一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统及方法

摘要

一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统及方法，该系统包括试验台架、下试验盒、上试验盒、拉拔加载装置、导轨、刻度盘、竖向加载装置、位移传感器、信号采集控制装置以及用于夹持土工合成材料试样的夹具；试验台架的上表面设置有圆形的刻度盘、导轨以及下试验盒；拉拔加载装置设置在导轨上并在导轨上自如滑动；拉拔加载装置上设置有用于测量夹具位移量的位移传感器；竖向加载装置、上试验盒、土工合成材料试样以及下试验盒自上而下依次设置在试验台架上；信号采集控制装置分别与拉拔加载装置、位移传感器以及竖向加载装置相连。本发明有效避免了土工合成材料拉拔试验测试值与工程实际受力特性严重不符以及具有测试过程精确可控的优点。

说明书

技术领域

本发明属于土工合成材料力学性能试验测试领域，涉及一种土工合成材料各 向异性拉拔试验系统及方法，尤其涉及一种黄土沟壑区加筋土技术的土工合成材 料各向异性拉拔试验系统及其实施方法。

背景技术

土工合成材料是以人工合成的聚合物(如塑料、化纤、合成橡胶等)为原料， 制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，发挥加强或保护土 体的作用。主要包括土工织物、土工格栅，土工膜、土工特种材料和土工复合材 料，玻纤网，土工垫等类型。

目前，《土工合成材料测试规程》(SL 235-2012)和《公路工程土工合成材 料试验规程》(JTG E50-2006)均提到了土工合成材料拉拔试验。但是，目前土 工合成材料拉拔试验过程中仍存在诸多问题：(1)土工合成材料取样时，样品拉 拔试验方向随意性大，试验得到的力学性能不一定具有代表性；(2)土工合成材 料取样时，目前仅规定了土工合成材料取样范围和取样尺寸，而所取各样品间可 能存在不一致性；(3)土工合成材料拉拔试验时，一般仅做一个(或两个)方向 的试验，无法考虑土工合成材料的各向异性，拉拔试验所得出的土工合成材料力 学性能指标不能真实的反映出工程实际中土工合成材料的实际力学性能。

综上所述，由于现行土工合成材料拉拔试验过程中存在诸如取样、试验方法 等问题，其试验得到的土工合成材料力学性能指标不能真实的反映出工程实际中 土工合成材料的实际力学性能。事实上，试验得到的土工合成材料力学性能指标 往往要优于工程实际中土工合成材料的实际力学性能，采用现行土工合成材料拉 拔试验得到的土工合成材料力学性能指标进行工程设计时，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。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中试验得到的土工合成材料力学性能指标 无法真实反映工程实际的技术问题，进而提供了一种充分考虑了土工合成材料力 学性能的各向异性、有效避免了现行规范中试验测试值与土工合成材料实际受力 特性严重不符以及测试过程精确可控的土工合成材料各向异性拉拔试验系统及 方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统，其特征在于：所述土工合成材料 各向异性拉拔试验系统包括试验台架、下试验盒、上试验盒、拉拔加载装置、导 轨、刻度盘、竖向加载装置、位移传感器、信号采集控制装置以及用于夹持待进 行拉拔试验的土工合成材料试样的夹具；所述试验台架的上表面设置有圆形的刻 度盘、导轨以及下试验盒；所述导轨与刻度盘同心设置；所述拉拔加载装置设置 在导轨上并在导轨上自如滑动；所述拉拔加载装置上设置有用于测量夹具位移量 的位移传感器；所述竖向加载装置、上试验盒、待进行拉拔试验的土工合成材料 试样以及下试验盒自上而下依次设置在试验台架上并处于导轨与刻度盘的圆心 处；所述信号采集控制装置分别与拉拔加载装置、位移传感器以及竖向加载装置 相连。

作为优选，本发明所提供的土工合成材料各向异性拉拔试验系统还包括固定 支座、反力架以及与反力架相连的反力杆；所述竖向加载装置设置在反力架上； 所述上试验盒通过固定支座与反力杆相连。

