。但由于受到装置本身结构及功能的限制，现有的筋-土水平界面剪切试验装置在试验过程中无法消除土-土之间的摩擦影响，对于废旧轮胎-土水平界面的力学及变形特性的测试结果置信度一般，其测试结果不能体现真正意义上的轮胎与土体之间的水平界面剪切特性。而且，现有的筋-土水平界面剪切试验装置既不能从细观层面满足对废旧轮胎-土水平界面附近土颗粒的运动及破碎特征的研究需求，也不能测定剪切过程中废旧轮胎加筋土的剪胀(缩)变形特征，也不适用于不同规格尺寸(轮胎直径和胎面高度等)的轮胎-土界面力学性质测试，存在诸多技术缺陷。
因此，业内急需一种新的废旧轮胎-土水平界面剪切特性试验方案，以解决上述技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，满足研究不同规格和埋深的废旧轮胎-土水平界面剪切特性的试验需求，并可揭示界面附近土颗粒的运动及破碎特征。本申请的技术方案如下：
一种废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，包括支撑系统、试样系统、竖向传荷系统、伺服加载系统和数据采集系统；
所述支撑系统包括反力架和轮胎固定架，所述反力架包括上下相对设置的第一支撑座和第二支撑座以及竖直设置在两个支撑座之间的立柱，所述轮胎固定架包括水平设置在两个支撑座之间的固定框、用于连接固定框和立柱的快拆锁扣以及多个设置在固定框上的连接件，所述连接件沿周向间隔均匀分布且径向内侧形成用于容置废旧轮胎的空间；
所述试样系统包括废旧轮胎、剪切箱和滑动装置，所述剪切箱无盖且包括一组相对设置的透明侧壁，所述剪切箱位于第二支撑座上方且箱内均匀充填土体，所述废旧轮胎水平设置在土体上表面且仅保留朝下的水平胎面和竖直的弧形胎面，所述滑动装置设置在剪切箱和第二支撑座之间并用于实现剪切箱相对于第二支撑座沿剪切方向滑动；
所述竖向传荷系统包括由下至上依次贴合连接且共中心轴线设置的环形垫板、传荷件、传荷加劲肋梁和承压盘，所述环形垫板水平设置在废旧轮胎的水平胎面上，所述传荷件包括多个竖直设置且沿环形垫板周向间隔均匀分布的传荷圆柱以及设置在所有传荷圆柱上端面的传荷圆板，所述传荷圆柱与连接件的数量相等且位置一一对应，通过螺栓实现二者间对应固连；
所述伺服加载系统包括竖向加载千斤顶、水平推拉作动器、液压伺服器Ⅰ和液压伺服器Ⅱ，所述竖向加载千斤顶固定设置在第一支撑座上并与液压伺服器Ⅰ连接，所述竖向加载千斤顶的动力输出轴竖直设置且下端连接承压盘，用于为废旧轮胎-土水平界面剪切试验提供竖直方向荷载，所述水平推拉作动器固定设置在第二支撑座上并与液压伺服器Ⅱ连接，所述水平推拉作动器的动力输出轴水平设置且一端连接剪切箱，用于为废旧轮胎-土水平界面剪切试验提供水平方向荷载；
所述数据采集系统包括数据采集仪以及与数据采集仪均进行数据传输的竖向力传感器、水平力传感器、水平剪切位移计、竖向位移计、第一界面变形显微摄像头和第二界面变形显微摄像头，所述竖向力传感器设置在竖向加载千斤顶的动力输出轴上，所述水平力传感器设置在水平推拉作动器的动力输出轴上，所述水平剪切位移计设置在剪切箱外部且位于剪切箱的滑动方向上，用于记录剪切测试中剪切箱的水平位移距离，所述竖向位移计设置在传荷件内部且位于土体上方，用于记录剪切测试中土体在竖直方向上的膨胀距离或坍缩距离，所述第一界面变形显微摄像头位于剪切箱外侧且正对透明侧壁设置，用于监测废旧轮胎-土水平界面环外测土颗粒的移动和破碎变形规律，所述第二界面变形显微摄像头设置在传荷件内部且位于土体上方，用于监测废旧轮胎-土水平界面环内土颗粒的移动和破碎变形规律。
在一些具体实施例中，所述支撑系统还包括反力墙，所述反力墙为槽型悬臂钢板墙并竖直设置在第二支撑座上，所述水平推拉作动器固定设置在反力墙上。
在一些具体实施例中，所述连接件包括连杆和连接头，所述连杆水平设置且指向废旧轮胎的中心位置，所述连接头设置在连杆径向内侧的一端，所述连杆径向外侧的一端设有螺纹，所述固定框上设有匹配的通孔和螺母，通过调节连杆径向外端超出通孔部分的长度改变由多个连接头围成的用于容置废旧轮胎的空间大小。
