一种适用于寒区路基粗颗粒填料的多层筋土拉拔试验仪的制作方法

本发明涉及一种寒区边坡工程和路基工程中筋土界面物理力学特性测试设备，具体涉及一种用于研究静、动荷载作用下加筋土工材料筋-土界面特性的试验仪器。

背景技术：

加筋土工材料在国内外拥有一定的应用市场，但与传统的建筑材料相比，其在对应的试验规范规程领域还存在许多空白，这一点在国内尤为明显。从国内来说，现有的试验规范和规程对于加筋理论的研究并不深入，未形成系统的理论说明，已经不能满足当今加筋土理论及试验设备不断发展和改进的需要。针对此现状，一直以来，国内外许多学者致力于该方面的研究，以期建立统一的标准，准确测定筋土界面参数，指导工程实践。目前常用的试验手段有：室内直剪试验、拉拔试验、加筋土三轴试验和现场足尺试验。直剪试验反映了土工合成材料单面发生位移的情况，主要用于验算填料与筋材的界面强度。拉拔试验反映了土工合成材料双面与土体发生位移的情况，用来确定筋材受拉时的抗拉拔强度，是研究筋土界面特性和加筋机理的主要手段。加筋土三轴试验可以测试土体加筋后的强度变化。现场足尺试验是在现场按照接近于实际工程尺寸进行的试验，费用高，周期长，实施难，相比室内试验，不易于操作。因此通过开展筋土界面特性试验研究，测定土工格栅与土体的剪切强度，了解加筋土结构如何增加土体的抗剪强度是十分必要的，拉拔试验已经成为研究加筋土界面特性最直接、最有效的测试手段，同时，与直剪试验相比，拉拔试验可以更好地反映加筋材料的实际工作状态。

此外，随着寒区工程建设的日益发展，加筋材料在工程中的寒区工程中的应用正逐渐得到更多研究者的重视。具体而言，筋土界面的物理、力学特性的变化与筋土界面材料所处的环境温度以及水分条件密切相关。加筋土结构通过筋材与填料之间的相互作用发挥功能，因此筋-土界面的摩擦特性是现代筋土技术研究的热点和难点，是彻底弄清加筋机理和建立加筋土理论体系的关键。

技术实现要素：

本发明在寒区工程相关的测试设备日趋成熟的背景下，提供了一种适用于寒区路基粗颗粒填料的多层筋土拉拔试验仪。该多层筋土拉拔试验仪可系统科学地还原寒区土工格栅-土界面受力变形物理过程，准确获得在水分场、温度场以及静动荷载综合影响下的筋土界面力学参数和变化规律，具备极强的科研应用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于寒区路基粗颗粒填料的多层筋土拉拔试验仪，包括竖向加载系统、反力架、可调节荷载板、模型箱、后挡板移动轨道、高速摄像机、低温冷浴系统、蜗轮箱、夹具、应变式水平加载系统、控制与数据采集系统、柔性减震底座、拉力传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器、水分传感器，其中：

所述模型箱的外侧设置有高速摄像机、竖向加载系统、反力架、可调节荷载板、高速摄像机、低温冷浴系统、蜗轮箱、夹具、应变式水平加载系统、控制与数据采集系统、柔性减震底座；

所述模型箱为由前挡板、后挡板、左挡板、右挡板、下挡板构成的敞口箱体；

所述模型箱的内部放置填土与土工格栅试样，箱壁中空内置冷液循环路径，箱壁主体外部附聚氨酯保温板；

所述前挡板、后挡板中部开设引出缝，供土工格栅试样引出箱体用，土工格栅试样的一端通过前挡板引出缝的缝隙与夹具连接，土工格栅试样的另一端通过后挡板引出缝的缝隙伸出；

所述土工格栅试样拉拔方向上等间距绑定钢丝，钢丝从后挡板引出缝的缝隙中引出箱外，在水平和竖直方向上布置位移传感器、温度传感器、水分传感器；

所述夹具与拉力传感器相连，应变式水平加载系统与蜗轮箱相连，蜗轮箱通过螺杆与拉力传感器相连，应变式水平加载系统提供驱动力，通过蜗轮箱进行传力方向的调整与运动速度的调节，通过螺杆将驱动力传递到拉力传感器与夹具上；

所述底板固定于柔性减震底座上，底板上预留后挡板移动轨道与卡槽，后挡板可沿挡板移动轨道前后滑动，设定模型箱内有效尺寸；

所述反力架上安装有滑动滚轮，竖向加载系统通过滑动滚轮安装在反力架上，竖向加载系统通过可调节荷载板对模型箱内的填土上表面施加预定竖向荷载，进而将力传递到土工格栅试样上；

