一種土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土工合成材料力學(xué)性能試驗(yàn)測試領(lǐng)域，涉及一種土工合成材料扭剪試 驗(yàn)系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種黃土溝壑區(qū)加筋土技術(shù)的土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí) 施方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 土工合成材料是以人工合成的聚合物（如塑料、化纖、合成橡膠等）為原料，制成 各種類型的產(chǎn)品，置于土體內(nèi)部、表面或各種土體之間，發(fā)揮加強(qiáng)或保護(hù)土體的作用。主要 包括土工織物、土工格柵，土工膜、土工特種材料和土工復(fù)合材料，玻纖網(wǎng)，土工墊等類型。
[0003] 目前，《土工合成材料測試規(guī)程》(SL235-2012)和《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī) 程》(JTGE50-2006)中測試土工合成材料與土體之間力學(xué)性能的試驗(yàn)包括直剪試驗(yàn)和拉拔 試驗(yàn)兩種。但是，目前土工合成材料直剪和拉拔試驗(yàn)過程中仍存在諸多問題：（1) 土工合成 材料取樣時，樣品拉拔試驗(yàn)方向隨意性大，試驗(yàn)得到的力學(xué)性能不一定具有代表性；（2) 土 工合成材料取樣時，目前僅規(guī)定了土工合成材料取樣范圍和取樣尺寸，而所取各樣品間可 能存在不一致性；(3) 土工合成材料直剪和拉拔試驗(yàn)時，未規(guī)定土工合成材料測試方向，不 同測試方向工況下直剪和拉拔試驗(yàn)測得的力學(xué)性能參數(shù)差異較大，直剪和拉拔試驗(yàn)所得出 的土工合成材料力學(xué)性能指標(biāo)無法有效指導(dǎo)加筋土技術(shù)設(shè)計(jì)與施工，且不能真實(shí)的反映出 工程實(shí)際中土工合成材料的實(shí)際力學(xué)性能。
[0004] 綜上所述，由于現(xiàn)行土工合成材料拉拔試驗(yàn)過程中存在諸如取樣、試驗(yàn)方法等問 題，不同測試方向工況下直剪和拉拔試驗(yàn)測得的力學(xué)性能參數(shù)差異較大，直剪和拉拔試驗(yàn) 所得出的土工合成材料力學(xué)性能指標(biāo)無法有效指導(dǎo)加筋土技術(shù)設(shè)計(jì)與施工，且不能真實(shí)的 反映出工程實(shí)際中土工合成材料的實(shí)際力學(xué)性能。因此，采用現(xiàn)行規(guī)范測試土工合成材料 與土體之間力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時，其安全性能存在較大隱患，嚴(yán)重威脅著工程質(zhì) 量和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中試驗(yàn)得到的土工合成材料與土體之間力學(xué)性 能參數(shù)差異較大，試驗(yàn)所得出的土工合成材料力學(xué)性能指標(biāo)無法有效指導(dǎo)加筋土技術(shù)設(shè)計(jì) 與施工，且不能真實(shí)的反映出工程實(shí)際中土工合成材料的實(shí)際力學(xué)性能的技術(shù)問題，進(jìn)而 提供了一種土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)及其方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] 一種土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng) 包括試驗(yàn)臺架、下試驗(yàn)盒、上試驗(yàn)盒、扭矩傳感器、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)支承控制裝置、豎向加載 裝置、信號采集控制裝置以及用于夾持待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料試樣的夾具；所述 豎向加載裝置、上試驗(yàn)盒、待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料試樣、下試驗(yàn)盒、扭矩傳感器以 及回轉(zhuǎn)支承自上而下依次設(shè)置在試驗(yàn)臺架上；所述回轉(zhuǎn)支承控制裝置與回轉(zhuǎn)支承相連并控 制回轉(zhuǎn)支承開啟、停止以及調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度；所述信號采集控制裝置分別與扭矩傳感器以及 豎向加載裝置相連。
[0008] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的回轉(zhuǎn)支承、扭矩傳感器、上試驗(yàn)盒以及下試驗(yàn)盒的截面 均為圓形，所述回轉(zhuǎn)支承、扭矩傳感器、上試驗(yàn)盒以及下試驗(yàn)盒呈同心設(shè)置。
[0009] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)還包括固定支座、反力架 以及與反力架相連的反力桿；所述豎向加載裝置設(shè)置在反力架上；所述上試驗(yàn)盒通過固定 支座與反力桿相連。
