本发明涉及土木材料检测技术领域，具体而言，涉及排水性能的试验装置、系统及试验方法。
背景技术：
土工合成材料是以人工合成的聚合物为原料，制成各种类型的产品，包括非织造无纺布、土工格栅、土工膜、复合排水网、土工网垫等。土工合成材料具有优秀的过滤、排水、隔离等作用，且还具有重量轻、抗拉强度高、渗透性好、耐腐蚀等特点，因此被广泛应用到水利、交通、建筑工程等建设中。目前在隧道工程领域中(尤其是采用钻爆法施工的复合式衬砌隧道)，通常在初期支护和二次衬砌之间设置排水系统，其中包括在防水板后铺设的非织造无纺布(土工布)缓冲层，有时也采用具有一定通水能力的其他类型土工合成材料(如凹凸防排水板、复合排水网等)。铺设在隧道衬砌结构中的排水材料将起到导水的作用，地下水在其中发生水平流动，汇入隧道两侧的排水管沟中集中排走，同时避免地下水压力的积聚。因此如何合理测定用于隧道工程的土工合成材料的排水性能指标，以便在隧道中选用合理的排水材料，以保证隧道结构的安全就显得尤为重要。
目前对土工合成材料水平排水性能的测试装置和方法与隧道工程中排水材料的工作状况不符，所得到的测试结果不能很好地表征在隧道工程中作为排水材料的土工合成材料的水平排水性能。
技术实现要素：
本发明的第一个目的在于提供一种排水性能的试验装置，该排水性能的试验装置用于为土工合成材料水平排水性能的测试提供与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境。
本发明的第二个目的在于提供一种排水性能的试验系统，该排水性能的试验系统具有上述排水性能的试验装置，能够在与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境中，对土工合成材料进行水平排水性能测试。
本发明的第三个目的在于提供一种排水性能的试验方法，该试验方法应用上述排水性能的试验系统，能有效地表征在隧道工程中作为排水材料的土工合成材料的水平排水性能。
本发明的实施例是这样实现的：
一种排水性能的试验装置，包括：
试样夹持部，试样夹持部包括：
上盘；
下盘，上盘与下盘可活动地连接，上盘与下盘之间共同限定夹持空间，夹持空间用于放置土工合成材料；
上盘远离下盘的端面中心设置有连通夹持空间的进水部，上盘设置多个连通夹持空间的水压测压部，多个水压测压部绕夹持空间的中心均匀间隔设置；
下盘靠近上盘的端面绕夹持空间的中心开设有呈环状的集水槽，下盘远离上盘的端面设置有连通集水槽的排水装置；
试样夹持部被构造为能控制上盘与下盘之间的加载压力；
角度调整结构，试样夹持部设置于角度调整结构上，角度调整结构被构造为驱动试样夹持部绕垂直于上盘至下盘的方向上转动并且能控制试样夹持部的转动角度；
流量测试装置，流量测试装置设置于排水装置上，并被构造为测量排水装置中的水的流量；
水压测试装置，多个水压测试装置分别设置于水压测压部和进水部上。
发明人发现：现有的对土工合成材料水平排水性能的测试装置和方法与隧道工程中排水材料的工作状况不符：
排水空间的限制对试验的影响：隧道工程中地下水在通过单个渗水点进入排水材料后，通常会以渗水点点源为中心发生不同方向上的平面流动；
工作角度对试验的影响：在隧道衬砌中铺设的土工合成材料的工作角度通常会随着隧道衬砌不同部位角度的变化(例如拱脚为垂直、拱顶为近似水平)而变化。
为此，发明人设计了上述排水性能的试验装置，该排水性能的试验装置用于为土工合成材料水平排水性能的测试提供与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境。排水性能的试验装置包括试样夹持部、角度调整结构、流量测试装置以及水压测试装置。其中，试样夹持部包括上盘和下盘，上盘与下盘可活动地连接，用于测试的土工合成材料放置于上盘与下盘共同限定的夹持空间中，由于上盘与下盘之间是可活动连接的，试样夹持部被构造为能控制上盘与下盘之间的加载压力，使得位于夹持空间中的土工合成材料能得到可控的法向加载压力。