一种柔性张拉的土工膜与土双面接触循环剪切试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种柔性张拉的土工膜与土双面接触循环剪切试验装置及试验方法，土工膜剪切框上连接柔性张拉系统，通过电动机驱动齿轮正、反转动，带动链条连同土工膜剪切框水平往复移动，用于模拟土工膜在法向应力的作用下，不同循环位移时土工膜与土双面接触剪切强度的测试，且柔性张拉系统的链条与土工膜剪切框之间为柔性连接，根据本发明所述的试验方法，可以测得不同法向应力和不同剪切位移幅值下土工膜与土双面接触剪切强度随剪切位移的变化曲线，得出土工膜与土接触界面循环剪切强度和阻尼比随剪切位移的变化关系。

说明书

技术领域

本发明涉及土工膜与土接触面剪切试验设备制造技术领域，特别涉及一种柔性张拉的土工膜与土双面接触循环剪切试验装置及试验方法。

背景技术

土工膜因具有防渗性能好、适应变形能力强、工程造价低及施工速度快等优点，已广泛应用于堤坝、库盘、渠道、垃圾填埋场等防渗工程。我国是一个多地震国家，地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广，震灾严重。由于土工膜力学特性与两侧土石料差别较大，地震荷载会对土工膜防渗工程产生不利的循环动力作用，影响土工膜的稳定性和结构安全性。因此，有必要研究地震等循环荷载作用下土工膜与土接触面的剪切特性，对评价循环剪切荷载作用下土工膜的安全性具有重要意义。

但是，现有技术中土工膜或土工格栅直剪仪存在以下问题亟待解决：

1)现有土工膜接触面直剪仪只能实现单向剪切，无法实现自动循环剪切试验，因此无法模拟循环荷载作用下土工膜与土接触面的循环剪切行为。

2)现有土工格栅循环剪切仪用于土工膜循环剪切试验时，只能实现土工膜与土的单面接触循环剪切，无法模拟实际工程中土工膜与土双面接触的真实情况。

3)现有土工膜或土工格栅接触面直剪仪多采用刚性杆顶推剪切盒的方式提供剪切荷载，在刚性杆与剪切盒连接处的摩擦会造成试验误差。

因此，有必要研制一种模拟不同剪切位移幅值下土工膜与土双面接触循环剪切过程的试验装置，记录循环荷载作用下土工膜与土双面接触时的剪切应力与剪切位移滞回曲线，获得接触面循环剪切劲度和阻尼比随剪切位移的变化规律，试验结果可用于土工膜防渗工程的抗震安全性计算分析。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种柔性张拉的土工膜与土双面接触循环剪切试验装置及试验方法，该装置能够实现在循环荷载条件下进行土工膜与两侧不同土双面接触时的剪切试验，探究土工膜与两侧不同土双面接触时的循环剪切特性。

为实现上述技术目标，本发明提供如下技术方案：

一种柔性张拉的土工膜与土双面接触循环剪切试验装置，包括刚性底板，刚性底板上固定设置有反力架，位于反力架内的刚性底板上自下而上依次设置下剪切盒和上剪切盒，上剪切盒剪切方向的两端水平约束于反力架上，上剪切盒内填充土样，在上剪切盒土样表面放置传力板，传力板顶部设置法向加载装置，法向加载装置上连接有法向压力传感器，其特征在于：

下剪切盒和上剪切盒之间设置有土工膜剪切框，且土工膜剪切框支撑于刚性底板上，土工膜铺设于土工膜剪切框表面，下剪切盒内填充有土样，法向加载装置向传力板及上剪切盒内的土样施加法向压力，使上、下剪切盒内的土样与土工膜紧密接触；

