一种可实现三维空间各向移动大型直剪仪及其试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于土工合成材料力学性能测试领域，涉及一种土工合成材料各向异性直 剪仪及其试验方法，尤其涉及一种可实现三维空间各向移动大型直剪仪及其试验方法。
【背景技术】
[0002] 土工合成材料置于土体内部、表面或各种土体之间，起到保护或加强土体的作用， 因而得到广泛应用，在《土工合成材料测试规程》和《公路工程土工合成材料试验规程》等 规范中均提到了土工合成材料直剪仪装置。目前已有的直剪仪装置只能做单方向、小型样 品的"筋-土"直剪试验，样品剪切方向随意性大、所受载荷轻、剪切面积小，一般只能包含 土工合成材料几个格栅孔，由试验得到的力学性能不具有代表性，因此不能真实的反映工 程实际中土工合成材料与填土的实际力学性能。
[0003] 同时，为了与工程实际中的填土界面力学性能一致，直剪试验过程中的受力机理 为"填土-土工合成材料-填土"。在较大竖向加载力作用下，上、下剪切盒土样材料将会 发生较大压缩位移，土工合成材料向下弯曲，这种变形将会造成格栅折叠和褶破，严重影响 试验结果。另外，考虑到取样方便性，上剪切盒与加载装置之间应保证足够的安装空间，因 上、下剪切盒土样将会发生较大压缩位移，因此需要选用行程较大的加载装置，会增加加载 装置的体积及生产成本，从而造成资源浪费。
[0004] 综上所述，由于现行土工合成材料直剪试验过程中存在诸如试验方法、取样、选 型、模拟结果有效性等问题，其试验得到的力学性能无法真实反映工程实际。因此，采用现 行直剪仪试验得到的土工合成材料与填土界面力学性能进行工程设计时，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。宄其根本原因是现有直剪仪设备采 用单电机加导轨驱动方案，运动方向单一、驱动力有限，无法实现装置大型化。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种全新的大型直剪仪实现方案，解决现有设备剪切方向单 一、无法实现大型化、试验得到的土工合成材料与填土界面力学性能无法真实反映工程实 际的技术问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种可实现三维空间各向移动大型直剪仪，其特征在于：所述可实现三维空间各 向移动大型直剪仪包括试验台架、电控柜、工作平台、加载装置、支撑装置、水平位移约束装 置、运动执行机构、上剪切盒、格栅压片、下剪切盒以及承载板；所述工作平台设置在试验台 架上；所述电控柜、水平位移约束装置以及支撑装置均设置在工作平台上；所述加载装置 与支撑装置相连并通过支撑装置设置在工作平台上；所述运动执行机构设置在试验台架 上；所述加载装置的底部设置有承载板；所述上剪切盒、格栅压片以及下剪切盒自上而下 设置在运动执行机构的上表面；所述加载装置通过承载板向上剪切盒、格栅压片以及下剪 切盒施加竖向压力；所述水平位移约束装置与上剪切盒相连；待进行剪切试验的土工合成 材料呈圆形，其直径与下剪切盒外径相同，待进行剪切试验的土工合成材料置于格栅压片 以及下剪切盒的上端面之间；所述运动执行机构带动下剪切盒进行空间三维移动；所述电 控柜分别与加载装置以及运动执行机构相连。
[0008] 作为优选，本发明所采用的运动执行机构包括动平台、定平台以及三个结构完全 相同的伸缩型运动分支；所述定平台设置在试验台架上；所述工作平台上设置有分支运动 孔；所述动平台置于工作平台之上；所述下剪切盒设置在动平台上；所述伸缩型运动分支 穿过工作平台上的分支运动孔后分别与动平台以及定平台相连；所述定平台通过伸缩型运 动分支带动动平台以及下剪切盒进行空间三维移动。
