一种土工合成材料的试验设备

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及一种土工合成材料的试验设备。

背景技术

土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，它以人工合成的塑料、化纤、合成橡胶等聚合物为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。

常见的土工合成材料有土工格栅、土工织物、土工膜等，为正确选择和应用土工合成材料，必需了解材料的工程特性，即需要采用试验设备对土工合成材料的特性进行检测，以获取相应的材料参数，但是，现有的试验设备的功能较为单一，且试验设备也没有统一的标准，这就导致试验设备的种类较多，不利于土工合成材料的快速检测，也不利于相关科研人员对土工合成材料的深入研究。

因此，如何提供一种方案，以克服上述缺陷，仍是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种土工合成材料的试验设备，该试验设备既可以进行拉伸试验，也可以进行拉拔试验，功能更为齐全，有利于减少试验设备的种类，进而可以提高土工合成材料相关参数的检测效率，同时也可以使相关科研人员能够方便地对土工合成材料的特性进行深入研究。

为解决上述技术问题，本发明提供一种土工合成材料的试验设备，包括：模型箱，用于承装填料，其周壁设有第一缝隙，位于所述模型箱内的土工合成材料的第一端部能够自所述第一缝隙伸出；水平加载装置，用于提供水平加载力，所述水平加载装置包括第一夹具，所述第一夹具能够夹持自所述第一缝隙伸出的所述第一端部；固定设置的第二夹具，所述第二夹具能够夹持所述土工合成材料的第二端部，所述第二端部与所述第一端部相对设置；竖向加载装置，所述模型箱的上端设有开口，所述竖向加载装置用于为所述模型箱内的所述填料提供竖向加载力；数据模块，包括第一力传感器和第二力传感器，所述第一力传感器用于检测所述水平加载力，所述第二力传感器用于检测所述竖向加载力。

在具体实践中，可以通过第一夹具、第二夹具分别夹持土工合成材料相对的第一端部和第二端部，此时，通过水平加载装置对第一端部施加水平加载力，可以进行土工合成材料的拉伸试验；或者，第二夹具也可以不对第二端部进行夹持，此时，可以向模型箱内填充填料，以通过填料压紧土工合成材料，然后，通过竖向加载装置为填料施加所需竖向加载力、以进一步地压紧土工合成材料，水平加载装置对第一端部施加水平加载力，又可以进行土工合成材料的拉拔试验。

如此，本发明所提供试验设备既可以进行土工合成材料的拉伸试验，又可以进行拉拔试验，功能更为齐全，有利于减少试验设备的种类，进而可以提高土工合成材料相关参数的检测效率，同时也可以使相关科研人员能够方便地对土工合成材料的特性进行深入研究。

可选地，所述水平加载装置包括驱动电机和动力转换机构，所述动力转换机构包括水平位移部件，所述水平位移部件与所述第一夹具相连。

可选地，所述水平加载装置还包括控制模块，用于控制所述驱动电机的运行；和/或，所述水平位移部件为丝杆。

可选地，所述水平位移部件通过转换接头与所述第一夹具相连。

可选地，所述数据模块还包括位移传感器，用于检测所述水平位移部件的水平位移量。

可选地，还包括第一机架，所述第一机架包括承载板，所述水平加载装置的至少部分部件安装于所述承载板；所述模型箱安装于所述承载板，或者，所述承载板的部分板部形成所述模型箱的底壁。

可选地，所述模型箱的周壁还设有第二缝隙，所述土工合成材料的第二端部能够自所述第二缝隙伸出，所述第二夹具位于所述模型箱的外侧。

可选地，所述模型箱的周壁包括四个壁部，所述第一缝隙、所述第二缝隙一一对应地设置于相对的两个所述壁部，另外两所述壁部中的至少一个的至少局部为透明材质。

可选地，还包括施压盖，所述施压盖的尺寸与所述开口相匹配，所述竖向加载装置通过所述施压盖对所述填料施加所述竖向力。

可选地，所述施压盖的下方还设置有充气气囊。

可选地，所述竖向加载装置包括第二机架和竖向力施加部件，所述竖向力施加部件安装于所述第二机架。

可选地，所述模型箱的长度为1.0m-1.2m，所述模型箱的宽度为0.6m-0.8m，所述模型箱的高度为0.4m-0.6m，所述模型箱的壁厚为0.18cm-0.22cm。

附图说明

图1为本发明所提供土工合成材料的试验设备在一个方向上的结构示意图；

图2为本发明所提供土工合成材料的试验设备在另一方向上的结构示意图。

图1-图2中的附图标记说明如下：

1模型箱、11第一缝隙、12第二缝隙、13可视化壁部；

2水平加载装置、21第一夹具、22驱动电机、23动力转换机构、231变速箱、232水平位移部件、24控制模块、25转换接头；

3第二夹具；

4第一力传感器；

5位移传感器；

6第一机架、61承载板、62地锚杆；

7竖向加载装置、71施压盖、711吊环、72第二机架、73竖向力施加部件；

8第二力传感器。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本文中所述“第一”、“第二”等词，仅是为了便于描述结构相同或者相类似的两个以上的结构或者部件，并不表示对于顺序和/或重要性的某种特殊限定。