在一些具体实施例中，所述传荷加劲肋梁为等臂十字形结构，所述传荷加劲肋梁的单臂长度、传荷圆板的直径、所有传荷圆柱的外切圆直径以及环形垫板的外径均与废旧轮胎的水平胎面上表面的外径相等，所述环形垫板的内径和所有传荷圆柱的内切圆直径均与废旧轮胎的水平胎面的内径相等。
在一些具体实施例中，所述传荷圆柱的数量为4个，所述传荷加劲肋梁的四个端头分别对应四个传荷圆柱设置；
所述传荷圆柱的上端面超出废旧轮胎弧形胎面的上沿。
在一些具体实施例中，所述剪切箱为方体结构且包括底板和两组相对设置的侧板，其中一组侧板为透明有机玻璃板，另一组侧板与底板均为钢板且组合形成U形结构，所述U形结构上设有用于透明有机玻璃板插入的卡槽。
在一些具体实施例中，所述剪切箱还包括加固肋，所述加固肋与透明有机玻璃板的外表面贴合，所述加固肋的两端与U形结构上的两个侧板分别固连；
所述U形结构上设有用于连接水平推拉作动器的动力输出轴的推拉连接头。
在一些具体实施例中，所述滑动装置包括上下相对设置的第一滑行槽和第二滑行槽以及多个间隔均匀分布在两个滑行槽之间的滚动体，所述第一滑行槽和第二滑行槽内均设有与滚动体外形匹配的圆弧形凹槽，所述第二滑行槽固定设置在第二支撑座上表面且槽内装有润滑油，所述第一滑行槽固定设置在剪切箱外底面。
在一些具体实施例中，所述固定框上设有用于安装第一界面变形显微摄像头的置物板，所述置物板上水平延伸出一根支撑杆用于安装水平剪切位移计，所述第二界面变形显微摄像头安装在传荷圆板的下底面中心位置上，所述环形垫板上设有一根斜向上向中心延伸的斜撑杆，所述竖向位移计安装在斜撑杆上且位于第二界面变形显微摄像头的正下方。
在一些具体实施例中，所述水平推拉作动器为具有循环加、卸载功能的作动器。
本申请提供的技术方案至少具有如下有益效果：
1、本申请提供的测试装置结构简单、操作方便，通过综合设置竖向传荷系统和轮胎固定架等组件，实现了无需在废旧轮胎内部填充土体即可将竖向荷载施加到废旧轮胎与土的水平接触面，确保试样系统的水平剪切界面只有废旧轮胎与土的接触面，克服了现有筋-土界面剪切试验装置无法根除土-土之间摩擦影响的缺陷，实现了废旧轮胎-土水平界面力学特征的测试，填补了废旧轮胎-土水平界面剪切力学性质试验装置的空缺。
2、本申请通过在剪切箱底部设置装有润滑油和滚动体的滑动装置，显著减小试样系统与装置底座之间的摩擦力，从而确保废旧轮胎-土水平界面剪切力测试结果更贴近真实工况，试验精准度更高。
3、本申请通过将剪切箱的部分侧壁设置为透明可视、且在剪切箱透明侧壁外侧及传荷圆板底面设置界面变形显微摄像头，满足了试验过程中从细观层面对废旧轮胎-土水平界面附近土颗粒的运动及破碎特征等加筋机理研究的需求。
4、本申请通过竖向加载千斤顶和水平推拉作动器配合，模拟不同埋深条件，还通过设置可拆卸的环形垫板、传荷件和轮胎固定架，配合不同规格的废旧轮胎进行测试，实现对由轮胎厚度、直径、胎面宽度等形状参数变化所导致的废旧轮胎-土水平界面剪切特性的尺寸效应的研究。
5、本申请中通过设置水平推拉作动器具有循环加、卸载功能，实现了在循环剪切荷载作用下对废旧轮胎-土水平界面剪切力学性质研究的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的某些实施例，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的附图。
图1为实施例1中的一种废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置的立体结构示意图；
图2为图1的轴向剖视图；
图3为图1中支撑系统的结构示意图；
图4为图3中轮胎固定架的结构示意图；
图5为图3中第二支撑座底面的结构示意图；
图6为图3中第一支撑座底面的结构示意图；
图7为图1中试样系统的结构示意图；
图8为图1中竖向传荷系统的结构示意图；
图9为图1中数据采集系统与伺服加载系统的连接示意图；