作为优选，本发明所采用的导轨上设置有限位凹槽以及置于限位凹槽中的滑 动滚珠；所述拉拔加载装置通过滑动滚珠与导轨连接并在导轨上自如滑动。

作为优选，本发明所提供的土工合成材料各向异性拉拔试验系统还包括设置 在竖向加载装置与上试验盒之间的承载板；所述竖向加载装置通过承载板向上试 验盒施加竖向荷载。

作为优选，本发明所采用的承载板的直径不小于190mm，所述承载板的直径 与上试验盒的内径之差在5～10mm范围内。

作为优选，本发明所采用的下试验盒是半封闭的空心圆柱体；所述下试验盒 的内径不小于300mm，所述下试验盒的厚度不小于5mm，高度不小于50mm；所 述上试验盒是含有内切圆的正多边形柱体；所述上试验盒的内径不小于200mm， 所述上试验盒的壁厚最薄弱处厚度不小于3mm，所述上试验盒的高度不小于100 mm，所述上试验盒的外径与下试验盒内径之差不小于80mm。

作为优选，本发明所采用的正多边形柱体是正五边形柱体、正六边形柱体、 正七边形柱体或正八边形柱体。

作为优选，本发明所采用的夹具夹持待进行拉拔试验的土工合成材料试样的 宽度不小于200mm。

作为优选，本发明所采用的拉拔加载装置的拉拔速率是0.05mm/min至50 mm/min之间。

一种基于如前所述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统对土工合成材料 进行各向异性拉拔试验的实施方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)裁取待进行拉拔试验的土工合成材料试样，所述待进行拉拔试验的土工 合成材料试样的横截面呈圆形，所述待进行拉拔试验的土工合成材料试样的直径 与土工合成材料各向异性拉拔试验系统的下试验盒的外径相同；

2)卸下土工合成材料各向异性拉拔试验系统的上试验盒和下试验盒，填筑 试验土样，试验土样在上试验盒中以及下试验盒中的压实度与工程应用中现场实 际压实度一致，所述下试验盒中填筑试验土样的高度与下试验盒的盒高相同，所 述上试验盒中填筑试验土样的高度不小于50mm；

3)将待进行拉拔试验的土工合成材料试样铺设于下试验盒内部的试验土样 的上表面上，待进行拉拔试验的土工合成材料试样保持平整、无折叠以及无褶皱；

4)将下试验盒安装至试验台架上，通过刻度盘标记0°处待进行拉拔试验的 土工合成材料试样位置；

5)安装上试验盒，调节固定支座，通过固定支座约束上试验盒的水平位移；

6)调节竖向加载装置，对承载板施加竖向荷载，使承载板与试验土样表面 接触良好；

7)调节拉拔加载装置，拉拔加载装置上夹具夹持待进行拉拔试验的土工合 成材料试样，夹持宽度不小于200mm；

8)通过竖向加载装置施加25kPa坚向荷载，加载固结时间不小于20min；加 载固结完成后通过拉拔加载装置施加0.05-0.1kPa水平荷载，使拉拔加载装置和 待进行拉拔试验的土工合成材料试样各处受力绷紧，将位移传感器读数调整为 零；

9)通过拉拔加载装置施加水平荷载，开始拉拔，测读并记录位移量和水平 拉力；拉拔速率按应变控制加荷，拉拔速率在0.05mm/min至50mm/min之间；

10)当拉拔加载装置施加的水平荷载出现峰值或试验进行至水平荷载为稳定 值时，试验完成；

11)选用不同的待进行拉拔试验的土工合成材料试样，重复步骤2)～步骤10)， 在实施步骤4)时，根据所作标记将待进行拉拔试验的土工合成材料试样放置在 下试验盒相同位置处，分别通过竖向加载装置施加50kPa、100kPa、200kPa 以及400kPa的竖向压力下各试验一块待进行拉拔试验的土工合成材料试样，即 完成待进行拉拔试验的土工合成材料试样在0°时在不同竖向压力下的拉拔试 验；