通过向上盘的进水部供水，使得土工合成材料的渗水方式为点源进水，并且以渗水点点源为中心发生不同方向上的平面流动，最终从与集水槽连通的排水装置排出。通过设置角度调整结构，使得角度调整结构能驱动试样夹持部绕垂直于上盘至下盘的方向上转动，并且能控制试样夹持部的转动角度，从而使得土工合成材料能够得到不同工作角度的测试条件。通过设置流量测试装置和水压测试装置能够测试土工合成材料在点源进水、不同法向加载压力以及不同排水角度条件下的水平排水性能。该排水性能的试验装置用于为土工合成材料水平排水性能的测试提供与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境。
在本发明的一种实施例中：
上盘的端面绕其中心开设有多个均匀间隔分布的第一固定通孔；
下盘的端面绕其中心开设有多个均匀间隔分布的第二固定通孔；
第一固定通孔与第二固定通孔对应，上盘和下盘通过加荷螺栓贯穿第一固定通孔和第二固定通孔与螺母配合实现连接。
在本发明的一种实施例中：
还包括：
分区卡槽片；
集水槽绕夹持空间的中心间隔开设有多个卡槽口；
多个分区卡槽片分别嵌入于卡槽口中并将集水槽分隔为多个分区集水部；
多个排水装置分别连通分区集水部。
在本发明的一种实施例中：
角度调整结构包括：
外框架，外框架的内部限定有转动空间；
内框架，内框架位于转动空间中并可转动地与外框架连接；
试样夹持部设置于内框架的端面；
角度定位部，角度定位部设置于外框架，内框架与角度定位部可拆卸地配合；
内框架通过角度定位部的配合调整内框架相对于外框架的转动角度。
在本发明的一种实施例中：
内框架的侧壁中心设置有转动轴；
转动轴与外框架的内壁转动连接。
在本发明的一种实施例中：
内框架的侧壁设置有定位配合部，定位配合部与角度定位部可拆卸地配合。
在本发明的一种实施例中：
角度定位部设置于外框架的侧壁，角度定位部开设有贯穿角度定位部壁面的弧形槽；
定位配合部包括设置于内框架侧壁的螺栓和与螺栓配合的螺母；
螺栓贯穿弧形槽并跟随内框架相对于外框架的转动在弧形槽中滑动，角度定位部位于螺母与内框架之间。
在本发明的一种实施例中：
内框架设置有多个水平调节螺栓，多个水平调节螺栓均匀间隔分布，多个水平调节螺栓贯穿内框架的壁面抵靠于试样夹持部；
内框架的端面凸设有多个限位部，多个限位部均匀间隔分布，多个限位部抵靠于试样夹持部的侧壁。
在本发明的一种实施例中：
一种排水性能的试验系统，该试验系统包括供水装置、数据采集装置以及上述任意一项的排水性能的试验装置；
供水装置连接进水部；
数据采集装置与流量测试装置和水压测试装置连接，用于收集流量测试装置测量的流量数据以及水压测试装置测量的水压数据。
一种排水性能的试验方法，排水性能的试验方法应用上述排水性能的试验系统，包括步骤：
准备步骤：将土工合成材料裁剪成符合试样夹持部规格的形状的材料试样，量测并记录材料试样的初始厚度及质量；
夹持步骤：将材料试样安放于试样夹持部中的夹持空间中；
加载压力步骤：通过控制试样夹持部控制上盘与下盘之间的加载压力并使得该加载压力达到预设值，对材料试样进行加压，并测量加载压力后的材料试样的厚度；
预定角度步骤：通过角度调整结构，驱动试样夹持部转动至预定角度；
数据采集步骤：待试样夹持部转动至预定角度后，开启供水装置以及数据采集装置；待测得的流量和水压稳定至预定时间后，关闭供水装置，并停止数据采集，并分析测量的数据。
本发明的技术方案至少具有如下有益效果：
本发明提供的一种排水性能的试验装置，该排水性能的试验装置用于为土工合成材料水平排水性能的测试提供与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境。
本发明提供的一种排水性能的试验系统，该排水性能的试验系统具有上述排水性能的试验装置，能够在与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境中，对土工合成材料进行水平排水性能测试。