图中：1、反力架，1.1第一支撑座，1.2第二支撑座，1.3立柱，2、轮胎固定架，2.1、固定框，2.2、快拆锁扣，2.3、连接件，2.3.1、连杆，2.3.2、连接头，3、废旧轮胎，4、剪切箱，4.1、透明有机玻璃板，4.2、U形结构，4.3、加固肋，4.4、推拉连接头，5、滑动装置，5.1、第一滑行槽，5.2、第二滑行槽，5.3、滚动体，5.4、润滑油，6、土体，7、环形垫板，8、传荷件，8.1传荷圆柱，8.2传荷圆板，9、传荷加劲肋梁，10、承压盘，11、竖向加载千斤顶，12、水平推拉作动器，13、液压伺服器Ⅰ，14、液压伺服器Ⅱ，15、数据采集仪，16、竖向力传感器，17、水平力传感器，18、水平剪切位移计，19、竖向位移计，20、第一界面变形显微摄像头，21、第二界面变形显微摄像头，22、反力墙，23、置物板，24、支撑杆，25、斜撑杆。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将结合说明书附图和较佳的实施例对本申请中的技术方案作更全面、细致地描述，但本申请的保护范围并不限于以下具体的实施例，基于本申请中的实施例，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它实施例，均属于本申请保护的范围。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为与另一元件存在“固定、固接、连接或连通”关系时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本申请的保护范围。
实施例1
参见图1～图9，一种废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，包括支撑系统、试样系统、竖向传荷系统、伺服加载系统和数据采集系统。
所述支撑系统包括反力架1、轮胎固定架2和反力墙22。
所述反力架1包括上下相对设置的第一支撑座1.1和第二支撑座1.2以及竖直设置在两个支撑座之间的立柱1.3。所述第一支撑座1.1和第二支撑座1.2的结构相近，均采用田字形肋梁作为骨架并在肋梁间填充面板，在两个支撑座的四角开设螺栓孔，所述立柱1.3的数量为四个且布置在支撑座的四个角上，所述立柱1.3的顶端和底端分别穿过第一支撑座1.1和第二支撑座1.2上对应的螺栓孔并利用螺母固定形成整体框架。所述立柱1.3的底端设置扩大结构以便于装置的重量更均衡作用至地面。
所述轮胎固定架2包括固定框2.1、快拆锁扣2.2和连接件2.3。所述固定框2.1水平设置在第一支撑座1.1和第二支撑座1.2之间，具体是由四根钢梁首尾相连组成的方框且方框外围的短边尺寸等于同侧两个立柱1.3之间的净距。所述快拆锁扣2.2设置在固定框2.1的四角，用于实现固定框2.1与立柱1.3可拆卸式固连，使得固定框2.1可沿竖直方向调整所在高度位置。
在本实施例中，所述快拆锁扣2.2包括设置在固定框2.1四角外侧的L形钢板，所述L形钢板的一端与固定框2.1连接而另一端设有可调节的紧固螺栓，所述紧固螺栓、L形钢板和固定框2.1配合围成用于立柱1.3穿过的空间，通过调整紧固螺栓与固定框2.1间的距离使L形钢板发生形变并紧压立柱1.3，实现固定框2.1与立柱1.3之间的卡接固定。
所述连接件2.3的数量为多个且沿周向间隔均匀地分布在固定框2.1上，所述连接件2.3包括连杆2.3.1和连接头2.3.2，所述连杆2.3.1水平设置且一端与固定框2.1连接而另一端指向固定框2.1中心位置并设置连接头2.3.2，多个连接头2.3.2配合形成用于容置废旧轮胎3的空间，所述连接头2.3.2与废旧轮胎3的弧形胎面接触贴合。
在本实施例中，所述连杆2.3.1的数量为四个且分别设置在固定框2.1的四边上，所述固定框2.1的四边中心位置设有通孔，所述连杆2.3.1的径向外端设有螺纹，所述连杆2.3.1的径向外端穿过通孔并通过螺母与固定框2.1固连，通过调节连杆2.3.1径向外端超出螺纹孔部分的长度改变由多个连接头2.3.2围成的用于容置废旧轮胎3的空间大小。