土工膜剪切框位于剪切方向的两侧固定连接有施加水平荷载的柔性张拉系统，柔性张拉系统包括分别设置于土工膜剪切框两侧的主动轮和从动轮，主动轮连接于电动机的输出轴上，柔性链条绕过主动轮和从动轮后其自由端分别连接于土工膜剪切框的两侧，柔性张拉系统带动土工膜剪切框于刚性底板上来回移动，柔性链条与土工膜剪切框的连接处设置有拉力传感器，土工膜剪切框上设置有水平位移计，将法向压力传感器、拉力传感器和水平位移计与数据采集器电连，数据采集器和电动机与计算机电连。

柔性张拉系统牵拉土工膜剪切框正、反方向来回移动，对土工膜形成循环剪切力，在法向应力及该循环剪切力作用下，测试土工膜与土双面接触时的循环剪切特性。

优选地，所述土工膜剪切框底面安装有滚轮，刚性底板的相应位置设置有轨道，滚轮置于轨道内，减小了土工膜剪切框与刚性底板之间的摩擦力，防止刚性底板与土工膜剪切框的摩擦会造成试验误差。

土工膜通过土工膜夹具固定在土工膜剪切框的四周，其中土工膜剪切框边缘沿剪切方向的上、下表面均设有与剪切方向平行的轨道；所述上、下剪切盒均为外方内圆的结构，且平面尺寸均小于土工膜的尺寸，所述下剪切盒顶面边缘沿剪切方向开设有轨道，通过在下剪切盒的轨道和土工膜剪切框的下表面的轨道内设置滚珠，将土工膜剪切框置于下剪切盒之上，所述上剪切盒底面边缘沿剪切方向开设有轨道，通过在上剪切盒的轨道和土工膜剪切框的上表面的轨道内设置滚珠，将上剪切盒置于土工膜剪切框轨道之上。

优选地，所述下剪切盒固定于刚性底板上，所述上剪切盒平行于剪切方向的两端通过侧向滚轮与挡板连接，挡板通过刚性连接杆与反力架连接，使所述上剪切盒在竖向可自由移动，但限制水平剪切方向移动。

一种柔性张拉的土工膜与土双面接触循环剪切试验装置的试验方法，包括如下步骤：

1)在下剪切盒内按照设计要求填充土样，并将下剪切盒固定于刚性底板上；

2)将裁剪好的土工膜用土工膜夹具固定于土工膜剪切框的四周，在下剪切盒的轨道和土工膜剪切框下表面的轨道内设置滚珠，将土工膜剪切框设置于下剪切盒之上，使土工膜剪切框的滚轮置于刚性底板的轨道内，并将柔性张拉系统及拉力传感器连接在土工膜剪切框两侧，并在土工膜剪切框侧面连接水平位移计；

3)在上剪切盒的轨道和土工膜剪切框上表面的轨道内设置滚珠，将上剪切盒设置于土工膜剪切框上，上剪切盒内装入土样，压实至设计密实度，使土工膜与上、下剪切盒内的土样紧密接触，并将上剪切盒沿剪切方向的两端水平约束于反力架上；

4)将传力板放在上剪切盒土样的顶部，依次装好法向加载装置和法向压力传感器，将法向压力传感器、拉力传感器和水平位移计分别通过数据线与数据采集器电连，数据采集器与计算机电连，并将柔性张拉系统的电动机与计算机电连，运行数据采集器检查各部件是否处在正常工作状态；

5)使用法向加载装置施加法向荷载，由数据采集器观测法向应力，达到试验应力并维持稳定后，通过计算机设定剪切速率和剪切位移幅值，计算机控制电动机正向转动，使柔性张拉系统对土工膜剪切框施加剪切荷载，试验过程中，水平位移计实时采集土工膜剪切框的剪切位移，当采集到土工膜剪切框的剪切位移达到设定剪切位移幅值时，计算机自动控制电动机反向转动，使柔性张拉系统改变土工膜剪切框的剪切方向，进行反向剪切，当土工膜剪切框的反向剪切位移达到该设定剪切位移幅值时，计算机自动控制电动机再次正向转动，柔性张拉系统改变土工膜剪切框的剪切方向，再次进行正向剪切，使土工膜剪切框退回至初始位置，计算机控制电动机停止转动，停止剪切，卸去法向加载装置，取出传力板，清理试验土样和土工膜，完成该剪切位移幅值下接触面的循环剪切试验；剪切过程中通过数据采集器和计算机实时采集并记录该试验条件下剪切应力、剪切位移随时间的变化，得到该试验条件下土工膜与土双面接触时的剪切应力与剪切位移滞回曲线；进一步，得到接触面循环剪切劲度和阻尼比随剪切位移的关系曲线。

