一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪及其实施方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土木工程技术领域，具体来说，涉及到一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪及其实施方法。
【背景技术】
[0002]土工合成材料已经广泛地应用于各类加筋土工程中，如挡土墙、陡坡、软基上路堤等。目前土工合成材料的加筋机理不是十分清楚，计算方法不成熟，理论研究明显落后与工程实践，需要进行深入的理论研究。土工合成材料在筋土工程中，土工合成材料与填土的界面作用特性是最关键的技术指标。筋-土界面上的摩擦阻力系数和抗拉拔力是加筋土结构设计和分析的重要参数。目前，国内外对于加筋土的界面特性试验主要是以直剪试验和拉拔试验为主。
[0003]目前的土工合成材料直剪仪和拉拔仪主要存在以下问题:试验设备尺寸较小，不能适应粗粒土试样直剪和拉拔试验；功能单一，不能同时实现直剪试验和拉拔试验；试验设备种类繁多，不能实现同等试验条件的直剪和拉拔试验；试验角度单一，不能测试土工合成材料的各向异性；上试样盒与下试样盒间距不可调节，不能有效降低边界效应。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明提供了一种多功能的土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪及其实施方法。
[0005]本发明所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，所述试验仪包括试验台架1、水平加载系统、回转驱动系统、试验盒、竖直加载系统、量测系统、夹具和升降系统2 ;所述试验台架I的底部设有脚轮21，顶部设有气缸支撑板11，内部设有机架主体16 ;所述机架主体16的下方设有底板20，上方设有上试验盒固定板7 ;所述水平加载系统包括直线导轨副I 19、刚性滑板18和伺服电动缸3 ;所述直线导轨副I 19固定在底板20上；所述刚性滑板18固定在直线导轨副I 19的滑块上；所述伺服电动缸3固定在升降系统2上；所述回转驱动系统含有固定于刚性滑板18上的回转支撑17 ;所述回转支撑17上固定有刻度条15和提供回转驱动力的步进电机I 22 ;所述试验盒含有固定于上试验盒固定板7上的上试样盒9和固定于回转支撑17上的下试样盒14 ;所述上试样盒9和下试样盒14内安装试样，两者之间铺设土工合成材料；所述竖直加载系统含有固定在气缸支撑板11上竖直放置的气缸10，该气缸的活塞杆下方依次连接气缸压板12、承压板13、上试样盒9和下试样盒14 ;所述量测系统含有固定在升降系统2上的位移传感器4和固定在伺服电动缸3与拉拔夹具8之间的拉压力传感器5 ;所述夹具包括拉拔夹具8和直剪夹具24 ;所述拉拔夹具8固定在上试样盒固定板7上的直线导轨副II 23的滑块上，通过铰链座6能与伺服电动缸3连接；所述直剪夹具24将土工合成材料固定在下试样盒14上表面；所述升降系统2含有固定在机架主体16内的上底座201和下底座202，还包括所述光杆I 203、光杆II 207、升降上平台205、升降下平台206、丝杠211和步进电机II 214 ;所述光杆I 203通过光杆支撑座I204固定于上底座201与下底座202之间；所述光杆II 207通过光杆支撑座II 208固定于升降上平台205与升降下平台206之间；所述升降上平台205和升降下平台206通过直线轴承I 209在光杆I 203上实现上下滑动；所述上底座201与光杆II 207之间通过直线轴承II 210连接；所述丝杠211通过丝杠支撑座212固定于上底座201与下底座202之间，通过丝杠螺母213与升降下平台206连接；所述步进电机II 214固定于下底座202下方，与丝杠211通过联轴器连接。
[0006]本发明所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，所述下试样盒14为底部封闭式圆形法兰。
[0007]本发明所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，所述下试样盒14用于直剪试验时，内径为200mm，壁厚为10mm，高度为110mm。
