本发明属于土工合成材料测试技术领域，更具体地说，是涉及一种基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置。
背景技术：
随着我国经济建设的快速发展，土工合成材料如土工格栅、土工膜等在工程结构中得到越来越广泛的应用，但近几年有相关报道指出：部分加筋土挡墙出现墙体外鼓甚至发生失稳现象，经过专家调查研究发现，造成这一情况一半以上是因选取材料设计值时存在误差。
目前，土工合成材料在工程设计、分析计算和安全评价中的参数取值依然以传统的单向拉伸试验结果为依据。土工合成材料多为平面柔性高分子材料，其位于结构物内部或表面时多处于平面应力状态，其主应力更接近双向拉伸应力状态，且双向受力往往大小各不同。
如申请号为201019026078.x的专利文献，公开了土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，上述试验设备是在空气介质中进行拉伸蠕变试验。由于在实际工程应用时，土工合成材料是通过与周围土体相互接触而发挥相应作用，其中与土体相接触即会受到土体介质侧限约束的作用，故土工合成材料在空气介质中所测力学性能与在实际工程中土工合成材料的真实受力有所出入，这导致工程设计时需要采用强度折减系数，折减系数太大会存在安全问题，折减系数太小则会造成材料浪费，从而影响了土工合成材料在加筋土结构中的应用及安全性。土工合成材料在土中除会受到土体介质侧限约束作用外，还会因埋置深度的不同，而受到不同的法向荷载。
结合以上分析发现土工合成材料在实际应用时的真实受力状态为：在土体介质中，既受到x-y平面内的侧限约束，又受到z方向法向荷载的作用即土工合成材料会在土体介质中受到三维应力状态下的共同作用，故传统的在空气介质中进行单向拉伸试验所得结果不能反映土工合成材料真实的工作状态及受力特点。因此，有必要对现有测试设备进行改进，以求使用改进后的试验设备所测结果可真实反映土工合成材料的工作状态及受力特点，从而为工程设计提供参考。
此外，进行室内试验时一般为了消除由于材料性质、偶然因素对试验结果造成的实验误差，故一般要求在相同条件下需要进行不少于三组试验，然后再对试验结果进行比较。而三组试验在具体操作时为了满足等精度观测的目的，需要同时试验。现有的土工合成材料拉伸试验设备，一台设备在测试时只能测试一组试样，若采用传统的试验装置，则试验时需要购置三台相同仪器，这样不仅产生的费用比较高，而且操作不便，同时三台仪器占地问题也是需要解决的一个难题，故如何在保证试验精度的前提下节约费用、占地问题也需要我们认真思考。
为了较真实模拟土工合成材料在土体介质三维应力状态下变形性能，同时提高试验精度，提高试验效率，节约占地问题，故提出一种基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置，具有重要的实际应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置，以解决现有技术中存在的试验装置试验精度低、试验效率低、操作不便、占地空间大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置，包括两层以上的主机架平台，与所述主机架平台相连接的控制台和数据采集器；
所述主机架平台包括安装框架、设置于所述安装框架上的用于盛放填料和安装试件的土样盒、位于所述土样盒四边的用于试样试验的十字形水平拉伸装置及位于所述土样盒上方的轴向荷载加载装置；
所述十字形水平拉伸装置包括用于夹持试件的夹持装置、固定在所述安装框架上的线性导轨、设置在所述线性导轨上的与所述夹持装置固定连接的滑块、与所述夹持装置连接的丝杆、位于所述夹持装置和所述丝杆之间的拉压力传感器、与所述丝杆的另一端连接的减速器、与所述减速器连接的步进电机、设置在所述减速器上的位移传感器和用于移动所述夹持装置位置的手轮；
所述轴向荷载加载装置包括安装横梁、设置于所述安装横梁下方两侧的立柱、设置于所述安装横梁上的轴向加载油缸、设置于所述轴向加载油缸上的荷载传感器、设置于所述轴向加载油缸端头的与所述土样盒上端面接触的承压板、设置在所述承压板上的位移传感器；
所述控制台用于设定所述十字形水平拉伸装置的拉伸速率和设定轴向荷载加载装置的轴向荷载；所述数据采集器用于采集试验过程中的水平拉力和位移数据，并能实时显示试验过程曲线。