12)选用不同的待进行拉拔试验的土工合成材料试样，重复步骤2)～步骤11)， 在实施步骤4)时，根据所作标记将待进行拉拔试验的土工合成材料试样放置在 下试验盒相同位置处，同时通过导轨将拉拔加载装置至旋转至22.5°，分别在 25kPa、50kPa、100kPa、200kPa以及400kPa竖向压力下各试验一块待进行拉 拔试验的土工合成材料试样，即完成待进行拉拔试验的土工合成材料试样在 22.5°时在不同竖向压力下的拉拔试验；

13)判断待进行拉拔试验的土工合成材料试样是90°对称还是45°对称；若 是90°对称，重复步骤12),同时在实施步骤4)时，通过导轨将拉拔加载装置分 别旋转至45°、67.5°以及90°，即完成待进行拉拔试验的土工合成材料试样分 别在45°、67.5°以及90°时在25kPa、50kPa、100kPa、200kPa以及400kPa 竖向压力下的拉拔试验；若是45°对称，重复步骤12),在实施步骤4)时，通过 导轨将拉拔加载装置分别旋转至45°，即完成待进行拉拔试验的土工合成材料试 样分别在45°时在25kPa、50kPa、100kPa、200kPa以及400kPa竖向压力下的 拉拔试验；

14)计算待进行拉拔试验的土工合成材料试样与试验土样界面上的法向应力 σ、剪应力τ和拉拔摩擦系数f：

$\sigma =\frac{P}{A}$

其中：

σ是待进行拉拔试验的土工合成材料试样与试验土样界面上的法向应力；

P是竖向荷载，所述竖向荷载的单位是kN；

A是上试验盒内径面积，所述上试验盒内径面积的单位是m²；

$\tau =\frac{T_d}{2A}$

其中：

τ是待进行拉拔试验的土工合成材料试样与试验土样界面上的剪应力，所述 剪应力的单位是kPa；

T_d是拉拔荷载，所述拉拔荷载的单位是kN；

$f=\frac{\tau }{\sigma }$

其中：

f是待进行拉拔试验的土工合成材料试样与试验土样界面上的拉拔摩擦系 数；

15)绘制不同竖向应力σ和剪应力峰值τ的关系曲线，求得待进行拉拔试验 的土工合成材料试样与试验土样界面的摩擦角和表观粘聚力；

16)绘制待进行拉拔试验的土工合成材料试样与步骤2)中所填筑的试验土 样之间摩擦角和表观粘聚力包络图。

本发明的优点是：

本发明提供了一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统及其实施方法，该土 工合成材料各向异性拉拔试验系统包括试验台架、下试验盒、上试验盒、拉拔加 载装置、滑动滚珠、导轨、刻度盘、竖向加载装置、固定支座、承载板、夹具、 位移传感器、信号采集控制装置、反力架、反力杆。试验台架上设置有刻度盘和 导轨；拉拔加载装置端部设置有夹具和位移传感器，位移传感器用于测试拉拔试 验过程中夹具位移量；竖向加载装置通过承载板向上试验盒施加荷载；信号采集 控制装置分别与拉拔加载装置、竖向加载装置以及位移传感器相连，用于控制拉 拔加载装置和竖向加载装置加载和采集位移传感器数据。本发明所创新的采用了 圆形的土工合成材料试样，使各土工合成材料试样拉拔试验时保持材料的一致 性，有效解决了土工合成材料取样的随意性。同时，通过导轨和滑动滚珠带动拉 拔加载装置旋转，实现了土工合成材料试验与试验土样的任意角度拉拔试验，革 命性的创造了土工合成材料各向异性拉拔试验系统，实现了土工合成材料拉拔试 验力学性能的各向异性测试；该试验系统充分考虑了土工合成材料力学性能的各 向异性，有效避免了现行规范中试验测试值与土工合成材料实际受力特性严重不 符的问题，解决了土工合成材料工程应用中存在的安全隐患。