请参考图1-图2，图1为本发明所提供土工合成材料的试验设备在一个方向上的结构示意图，图2为本发明所提供土工合成材料的试验设备在另一方向上的结构示意图。

如图1、图2所示，本发明提供一种土工合成材料的试验设备，包括：模型箱1，用于承装填料，其周壁(除顶壁、底壁外的壁部)设有第一缝隙11，位于模型箱1内的土工合成材料的第一端部能够自第一缝隙11伸出；水平加载装置2，用于提供水平加载力，水平加载装置2包括第一夹具21，第一夹具21能够夹持自第一缝隙11伸出的第一端部；固定设置的第二夹具3，第二夹具3能够夹持土工合成材料的第二端部，第二端部与第一端部相对设置；竖向加载装置7，模型箱1的上端可以设有开口，竖向加载装置7用于为模型箱1内的填料提供竖向加载力；数据模块，包括第一力传感器4和第二力传感器8，第一力传感器4用于检测水平加载力，第二力传感器8用于检测竖向加载力。

在具体实践中，可以通过第一夹具21、第二夹具3分别夹持土工合成材料相对的第一端部和第二端部，此时，通过水平加载装置2对第一端部施加水平加载力，可以进行土工合成材料的拉伸试验；或者，第二夹具3也可以不对第二端部进行夹持，此时，可以向模型箱1内填充填料，以通过填料压紧土工合成材料，然后，通过竖向加载装置7为填料施加竖向加载力、可间接地压紧土工合成材料，以更好地模拟土工合成材料在实际使用中的受力状况，水平加载装置2对第一端部施加水平加载力，又可以进行土工合成材料的拉拔试验。

如此，本发明所提供试验设备既可以进行土工合成材料的拉伸试验，又可以进行拉拔试验，功能更为齐全，有利于减少试验设备的种类，进而可以提高土工合成材料相关参数的检测效率，同时也可以使相关科研人员能够方便地对土工合成材料的特性进行深入研究。

需要说明的是，上述的拉伸试验又分为两种情况：其一，在空气中进行拉伸试验，此时，模型箱1内可以不填充填料，这样所测得的结果为土工合成材料本身的拉伸特性；其二，在模型箱1内填充填料时进行的拉伸试验，此时，土工合成材料的上下两侧均填充有填料，这样所测得的结果为土工合成材料在具体环境中的拉伸特性。

在一种具体的方案中，水平加载装置2可以包括驱动电机22和动力转换机构23，二者能够传动连接，动力转换机构23可以包括水平位移部件232，水平位移部件232可以与第一夹具21相连。动力转换机构23可以将驱动电机22输出的旋转位移转换为水平位移，并通过水平位移部件232向第一夹具21输出水平加载力。

动力转换机构23的结构形式可以多种多样，只要能够实现上述的技术效果即可。例如，动力转换机构23可以包括齿轮齿条机构，则上述的水平位移部件232可以为齿条；或者，动力转换机构23还可以包括丝杠机构，则上述的水平位移部件232还可以为丝杆。

除了位移形式的转换以外，上述的动力转换机构23还可以包括变速箱231，用于调整传动比。变速箱231可以为平行轴式、行星排式、涡轮蜗杆式等各种形式的变速机构，在此不做限定。

进一步地，上述的水平加载装置2还可以包括控制模块24，用于控制驱动电机22的运行。详细而言，上述的驱动电机22可以为伺服电机，控制模块24可以为伺服控制器，伺服控制器的控制方式可以为应变控制，位移的速度范围可以在0-250mm/min之间。

水平位移部件232与第一夹具21之间可以通过转换接头25相连，转换接头25的具体结构在此不做限定，只要能够保证水平位移部件232与第一夹具21之间的可靠连接、同时又不影响水平位移部件232向第一夹具21稳定地传递水平加载力即可。

前述的数据模块还可以包括位移传感器5，用于检测水平位移部件232的水平位移量，进而获取土工合成材料在拉拔试验或者拉伸试验时的变形量。

在上述的描述中，水平加载装置2的驱动机构为驱动电机22，驱动电机22直接输出的位移形式和水平加载装置2所需的位移形式并不相同，因此，需要设置动力转换机构23对驱动电机22输出的运动形式进行转换。实际上，水平加载装置2也可以为能够直接输出直线位移的部件，如气缸、油缸等，此时，还可以省却动力转换机构23等结构件，有利于试验设备的结构简化。

进一步地，本发明所提供试验设备还可以包括第一机架6，第一机架6可以包括承载板61，该承载板61可以通过地锚杆62等形式的支撑件支撑于工作面(一般为地面)，前述水平加载装置2中的至少部分部件可以安装于承载板61，以对水平加载装置2的相应部件进行支撑。具体到图1的方案中，水平加载装置2中的驱动电机22、动力转换机构23等可以安装于承载板61，位移传感器5以及水平加载装置2中的控制模块24可以安装于工作面。

