一种通用面状材料张力、应变及挠度测试装置的制作方法

本发明涉及一种通用面状材料张力、应变及挠度测试装置，属于岩土工程技术领域。

背景技术：

在基坑支护技术和边坡防护体系中，土钉墙支护技术和锚喷支护技术是常用的支护技术之一。不管是土钉墙支护技术还是锚喷支护技术，其中的一个重要组成部分就是支护面层。所谓支护面层是在基坑和边坡防护中为防止坡面发生局部破坏设置的一种刚性或柔性的防护面。目前在土钉墙支护体系和锚喷支护体系中，其面层多为混凝土喷射面状材料、钢丝网、土工合成材料面状材料，如土工格栅、土工布等。

面层通过限制基坑或坡体的侧向位移，并把坡体的侧向土压力传递给土钉或锚杆，来实现保护坡体，传递土压力的作用。除此，面层对防止坡面侵蚀和坡体绿化起到了重要作用。因此，面层的刚度及强度对基坑和边坡支护体系的稳定性具有重要作用。一旦面层出现破坏，基坑和边坡的稳定性也就受到较大的威胁。因此在设计支护方案时，面层的刚度和强度的测试是一个重要指标。

目前对于面层的测试多是针对喷射混凝土面状材料的测试，其测试是通过测试混凝土试块的单轴抗压强度代表面层强度，利用与圆板型试块铰接约束的形式测试的挠度代表面层挠度。对于土工合成材料面状材料的测试也是利用简单的单轴顶破强度代表土工合成材料面状材料强度。以上方法的测试数据虽具有一定的代表性，但是其采用两套设备、两套标准，并不能进行对比分析。一般而言，现场的支护面层多是与锚杆或土钉连接成半固定约束，即面层被锚杆头或土钉头牢牢的压在坡面上。以上方法将面状材料与测试柱设置成铰接约束形式，显然不能真实体现现场的实际情况。

技术实现要素：

本发明提供了一种通用面状材料张力、应变及挠度测试装置，通过更换试样承台，可以实现不同材料面状材料的测试并生成测试曲线，并可以将不同材料面状材料测试结果进行对比分析，方便工程技术人员进行材料比选。

本发明采取的技术方案为：

一种通用面状材料张力、应变及挠度测试装置，包括压力加载系统、试样承台、预应力加载系统、测试和数据采集系统；所述压力加载系统由反力立柱、横梁、底座、伺服给进装置A 和加载头组成，所述反力立柱与底座固定连接，所述横梁固定在两个所述反力立柱上，所述伺服给进装置A 固定在所述横梁中间；所述压力传感器一端与所述加载头固定连接，另一端与所述伺服给进装置A 固定连接；所述试样承台固定在所述压力加载系统内部；所述预应力加载系统包括伺服给进装置B 、拉力传感器、加载板和支撑环台，所述伺服给进装置B 固定在所述底座里，所述拉力传感器一端与所述伺服给进装置B 连接，一端与加载板连接，所述支撑环台放置在所述底座上方；所述测试系统包括压力传感器、位移传感器和激光位移计；所述数据采集系统包括数据采集器和电脑。将制备好的试样安放在试样承台上，通过预应力加载系统和压力加载系统向面状材料试样分别施加预应力和压力，通过所述测试与数据采集系统读取所述压力传感器、位移传感器和激光位移计的数据计算出面状材料试样所承受的压力、位移及挠度。对于不同材料的面状材料，通过更换试样承台，实现上述测试。

进一步的，所述加载头为圆柱形，头部呈球面，侧面设置有一根位移测量杆。

进一步的，所述加载头与所述压力传感器固定连接。

进一步的，所述底座由上、下两层钢板组成，所述上层钢板呈方形，在中间设置一个位移测量孔，贯穿钢板，在四周以正六边形角点排布设置6个贯穿孔。

进一步的，所述试样承台依据面状材料和连接方式不同，分为两种类型：对于喷射混凝土面状材料的铰接约束模式，所述试样承台为圆柱形，顶面呈球面，称为铰接试样承台；对于土工合成材料、钢丝网面状材料的固定约束模式，所述试样承台由支撑柱和试样夹具组成，所述试样夹具通过螺栓固定在支撑柱上，称为固定试样承台。

进一步的，所述铰接试样承台通过将所述支撑柱插入所述底座上层钢板的正六边形布置的贯穿孔内把支撑柱与底座连接。

进一步的，所述固定试样承台，通过将所述支撑柱穿过所述底座上层钢板的正六边形布设的贯穿孔与所述预应力加载系统的加载板固定连接。

进一步的，所述试样夹具由两个圆环形钢板组成，钢板一面具有锯齿状纹路，两个圆环形钢板通过法兰盘、螺栓和螺母将试样夹紧。

进一步的，所述预应力施加系统包括伺服给进装置B、拉力传感器、加载板和支撑环台。

进一步的，所述伺服给进装置B固定在所述底座中，所述拉力传感器一端与所述伺服给进装置B固定连接，另一端与加载板中心固定连接，所述加载板为高强度金属板。

进一步的，所述测试系统包括压力传感器、位移传感器和激光位移计。

进一步的，所述压力传感器设置在所述伺服给进装置A与所述加载头之间，一端与所述伺服给进装置A固定连接，另一端与所述加载头固定连接。

进一步的，所述位移传感器设置在所述位移计支架上，测试加载头位移；所述激光位移计设置在所述底座中间，通过激光穿过所述底座内部上层钢板的位移测量孔测量试样中心的位移。