本发明的有益效果是：

本发明装置在土工膜剪切框上设置柔性张拉系统，通过电动机带动齿轮正、反转动，带动链条连同土工膜剪切框水平移动，实现了在循环荷载条件下土工膜与土双面接触时的剪切强度的测试，且柔性张拉系统的链条与土工膜剪切框之间为柔性连接，解决了现有技术中因剪切盒与刚性连接杆之间刚性连接，在剪切传动装置推动刚性连接杆连同剪切盒一起移动时，刚性杆连接处的摩擦对试验结果造成的误差。

本发明装置用于测试循环荷载条件下土工膜与土双面接触时的剪切强度，并且可通过在上、下剪切盒内分别填充不同类型、不同密实度的土料，能够真实地模拟实际工程中土工膜两侧不同力学特性的土料对土工膜接触面剪切强度的影响。本发明所述上、下剪切盒平面尺寸小于所述土工膜试样的平面尺寸，实现了试验过程中上、下剪切面积保持固定。

根据本发明所述的试验方法，可以测试不同法向应力和不同剪切位移幅值下土工膜与土双面接触时的剪切强度随剪切位移的变化曲线，得出土工膜与土双面接触时的循环剪切强度和阻尼比随剪切位移的变化关系，本发明试验过程中，拉力的设定、法向荷载的施加、剪切位移和剪切速率的设定以及数据的采集都是通过计算机设置完成，操作方便易行。

附图说明

图1显示了本发明一种柔性张拉的土工膜与土双面接触循环剪切试验装置的主视图结构；

图2显示了本发明中剪切盒的主视图结构；

图3为图2的左侧半剖视图；

图4为图2的俯视图；

图5显示了本发明中土工膜剪切框的俯视图结构；

图6显示了本发明中柔性张拉系统的结构；

图7为土工膜与砂砾石和细砂双面接触时的剪应力与剪切位移滞回曲线，其中7a显示了法向应力为50kPa时，不同循环剪切位移幅值下剪切应力与剪切位移关系曲线；7b显示了法向应力为100kPa时，不同循环剪切位移幅值下剪切应力与剪切位移关系曲线；7c显示了法向应力为200kPa时，不同循环剪切位移幅值下剪切应力与剪切位移关系曲线。

图8为土工膜与砂砾石和细砂双面接触时的主干线；

图9为土工膜与砂砾石和细砂双面接触时的剪切劲度随剪切位移的关系曲线；

图10为土工膜与砂砾石和细砂双面接触时的阻尼比随剪切位移的关系曲线。附图标记：1、刚性底板，2、反力架，3、下剪切盒，4、上剪切盒，5、传力板，6、挡板，7、侧向滚轮，8、刚性连接杆，9、柔性张拉系统，9-1、主动轮，9-2、从动轮，9-3、柔性链条，9-4、电动机，10、拉力传感器，11、法向加载装置，12、法向压力传感器，13、数据采集器，14、计算机，15、滚轮，16、轨道，17、土工膜剪切框的轨道，18、滚珠，19、土工膜夹具，20、锚固螺栓，21、土工膜，22、上剪切盒土样，23、下剪切盒土样，24、土工膜剪切框，25、水平位移计。

