CN204694552U - 一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统 - Google Patents

Abstract

一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统，该系统包括试验台架、下试验盒、上试验盒、拉拔加载装置、导轨、刻度盘、竖向加载装置、位移传感器、信号采集控制装置以及用于夹持土工合成材料试样的夹具；试验台架的上表面设置有圆形的刻度盘、导轨以及下试验盒；拉拔加载装置设置在导轨上并在导轨上自如滑动；拉拔加载装置上设置有用于测量夹具位移量的位移传感器；竖向加载装置、上试验盒、土工合成材料试样以及下试验盒自上而下依次设置在试验台架上；信号采集控制装置分别与拉拔加载装置、位移传感器以及竖向加载装置相连。本实用新型有效避免了土工合成材料拉拔试验测试值与工程实际受力特性严重不符以及具有测试过程精确可控的优点。

Description

一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统

技术领域

本实用新型属于土工合成材料力学性能试验测试领域，涉及一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统，尤其涉及一种黄土沟壑区加筋土技术的土工合成材料各向异性拉拔试验系统。

背景技术

土工合成材料是以人工合成的聚合物(如塑料、化纤、合成橡胶等)为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，发挥加强或保护土体的作用。主要包括土工织物、土工格栅，土工膜、土工特种材料和土工复合材料，玻纤网，土工垫等类型。

目前，《土工合成材料测试规程》(SL 235-2012)和《公路工程土工合成材料试验规程》(JTG E50-2006)均提到了土工合成材料拉拔试验。但是，目前土工合成材料拉拔试验过程中仍存在诸多问题：(1)土工合成材料取样时，样品拉拔试验方向随意性大，试验得到的力学性能不一定具有代表性；(2)土工合成材料取样时，目前仅规定了土工合成材料取样范围和取样尺寸，而所取各样品间可能存在不一致性；(3)土工合成材料拉拔试验时，一般仅做一个(或两个)方向的试验，无法考虑土工合成材料的各向异性，拉拔试验所得出的土工合成材料力学性能指标不能真实的反映出工程实际中土工合成材料的实际力学性能。

综上所述，由于现行土工合成材料拉拔试验过程中存在诸如取样、试验方法等问题，其试验得到的土工合成材料力学性能指标不能真实的反映出工程实际中土工合成材料的实际力学性能。事实上，试验得到的土工合成材料力学性能指标往往要优于工程实际中土工合成材料的实际力学性能，采用现行土工合成材料拉拔试验得到的土工合成材料力学性能指标进行工程设计时，其安全性能存在较大隐患，严重威胁着工程质量和人民生命财产安全。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中试验得到的土工合成材料力学性能指标无法真实反映工程实际的技术问题，进而提供了一种充分考虑了土工合成材料力学性能的各向异性、有效避免了现行规范中试验测试值与土工合成材料实际受力特性严重不符以及测试过程精确可控的土工合成材料各向异性拉拔试验系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述土工合成材料各向异性拉拔试验系统包括试验台架、下试验盒、上试验盒、拉拔加载装置、导轨、刻度盘、竖向加载装置、位移传感器、信号采集控制装置以及用于夹持待进行拉拔试验的土工合成材料试样的夹具；所述试验台架的上表面设置有圆形的刻度盘、导轨以及下试验盒；所述导轨与刻度盘同心设置；所述拉拔加载装置设置在导轨上并在导轨上自如滑动；所述拉拔加载装置上设置有用于测量夹具位移量的位移传感器；所述竖向加载装置、上试验盒、待进行拉拔试验的土工合成材料试样以及下试验盒自上而下依次设置在试验台架上并处于导轨与刻度盘的圆心处；所述信号采集控制装置分别与拉拔加载装置、位移传感器以及竖向加载装置相连。

作为优选，本实用新型所提供的土工合成材料各向异性拉拔试验系统还包括固定支座、反力架以及与反力架相连的反力杆；所述竖向加载装置设置在反力架上；所述上试验盒通过固定支座与反力杆相连。

