确定拉拔试验中土工材料非线性力学行为的装置以及方法与流程
本发明涉及土木工程领域，具体涉及拉拔试验中土工材料非线性力学行为的确定装置以及方法。
背景技术：
拉拔试验的原理是摩擦作用，通过施加法向应力，使筋材与土体之间紧密结合，从而利用彼此界面上的静摩擦力抵抗外力(拉拔力)。在拉拔试验过程中能够直接测得数据是拉拔设备提供的拉力f和拉伸材料的总体位移u。目前，用于拉拔实验结果的分析方法不能分析破坏过程中筋土产生的应力、应变和位移，无法给出拉拔破坏前筋材产生的位移和应变的充分信息。所以，本发明专利提供了一种拉拔试验中土工材料非线性力学行为的确定方法，能够分析筋材在土中的位移、应变和受力，能模拟试验过程，并对测试数据加以处理，其分析结果的可靠性也大大提高。
技术实现要素：
本发明基于拉拔试验，给出了一种分析拉拔试验中土工材料非线性力学行为装置以及确定方法。
本发明为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明采用的装置的技术方案如下：
确定拉拔试验中土工材料非线性力学行为的装置，包括一个试验箱，在所述的试验箱内盛装有土体，在所述的土体的顶部设有向下的垂直压力；在所述的试验箱的侧面设有一个横向插装在土体内的土工材料试件，在所述的土工材料试件的端部设有固定装置；通过固定装置对土工材料试件在土体内进行拉拔，土体给土工材料试件一定的剪切阻力。
进一步的，沿所述的土工材料试件的轴向方向间隔的设有导电胶带。
采用上述装置对确定拉拔试验中土工材料非线性力学行为的方法，包括以下步骤：
步骤1测量土工材料试件所受到的拉力f、位移u和土工材料的横截面积a，得到轴向拉应力σ；
步骤2根据土工材料微元体在拉拔试验中的受力平衡，得到土工材料微元体的平衡微分方程；
步骤3.根据土工材料的全过程应力—应变曲线，建立轴向拉应力σ与土工材料的应变ε之间的公式；将σ-ε关系用双折线模型表达；
步骤4.将筋土间摩擦力τ—土工材料试件位移u的关系曲线近似考虑为双曲线模型；
步骤5.根据步骤2、步骤3、步骤4中得到的关系，得到土工材料试件位移u关于土工材料试件长度变量x的分布确定τ、σ和ε与x的关系；得到σ、τ、u和ε中任意两者之间的关系。
具体的过程如下：
进一步的，步骤1测量土工材料试件所受到的拉力f、位移u和土工材料的横截面积a，得到轴向拉应力σ；
进一步的，步骤2根据土工材料微元体在拉拔试验中的受力平衡，得到土工材料微元体的平衡微分方程，即公式(2)：
f+df-f+2τ(δx+δw)dx＝0(2)
简化得到公式(3)如下：
dσ·a＝-2τ(1+ε)dx(3)
其中，其中，
进一步的，步骤3根据土工材料的全过程应力—应变曲线，建立轴向拉应力σ与土工材料的应变ε之间的公式；将σ-ε关系用双折线模型表达；
σu＝e1·εu(5)
e1、e2是土工材料的弹性模量；点(εu,σu)是土工应变以及轴向拉应力的转折点，e1、e2、εu和σu通过单轴拉伸试验确定；du表示微元体对应的位移；dx表示土工材料微元体的长度；
进一步的，步骤4将筋土间摩擦力τ—土工材料试件位移u的关系曲线近似考虑为双曲线模型；
其中，在初始点切线的斜率为：
当u→∞时，公式(7)即为：
其中，b为双曲线的渐进值。τul只是一个理论值，所以b的表达式还以表达成：
其中，ruf是界面抗剪破坏的比例，取值范围在0.80～0.95；τf是最大抗剪强度，可由剪切强度试验确定；a是一个过程参数。
进一步的，步骤5σ、τ、u和ε四个未知量都与x有关，通过推导公式(3)(4)(6)(7)可以建立荷载传递方程如下：
当x≤xu或ε≥εu时:
其中，
当x>xu,或ε<εu时:
其中，
方程的边界条件是：
当x＝0时，σ＝σ0或
当x＝l时，σ＝0或
其中，f0是拉拔试验中负载端的拉力，可由试验直接确定；l是土工材料的长度。
公式(11)和(12)是u关于x的分布，然后再根据公式(3)(4)(6)和(7)确定τ、σ和ε与x的关系。从而σ、τ、u和ε中任意两者之间的关系都可以确定。
本发明的有益效果如下：
本发明可以通过简单的筋材拉伸试验和筋土直剪试验，来确定该种材料在同种类土的拉拔过程中，筋材的应力、应变、位移和摩阻力沿筋材长度上的分布，有助于研究筋材在土中的受力变形和加筋土结构稳定性等工程问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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拉拔试验装置图；