[0009] 作为优选，本发明所采用的伸缩型运动分支包括上转动轴、上轴承、推杆电机、铰 座、下转动轴、下轴承、滑块以及导轨；所述导轨设置在定平台上；所述铰座通过滑块设置 在导轨上并可在导轨上自如滑动；所述推杆电机的顶部通过上转动轴设置在上轴承中；所 述上轴承设置在动平台上；所述推杆电机的底部通过下转动轴设置在下轴承中；所述下轴 承设置在铰座上；所述电控柜与推杆电机相连；在推杆电机的驱动下，动平台沿导轨的轴 线移动绕上转动轴和/或下转动轴的轴向摆动。
[0010] 作为优选，本发明所采用的三个结构完全相同的伸缩型运动分支的导轨以正三角 形式均勾布置于定平台上。
[0011] 作为优选，本发明所采用的动平台为六边形，对应外接圆直径至少为500_;所述 定平台为矩形，最小尺寸为900X680X 14mm ;所述动平台性能参数为：水平任意方向移动 范围至少为±60mm、垂向移动范围至少为±50mm;水平任意方向承载力至少为0. 5t、垂向 承载力至少为I. 5t。
[0012] 作为优选，本发明所采用的水平位移约束装置包括定位块、丝杠、套筒、手轮以及 基座；所述基座设置在工作平台上；所述套筒设置在基座上；所述套筒套装在丝杠外部并 与丝杠啮合；所述丝杠的两端分别设置有手轮以及定位块；所述定位块与上剪切盒相连； 所述水平位移约束装置是结构完全相同的两组；所述两组结构完全相同的水平位移约束装 置以丝杠轴线互成120°。
[0013] 作为优选，本发明所采用的上剪切盒的外侧壁上设置有支座以及与支座相连且 与定位块相匹配的定位槽；所述上剪切盒呈空心圆柱体结构，所述上剪切盒的内径至少为 200_、壁厚至少10_、高度至少为IlOmm ;所述下剪切盒的内径至少为300_、厚度至少为 IOmm ;所述承载板的直径至少为195mm、厚度至少为20mm，所述承载板的直径与上剪切盒的 内径之差应在2~5mm范围内；所述格栅压片的直径与下剪切盒的直径相同，厚度至多为 5mm 〇
[0014] 作为优选，本发明所采用的试验台架是由角钢焊接而成的桁架式结构，所述试验 台架的外表面设置有钣金包裹层；所述工作平台尺寸至少为1500 X 700 X 14mm，所述工作 平台上的分支运动孔的直径不小于120_ ;所述支撑装置包括支撑板以及支撑杆；所述支 撑板通过支撑杆设置在工作平台上；所述加载装置设置在支撑板上。
[0015] -种基于如上所述的可实现三维空间各向移动大型直剪仪的待进行剪切试验的 土工合成材料的试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)卸下上剪切盒以及下 剪切盒，并在上剪切盒以及下剪切盒中装填与待进行剪切试验的土工合成材料相对应的试 验土样；
[0016] 2)将下剪切盒安装于运动执行机构动平台上表面，并在待进行剪切试验的土工合 成材料置于下剪切盒的上表面，在待进行剪切试验的土工合成材料的上表面依次安装格栅 压片、上剪切盒以及承载板，调整上剪切盒角度，并旋转水平位移约束装置的手轮，待定位 块与定位槽表面贴合后调节上剪切盒运动至工作位置；
[0017] 3)通过电控柜控制运动执行机构由初始位置运行至工作位置，调节加载装置通过 加载对上剪切盒进行竖向压力加载；所述初始位置是所有推杆电机伸缩量为零时对应的位 置；所述工作位置是所有推杆电机伸缩量为总行程的一半时对应的位置；
[0018] 4)待竖向压力加载完毕后，根据试验要求在电控柜中输入所需的剪切方向、剪切 位移以及剪切速度，由运动执行机构通过推杆电机开始对待进行剪切试验的土工合成材料 进行试验；
[0019] 5)试验运行过程中，实时记录运动