作为优选，本实用新型所采用的导轨上设置有限位凹槽以及置于限位凹槽中的滑动滚珠；所述拉拔加载装置通过滑动滚珠与导轨连接并在导轨上自如滑动。

作为优选，本实用新型所提供的土工合成材料各向异性拉拔试验系统还包括设置在竖向加载装置与上试验盒之间的承载板；所述竖向加载装置通过承载板向上试验盒施加竖向荷载。

作为优选，本实用新型所采用的承载板的直径不小于190mm，所述承载板的直径与上试验盒的内径之差在5～10mm范围内。

作为优选，本实用新型所采用的下试验盒是半封闭的空心圆柱体；所述下试验盒的内径不小于300mm，所述下试验盒的厚度不小于5mm，高度不小于50mm；所述上试验盒是含有内切圆的正多边形柱体；所述上试验盒的内径不小于200mm，所述上试验盒的壁厚最薄弱处厚度不小于3mm，所述上试验盒的高度不小于100mm，所述上试验盒的外径与下试验盒内径之差不小于80mm。

作为优选，本实用新型所采用的正多边形柱体是正五边形柱体、正六边形柱体、正七边形柱体或正八边形柱体。

作为优选，本实用新型所采用的夹具夹持待进行拉拔试验的土工合成材料试样的宽度不小于200mm。

作为优选，本实用新型所采用的拉拔加载装置的拉拔速率是0.05mm/min至50mm/min之间。

本实用新型的优点是：

本实用新型提供了一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统，该土工合成材料各向异性拉拔试验系统包括试验台架、下试验盒、上试验盒、拉拔加载装置、滑动滚珠、导轨、刻度盘、竖向加载装置、固定支座、承载板、夹具、位移传感器、信号采集控制装置、反力架、反力杆。试验台架上设置有刻度盘和导轨；拉拔加载装置端部设置有夹具和位移传感器，位移传感器用于测试拉拔试验过程中夹具位移量；竖向加载装置通过承载板向上试验盒施加荷载；信号采集控制装置分别与拉拔加载装置、竖向加载装置以及位移传感器相连，用于控制拉拔加载装置和竖向加载装置加载和采集位移传感器数据。本实用新型所创新的采用了圆形的土工合成材料试样，使各土工合成材料试样拉拔试验时保持材料的一致性，有效解决了土工合成材料取样的随意性。同时，通过导轨和滑动滚珠带动拉拔加载装置旋转，实现了土工合成材料试验与试验土样的任意角度拉拔试验，革命性的创造了土工合成材料各向异性拉拔试验系统，实现了土工合成材料拉拔试验力学性能的各向异性测试；该试验系统充分考虑了土工合成材料力学性能的各向异性，有效避免了现行规范中试验测试值与土工合成材料实际受力特性严重不符的问题，解决了土工合成材料工程应用中存在的安全隐患。

附图说明

图1是本实用新型所提供的土工合成材料各向异性拉拔试验系统的立面结构示意图；

图2是图1的俯视结构示意图；

附图标记说明如下：1-下试验盒；2-上试验盒；3-拉拔加载装置；4-滑动滚珠；5-导轨；6-刻度盘；7-竖向加载装置；8-固定支座；9-承载板；10-夹具；11-位移传感器；12-土工合成材料试样；13-信号采集控制装置；14-反力架；15-反力杆；16-试验台架。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的土工合成材料各向异性拉拔试验系统做进一步的详细说明：

实施例：

参见图1以及图2，一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统，包括下试验盒1、上试验盒2、拉拔加载装置3、滑动滚珠4、导轨5、刻度盘6、竖向加载装置7、固定支座8、承载板9、夹具10、位移传感器11、信号采集控制装置13、反力架14、反力杆15以及试验台架16。

试验台架16上设置有刻度盘6和导轨5；拉拔加载装置3端部设置有夹具10和位移传感器11，位移传感器11用于测试拉拔试验过程中夹具10位移量；竖向加载装置7通过承载板9向上试验盒2施加荷载；信号采集控制装置13分别与拉拔加载装置3、竖向加载装置7以及位移传感器11相连，用于控制拉拔加载装置3和竖向加载装置7加载和采集位移传感器11数据。

下试验盒1为半封闭空心圆柱体；下试验盒1的内径为300mm，下试验盒1的厚度为5mm，高度为100mm；上试验盒2为含有内切圆的正多边形柱体；上试验盒2的内径为200mm，上试验盒2的壁厚最薄弱处厚度为3mm，上试验盒2的高度为100mm，上试验盒2的正多边形外径与下试验盒1内径之差大于80mm。正多边形柱体是正六边形柱体。