所述压力传感器与荷载板相连，实时监控竖向荷载；

所述滑动滚轮可以在前后方向移动，调节反力架与竖向加载系统的相对位置，以达到模型箱和可调节荷载板尺寸变化后，竖向荷载的作用点依然在可调节荷载板中心的效果；

所述低温冷浴系统与模型箱外壁相连；

所示控制与数据采集系统与拉力传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器、水分传感器连接。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、试验箱可以全程监测土工格栅拉拔过程中格栅与土的宏细观变化，试验箱尺寸较大，能够保证筋材远离两侧箱壁，试验箱长度可调节，有效减小边界效应与尺寸效应，仪器还加入了制冷系统，能有效研究温度场对土体加筋效果的影响。

2、可系统科学地还原寒区土工格栅-土界面受力变形物理力学过程，准确获得在水分场、温度场以及静动荷载综合影响下的筋土界面力学参数和变化规律，具备极强的科研应用价值。

3、满足《公路工程土工合成材料试验规程》(jtg-2006)、《土工合成材料测试规程》(sl235-2012)及《standardtestmethodformeasuringgeosyntheticpulloutresistanceinsoil1》(astmd6706-01)的要求。

4、包含的温度、水分场控制系统可实现不同温度和未冻水含量下界面物理力学特性的测试。

5、适用于寒区环境下粗颗粒填料大型拉拔，可测试土工格栅-土界面力学特性。

附图说明

图1为大型加筋土拉拔试验仪结构示意图；

图2为界面全过程观测点示意，（a）左视图，（b）正视图；

图3为三层拉拔夹具详图；

图4为双层拉拔夹具详图；

图5为单层拉拔夹具详图；

图6为箱壁设计图；

图7为可调换荷载板示意图；

图8为轨道连接示意图；

图9为筋-土界面测点布置图；

图10为格栅表面应变片布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种适用于寒区环境下粗颗粒填料大型筋土拉拔试验仪器，该仪器可测试土工格栅-土界面力学特性。具体而言包括可施加点、线、面三种形式的静、动力竖向加载系统，反力架，可调节荷载板，可视的透明钢化玻璃材质的模型箱，模型箱后挡板移动轨道及其配套的固定卡槽，高速摄像机，低温冷浴系统，蜗轮箱，夹具，应变式水平加载系统，控制与数据采集系统，柔性减震底座，其中：

试验箱前后下左四面均采用钢材制成，右侧采用透明钢化玻璃制成，箱壁中空内置冷液循环路径，右侧保温板可拆卸，总体尺寸为（300~1200）mm×600mm×800mm（长×宽×高），其中后挡板可前后滑动，设定模型箱内有效尺寸，见图1。

在模型箱的右侧设置高速摄像机，对测试过程中筋土界面的相对滑移状态进行连续监测，监测过程自加载时开始到试验完成后结束，通过图像处理技术实现对测试过程的精细化还原。

在模型箱前后挡板中部各开设3条长400mm宽8mm的引出缝，引出缝间隔200mm，供格栅试样引出箱体用，土工格栅通过前端缝隙连接夹具，通过后端缝隙伸出，同时与格栅绑定的钢绞线也通过后端伸出，连接位移传感器（lvdt）。为防止粗粒土颗粒在加载以及拉拔过程中进入引出缝影响格栅拉拔，采用在格栅上下两侧靠近前挡板处布置滚轴的方式防止粗颗粒进入引出缝。多个引出缝的设置使得该设备可同时实现单、双、三层筋土界面测试试验，见图2。

单层拉拔的夹具由两块带有交错布置的螺栓孔的钢板（3mm厚）组成，起到夹持并固定土工格栅的作用。双层与三层的夹具为了保证多层格栅同时运动与夹具本身的整体稳定性，在夹具一端设置了立板用以支撑，夹具详见图3-图5。

在模型箱壁内设计冷液循环路径和保温板以达到对模型箱内土体降温的效果。具体而言设，箱壁主体为双层3mm钢/透明钢化玻璃组成的中空结构，间隙内横向布置数条钢/透明钢化玻璃隔断用以稳定箱壁结构和提供冷液循环路径。箱壁主体外部附聚氨酯保温板，右侧保温板可拆卸，其他四面保温板固定即可，见图6。在箱内温度达到实验条件后拆下右侧保温板进行拉拔试验，透过钢化玻璃观察模型箱内部情况。

竖向加载系统可实现静荷载、动荷载的施加，满足寒区工程设计中的筋土界面常见物理力学参数的使用需求。该筋土拉拔试验仪设置可拆卸荷载板，分圆形和矩形两种形式的荷载板，满足点、线、面三种荷载的施加，见图7。