图2以一段长度为dx的微元体作为研究对象的受力分析图；
图3土工材料的单轴拉伸试验数据曲线图；
图4直剪摩擦试验所得到的剪应力-位移关系图；
图5直剪摩擦试验所得到的最大剪应力-法向围压关系图；
图6、图7、图8、图9分别是拉应力σ、应变ε、位移u和剪切应力τ沿试件长度的分布图；
图10拉拔试验结果和公式计算结果的对比图；
图中：1-拉力、2-固定装置、3-土工材料试件、4-导电胶带、5-剪切阻力、6-垂直压力、7-土体、8-试验箱。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1为所示的拉拔试验装置，包括一个试验箱，在所述的试验箱8内盛装有土体7，在所述的土体7的顶部设有向下的垂直压力6；在所述的试验箱8的侧面设有一个横向插装在土体内的土工材料试件3，土工材料试件3插装在土体内的部分设有导电胶带4，在所述的土工材料试件的端部设有固定装置2；通过固定装置2对土工材料试件在土体内进行拉拔，实施拉力1，土体给土工材料试件一定的剪切阻力5。
具体的确定方法如下：
在拉拔试验中，拉力f和位移u是可以直接测量出来的，即为已知量。
式中：f—拉力；
a—土工材料的横截面积；
σ—轴向拉应力。
现选取一段长度为dx的微元体作为研究对象，受力分析如图2所示。由于土工材料本身重力因素的影响，土工材料上、下两面的剪切阻力τ是不相等，但由于土工材料本身的重力相对于土工材料所承受的土体重力和垂直压力而言，很小很小，所以可以忽略材料本身重力因素对剪切阻力的影响，即认为土工材料上、下两面的剪切阻力是相等。所以得到下面公式：
f+df-f+2τ(δx+δw)dx＝0(2)
简化得到公式(3)如下：
dσ·a＝-2τ(1+ε)dx(3)
其中，ε是土工材料的应变；τ代表筋土之间的摩擦力。
图3为土工材料的单轴拉伸试验数据曲线图，即全过程应力—应变(σ-ε)曲线；主要分为四个阶段；但是由于在拉拔试验中，土工材料在破坏的时候大多数情况下都是进入第二个阶段，所以主要考虑前两个阶段。本专利将σ-ε之间的关系构造成双折线模型，满足以下公式：
σu＝e1·εu(5)
e1、e2是土工材料的弹性模量；点(εu,σu)是转折点，e1、e2、εu和σu通过单轴拉伸试验确定。
筋土间摩擦力—筋材位移关系曲线(τ-u)近似考虑为双曲线模型：
其中，在初始点切线的斜率为：
当u→∞时，公式(7)即为：
其中，b为双曲线的渐进值。τul只是一个理论值，所以b的表达式还以表达成：
其中，ruf是界面抗剪破坏的比例，取值范围在0.80～0.95；τf是最大抗剪强度，可由剪切强度试验确定。
通过推导公式(3)(4)(6)(7)可以建立关系式如下：
当x≤xu或ε≥εu时:
其中，
当x>xu,或ε<εu时:
其中，
方程的边界条件是：
当x＝0时，σ＝σ0或
当x＝l时，σ＝0或
其中，f0是拉拔试验中负载端的拉力，可由试验直接确定；l是土工材料的长度。
公式(11)和(12)是u关于x的分布，然后再根据公式(3)(4)(6)和(7)确定τ、σ和ε与x的关系。从而σ、τ、u和ε中任意两者之间的关系都可以确定。
工程实例：
采用新型的seg(即sensor-enabledgeotextile)作为试验材料，横截面积是a＝42.5mm2，做筋材拉伸试验和筋土直剪试验确定参数，再做拉拔试验验证公式的准确性：
(1)拉伸试验结果，即即全过程应力—应变(σ-ε)曲线如图3所示。可以确定参数：e1＝1.39,e2＝0.21,εu＝8.18,σu＝11.38mpa.
(2)剪切试验的结果如图4和图5所示，可以确定法向压力为100kpa,200kpa和400kpa时，初始模量分别为4.00kpa/mm，6.24kpa/mm和7.80kpa/mm。表观内聚力csg为20.7kpa，界面摩擦角
(3)根据以上参数，按照公式(11)(12)和边界条件计算，可得出如下结果：
1.σ、τ、u和ε沿x的分布，如图6-9所示。
2.σ-u曲线，如图10所示。可用来与拉拔试验结果对比。
(4)根据曲线图可以判断，公式计算出σ-u的关系曲线与试验结果是相符的。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
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