[0010] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)還包括設(shè)置在豎向加載裝 置與上試驗(yàn)盒之間的承載板；所述豎向加載裝置通過承載板向上試驗(yàn)盒施加豎向荷載；
[0011] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的承載板的直徑不小于190_，所述承載板的直徑與上試 驗(yàn)盒的內(nèi)徑之差在5~10mm范圍內(nèi)。
[0012] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的下試驗(yàn)盒是半封閉的空心圓柱體；所述下試驗(yàn)盒的內(nèi) 徑不小于300mm，所述下試驗(yàn)盒的厚度不小于5mm，高度不小于50mm;所述上試驗(yàn)盒是含有 內(nèi)切圓的正多邊形柱體；所述上試驗(yàn)盒的內(nèi)徑不小于200mm，所述上試驗(yàn)盒的壁厚最薄弱 處厚度不小于3mm，所述上試驗(yàn)盒的高度不小于100mm，所述上試驗(yàn)盒的外徑與下試驗(yàn)盒內(nèi) 徑之差不小于80mm;所述正多邊形柱體是正六邊形柱體或正八邊形柱體。
[0013] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料的橫截面呈圓形，待 進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料試樣的直徑與下試驗(yàn)盒的外徑相同。
[0014] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的回轉(zhuǎn)支承與扭矩傳感器之間以及下試驗(yàn)盒與扭矩傳 感器之間均通過卡槽固定連接；所述回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)精度不低于0.r，旋轉(zhuǎn)范圍為0~ 180°，旋轉(zhuǎn)速度為0.5~5° /min，旋轉(zhuǎn)精度不小于O.r/min。
[0015] -種基于如上所述的土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)對土工合成材料進(jìn)行扭剪試驗(yàn) 的實(shí)施方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：
[0016] 1)裁取待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料試樣，所述待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材 料試樣的橫截面呈圓形，所述待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料試樣的直徑與土工合成材料 扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)的下試驗(yàn)盒的外徑相同；
[0017] 2)卸下土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)的上試驗(yàn)盒以及下試驗(yàn)盒，填筑試驗(yàn)土樣，試 驗(yàn)土樣在上試驗(yàn)盒中以及在下試驗(yàn)盒中的壓實(shí)度與工程應(yīng)用中現(xiàn)場實(shí)際壓實(shí)度一致，所述 下試驗(yàn)盒中填筑試驗(yàn)土樣的高度與下試驗(yàn)盒的盒高相同，所述上試驗(yàn)盒中填筑試驗(yàn)土樣的 高度不小于50mm ;
[0018] 3)將待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料試樣鋪設(shè)于下試驗(yàn)盒內(nèi)部的試驗(yàn)土樣的上 表面，并通過夾具固定，待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料試樣保持平整、無折疊以及無褶 皺；
[0019] 4)將下試驗(yàn)盒安裝至扭矩傳感器上；
[0020] 5)安裝上試驗(yàn)盒，調(diào)節(jié)固定支座，通過固定支座約束上試驗(yàn)盒的水平位移；
[0021] 6)調(diào)節(jié)豎向加載裝置，對承載板施加豎向荷載，使承載板與試驗(yàn)土樣表面接觸良 好；
[0022] 7)通過豎向加載裝置施加50kPa堅(jiān)向荷載，加載固結(jié)時間不小于20min;加載固結(jié) 完成后通過支承控制裝置開啟回轉(zhuǎn)支承并調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度為0. 5~5° /min，旋轉(zhuǎn) 精度不小于0.1° /min;
[0023] 8)通過信號采集控制裝置記錄扭矩傳感器測得的扭矩值，記錄間隔時間為0. 5~ 2. 0s，直至扭矩值出現(xiàn)峰值或試驗(yàn)進(jìn)行至扭矩值為穩(wěn)定值時，試驗(yàn)完成；
[0024] 9)選用不同的待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料試樣，重復(fù)步驟2)~步驟8)，分別 通過豎向加載裝置施加100kPa、200kPa以及400kPa的豎向壓力下各試驗(yàn)一塊待進(jìn)行扭剪 試驗(yàn)的土工合成材料試樣；
[0025] 10)計(jì)算下試驗(yàn)盒與上試驗(yàn)盒上土工合成材料試樣間的剪應(yīng)力：
[0027] 其中：
[0028] t為下試驗(yàn)盒與上試驗(yàn)盒之間的待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料試樣的剪應(yīng) 力；