[0008]本发明所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，所述下试样盒14用于拉拔试验时，内径为300mm，壁厚为10mm，高度为110mm。
[0009]本发明所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，所述上试样盒9为中空式圆形法兰，内径为200mm，壁厚为10mm，高度为110mm。
[0010]本发明所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，所述下试样盒14与上试样盒9的间距为5mm。
[0011]本发明所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，所述回转驱动系统具有自锁功能。
[0012]本发明所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，所述气缸10为双作用单杆缸，内径为200mm，气缸活塞杆行程应3 200mm。
[0013]本发明所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，所述光杆I和光杆II直径兰50mm，单根可以承受810kg的横向力。
[0014]本发明所述土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪的实施方法，所述实施方法分为土工合成材料各向异性直剪试验和土工合成材料各向异性拉拔试验，具体步骤如下:
[0015]I)采用该装置进行土工合成材料各向异性直剪试验
[0016]①制备土工合成材料试样，所述土工合成材料试样的横截面为圆形，直径为300mm ;②下试样盒14内安装下试样，下试样的高度为110mm，上试样盒9内安装上试样，上试样的高度3 50mm，上试样与下试样的压实度应与实践工程应用压实度相同将土工合成材料试样平铺在下试样盒14内下试样表面，并通过直剪夹具24将其与下试样盒14固定，固定后的土工合成材料试样应平整、没有折叠和褶皱控制升降系统2步进电机
II214，将伺服电动缸3移动到直剪试验位置，将铰链座6与刚性滑板18连接；⑤将下试样盒14安装在回转支撑17上，控制步进电机I 22，使土工合成材料试样回转到预设角度；将上试样盒9固定在上试样盒固定板7上，调整上试样盒9高度，使其刚好在试样表面之上，将承压板13置于上试样表面；⑥控制竖直加载系统，对试样施加预设法向应力，预压5min后，控制水平加载系统，使上试验盒9下试样盒14之间作预设速率的相对位移，直至达到预设剪切位移时结束试验；⑦卸下土工合成材料试验，检测和记录试验是否发生伸长、褶皱和损坏；⑧绘制剪应力与相对位移关系曲线，最大剪应力与法向应力关系曲线，给出土工合成材料与土工试样之间的粘聚力、摩擦角和摩擦比。
[0017]2)采用该装置进行土工合成材料各向异性拉拔试验
[0018]①制备土工合成材料试样，所述土工合成材料试样的横截面为圆形，直径为300mm ;②下试样盒14内安装下试样，下试样的高度为110mm，上试样盒9内安装上试样，上试样的高度3 50mm，上试样与下试样的压实度应与实践工程应用压实度相同；③将土工合成材料试样平铺在下试样盒14内下试样表面，并将其与通过拉拔夹具8固定，固定后的土工合成材料试样应平整、没有折叠和褶皱；④控制升降系统步进电机II 214，将伺服电动缸3移动到拉拔试验位置，将铰链座6与拉拔夹具8连接；⑤将下试样盒14安装在回转支撑17上，控制步进电机I 22，使土工合成材料试样回转到预设角度；将上试样盒9固定在上试样盒固定板7上，调整上试样盒9高度，使其刚好在试样表面之上，将承压板13置于上试样表面；移动刚性滑板18，使上试样盒9与下试样盒14处于同心位置，并将刚性滑板18与底板固定20 ;⑥控制竖直加载系统，对试样施加预设法向应力，预压5min后，控制水平加载系统，使拉拔夹具8作预设速率水平移动，直至达到预设拉拔位移时结束试验；⑦卸下土工合成材料试验，检测和记录试验是否发生伸长、褶皱和损坏绘制剪应力与拉拔位移关系曲线，最大剪应力与法向应力关系曲线，给出土工合成材料与土工试样之间的粘聚力、摩擦角和拉拔摩擦系数。
[0019]与现有技术相比，本发明所述土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪的下试样盒为两种不同大小的试验盒，可实现土工合成材料等剪切面直剪试验，也可以实现土工合成材料的变剪切面直剪试验；所述升降系统，可以