附图说明

图1是本发明所提供的土工合成材料各向异性拉拔试验系统的立面结构示意 图；

图2是图1的俯视结构示意图；

附图标记说明如下：1-下试验盒；2-上试验盒；3-拉拔加载装置；4-滑动滚 珠；5-导轨；6-刻度盘；7-竖向加载装置；8-固定支座；9-承载板；10-夹具；11- 位移传感器；12-土工合成材料试样；13-信号采集控制装置；14-反力架；15-反 力杆；16-试验台架。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的土工合成材料各向异性拉拔试验 系统及其实施方法做进一步的详细说明：

实施例：

参见图1以及图2，一种土工合成材料各向异性拉拔试验系统，包括下试验盒 1、上试验盒2、拉拔加载装置3、滑动滚珠4、导轨5、刻度盘6、竖向加载装置7、 固定支座8、承载板9、夹具10、位移传感器11、信号采集控制装置13、反力架14、 反力杆15以及试验台架16。

试验台架16上设置有刻度盘6和导轨5；拉拔加载装置3端部设置有夹具10和 位移传感器11，位移传感器11用于测试拉拔试验过程中夹具10位移量；竖向加载 装置7通过承载板9向上试验盒2施加荷载；信号采集控制装置13分别与拉拔加载 装置3、竖向加载装置7以及位移传感器11相连，用于控制拉拔加载装置3和竖向 加载装置7加载和采集位移传感器11数据。

下试验盒1为半封闭空心圆柱体；下试验盒1的内径为300mm，下试验盒1的 厚度为5mm，高度为100mm；上试验盒2为含有内切圆的正多边形柱体；上试验 盒2的内径为200mm，上试验盒2的壁厚最薄弱处厚度为3mm，上试验盒2的高度 为100mm，上试验盒2的正多边形外径与下试验盒1内径之差大于80mm。正多边 形柱体是正六边形柱体。

试验台架16与下试验盒1通过卡槽固定连接。

上试验盒2通过固定支座8固定，固定支座8一端与反力杆15刚性连接。

承载板9的直径不小于190mm，承载板9的直径与上试验盒2内径之差应在 5～10mm范围内。

导轨5上设置有限位凹槽以及置于限位凹槽中的滑动滚珠4；拉拔加载装置3 通过滑动滚珠4与导轨5连接并在导轨5上自如滑动。

夹具10夹持待进行拉拔试验的土工合成材料试样12的宽度为210mm。

拉拔加载装置3的拉拔速率为0.5mm/min。

上述的土工合成材料各向异性拉拔试验系统的实施方法，其步骤如下：

A)裁取土工合成材料试样12，土工合成材料试样12的横截面呈圆形，土工 合成材料试样12的直径与土工合成材料各向异性拉拔试验系统的下试验盒1的外 径相同；

B)卸下土工合成材料各向异性拉拔试验系统的上试验盒2和下试验盒1，填 筑试验土样，试验土样在上试验盒2中以及下试验盒1中的压实度与工程应用中现 场实际压实度一致，下试验盒1中填筑试验土样的高度与下试验盒1的盒高相同， 上试验盒2中填筑试验土样的高度为80mm；

C)将土工合成材料试样12铺设于下试验盒1内部的试验土样的上表面上，土 工合成材料试样12保持平整、无折叠以及无褶皱；

D)将下试验盒1安装至试验台架16上，通过刻度盘6标记0°处土工合成材料 试样12位置；

E)安装上试验盒2，调节固定支座8，通过固定支座8约束上试验盒2的水平 位移；

F)调节竖向加载装置7，对承载板9施加竖向荷载，使承载板9与试验土样表 面接触良好；

G)调节拉拔加载装置3，拉拔加载装置3上夹具10夹持待进行拉拔试验的土 工合成材料试样12，夹持宽度为210mm。

H)通过竖向加载装置7施加25kPa坚向荷载，加载固结时间为30min。加载固 结完成后通过拉拔加载装置3施加0.1kPa水平荷载，使拉拔加载装置3和土工合成 材料试样12各处受力绷紧，将位移传感器11读数调整为零。