具体实施方式

下面结合附图和应用实例，对本发明做详细说明。

如图1所示，一种柔性张拉的土工膜与土双面接触循环剪切试验装置，包括刚性底板1，刚性底板上固定设置有反力架2，位于反力架内的刚性底板上自下而上依次设置下剪切盒3、土工膜剪切框24和上剪切盒4，下剪切盒3内填充有下剪切盒土样23，上剪切盒平行于剪切方向的两端通过侧向滚轮7与挡板6连接，挡板通过刚性连接杆8与反力架连接，上剪切盒内填充有上剪切土样22，上剪切盒土样表面放置传力板5，传力板顶部设置法向加载装置11，法向加载装置用于向传力板5及上剪切盒内的土样22施加法向压力，法向加载装置上连接有法向压力传感器12。

本实施例所述试验方法中，上剪切土样22采用砂砾石，下剪切盒土样23采用细砂，上、下剪切盒内的土样还可以采用相同性质的土样，试验装置及试验方法都相同。

如图2、3、4、5所示，土工膜21通过土工膜夹具19被锚固螺栓20固定在土工膜剪切框24的四周，土工膜剪切框24边缘沿剪切方向的上、下表面设有与剪切方向平行的轨道，下剪切盒3和上剪切盒4为外方内圆的结构，且平面尺寸小于土工膜21的尺寸，下剪切盒3顶面边缘沿剪切方向开设有轨道，通过在下剪切盒的轨道和土工膜剪切框的轨道17内设置滚珠18，将土工膜剪切框24置于下剪切盒3之上，上剪切盒4底面边缘沿剪切方向开设有轨道，通过在上剪切盒的轨道和土工膜剪切框的轨道17内设置滚珠18，将上剪切盒置于土工膜剪切框24之上。

如图1、6所示，土工膜剪切框24剪切方向的两侧固定连接有施加水平循环剪切荷载的柔性张拉系统9，柔性张拉系统包括分别设置于土工膜剪切框24两侧的主动轮9-1和从动轮9-2，主动轮连接于电动机9-4的输出轴上，柔性链条9-3绕过主动轮和从动轮后其自由端分别连接于土工膜剪切框24的两侧，柔性链条与土工膜剪切框24的连接处设置有拉力传感器10，土工膜剪切框24上设置有水平位移计25，法向压力传感器、拉力传感器和水平位移计均与数据采集器13电连，数据采集器和电动机与计算机14电连。

水平位移计25用于测量土工膜剪切框24的剪切位移并实时传送给数据采集器，数据采集器将土工膜剪切框24的剪切位移实时传送给计算机14，当土工膜剪切框24的剪切位移达到试验所需剪切位移幅值时，计算机14控制电动机9-4改变转动方向。

由图1、6所示，电动机9-4控制主动轮9-1的转动方向和转动速率，从动轮9-2和柔性链条9-3跟随主动轮9-1转动，主动轮9-1顺时针转动时，土工膜剪切框24在主动轮及柔性链条9-3的拉力作用下产生剪切位移，土工膜剪切框24向主动轮9-1一侧移动，主动轮9-1逆时针转动时，土工膜剪切框24在从动轮9-2及柔性链条9-3的拉力作用下产生剪切位移，向从动轮9-2一侧移动。

由图1所示，所述土工膜剪切框底面安装有滚轮15，刚性底板的相应位置设置有轨道16，滚轮置于轨道内，柔性张拉系统带动土工膜剪切框于刚性底板上来回滑动，实现循环剪切。

本发明实施例中土样采用砂砾石和细砂，最大干密度分别为1.96g/cm³和1.72g/cm³，各自按一定颗粒级配配置，土工膜厚度采用1.0mm，以1mm、2mm、3mm和4mm四个循环剪切位移幅值，以50kPa、100kPa、200kPa三个法向应力进行试验。

本发明所述一种柔性张拉的土工膜与土双面接触循环剪切试验方法包括以下步骤：

1)在下剪切盒内按照设计要求填充细砂，将下剪切盒固定于刚性底板上；

2)将裁剪好的土工膜用土工膜夹具固定于土工膜剪切框的四周，在下剪切盒的轨道和土工膜剪切框的下表面轨道内设置滚珠，将土工膜剪切框设置于下剪切盒之上，并将柔性张拉系统及拉力传感器连接在土工膜剪切框两端，同时在土工膜剪切框侧面连接水平位移计；