所述反力墙22为槽型悬臂钢板墙并竖直设置在第二支撑座1.2上。
所述试样系统包括废旧轮胎3、剪切箱4和滑动装置5。
所述剪切箱4无盖且包括一组相对设置的透明侧壁，所述剪切箱4位于第二支撑座1.2上方且箱内均匀充填土体6，所述土体6的类型(黏土、粉土及碎石土等)、粒径(粗粒土及细粒土等)及状态(原状土和重塑土等)等均可根据实际需求选取。所述废旧轮胎3水平设置在土体6上表面且仅保留朝下的水平胎面和竖直的弧形胎面，所述滑动装置5设置在剪切箱4和第二支撑座1.2之间并用于实现剪切箱4相对于第二支撑座1.2沿剪切方向滑动。
所述剪切箱4为方体结构且包括底板和两组相对设置的侧板，其中一组侧板为透明有机玻璃板4.1，另一组侧板与底板均为钢板且组合形成U形结构4.2，所述U形结构4.2的边缘处开设宽度略微大于透明有机玻璃板4.1厚度的卡槽，用于透明有机玻璃板4.1嵌入卡接，所述U形结构4.2的一个侧板上居中设有推拉连接头4.4。透明侧壁的使用有利于在试验过程中掌握废旧轮胎-土水平界面附近土颗粒的运动及破碎特征。
所述剪切箱4合围形成的内部平面面积大于废旧轮胎3的横截面积，以确保试样剪切过程中废旧轮胎3与土体6的接触面积不会因滑动发生改变。
所述剪切箱4还包括加固肋4.3，所述加固肋4.3与透明有机玻璃板4.1的外表面紧贴，所述加固肋4.3的两端与U形结构4.2上的两个侧板分别固连。
所述滑动装置5包括上下相对设置的第一滑行槽5.1和第二滑行槽5.2以及多个间隔均匀分布在两个滑行槽之间的滚动体5.3，所述第一滑行槽5.1和第二滑行槽5.2内均设有与滚动体5.3外表匹配贴合的圆弧形凹槽，所述第二滑行槽5.2固定设置在第二支撑座1.2上表面且槽内装有润滑油5.4，所述第一滑行槽5.1固定设置在剪切箱4外底面。通过设置该滑动装置可显著降低摩擦影响。
在本实施例中，所述滑动装置5其数量为两个，其长度方向与试样水平剪切方向平行且采用对称布置。
所述竖向传荷系统包括由下至上依次贴合连接且共中心轴线设置的环形垫板7、传荷件8、传荷加劲肋梁9和承压盘10。
所述环形垫板7水平设置在废旧轮胎3的水平胎面上，所述传荷件8包括多个竖直设置且沿环形垫板7周向间隔均匀分布的传荷圆柱8.1以及设置在所有传荷圆柱8.1上端面的传荷圆板8.2，所述传荷圆柱8.2与连接件2.3的数量相等且位置一一对应，通过螺栓实现二者间对应固连。
在本实施例中，所述传荷圆柱8.2的数量为四个。所述传荷加劲肋梁9为等臂十字形结构，具体是由两个长度相等的工字梁在中心点垂直交叉连接而成，所述传荷加劲肋梁9的四个端头分别对应设置在四个传荷圆柱8.1上方。所述承压盘10由共中心轴且直径下大上小的两块圆板上下紧贴组成。所述传荷加劲肋梁9的工字梁长度、传荷圆板8.2的直径、所有传荷圆柱8.1的外切圆直径以及环形垫板7的外径均与废旧轮胎3的水平胎面上表面的外径相等，所述环形垫板7的内径和所有传荷圆柱8.1的内切圆直径均与废旧轮胎3的水平胎面的内径相等，确保竖向荷载均匀施加至废旧轮胎-土水平界面，克服了现有的筋-土界面剪切装置中无法根除土-土之间摩擦影响的缺陷。
所述环形垫板7、传荷件8、传荷加劲肋梁9的尺寸均可配合废旧轮胎3的规格进行更换，满足不同轮胎厚度和胎面直径的筋-土水平界面的剪切特性测试需求。
在所述传荷圆柱8.1、废旧轮胎3的弧形胎面以及连接头2.3.2上设有位置对应的通孔，通过对应通孔与螺栓配合实现三者间固定连接，且连接头2.3.2通过连杆2.3.1、螺母、快拆锁扣2.2、螺栓孔等配合又与轮胎固定架2及反力架1连接成一个整体，从而确保剪切试验过程中废旧轮胎3的位置保持不变。
所述伺服加载系统包括竖向加载千斤顶11、水平推拉作动器12、液压伺服器Ⅰ13和液压伺服器Ⅱ14。所述竖向加载千斤顶11固定设置在第一支撑座1.1底面并与液压伺服器Ⅰ13连接，所述竖向加载千斤顶11的动力输出轴竖直设置且下端连接承压盘10，用于为废旧轮胎-土水平界面剪切试验提供竖直方向荷载，所述水平推拉作动器12固定设置在反力墙22上并与液压伺服器Ⅱ14连接，利用反力墙22平衡水平推拉作动器12产生的反力，所述水平推拉作动器12的动力输出轴水平设置且一端连接剪切箱4上的推拉连接头4.4，用于为废旧轮胎-土水平界面剪切试验提供水平方向荷载。所述液压伺服器Ⅰ13和液压伺服器Ⅱ14均固定设置在第二支撑座1.2上。