为满足不同格栅长度下的测试，本发明设置拉拔方向的模型箱长度可调整，将底板固定于基座上，并在底板上预留滑道与卡槽，根据格栅长度确定模型箱长度，有300、600、900、1200mm共4种选择，模型箱后挡板可通过螺栓连接于基座，形成长度可变的试验模型箱，具体见图8。

本发明的筋土拉拔仪器测试原理简单明确，可操作性强，具体表现为：在拉拔试验中，土工格栅与土体之间的作用为摩擦作用和嵌固作用两种，增加竖向压力，有利于土工格栅与土体的嵌固作用的增加，摩擦作用也得到增加，然后对埋在填土中的土工格栅施加水平拉拔力，或者以一定的速率将筋材从填土中拉出或者拔断，水平拉力传感器测得的拉力即为土工格栅在土中总的抵抗力。本发明涉及的荷载等参数介绍如下：竖向载荷：0~150kn；竖向过载保护：超满负荷2.0%；竖向工作行程：0~150mm；竖向加载方式：液压千斤顶；横向载荷：0~100kn；横向过载保护：超满负荷2.0%；横向工作行程：0~150mm；拉拔速率调节范围：0.5~3mm/min；载荷指示精度：±0.5%fs；位移测量精度：±0.5%fs；横向加载方式：伺服电动机。

本发明的筋土拉拔仪器不仅可测试低温和冻融条件下筋土界面力学特性，也能持续测试筋土界面物理特性变化规律；设置高速摄像机可对测试过程中筋土界面的相对滑移状态和土颗粒运动状态进行连续监测；配套的模型箱及其夹具和应变式水平加载系统可最多同时实现三层筋土界面测试试验；可实现动、静两种竖向荷载形式的加载；设置可更换的荷载板，满足点、线、面三种荷载的施加；模型箱长度可调节，可模拟不同尺寸的土工格栅在土中拉拔的过程，用以研究尺寸效应和边界效应的影响。

本发明中，力学特性包括借助布设在土工格栅上的位移和应变传感器测试不同区段格栅位移和不同位置格栅变形；借助土压力传感器测试由于冻结和剪切作用导致的界面上、下部土压力变化；借助温度、水分传感器测试土工格栅对温度传导和水分迁移的影响。

实施案例：

以粗颗粒填料-筋材在冻融条件下的界面拉拔试验为例，说明本发明所设计测试设备的操作流程：

1、根据含水率和相对密实度要求计算所需中填料用量，按照颗粒级配组成配制土层，下文将以开展长度900mm单层筋土界面物理力学特性测试为例，若要同时开展3层测试，则逐层配置土层即可。

2、将填料投入模型箱，按要求的密度和试样质量分四层压实，每层压实高度为200mm，下部两层填完后的填料表面应略高于模型箱引出缝的下边缘。

3、将土工格栅平铺于填料上，要求平整且与侧壁平行。土工格栅埋入填料中的长度为900mm，居中放置。土工格栅试样两端均从窄缝引出箱外并保证预留足够的长度，前端与夹具牢固连接，后端自由伸出，预留长度要大于拉拔试验筋-土相对位移，以保证土工格栅与填料的接触面积保持不变。

4、在土工格栅拉拔方向上等间距绑定四条钢丝，呈阶梯形布置。将钢丝从窄缝中引出箱外，在水平和竖直方向上布置位移传感器、温度传感器、水分传感器，如图9。在格栅表面贴应变片，如图10。

5、继续往箱内填土，压实至要求的密度，上两层压实后平整表面，略低于箱顶，并将荷载板放下，此处以矩形加载板为例，根据试验需求，如需选择不同荷载形式可从图7提供的多个荷载板形式中进行选择。

6、调节液压千斤顶，对荷载板施加预定竖向荷载。在荷载板上放置百分表，测量并记录试验过程中的竖向位移的变化。同时，将夹有试样的夹具连接在水平拉拔装置上。

7、开启冷浴系统，通过数据采集系统了解试验箱内界面温度场、水分场实时变化规律，直至箱内填土达到预定温度。拆除箱壁右侧保温板，架设高速摄像机。施加微量水平荷载，使水平拉拔装置受力绷紧，计此时拉力传感器数据为零。

8、启动拉拔装置，恒定拉拔速率为1mm/min，测读并记录压力传感器数据、拉拔力、拉拔位移以及筋土相对位移。同时开启高速摄像机，观察界面位置格栅位移、填料颗粒移动等物理过程，提取兴趣点的变化特征。

9、当拉拔力出现峰值并稳定后，关闭仪器，升起加载板，挖出填土、格栅与传感器，结束试验。

10、进行正式试验前应进行预实验以确定合适的填料厚度和竖向荷载，以保证在测得峰值拉拔力前格栅不被拉断。

11、改变试验工况，重复步骤1-10，进行不同工况下的拉拔试验。