本发明提供的一种排水性能的试验方法，该试验方法应用上述排水性能的试验系统，能有效地表征在隧道工程中作为排水材料的土工合成材料的水平排水性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1中排水性能的试验系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中试样夹持部在第一视角下的结构示意图；
图3为本发明实施例1中上盘的结构示意图；
图4为本发明实施例1中下盘的结构示意图；
图5为本发明实施例1中试样夹持部在第二视角下的结构示意图；
图6为本发明实施例1中角度调整结构在第一视角下的结构示意图；
图7为本发明实施例1中角度调整结构在第二视角下的结构示意图。
图标：10-排水性能的试验系统；10a-供水装置；10b-数据采集装置；20-排水性能的试验装置；21-试样夹持部；22-角度调整结构；23-流量测试装置；24-水压测试装置；31-第一固定通孔；32-第二固定通孔；33-加荷螺栓；40-水平调节螺栓；50-限位部；90-夹持空间；91-进水部；92-水压测压部；93-集水槽；94-排水装置；210-上盘；211-下盘；212-分区卡槽片；220-外框架；221-内框架；223-角度定位部；230-弧形槽；931-分区集水部；2210-定位配合部。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提供一种排水性能的试验系统10，该排水性能的试验系统10能够提供与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境中，并对土工合成材料进行水平排水性能测试。
请参考图1，图1示出了实施例中排水性能的试验系统10的具体结构。
排水性能的试验系统10包括供水装置10a、数据采集装置10b以及排水性能的试验装置20。
其中，排水性能的试验装置20用于为土工合成材料水平排水性能的测试提供与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境。
具体地，排水性能的试验装置20包括试样夹持部21、角度调整结构22、流量测试装置23以及水压测试装置24。
请参考图2，图2示出了本实施例中试样夹持部21在第一视角下的具体结构。
试样夹持部21包括上盘210和下盘211，上盘210与下盘211可活动地连接，上盘210与下盘211之间共同限定夹持空间90，夹持空间90用于放置土工合成材料。
其中，结合图3，图3示出了本实施例中上盘210的具体结构。
上盘210远离下盘211的端面中心设置有连通夹持空间90的进水部91，上盘210设置多个连通夹持空间90的水压测压部92，多个水压测压部92绕夹持空间90的中心均匀间隔设置。具体地，在本实施例中，水压测压部92为开设于上盘210的通孔。在其他具体实施方式中，不对水压测压部92的结构作出限制，其还可以为管状结构。
结合图4，图4示出了本实施例中下盘211的具体结构。
下盘211靠近上盘210的端面绕夹持空间90的中心开设有呈环状的集水槽93，下盘211远离上盘210的端面设置有连通集水槽93的排水装置94。
需要说明的是，试样夹持部21被构造为能控制上盘210与下盘211之间的加载压力，从而使得位于夹持空间90的土工合成材料能受到不同的法向加载压力，并且该压力是可以控制的。
请重新参考图1，试样夹持部21设置于角度调整结构22上，角度调整结构22被构造为驱动试样夹持部21绕垂直于上盘210至下盘211的方向上转动并且能控制试样夹持部21的转动角度。
需要说明的是，通过角度调整结构22，使得位于夹持空间90的土工合成材料能处于不同的测试角度，即排水角度。并且，需要说明的是，该转动角度是可以控制的。
流量测试装置23设置于排水装置94上，并被构造为测量排水装置94中的水的流量。多个水压测试装置24分别设置于水压测压部92和进水部91上。