进一步地，所述土样盒位于所述主机架平台的中心位置，包括下土样盒和上土样盒，所述下土样盒和所述上土样盒均为上下开口的空腔矩形盒体，土工合成材料试样位于所述下土样盒和所述上土样盒之间。
进一步地，所述下土样盒和所述上土样盒的尺寸均为300mm×300mm。
进一步地，所述夹持装置为四组，分别位于所述土样盒的四个边，呈对称的十字形布置方式，所述夹持装置包括与所述滑块连接的固定夹板和与所述固定夹板通过螺栓拆卸式连接的活动夹板，试件通过所述活动夹板夹持。
进一步地，所述线性导轨、所述滑块、所述丝杆、所述减速器、所述步进电机、所述手轮、所述拉压力传感器及所述位移传感器均为四组。
进一步地，所述安装框架呈十字形布置，所述十字形水平拉伸装置与所述安装框架配合连接。
进一步地，所述主机架平台为三组，且三组所述主机架平台大小及结构布置均相同，位于最下部的所述主机架平台的下端设有若干支撑架，位于下部的所述轴向荷载加载装置能够通过所述安装横梁固定于所述安装框架的底端。
进一步地，所述十字形水平拉伸装置的位移传感器的作用范围为50mm-150mm，所述轴向荷载加载装置的位移传感器的作用范围为15mm-25mm，所述荷载传感器的作用范围为30kn-50kn，所述拉压力传感器的作用范围为80kn-120kn。
进一步地，所述土样盒中的填料为土体。
进一步地，所述数据采集器均与所述十字形水平拉伸装置的位移传感器、所述轴向荷载加载装置的位移传感器、所述荷载传感器和所述拉压力传感器电连接，并能将试验过程中的数据记录，在所述控制台上的数据采集计算机上显示试验过程曲线。
本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的有益效果在于：1)双向拉伸和轴向加载试验比传统的单向拉伸试验更符合土工合成材料在土体内的受力状况，可以将十字形水平拉伸装置的四组步进电机设置不同的水平拉伸比例值，自由调节，灵活掌握；
2)在实现双向拉伸的基础上，采用土体介质约束与法向荷载相结合的方式，充分模拟了土工合成材料在不同埋深处三维应力状态下的拉伸变形情况，同时试验数据实时记录，便于定性与定量分析；
3)夹持装置在线性导轨上滑动，保证了水平方向拉伸时土工合成材料试样受力均匀，减小了试验误差，施加的拉伸力符合试验规范，试验数据准确率高；
4)土样盒尺寸在满足规范要求的基础上增大尺寸，在实现土体介质约束作用的同时，可降低设备边界效应与试样尺寸效应的影响；
5)可施加的水平力较大，允许材料的变形量较大，施加的轴向荷载较大，从而充分测试土工合成材料变形的性能；
6)布置三层主机架平台，结构紧凑，可同时试验，也可分别试验，自由灵活，提高了试验效率，解决了设备占地问题，满足了试验精度的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的俯视图；
图3为本发明实施例提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的控制台结构示意图。
其中，图中各附图标记：1-主机架平台；11-安装框架；12-土样盒；121-下土样盒；122-上土样盒；13-十字形水平拉伸装置；131-夹持装置；1311-固定夹板；1312-螺栓；1313-活动夹板；132-线性导轨；133-滑块；134-丝杆；135-拉压力传感器；136-减速器；137-步进电机；138-位移传感器；139-手轮；14-轴向荷载加载装置；141-安装横梁；142-立柱；143-轴向加载油缸；144-荷载传感器；145-承压板；146-位移传感器；2-控制台；3-支撑架。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置进行说明。所述基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置，包括两层以上的主机架平台1，与所述主机架平台1相连接的控制台2和数据采集器；
所述主机架平台1包括安装框架11、设置于所述安装框架11上的用于盛放填料和安装试件的土样盒12、位于所述土样盒12四边的用于试样试验的十字形水平拉伸装置13及位于所述土样盒12上方的轴向荷载加载装置14；