3)通过在上剪切盒的轨道和土工膜剪切框轨道内设置滚珠，将上剪切盒设置于土工膜剪切框上，将试验砂砾石装入上剪切盒内，压实至设计密实度，使土样与土工膜紧密接触，并将上剪切盒的两端水平约束于反力架上；

4)将传力板放在上剪切盒内砂砾石的顶部，依次装好法向加载装置和法向压力传感器，并将法向压力传感器、拉力传感器和水平位移计分别通过数据线与数据采集器电连，数据采集器与计算机电连，并将柔性张拉系统的电动机与计算机电连，运行数据采集器检查各部件是否处在正常工作状态；

5)根据试验要求，使用法向加载装置施加法向荷载，由数据采集器观测法向应力，达到50kPa后维持稳定，通过计算机设定剪切速率为1mm/min，剪切位移幅值为1mm，计算机控制电动机顺时针转动，使柔性张拉系统对土工膜剪切框施加剪切荷载，试验过程中，水平位移计实时采集土工膜剪切框的剪切位移，当采集到土工膜剪切框的剪切位移达到该设定剪切位移幅值时，计算机自动控制电动机逆时针转动，使柔性张拉系统改变下剪切盒的剪切方向，进行反向剪切，当土工膜剪切框的反向剪切位移达到该设定剪切位移幅值时，计算机自动控制电动机再次正向转动，柔性张拉系统改变土工膜剪切框的剪切方向，再次进行正向剪切，使土工膜剪切框退回到初始位置，计算机控制电动机停止转动，停止剪切，卸去法向加载装置，取出传力板，清理试验土料和土工膜，完成该剪切位移幅值下接触面的循环剪切试验；然后以相同的法向应力和相同的剪切速率，将剪切位移幅值分别设置为2mm、3mm和4mm，进行如上相同的试验步骤，得到相同法向应力、不同剪切位移幅值下土工膜与土双面接触时的剪切应力与剪切位移滞回曲线，如图7a所示的曲线图结果。

然后按试验要求重新在上、下剪切盒内分别填充砂砾石和细砂，在土工膜剪切框四周固定土工膜，安装好其余各部件后，设定法向荷载为100kPa，重复上述试验过程，得到剪切位移分别为1mm、2mm、3mm和4mm时的剪应力和剪切位移滞回曲线，见图7b。试验完成后，卸去法向加载装置，取出传力板，清理试验土料和土工膜。

再次按试验要求重新在上、下剪切盒内分别填充砂砾石和细砂，在土工膜剪切框四周固定土工膜，安装好其余各部件后，设定法向荷载为200kPa，重复上述试验过程，得到剪切位移分别为1mm、2mm、3mm和4mm时的剪应力和剪切位移滞回曲线，见图7c。试验完成后，卸去法向加载装置，取出传力板，清理试验土料和土工膜。

通过开展不同法向压力和不同位移幅值下土工膜与砂砾料和细砂双面接触循环剪切试验，得到各工况下土工膜与砂砾料和细砂双面接触的剪应力与剪切位移滞回曲线，如图7。连接图7中3种法向压力下各滞回曲线的端点，得到接触面的三条主干线，如图8。计算图8中曲线上各点的割线斜率，得到循环剪切劲度随剪切位移的关系曲线，如图9。

根据式(1)和图7，可以计算不同滞回曲线对应的阻尼比，绘制不同法向压力下阻尼比随剪切位移的变化关系曲线，如图10：

式中：A_L为滞回曲线的面积；A_T为滞回曲线端点、滞回曲线端点在水平轴的投影点及坐标原点所构成的三角形的面积。

图9和图10描述的剪切劲度和阻尼比随剪切位移的关系曲线，可用于模拟计算地震等循环荷载作用下土工膜与砂砾料和细砂双面接触时的剪切行为，评价循环荷载作用下土工膜的受力安全性。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。