前述的模型箱1也可以安装于承载板61，或者，承载板61的部分板部可以形成模型箱1的底壁，即承载板61还可以参与模型箱1的形成，这样，模型箱1连同第一机架6的结构可以简化，整个试验设备的重量也可以大幅减轻。

结合图2，模型箱1的周壁还可以设有第二缝隙12，土工合成材料的第二端部能够自第二缝隙12伸出，第二夹具3可以位于模型箱1的外侧，以对第二端部伸出第二缝隙12的部分进行夹持。

详细而言，模型箱1的周壁可以包括四个壁部，第一缝隙11、第二缝隙12可以一一对应地设置于相对的两个壁部，另外两壁部中的至少一个的至少局部可以采用透明材质制备，以形成可视化壁部13，通过该可视化壁部13可以直观地对土工合成材料在拉伸试验或者拉拔试验过程中的宏观状态变化进行观察，如有必要，还可以设置摄像部件，以记录上述的宏观状态变化。

进一步地，上述的竖向加载装置7还可以包括施压盖71，施压盖71的尺寸可以与开口相匹配，这里的相匹配是指施压盖71的形状、大小可以与开口基本一致，或者，略小于开口，使得施压盖71能够通过该开口进入模型箱1内，以覆盖模型箱1内的填料，竖向加载装置7可以通过施压盖71对填料施加竖向力，施压盖71的尺寸相比于竖向加载装置7的施压头要大的多，可以分散竖向加载力，以尽可能地保证竖向载荷的均匀施加，并有利于保证稳定性。施压盖71可以设置吊环711，以方便施压盖71的安装和拆除。

除此之外，还可以在施压盖71的下方设置充气气囊(图中未示出)，这又可以进一步地提高竖向载荷施加的均匀性和稳定性。

请继续参照图1，竖向加载装置7还可以包括第二机架72和竖向力施加部件73，竖向力施加部件73可以安装于第二机架72，竖向力施加部件73的结构可以参照前述的水平加载装置2，其也可以采用电机+动力转换机构的结构，或者，竖向力施加部件73也可以采用气缸、油缸等能够直接输出直线位移的部件。

在传统的土工合成材料的试验设备中，模型箱的尺寸均较小，这就导致每次试验时都需要将土工合成材料裁剪为较小的试样，然而，当试样的尺寸减小至一定程度时(尤其是在宽度小于300mm时)，试样就会出现较为严重的尺寸效应和边界效应，导致土工合成材料的性质发生突变，使得试验测得的数据和实际数据会相差较大，影响测量的准确性；且模型箱尺寸过小本身也会造成模型箱内的填料不易摊铺均匀以及振密压实，这也会造成试验工况与实际工况的较大差异。

为此，在本发明实施例中，可以将模型箱1的尺寸设置的较大，具体可以将模型箱1的长度设置为1.0m-1.2m、模型箱1的宽度设置为0.6m-0.8m、模型箱1的高度设置为0.4m-0.6m、模型箱1的壁厚设置为0.18cm-0.22cm。这样，可用于试验的土工合成材料的尺寸可以较大，能够较好地避免尺寸效应和边界效应，同时，模型箱1内的填料也更容易摊铺均匀和振密压实，能够尽可能地保证试验工况与实际工况的一致性，从而保证试验结果的准确性。

以土工合成材料的拉拔试验为例，以下本发明实施例还可以对该试验的一种具体步骤进行说明。

步骤1，分批次向模型箱1内填充填料直至第一缝隙11的下边缘，每一批的填料填充后均需采用振实器整平振密，填料具体为土料，土料的具体种类依据实际要求进行确定；

步骤2，将土工合成材料的试样放在整平后的填料上部，将土工合成材料的第一端部自第一缝隙11伸出，并通过第一夹具21固定；

步骤3，继续向模型箱1内分批次加入填料直至充满整个模型箱1，每一批的填料填充后均需采用振实器整平振密，并盖上施压盖71；

步骤4，根据工程实际情况，通过竖向力加载装置7的竖向力施加部件73对施压盖71施加竖向载荷；

步骤5，调整拉拔速率，拉拔速率依据填料性质而定，对砂性土宜取0.5mm/min，对黏性土宜取0.5～1.0mm/min；

步骤6，开启驱动电机22进行试验，当拉拔力出现峰值后，应继续拉拔直至拉拔力稳定，即可停止试验。根据以下公式即可计算出筋-土界面的拉拔摩擦系数。

根据《土工合成材料测试规程SL 235-2012》中界面拉拔摩擦强度计算公式为：

式中τ

F——最大拉拔力，kN；

L、B——试样埋在土内部的长度和宽度；

式中f——拉拔摩擦系数；

τ

P——法向压力，kPa。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。