试验台架16与下试验盒1通过卡槽固定连接。

上试验盒2通过固定支座8固定，固定支座8一端与反力杆15刚性连接。

承载板9的直径不小于190mm，承载板9的直径与上试验盒2内径之差应在5～10mm范围内。

导轨5上设置有限位凹槽以及置于限位凹槽中的滑动滚珠4；拉拔加载装置3通过滑动滚珠4与导轨5连接并在导轨5上自如滑动。

夹具10夹持待进行拉拔试验的土工合成材料试样12的宽度为210mm。

拉拔加载装置3的拉拔速率为0.5mm/min。

本实用新型所提供的土工合成材料各向异性拉拔试验系统在工作时，其具体操作方式如下：

A)裁取土工合成材料试样12，土工合成材料试样12的横截面呈圆形，土工合成材料试样12的直径与土工合成材料各向异性拉拔试验系统的下试验盒1的外径相同；

B)卸下土工合成材料各向异性拉拔试验系统的上试验盒2和下试验盒1，填筑试验土样，试验土样在上试验盒2中以及下试验盒1中的压实度与工程应用中现场实际压实度一致，下试验盒1中填筑试验土样的高度与下试验盒1的盒高相同，上试验盒2中填筑试验土样的高度为80mm；

C)将土工合成材料试样12铺设于下试验盒1内部的试验土样的上表面上，土工合成材料试样12保持平整、无折叠以及无褶皱；

D)将下试验盒1安装至试验台架16上，通过刻度盘6标记0°处土工合成材料试样12位置；

E)安装上试验盒2，调节固定支座8，通过固定支座8约束上试验盒2的水平位移；

F)调节竖向加载装置7，对承载板9施加竖向荷载，使承载板9与试验土样表面接触良好；

G)调节拉拔加载装置3，拉拔加载装置3上夹具10夹持待进行拉拔试验的土工合成材料试样12，夹持宽度为210mm。

H)通过竖向加载装置7施加25kPa坚向荷载，加载固结时间为30min。加载固结完成后通过拉拔加载装置3施加0.1kPa水平荷载，使拉拔加载装置3和土工合成材料试样12各处受力绷紧，将位移传感器11读数调整为零。

I)通过拉拔加载装置3施加水平荷载，开始拉拔，测读并记录位移量和水平拉力。拉拔速率按应变控制加荷，拉拔速率为0.5mm/min。

J)当拉拔加载装置3施加的水平荷载出现峰值，或试验进行至水平荷载为稳定值时，试验完成。

K)选用不同的土工合成材料试样12，重复步骤B)～步骤J)，实施步骤D)时，根据所作标记将土工合成材料试样12放置在下试验盒1相同位置处，分别通过竖向加载装置7施加50kPa、100kPa、200kPa以及400kPa的竖向压力下各试验一块土工合成材料试样12，即完成土工合成材料试样12在0°时在不同竖向压力下的拉拔试验；

L)选用不同的土工合成材料试样12，重复步骤B)～步骤K)，实施步骤D)时，根据所作标记将土工合成材料试样12放置在下试验盒1相同位置处，实施步骤G时，通过导轨将拉拔加载装置至旋转至22.5°，分别在25kPa、50kPa、100kPa、200kPa以及400kPa竖向压力下各试验一块土工合成材料试样12，即完成土工合成材料试样12在22.5°时在不同竖向压力下的拉拔试验；

M)判断土工合成材料试样12是90°对称还是45°对称；若是90°对称，重复步骤L),实施步骤D)时，通过导轨将拉拔加载装置分别旋转至45°、67.5°以及90°，即完成土工合成材料试样12分别在45°、67.5°以及90°时在25kPa、50kPa、100kPa、200kPa以及400kPa竖向压力下的拉拔试验；若是45°对称，重复步骤L),实施步骤D)时，通过导轨将拉拔加载装置分别旋转至45°，即完成土工合成材料试样12分别在45°时在25kPa、50kPa、100kPa、200kPa以及400kPa竖向压力下的拉拔试验；