所述数据采集系统包括数据采集仪15以及与数据采集仪15均进行数据传输的竖向力传感器16、水平力传感器17、水平剪切位移计18、竖向位移计19、第一界面变形显微摄像头20和第二界面变形显微摄像头21。
所述数据采集仪15固定设置在第二支撑座1.2上。所述竖向力传感器16设置在竖向加载千斤顶11的动力输出轴上。所述水平力传感器17设置在水平推拉作动器12的动力输出轴上。所述水平剪切位移计18设置在剪切箱4外部且位于剪切箱4的滑动方向上，用于记录剪切测试中剪切箱4的水平位移距离。所述竖向位移计19设置在传荷件8内部且位于土体6上表面，用于记录剪切测试中土体6在竖直方向上的膨胀距离或坍缩距离。所述第一界面变形显微摄像头20位于剪切箱4外侧且正对透明侧壁设置，用于监测废旧轮胎-土水平界面环外测土颗粒的移动和破碎变形规律。所述第二界面变形显微摄像头21设置在传荷件8内部且位于土体6上方，用于监测废旧轮胎-土水平界面环内土颗粒的移动和破碎变形规律。
在本实施例中，在所述固定框2.1位于透明有机玻璃板4.1一侧的两个边框上均通过吊杆设有置物板23，所述置物板23上置物平面的高度低于土体6的上表面，所述第一界面变形显微摄像头20安装在置物板23上且数量可根据测试需要增减。在所述置物板23上还设有支撑杆24，所述支撑杆24的一端与置物板23固连而另一端水平延伸至剪切箱4上与推拉连接头4.4相对的侧板附近，且在该端安装水平剪切位移计18。所述第二界面变形显微摄像头21安装在传荷圆板8.2的下底面中心位置上。在所述环形垫板7上设有斜撑杆25，所述斜撑杆25的一端与环形垫板7固连，具体为环形垫板7上相邻传荷圆柱8.1之间的空隙处，所述斜撑杆25的另一端斜向上同时指向环形垫板7中心位置，且在该端安装竖向位移计19，所述竖向位移计19位于土体6上表面。
所述传荷圆柱8.1的上端面超出废旧轮胎3弧形胎面的上沿，以便于观察环形垫板7内环范围的土体6的剪胀(缩)变形，也便于竖向位移计19及第二界面变形显微摄像头21的数据线从废旧轮胎6内穿出。
在本实施例中，所述连接头2.3.2和连杆2.3.1采用一体成型，所述传荷圆板8.2和传荷圆柱8.1采用一体成型。通过调节连杆2.3.1穿过固定框2.1上通孔后超出部分的长度以适应不同直径大小的废旧轮胎3试样；通过调节轮胎固定架2的所处高度位置以适应不同胎面宽度的废旧轮胎3试样。
所述水平推拉作动器12为具有循环加、卸载功能的作动器，可实现废旧轮胎-土水平界循环往复剪切试验。
在本实施例中，除废旧轮胎3、润滑油5.4及数据采集系统外的其他力学构件均为钢制或者铁制。
下面对上述废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置的试验过程进行详细说明：
步骤S1：组装反力架1、竖向加载千斤顶11、水平推拉作动器12、液压伺服器Ⅰ13、液压伺服器Ⅱ14、反力墙22和第二滑行槽5.2，并在第二滑行槽5.2中嵌入滚动体5.3并注入润滑油5.4，将数据采集仪15放置到反力架1的第二支撑座1.2的边角区域；
将透明有机玻璃板4.1嵌入U形结构4.2两侧的凹槽组装成剪切盒4，调整剪切盒4的位置，使第一滑行槽5.1内的圆弧形凹槽与滚动体5.3的表面贴合，同时确保剪切盒4的平面中心位于竖向加载千斤顶11动力输出轴的正下方且透明侧壁不被遮挡；
将竖向力传感器16与竖向加载千斤顶11的动力输出轴固定连接，将水平力传感器17与水平推拉作动器12的动力输出轴固定连接，将竖向加载千斤顶11与液压伺服器Ⅰ13、水平推拉作动器12与液压伺服器Ⅱ24的油路连通调试，将竖向力传感器16和水平力传感器17的数据线与数据采集仪15连接。