I)通过拉拔加载装置3施加水平荷载，开始拉拔，测读并记录位移量和水平 拉力。拉拔速率按应变控制加荷，拉拔速率为0.5mm/min。

J)当拉拔加载装置3施加的水平荷载出现峰值，或试验进行至水平荷载为稳 定值时，试验完成。

K)选用不同的土工合成材料试样12，重复步骤B)～步骤J)，实施步骤D)时， 根据所作标记将土工合成材料试样12放置在下试验盒1相同位置处，分别通过竖 向加载装置7施加50kPa、100kPa、200kPa以及400kPa的竖向压力下各试验一 块土工合成材料试样12，即完成土工合成材料试样12在0°时在不同竖向压力下 的拉拔试验；

L)选用不同的土工合成材料试样12，重复步骤B)～步骤K)，实施步骤D)时， 根据所作标记将土工合成材料试样12放置在下试验盒1相同位置处，实施步骤G 时，通过导轨将拉拔加载装置至旋转至22.5°，分别在25kPa、50kPa、100kPa、 200kPa以及400kPa竖向压力下各试验一块土工合成材料试样12，即完成土工合 成材料试样12在22.5°时在不同竖向压力下的拉拔试验；

M)判断土工合成材料试样12是90°对称还是45°对称；若是90°对称，重 复步骤L)，实施步骤D)时，通过导轨将拉拔加载装置分别旋转至45°、67.5° 以及90°，即完成土工合成材料试样12分别在45°、67.5°以及90°时在25kPa、 50kPa、100kPa、200kPa以及400kPa竖向压力下的拉拔试验；若是45°对称， 重复步骤L)，实施步骤D)时，通过导轨将拉拔加载装置分别旋转至45°，即完 成土工合成材料试样12分别在45°时在25kPa、50kPa、100kPa、200kPa以及 400kPa竖向压力下的拉拔试验；

N)计算土工合成材料试样12与试验土样界面上的法向应力、剪应力和拉拔 摩擦系数：

$\sigma =\frac{P}{A}$

式中，σ为土工合成材料试样12与试验土样界面上的法向应力；P为竖向荷 载kN,A为上试验盒内径面积(m²)，

$\tau =\frac{T_d}{2A}$

式中，τ为土工合成材料试样12与试验土样界面上的剪应力kPa；T_d拉拔荷 载kN。

$f=\frac{\tau }{\sigma }$

式中，f为土工合成材料试样12与试验土样界面上的拉拔摩擦系数。

O)绘制不同竖向应力σ和剪应力峰值τ的关系曲线，求得土工合成材料试 样12与试验土样界面的摩擦角和表观粘聚力。

P)绘制土工合成材料试样12与步骤B中所填筑的试验土样之间摩擦角和表观 粘聚力包络图。

通过对HDPE双向土工格栅(土工合成材料的一种类型)进行拉拔试验结果 可知，当拉拔角度为45°时，考虑土工合成材料各向异性拉拔试验测试得到土工 合成材料试样12与试验土样实际摩擦角和表观粘聚力分别仅为未考虑土工合成 材料各向异性拉拔试验测试得到的摩擦角和表观粘聚力的68％和73％。可以看 出，当采用未考虑土工合成材料各向异性拉拔试验测试得到的摩擦角和表观粘聚 力进行土工合成材料工程设计时，设计计算满足安全性能要求的工程可能实际安 全性能不满足要求，严重威胁着工程质量和人民生命财产安全。综上，本发明充 分考虑了土工合成材料力学性能的各向异性，有效避免了现行规范中试验测试值 与土工合成材料实际受力特性严重不符的问题，彻底解决了土工合成材料工程应 用中存在的安全隐患。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照最佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以 对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和 范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。