进一步的，所述拉力传感器、压力传感器、位移传感器均通过通讯线缆与所述数据采集器系统连接，实现数据采集。

本发明一种通用面状材料张力、应变及挠度测试装置及试验方法的有益之处是：

（1）本发明可以满足不同材料、不同约束条件的面状材料的试验测试；

（2）本发明中试样承台可以根据不同材料和约束条件随意更换，操作简单方便；

（3）本发明可以有效地将不同材料和不同约束条件的面状材料试验统一进行，便于数据对比，方案比选；

（4）本发明提供了一种面状材料预应力施加装置，较好的解决了面状材料试样张紧并施加预应力的问题；

（5）本发明全程采用自动数据采集装置，减少人为干扰，数据可靠性好；

（6）本发明结构简单，易于操作，简单易用，且制造成本低，适合推广应用。

附图说明

图1一种通用面状材料张力、应变及挠度测试装置结构示意图

图2一种通用面状材料张力、应变及挠度测试装置固定约束模式结构示意图

图3一种通用面状材料张力、应变及挠度测试装置铰接约束模式结构示意图

图4 底座上层钢板俯视示意图

图5固定试样承台支撑柱示意图

图6加载板俯视示意图

图7支撑环台截面与俯视示意图

图8试样夹具正视图和俯视图

图中：1—底座，2-下层钢板， 3—上层钢板，4—反力立柱，5—横梁，6-加载头，7—伺服给进装置A ，8—压力传感器，9—面状材料夹具，10—支撑环台，11—伺服给进装置B ，12—拉力传感器，13-加载板，14-固定试样承台， 15-激光位移计，16-位移测量孔，17-贯穿孔，18—铰接试样承台，19-面状材料试样，20-位移传感器，21-位移计支架，22-支撑环台固定孔，23-数据采集器，24-电脑，25-螺丝，26-螺丝孔。

具体实施方式

如图1所示，一种通用面状材料张力、应变及挠度测试装置，包括压力加载系统、试样承台、预应力加载系统、测试和数据采集系统；所述压力加载系统由底座1、反力立柱4、横梁5、加载头6和伺服给进装置A 7组成，所述反力立柱4与底座1固定连接，所述横梁5架设在两个所述反力立柱4上，并利用螺栓固定，所述伺服给进装置A 7固定在所述横梁5中间，所述压力传感器8一端与所述伺服给进装置A 7固定连接，另一端与所述加载头6固定连接，量测所述加载头6的压力；所述试样承台分为固定试样承台14和铰接试样承台18两种；所述预应力加载系统包括伺服给进装置B 11、拉力传感器12和加载板13，所述拉力传感器12一端与伺服给进装置B 11固定连接，一端与加载板13中心固定连接；所述测试与采集系统包括激光位移计15、位移传感器20、压力传感器8、数据采集器23和电脑24；所述位移传感器20固定在所述位移计支架21上，测试加载头的位移；所述激光位移计15放置在所述加载板13中心，使得所述激光位移计15的激光发射端与所述上层钢板3上的位移测量孔16对齐，以便使激光透过位移测量孔16测量面状材料试样中心的位移，并防止面状材料试样破坏后跌落砸坏激光位移计16。所述压力传感器8、拉力传感器12、所述激光位移计15和位移传感器20通过数据线与数据采集器23连接，并将采集的数据传输到电脑24上。

首先根据测试试样的材料和约束方式，选择合适的试样承台，如喷射混凝土面状材料铰接约束模式选择铰接试样承台18；土工合成材料面状材料、钢丝网面状材料固定约束模式选择固定试样承台14。

将选择好的试样承台，如：铰接试样承台18插入所述上层钢板3的贯穿孔17内，与底座上层钢板3固定连接；固定试样承台14则穿过上层钢板3上的贯穿孔17通过螺丝25与加载板13上的螺丝孔26固定连接，并使支撑环台10准确安放在上层钢板3上，通过螺丝穿过上层钢板3上的支撑环台固定孔22将支撑环台10与上层钢板3固定。

将制备好的面状材料试样19安放在试样承台上：对于喷射混凝土面状材料铰接约束模式，需要将喷射混凝土面状材料试样19的中心与上层钢板3上的位移测量孔16的中心对齐；对于土工合成材料面状材料和钢丝网面状材料的固定约束模式，需要将面状材料试样19固定在面状材料夹具9上，并将面状材料夹具9与固定试样承台14固定连接。

开启试验系统，预热15分钟，对于喷射混凝土面状材料铰接约束模式的测试，首先使加载头6刚刚接触面状材料试样，稍作暂停，并将位移传感器20、拉力传感器12和激光位移计15清零。

继续开启伺服给进装置A 7，正式开始试验，对面状材料试样进行试验测试，测试过程中，压力传感器8、位移传感器20和激光位移计15将数据实时传送到数据采集器23上并传送给电脑24，获得试验过程中的荷载、位移和挠度数据。

或者，开始试验前，对于土工合成材料面状材料和钢丝网面状材料的固定约束模式的测试，需要对面状材料试样施加预应力，可通过开启伺服给进装置B 11向下拉动加载板13使固定试样承台14向下移动，使面状材料试样19与支撑环台10接触，并拉紧，读取拉力传感器12上的值，并记录。

开启伺服给进装置A 7使加载头6刚刚与面状材料试样接触后停止，对压力传感器8、位移传感器20和激光位移计15的数据清零，继续开启伺服给进装置A 7继续试验，通过数据采集器23和电脑24记录压力传感器8、位移传感器20和激光位移计15的数据，获得试验过程中的荷载、位移和挠度数据。

试验完毕后，收回伺服给进装置A 7，将试验完的面状材料试样从试样承台上取下，准备下一组试验。