步骤S2：实地选取土样，根据土体密度、土体含水量以及剪切盒4内部的容积，称取对应土样的质量，将土样搅拌均匀并按照分层装填的方式填入剪切盒4中，夯实制成土体6，确保土体6的高度与剪切盒4的内部深度基本保持一致。
步骤S3：将废旧轮胎3放置在土体6的正上方并保证废旧轮胎3的水平胎面与土体6的上表面接触贴合。
步骤S4：根据废旧轮胎3的水平胎面直径及弧形胎面高度选择合适尺寸的传荷加劲肋梁9、传荷件8和环形垫板7；首先放置环形垫板7，使其与废旧轮胎3的水平胎面的上表面接触贴合，然后，在环形垫板7的斜撑杆25端部安装并调试竖向位移计19，在环形垫板7上放置传荷件8，旋转传荷件8直至其传荷圆柱8.1上的螺纹孔与废旧轮胎3弧形胎面上的孔位置对应，在传荷圆板8.2底面中心位置安装并调试第二界面变形显微摄像头21，并使第二界面变形显微摄像头21的监测镜头正对废旧轮胎3内环范围内的土体6顶面，将竖向位移计19和第二界面变形显微摄像头21的数据线从废旧轮胎3与传荷件8之间的空隙引出连接至数据采集仪15；在传荷圆板8.2上放置传荷加劲肋梁9，并使得传荷加劲肋梁9的端部压于传荷圆柱8.1正上方；最后，将承压盘10安装在传荷加劲肋梁9的顶面中心位置，并使竖向加载千斤顶11的动力输出轴与承压盘10的顶面对中连接。
步骤S5：将连杆2.3.1的径向外端穿过固定框2.1的四个边框中部的通孔，调节固定框2.1的高度位置和连杆2.3.1的径向外端超出固定框2.1的边框中部通孔的长度，使连接头2.3.2与废旧轮胎3的弧形胎面贴合；
然后，将螺栓依次插入连接头2.3.2、废旧轮胎3的弧形胎面以及传荷圆柱8.1上对应的孔中，拧紧螺栓实现三者固定连接为一个整体。
步骤S6：启动液压伺服器Ⅰ13和数据采集仪15，根据模拟埋深或试验设计确定竖向加载千斤顶11的荷载输出数据，记录竖向力传感器16的检测结果；
待竖向荷载稳定后，利用螺母将连接件2.3固定在固定框2.1上；
然后，利用快拆锁扣2.2和紧固螺栓将固定框2.1与反力架1的四个立柱1.3固定连接，从而确保剪切试验过程中废旧轮胎3的位置保持不变。
步骤S7：将第一界面变形显微摄像头20均布安装在置物板23的置物台面上且正对剪切箱的透明侧壁，用于监测废旧轮胎外环土体6的顶面附近土体颗粒的移动和破碎变形规律；然后将水平剪切位移计18安装到支撑杆24的一端，用于记录测试过程中废旧轮胎-土水平界面的水平剪切位移距离；最后将第一界面变形显微摄像头20和水平剪切位移计18的数据线与数据采集仪15相连。
步骤S8：启动液压伺服器Ⅱ14，通过水平推拉作动器12动作进行循环往复剪切试验，记录并保存竖向力传感器16、水平力传感器17、水平剪切位移计18、竖向位移计19、第一界面变形显微摄像头20和第二界面变形显微摄像头21获取的试验结果，同时通过透明有机玻璃板4.1观察试验过程中废旧轮胎-土水平界面附近土颗粒的运动特征及破碎情况。
步骤S9：试验结束后，通过水平推拉作动器12卸载剪切应力，通过竖向加载千斤顶11卸载竖直应力，关闭数据采集仪15并拔出与之相连的数据线，依次移除各连接螺栓、承压盘10、传荷加劲肋梁9、传荷件8、环形垫板7、废旧轮胎3和土体6。
步骤S10：改变废旧轮胎3的尺寸，重复上述步骤，实现对不同尺寸废旧轮胎-土水平界面剪切特性试验。
在本实施例中，废旧轮胎的胎面厚度为5mm，其水平胎面的内表面的内径和外径分别为150mm和200mm，其弧形胎面的宽度(即轮胎高度)为40mm；剪切盒的长×宽×高的尺寸为300mm×300mm×300mm；土样密度为1.9g/cm3、含水量为40％，称取土样的总质量为51.3Kg；传荷加劲肋梁的长度和传荷圆板的直径均为200mm，传荷圆柱的直径为50mm且高度为55mm，环形垫板的内径为150mm、外径为200mm；竖向力传感器和水平力传感器均采用双向轮辐式拉压力传感器，水平剪切位移计和竖向位移计均采用LVDT位移传感器，第一界面变形显微摄像头和第二界面变形显微摄像头均采用高清数码体视显微摄像头。