[0029] Fs為下試驗(yàn)盒與上試驗(yàn)盒間剪切力；
[0030] A為上試驗(yàn)盒的內(nèi)徑面積；
[0031] Fs等于下試驗(yàn)盒與扭矩傳感器之間產(chǎn)生的剪切力；
[0033] 其中：
[0034] M為扭剪試驗(yàn)過程中扭矩傳感器測得的扭矩峰值或試驗(yàn)進(jìn)行至扭矩值為穩(wěn)定值；
[0035] d為扭矩傳感器有效高度；
[0036] 11)繪制不同豎向應(yīng)力〇和剪應(yīng)力峰值t的關(guān)系曲線，求得待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土 工合成材料試樣與試驗(yàn)土樣界面的摩擦角和表觀粘聚力。
[0037] 本發(fā)明提供了一種土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，該土工合成材料扭剪試驗(yàn) 系統(tǒng)包括下試驗(yàn)盒、上試驗(yàn)盒、扭矩傳感器、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)支承控制裝置、夾具、豎向加載 裝置、固定支座、承載板、反力桿、信號采集控制裝置、土工合成材料試樣、試驗(yàn)臺架以及反 力架。本發(fā)明創(chuàng)新的采用了圓形的土工合成材料試樣，使各土工合成材料試樣扭剪試驗(yàn)時 保持材料的一致性，有效解決了土工合成材料取樣的隨意性。同時，通過回轉(zhuǎn)支承帶動下試 驗(yàn)盒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了土工合成材料試驗(yàn)與試驗(yàn)土樣的扭剪試驗(yàn)，革命性的創(chuàng)造了土工合成材 料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了土工合成材料與土體之間力學(xué)性能參數(shù)的唯一性，使測試結(jié)果更 穩(wěn)定，克服了現(xiàn)行規(guī)范中直剪和拉拔試驗(yàn)不同測試方向工況下測得的力學(xué)性能參數(shù)差異顯 著的缺陷，有效避免了現(xiàn)行規(guī)范中直剪和拉拔試驗(yàn)測試土工合成材料與土體之間力學(xué)性能 指標(biāo)無法有效指導(dǎo)加筋土技術(shù)設(shè)計(jì)與施工，且不能真實(shí)的反映出工程實(shí)際中土工合成材料 的實(shí)際力學(xué)性能的問題，解決了土工合成材料工程應(yīng)用中存在的安全隱患。
【附圖說明】
[0038] 圖1是本發(fā)明的土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)的立面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖2是圖1的俯視圖；
[0040] 附圖標(biāo)記說明如下：
[0041] 1-下試驗(yàn)盒；2-上試驗(yàn)盒；3-扭矩傳感器；4-回轉(zhuǎn)支承；5-回轉(zhuǎn)支承控制裝置； 6-夾具；7-豎向加載裝置；8-固定支座；9-承載板；10-反力桿；11-信號采集控制裝置； 12-土工合成材料試樣；13-試驗(yàn)臺架；14-反力架。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明的土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng) 及其實(shí)施方法做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0043]實(shí)施例：
[0044] 參見圖1以及圖2, 一種土工合成材料扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)，包括下試驗(yàn)盒1、上試驗(yàn)盒2、 扭矩傳感器3、回轉(zhuǎn)支承4、回轉(zhuǎn)支承控制裝置5、夾具6、豎向加載裝置7、固定支座8、承載 板9、反力桿10、信號采集控制裝置11、土工合成材料試樣12、試驗(yàn)臺架13以及反力架14。
[0045] 豎向加載裝置7設(shè)置在反力架14上，上試驗(yàn)盒2通過固定支座8與反力桿18相 連。
[0046] 下試驗(yàn)盒1是半封閉的空心圓柱體，內(nèi)徑為300mm，厚度為5mm，高度為100mm;上 試驗(yàn)盒2是含有內(nèi)切圓的正多邊形柱體；上試驗(yàn)盒2的內(nèi)徑為200mm，壁厚最薄弱處厚度為 3mm，高度為100mm，上試驗(yàn)盒2的外徑與下試驗(yàn)盒1內(nèi)徑之差不小于80mm。正多邊形柱體 是正六邊形柱體或正八邊形柱體。
[0047] 待進(jìn)行扭剪試驗(yàn)的土工合成材料12的橫截面呈圓形，直徑與下試驗(yàn)盒1的外徑相 同。
[0048] 豎向加載裝置7通過承載板9向上試驗(yàn)盒2施加豎向荷載。
[0049] 承載板9的直徑為190mm，承載板9的直徑與上試驗(yàn)盒2的內(nèi)徑之差為10mm。
[0050] 回轉(zhuǎn)支承4與扭矩傳感器3通過卡槽固定連接，下試驗(yàn)盒2與扭矩傳感器3通過 卡槽固定連接，回轉(zhuǎn)支承4的旋轉(zhuǎn)精度為0.1°，旋轉(zhuǎn)范圍為0~180°，旋轉(zhuǎn)速度為r/ min，旋轉(zhuǎn)精度為0.1° /min。回轉(zhuǎn)支承控制裝置5用于控制回轉(zhuǎn)支承4開啟、停止以及調(diào) 節(jié)旋轉(zhuǎn)速度。
[0051] 上述的