在排水性能的试验系统10中，供水装置10a连接进水部91，其提供一个可调且稳定的流量和水压试验条件，数据采集装置10b与流量测试装置23和水压测试装置24连接，其用于收集流量测试装置23测量的流量数据以及水压测试装置24测量的水压数据。
其中，结合图2、图3以及图4，上盘210的端面绕其中心开设有多个均匀间隔分布的第一固定通孔31，下盘211的端面绕其中心开设有多个均匀间隔分布的第二固定通孔32，第一固定通孔31与第二固定通孔32对应，上盘210和下盘211通过加荷螺栓33贯穿第一固定通孔31和第二固定通孔32与螺母配合实现连接。操作人员可通过扭矩扳手施加设定的扭矩至加荷螺栓33上，控制上盘210和下盘211之间的法向加载压力。需要说明的是，在其他具体实施方式中，可通过其他结构，使得上盘210和下盘211之间相互运动，并且控制上盘210和下盘211之间的加载压力。
参考图5，图5示出了本实施例中试样夹持部21在第二视角下的具体结构。
试样夹持部21还包括分区卡槽片212。集水槽93绕夹持空间90的中心间隔开设有多个卡槽口，多个分区卡槽片212分别嵌入于卡槽口中并将集水槽93分隔为多个分区集水部931，多个排水装置94分别连通分区集水部931。需要说明的是，通过设置分区卡槽片212，可实现分区集水的功能，通过各个分区集水部931对应的流量测试装置23，能够获得不同流动角度分区的流量数据。
请参考图6以及图7，图6示出了本实施例中角度调整结构22在第一视角下的具体结构。图7示出了本实施例中角度调整结构22在第二视角下的具体结构。
角度调整结构22包括外框架220、内框架221以及角度定位部223。
外框架220的内部限定有转动空间，内框架221位于转动空间中并可转动地与外框架220连接。试样夹持部21设置于内框架221的端面。
角度定位部223设置于外框架220，内框架221与角度定位部223可拆卸地配合，内框架221通过角度定位部223的配合调整内框架221相对于外框架220的转动角度。需要解释的是，外框架220与内框架221之间转动，当转动至试验所需的角度时，使内框架221与角度定位部223的配合，使得外框架220、内框架221以及角度定位部223三者固定，保持外框架220与内框架221的相对静止，从而控制转动角度。
具体地，内框架221的侧壁中心设置有转动轴，转动轴与外框架220的内壁转动连接。
内框架221的侧壁设置有定位配合部2210，定位配合部2210与角度定位部223可拆卸地配合。
进一步地，角度定位部223设置于外框架220的侧壁，角度定位部223开设有贯穿角度定位部223壁面的弧形槽230。定位配合部2210包括设置于内框架221侧壁的螺栓和与该螺栓配合的螺母。螺栓贯穿弧形槽230并跟随内框架221相对于外框架220的转动在弧形槽230中滑动，角度定位部223位于螺母与内框架221之间，通过螺栓和螺母的配合，使得内框架221固定在角度定位部223上。
需要说明的是，为保证试样夹持部21平稳地安置于内框架221的端面，内框架221设置有多个水平调节螺栓40，多个水平调节螺栓40均匀间隔分布，多个水平调节螺栓40贯穿内框架221的壁面抵靠于试样夹持部21，操作人员通过调试水平调节螺栓40的长度，来使得试样夹持部21找平。
内框架221的端面凸设有多个限位部50，多个限位部50均匀间隔分布，多个限位部50抵靠于试样夹持部21的侧壁。
发明人发现：现有的对土工合成材料水平排水性能的测试装置和方法与隧道工程中排水材料的工作状况不符：
排水空间的限制对试验的影响：隧道工程中地下水在通过单个渗水点进入排水材料后，通常会以渗水点点源为中心发生不同方向上的平面流动；
工作角度对试验的影响：在隧道衬砌中铺设的土工合成材料的工作角度通常会随着隧道衬砌不同部位角度的变化(例如拱脚为垂直、拱顶为近似水平)而变化。