试验的模拟埋深为5m，对应设定竖向加载千斤顶的荷载输出值为100kPa，利用位移控制剪切力的施加，设定剪切速率为0.5mm/min，设定循环圈数为10次。
本实施例提供的测试装置促进了废旧轮胎在岩土工程中的应用，有利于解决废旧轮胎的回收利用难题，也为加筋土界面力学特性测试技术发展提供有益补充。
以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，包括支撑系统、试样系统、竖向传荷系统、伺服加载系统和数据采集系统；
所述支撑系统包括反力架(1)和轮胎固定架(2)，所述反力架(1)包括上下相对设置的第一支撑座(1.1)和第二支撑座(1.2)以及竖直设置在两个支撑座之间的立柱(1.3)，所述轮胎固定架(2)包括水平设置在两个支撑座之间的固定框(2.1)、用于连接固定框(2.1)和立柱(1.3)的快拆锁扣(2.2)以及多个设置在固定框(2.1)上的连接件(2.3)，所述连接件(2.3)沿周向间隔均匀分布且径向内侧形成用于容置废旧轮胎(3)的空间；
所述试样系统包括废旧轮胎(3)、剪切箱(4)和滑动装置(5)，所述剪切箱(4)无盖且包括一组相对设置的透明侧壁，所述剪切箱(4)位于第二支撑座(1.2)上方且箱内均匀充填土体(6)，所述废旧轮胎(3)水平设置在土体(6)上表面且仅保留朝下的水平胎面和竖直的弧形胎面，所述滑动装置(5)设置在剪切箱(4)和第二支撑座(1.2)之间并用于实现剪切箱(4)相对于第二支撑座(1.2)沿剪切方向滑动；
所述竖向传荷系统包括由下至上依次贴合连接且共中心轴线设置的环形垫板(7)、传荷件(8)、传荷加劲肋梁(9)和承压盘(10)，所述环形垫板(7)水平设置在废旧轮胎(3)的水平胎面上，所述传荷件(8)包括多个竖直设置且沿环形垫板(7)周向间隔均匀分布的传荷圆柱(8.1)以及设置在所有传荷圆柱(8.1)上端面的传荷圆板(8.2)，所述传荷圆柱(8.2)与连接件(2.3)的数量相等且位置一一对应，通过螺栓实现二者间对应固连；
所述伺服加载系统包括竖向加载千斤顶(11)、水平推拉作动器(12)、液压伺服器Ⅰ(13)和液压伺服器Ⅱ(14)，所述竖向加载千斤顶(11)固定设置在第一支撑座(1.1)上并与液压伺服器Ⅰ(13)连接，所述竖向加载千斤顶(11)的动力输出轴竖直设置且下端连接承压盘(10)，用于为废旧轮胎-土水平界面剪切试验提供竖直方向荷载，所述水平推拉作动器(12)固定设置在第二支撑座(1.2)上并与液压伺服器Ⅱ(14)连接，所述水平推拉作动器(12)的动力输出轴水平设置且一端连接剪切箱(4)，用于为废旧轮胎-土水平界面剪切试验提供水平方向荷载；
所述数据采集系统包括数据采集仪(15)以及与数据采集仪(15)均进行数据传输的竖向力传感器(16)、水平力传感器(17)、水平剪切位移计(18)、竖向位移计(19)、第一界面变形显微摄像头(20)和第二界面变形显微摄像头(21)，所述竖向力传感器(16)设置在竖向加载千斤顶(11)的动力输出轴上，所述水平力传感器(17)设置在水平推拉作动器(12)的动力输出轴上，所述水平剪切位移计(18)设置在剪切箱(4)外部且位于剪切箱(4)的滑动方向上，用于记录剪切测试中剪切箱(4)的水平位移距离，所述竖向位移计(19)设置在传荷件(8)内部且位于土体(6)上方，用于记录剪切测试中土体(6)在竖直方向上的膨胀距离或坍缩距离，所述第一界面变形显微摄像头(20)位于剪切箱(4)外侧且正对透明侧壁设置，用于监测废旧轮胎-土水平界面环外测土颗粒的移动和破碎变形规律，所述第二界面变形显微摄像头(21)设置在传荷件(8)内部且位于土体(6)上方，用于监测废旧轮胎-土水平界面环内土颗粒的移动和破碎变形规律。
2.根据权利要求1所述的废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，所述支撑系统还包括反力墙(22)，所述反力墙(22)为槽型悬臂钢板墙并竖直设置在第二支撑座(1.2)上，所述水平推拉作动器(12)固定设置在反力墙(22)上。