所述十字形水平拉伸装置13包括用于夹持试件的夹持装置131、固定在所述安装框架上的线性导轨132、设置在所述线性导轨132上的与所述夹持装置131固定连接的滑块133、与所述夹持装置131连接的丝杆134、位于所述夹持装置131和所述丝杆134之间的拉压力传感器135、与所述丝杆134的另一端连接的减速器136、与所述减速器136连接的步进电机137、设置在所述减速器136上的位移传感器138和用于移动所述夹持装置131位置的手轮139；
所述轴向荷载加载装置14包括安装横梁141、设置于所述安装横梁141下方两侧的立柱142、设置于所述安装横梁141上的轴向加载油缸143、设置于所述轴向加载油缸143上的荷载传感器144、设置于所述轴向加载油缸143端头的与所述土样盒12上端面接触的承压板145、设置在所述承压板145上的位移传感器146；
所述控制台2用于设定所述十字形水平拉伸装置13的拉伸速率和设定轴向荷载加载装置14的轴向荷载；所述数据采集器用于采集试验过程中的水平拉力和位移数据，并能实时显示试验过程曲线。
本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置，与现有技术相比，设置三层主机架平台1，能够对土工合成材料同时进行三组试验，提高了试验精度，降低了试验误差，且每一层的主机架平台1包括十字形水平拉伸装置13和轴向荷载加载装置14，能够对土工合成材料的试件进行三维的试验，基于土体介质的三维土工合成材料拉伸试验，真实反映了土工合成材料在土体介质三维应力状态下变形性能，同时提高试验精度，提高试验效率，节约占地问题的技术效果。
每组的主机架平台1均与数据采集器以及装有数据采集计算器的控制台2连接，在进行土工合成材料的水平拉伸试验时，通过四组位移传感器138和四组拉压力传感器135所采集到的数据信息会及时的传输给数据采集计算机上，并能根据施加的拉伸应力绘制应力应变关系曲线，在数据采集计算机的显示屏上显示。还可以通过控制台2控制四组步进电机137的驱动力，设置不同的驱动力，会得出不同的试验数据，反复试验几次，或在三组主机架平台1上同时试验，得出三组试验数据，以便合理判断基于土体介质的土工合成材料的真实特性曲线。
主机架平台1分为上、中、下三层，三个平台均为关于试件对称的方形框架结构，每层平台大小及结构布置相同，三层平台上的线性导轨132长度相等，充分利用了试验空间，可以同时进行三组试验，互不干扰，三层主机架平台1组成上下重叠的方形框架结构。
进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的一种具体实施方式，所述土样盒12位于所述主机架平台1的中心位置，包括下土样盒121和上土样盒122，所述下土样盒121和所述上土样盒122均为上下开口的空腔矩形盒体，土工合成材料试样位于所述下土样盒121和所述上土样盒122之间。所述承压板145的尺寸略小于土样盒12的截面尺寸，下土样盒121和上土样盒122大小相等，上下均有开口，均装满了土样，土工合成材料位于下土样盒121和上土样盒122之间，满足了模拟土体介质的土工合成材料的拉伸试验。
进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的一种具体实施方式，所述下土样盒121和所述上土样盒122的尺寸均为300mm×300mm。土样盒12的大小可以根据实际的土工合成材料应用的土体介质范围大小，缩小一定比例后，计算模拟的土样盒12的尺寸。
进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的一种具体实施方式，所述夹持装置131为四组，分别位于所述土样盒12的四个边，呈对称的十字形布置方式，所述夹持装置131包括与所述滑块133连接的固定夹板1311和与所述固定夹板1311通过螺栓1312拆卸式连接的活动夹板1313，试件通过所述活动夹板1313夹持。所述螺栓1312为三个，固定夹板1311能在线性导轨132上滑动，活动夹板1313是夹持住土工合成材料，通过三个螺栓1312将活动夹板1313固定在固定夹板1311之上，螺栓1312操作比较灵活，拆卸顺利。
进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的一种具体实施方式，所述线性导轨132、所述滑块133、所述丝杆134、所述减速器136、所述步进电机137、所述手轮139、所述拉压力传感器135及所述位移传感器138均为四组。实现了在土工合成材料的四个方向上均能做拉伸试验，合理模拟基于土体介质的土工合成材料的试验。