N)计算土工合成材料试样12与试验土样界面上的法向应力、剪应力和拉拔摩擦系数：

$\mathrm{\σ}=\frac{P}{A}$

式中，σ为土工合成材料试样12与试验土样界面上的法向应力；P为竖向荷载kN,A为上试验盒内径面积(m²)，

$\mathrm{\τ}=\frac{T_d}{2A}$

式中，τ为土工合成材料试样12与试验土样界面上的剪应力kPa；T_d拉拔荷载kN。

$f=\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\σ}}$

式中，f为土工合成材料试样12与试验土样界面上的拉拔摩擦系数。

O)绘制不同竖向应力σ和剪应力峰值τ的关系曲线，求得土工合成材料试样12与试验土样界面的摩擦角和表观粘聚力。

P)绘制土工合成材料试样12与步骤B中所填筑的试验土样之间摩擦角和表观粘聚力包络图。

通过对HDPE双向土工格栅(土工合成材料的一种类型)进行拉拔试验结果可知，当拉拔角度为45°时，考虑土工合成材料各向异性拉拔试验测试得到土工合成材料试样12与试验土样实际摩擦角和表观粘聚力分别仅为未考虑土工合成材料各向异性拉拔试验测试得到的摩擦角和表观粘聚力的68％和73％。可以看出，当采用未考虑土工合成材料各向异性拉拔试验测试得到的摩擦角和表观粘聚力进行土工合成材料工程设计时，设计计算满足安全性能要求的工程可能实际安全性能不满足要求，严重威胁着工程质量和人民生命财产安全。综上，本实用新型充分考虑了土工合成材料力学性能的各向异性，有效避免了现行规范中试验测试值与土工合成材料实际受力特性严重不符的问题，彻底解决了土工合成材料工程应用中存在的安全隐患。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照最佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述土工合成材料各向异性拉拔试验系统包括试验台架（16）、下试验盒（1）、上试验盒（2）、拉拔加载装置（3）、导轨（5）、刻度盘（6）、竖向加载装置（7）、位移传感器（11）、信号采集控制装置（13）以及用于夹持待进行拉拔试验的土工合成材料试样（12）的夹具（10）；所述试验台架（16）的上表面设置有圆形的刻度盘（6）、导轨（5）以及下试验盒（1）；所述导轨（5）与刻度盘（6）同心设置；所述拉拔加载装置（3）设置在导轨（5）上并在导轨（5）上自如滑动；所述拉拔加载装置（3）上设置有用于测量夹具（10）位移量的位移传感器（11）；所述竖向加载装置（7）、上试验盒（2）、待进行拉拔试验的土工合成材料试样（12）以及下试验盒（1）自上而下依次设置在试验台架（16）上并处于导轨（5）与刻度盘（6）的圆心处；所述信号采集控制装置（13）分别与拉拔加载装置（3）、位移传感器（11）以及竖向加载装置（7）相连。

2.根据权利要求1所述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述土工合成材料各向异性拉拔试验系统还包括固定支座（8）、反力架（14）以及与反力架（14）相连的反力杆（15）；所述竖向加载装置（7）设置在反力架（14）上；所述上试验盒（2）通过固定支座（8）与反力杆（15）相连。

3.根据权利要求2所述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述导轨（5）上设置有限位凹槽以及置于限位凹槽中的滑动滚珠（4）；所述拉拔加载装置（3）通过滑动滚珠（4）与导轨（5）连接并在导轨（5）上自如滑动。

4.根据权利要求3所述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述土工合成材料各向异性拉拔试验系统还包括设置在竖向加载装置（7）与上试验盒（2）之间的承载板（9）；所述竖向加载装置（7）通过承载板（9）向上试验盒（2）施加竖向荷载。

5.根据权利要求4所述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述承载板（9）的直径不小于190 mm，所述承载板（9）的直径与上试验盒（2）的内径之差在5~10 mm范围内。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述下试验盒（1）是半封闭的空心圆柱体；所述下试验盒（1）的内径不小于300 mm，所述下试验盒（1）的厚度不小于5 mm，高度不小于50 mm；所述上试验盒（2）是含有内切圆的正多边形柱体；所述上试验盒（2）的内径不小于200 mm，所述上试验盒（2）的壁厚最薄弱处厚度不小于3 mm，所述上试验盒（2）的高度不小于100 mm，所述上试验盒（2）的外径与下试验盒（1）内径之差不小于80 mm。

7.根据权利要求6所述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述正多边形柱体是正六边形柱体或正八边形柱体。

8.根据权利要求7所述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述夹具（10）夹持待进行拉拔试验的土工合成材料试样（12）的宽度不小于200mm。

9.根据权利要求8所述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述拉拔加载装置（3）的拉拔速率是0.05 mm/min至50 mm/min之间。