3.根据权利要求2所述的废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，所述连接件(2.3)包括连杆(2.3.1)和连接头(2.3.2)，所述连杆(2.3.1)水平设置且指向废旧轮胎(3)的中心位置，所述连接头(2.3.2)设置在连杆(2.3.1)径向内侧的一端，所述连杆(2.3.1)径向外侧的一端设有螺纹，所述固定框(2.1)上设有匹配的通孔和螺母，通过调节连杆(2.3.1)径向外端超出通孔部分的长度改变由多个连接头(2.3.2)围成的用于容置废旧轮胎(3)的空间大小。
4.根据权利要求3所述的废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，所述传荷加劲肋梁(9)为等臂十字形结构，所述传荷加劲肋梁(9)的单臂长度、传荷圆板(8.2)的直径、所有传荷圆柱(8.1)的外切圆直径以及环形垫板(7)的外径均与废旧轮胎(3)的水平胎面上表面的外径相等，所述环形垫板(7)的内径和所有传荷圆柱(8.1)的内切圆直径均与废旧轮胎(3)的水平胎面的内径相等。
5.根据权利要求4所述的废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，所述传荷圆柱(8.1)的数量为4个，所述传荷加劲肋梁(9)的四个端头分别对应四个传荷圆柱(8.1)设置；
所述传荷圆柱(8.1)的上端面超出废旧轮胎(3)弧形胎面的上沿。
6.根据权利要求4所述的废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，所述剪切箱(4)为方体结构且包括底板和两组相对设置的侧板，其中一组侧板为透明有机玻璃板(4.1)，另一组侧板与底板均为钢板且组合形成U形结构(4.2)，所述U形结构(4.2)上设有用于透明有机玻璃板(4.1)插入的卡槽。
7.根据权利要求6所述的废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，所述剪切箱(4)还包括加固肋(4.3)，所述加固肋(4.3)与透明有机玻璃板(4.1)的外表面贴合，所述加固肋(4.3)的两端与U形结构(4.2)上的两个侧板分别固连；
所述U形结构(4.2)上设有用于连接水平推拉作动器(12)的动力输出轴的推拉连接头(4.4)。
8.根据权利要求6所述的废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，所述滑动装置(5)包括上下相对设置的第一滑行槽(5.1)和第二滑行槽(5.2)以及多个间隔均匀分布在两个滑行槽之间的滚动体(5.3)，所述第一滑行槽(5.1)和第二滑行槽(5.2)内均设有与滚动体(5.3)外形匹配的圆弧形凹槽，所述第二滑行槽(5.2)固定设置在第二支撑座(1.2)上表面且槽内装有润滑油(5.4)，所述第一滑行槽(5.1)固定设置在剪切箱(4)外底面。
9.根据权利要求8所述的废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，所述固定框(2.1)上设有用于安装第一界面变形显微摄像头(20)的置物板(23)，所述置物板(23)上水平延伸出一根支撑杆(24)用于安装水平剪切位移计(18)，所述第二界面变形显微摄像头(21)安装在传荷圆板(8.2)的下底面中心位置上，所述环形垫板(7)上设有一根斜向上向中心延伸的斜撑杆(25)，所述竖向位移计(19)安装在斜撑杆(25)上且位于第二界面变形显微摄像头(21)的正下方。
10.根据权利要求1～9中任意一项所述的废旧轮胎-土水平界面剪切特性测试装置，其特征在于，所述水平推拉作动器(12)为具有循环加、卸载功能的作动器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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