进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的一种具体实施方式，所述安装框架11呈十字形布置，所述十字形水平拉伸装置13与所述安装框架11配合连接。安装框架11为三层结构，均为十字形布置，十字形水平拉伸装置13固定与其上，主要做土工合成材料的水平拉伸试验；轴向荷载加载装置14位于安装框架11的正上方，主要做土工合成材料的轴向加载试验。
进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的一种具体实施方式，所述主机架平台1为三组，且三组所述主机架平台1大小及结构布置均相同，位于最下部的所述主机架平台1的下端设有若干支撑架3，位于下部的所述轴向荷载加载装置14能够通过所述安装横梁3固定于所述安装框架11的底端。三层布置结构紧凑，操作简便，提高了试验效率，既节约资金、占地问题又满足了试验精度的要求。也可以设置为四层或更多层，优选为三层。层数越多，试验数据就越多，试验结果更加精确，更符合基于土体介质的三维土工合成材料的三维应力应变研究。
进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的一种具体实施方式，所述十字形水平拉伸装置13的位移传感器138的作用范围为50mm-150mm，所述轴向荷载加载装置14的位移传感器146的作用范围为15mm-25mm，所述荷载传感器144的作用范围为30kn-50kn，所述拉压力传感器135的作用范围为80kn-120kn。在各自的传感器作用范围内，均能满足基于土体介质的土工合成材料的拉伸和轴向加载模拟试验。
进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的一种具体实施方式，所述土样盒12中的填料为土体。土体均填实上土样盒122和下土样盒121，为了让试验数据更加精确，使土工合成材料在土体介质中进行试验，更加符合三维应力状态下的拉伸变形情况，也便于定性和定量分析。
进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的一种具体实施方式，所述数据采集器均与所述十字形水平拉伸装置13的位移传感器138、所述轴向荷载加载装置的位移传感器146、所述荷载传感器144和所述拉压力传感器135电连接，并能将试验过程中的数据记录，在所述控制台2上的数据采集计算机上显示试验过程曲线。
试验过程具体为：首先将土样盒12的下土样盒121分层回填土样并压实，在下土样盒121的顶部放入土工合成材料后，将四组夹持装置131夹持住土工合成材料，将上土样盒122中回填土样并压实，调节好每层的十字形水平拉伸装置13，使得土工合成材料在四个方向上位于合适的位置，夹持装置131是先通过手轮139调节，然后通过控制台2精确调节，并使土工合成材料处于初始受力状态，设置各个传感器为归零状态，放下轴向荷载加载装置14的承压板145，在控制台2上控制各个步进电机137和轴向加载油缸143的参数，启动电源，各个传感器开始工作并记录土工合成材料的应力应变信息，将数据传输给控制台2的数据采集计算机，并显示成应力应变曲线。
本发明提供的基于土体介质的土工合成材料拉伸试验装置的有益效果在于：1)双向拉伸和轴向加载试验比传统的单向拉伸试验更符合土工合成材料在土体内的受力状况，可以将十字形水平拉伸装置13的四组步进电机137设置不同的水平拉伸比例值，自由调节，灵活掌握；
2)在实现双向拉伸的基础上，采用土体介质约束与法向荷载相结合的方式，充分模拟了土工合成材料在不同埋深处三维应力状态下的拉伸变形情况，同时试验数据实时记录，便于定性与定量分析；
3)夹持装置在线性导轨上滑动，保证了水平方向拉伸时土工合成材料试样受力均匀，减小了试验误差，施加的拉伸力符合试验规范，试验数据准确率高；
4)土样盒12尺寸在满足规范要求的基础上增大尺寸，在实现土体介质约束作用的同时，可降低设备边界效应与试样尺寸效应的影响；
5)可施加的水平力较大，允许材料的变形量较大，施加的轴向荷载较大，从而充分测试土工合成材料变形的性能；
6)布置三层主机架平台1，结构紧凑，可同时试验，也可分别试验，自由灵活，提高了试验效率，解决了设备占地问题，满足了试验精度的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。