为此，发明人设计了上述排水性能的试验系统10，该排水性能的试验系统10能够提供与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境中，并对土工合成材料进行水平排水性能测试。排水性能的试验系统10包括供水装置10a、数据采集装置10b以及排水性能的试验装置20。其中，供水装置10a提供一个可调且稳定的流量和水压试验条件，数据采集装置10b用于试验中水压、流量的数据收集。排水性能的试验装置20包括试样夹持部21、角度调整结构22、流量测试装置23以及水压测试装置24。其中，试样夹持部21包括上盘210和下盘211，上盘210与下盘211可活动地连接，用于测试的土工合成材料放置于上盘210与下盘211共同限定的夹持空间90中，由于上盘210与下盘211之间是可活动连接的，试样夹持部21被构造为能控制上盘210与下盘211之间的加载压力，使得位于夹持空间90中的土工合成材料能得到可控的法向加载压力。通过向上盘210的进水部91供水，使得土工合成材料的渗水方式为点源进水，并且以渗水点点源为中心发生不同方向上的平面流动，最终从与集水槽93连通的排水装置94排出。通过设置角度调整结构22，使得角度调整结构22能驱动试样夹持部21绕垂直于上盘210至下盘211的方向上转动，并且能控制试样夹持部21的转动角度，从而使得土工合成材料能够得到不同工作角度的测试条件。通过设置流量测试装置23和水压测试装置24能够测试土工合成材料在点源进水、不同法向加载压力以及不同排水角度条件下的水平排水性能，并且通过数据采集装置10b对流量测试装置23测量的流量数据以及水压测试装置24测量的水压数据进行收集，最后通过数据进行分析。该排水性能的试验装置20用于为土工合成材料水平排水性能的测试提供与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境。该排水性能的试验系统10能够在排水性能的试验装置20提供与隧道工程中排水材料的工作状况相符合的测试环境中，对土工合成材料进行水平排水性能测试。
需要说明的是，本实施还提供一种排水性能的试验方法，该试验方法应用上述提供的排水性能的试验系统10，该试验方法的步骤包括：
准备步骤：将土工合成材料裁剪成符合试样夹持部21规格的形状的材料试样，量测并记录该材料试样的初始厚度及质量；
夹持步骤：将准备步骤中得到的材料试样安放于试样夹持部21中的夹持空间90中，并且进行初步固定。
加载压力步骤：通过控制试样夹持部21控制上盘210与下盘211之间的加载压力并使得该加载压力达到预设值，对材料试样进行加压，并测量加载压力后的材料试样的厚度，具体地，通过扭矩扳手施加设定的扭矩至加荷螺栓33上，控制上盘210和下盘211之间的法向加载压力。
预定角度步骤：通过角度调整结构22，驱动试样夹持部21转动至预定角度；
数据采集步骤：待试样夹持部21转动至预定角度后，开启供水装置10a以及数据采集装置10b；待测得的流量和水压稳定至预定时间后，关闭供水装置10a，并停止数据采集，并分析测量的数据。需要说明的是，测量的数据包括材料试样的初始厚度和质量、加载压力后的材料试样的厚度以及流量和水压数据。
需要说明的是，还包括重复步骤：通过重复加载压力步骤，调整上盘210与下盘211之间的加载压力的大小，通过重复预定角度步骤，改变转动角度，进行后续等级加载压力、不同工作角度的排水性能试验，直至所有试验数据采集完毕。
需要说明的是，还包括分区步骤，分区步骤：将多个分区卡槽片212分别嵌入于卡槽口中，形成多个分区集水部931。
最终，通过上述步骤测量及采集的数据计算和分析土工合成材料试样的在点源进水、不同法向加载压力、不同工作角度条件下各方向上的水平排水性能。
该试验方法应用上述排水性能的试验系统10，能有效地表征在隧道工程中作为排水材料的土工合成材料的水平排水性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。