[发明专利]一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪及其实施方法

权利要求书

1.一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，其特征在于，所述试验仪包括试验台架(1)、水平加载系统、回转驱动系统、试验盒、竖直加载系统、量测系统、夹具和升降系统(2)；所述试验台架(1)的底部设有脚轮(21)，顶部设有气缸支撑板(11)，内部设有机架主体(16)；所述机架主体(16)的下方设有底板(20)，上方设有上试验盒固定板(7)；所述水平加载系统包括直线导轨副Ⅰ(19)、刚性滑板(18)和伺服电动缸(3)；所述直线导轨副Ⅰ(19)固定在底板(20)上；所述刚性滑板(18)固定在直线导轨副Ⅰ(19)的滑块上；所述伺服电动缸(3)固定在升降系统(2)上；所述回转驱动系统含有固定于刚性滑板(18)上的回转支撑(17)；所述回转支撑(17)上固定有刻度条(15)和提供回转驱动力的步进电机Ⅰ(22)；所述试验盒含有固定于上试验盒固定板(7)上的上试样盒(9)和固定于回转支撑(17)上的下试样盒(14)；所述上试样盒(9)和下试样盒(14)内安装试样，两者之间铺设土工合成材料；所述竖直加载系统含有固定在气缸支撑板(11)上竖直放置的气缸(10)，该气缸的活塞杆下方依次连接气缸压板(12)、承压板(13)、上试样盒(9)和下试样盒(14)；所述量测系统含有固定在升降系统(2)上的位移传感器(4)和固定在伺服电动缸(3)与拉拔夹具(8)之间的拉压力传感器(5)；所述夹具包括拉拔夹具(8)和直剪夹具(24)；所述拉拔夹具(8)固定在上试样盒固定板(7)上的直线导轨副Ⅱ(23)的滑块上，通过铰链座(6)能与伺服电动缸(3)连接；所述直剪夹具(24)将土工合成材料固定在下试样盒(14)上表面；所述升降系统(2)含有固定在机架主体(16)内的上底座(201)和下底座(202)，还包括所述光杆Ⅰ(203)、光杆Ⅱ(207)、升降上平台(205)、升降下平台(206)、丝杠(211)和步进电机Ⅱ(214)；所述光杆Ⅰ(203)通过光杆支撑座Ⅰ(204)固定于上底座(201)与下底座(202)之间；所述光杆Ⅱ(207)通过光杆支撑座Ⅱ(208)固定于升降上平台(205)与升降下平台(206)之间；所述升降上平台(205)和升降下平台(206)通过直线轴承Ⅰ(209)在光杆Ⅰ(203)上实现上下滑动；所述上底座(201)与光杆Ⅱ(207)之间通过直线轴承Ⅱ(210)连接；所述丝杠(211)通过丝杠支撑座(212)固定于上底座(201)与下底座(202)之间，通过丝杠螺母(213)与升降下平台(206)连接；所述步进电机Ⅱ(214)固定于下底座(202)下方，与丝杠(211)通过联轴器连接。

2.根据权利要求1所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，其特征在于，所述下试样盒(14)为底部封闭式圆形法兰。

3.根据权利要求1所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，其特征在于，所述下试样盒(14)用于直剪试验时，内径为200mm，壁厚为10mm，高度为110mm。

4.根据权利要求1所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，其特征在于，所述下试样盒(14)用于拉拔试验时，内径为300mm，壁厚为10mm，高度为110mm。

5.根据权利要求1所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，其特征在于，所述上试样盒(9)为中空式圆形法兰，内径为200mm，壁厚为10mm，高度为110mm。

6.根据权利要求1所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，其特征在于，所述下试样盒(14)与上试样盒(9)的间距为5mm。

7.根据权利要求1所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，其特征在于，所述回转驱动系统具有自锁功能。

8.根据权利要求1所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，其特征在于，所述气缸(10)为双作用单杆缸，内径为200mm，气缸活塞杆行程应≧200mm。

9.根据权利要求1所述的一种土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪，其特征在于，所述光杆Ⅰ和光杆Ⅱ直径≧50mm，单根可以承受810kg的横向力。

10.根据权利要求1所述土工合成材料各向异性直剪拉拔试验仪的实施方法，其特征在于，所述实施方法分为土工合成材料各向异性直剪试验和土工合成材料各向异性拉拔试验，具体步骤如下：

1)采用该装置进行土工合成材料各向异性直剪试验

①制备土工合成材料试样，所述土工合成材料试样的横截面为圆形，直径为300mm；②下试样盒(14)内安装下试样，下试样的高度为110mm，上试样盒9内安装上试样，上试样的高度≧50mm，上试样与下试样的压实度应与实践工程应用压实度相同；③将土工合成材料试样平铺在下试样盒(14)内下试样表面，并通过直剪夹具(24)将其与下试样盒(14)固定，固定后的土工合成材料试样应平整、没有折叠和褶皱；④控制升降系统(2)步进电机Ⅱ(214)，将伺服电动缸(3)移动到直剪试验位置，将铰链座(6)与刚性滑板(18)连接；⑤将下试样盒(14)安装在回转支撑(17)上，控制步进电机Ⅰ(22)，使土工合成材料试样回转到预设角度；将上试样盒(9)固定在上试样盒固定板(7)上，调整上试样盒(9)高度，使其刚好在试样表面之上，将承压板(13)置于上试样表面；⑥控制竖直加载系统，对试样施加预设法向应力，预压5min后，控制水平加载系统，使上试验盒(9)下试样盒(14)之间作预设速率的相对位移，直至达到预设剪切位移时结束试验；⑦卸下土工合成材料试验，检测和记录试验是否发生伸长、褶皱和损坏；⑧绘制剪应力与相对位移关系曲线，最大剪应力与法向应力关系曲线，给出土工合成材料与土工试样之间的粘聚力、摩擦角和摩擦比；

2)采用该装置进行土工合成材料各向异性拉拔试验

①制备土工合成材料试样，所述土工合成材料试样的横截面为圆形，直径为300mm；②下试样盒(14)内安装下试样，下试样的高度为110mm，上试样盒(9)内安装上试样，上试样的高度≧50mm，上试样与下试样的压实度应与实践工程应用压实度相同；③将土工合成材料试样平铺在下试样盒(14)内下试样表面，并将其与通过拉拔夹具(8v固定，固定后的土工合成材料试样应平整、没有折叠和褶皱；④控制升降系统步进电机Ⅱ(214)，将伺服电动缸(3)移动到拉拔试验位置，将铰链座(6)与拉拔夹具(8)连接；⑤将下试样盒(14)安装在回转支撑(17)上，控制步进电机Ⅰ(22)，使土工合成材料试样回转到预设角度；将上试样盒(9)固定在上试样盒固定板(7)上，调整上试样盒(9)高度，使其刚好在试样表面之上，将承压板(13)置于上试样表面；移动刚性滑板(18)，使上试样盒(9)与下试样盒(14)处于同心位置，并将刚性滑板(18)与底板固定(20)；⑥控制竖直加载系统，对试样施加预设法向应力，预压5min后，控制水平加载系统，使拉拔夹具(8)作预设速率水平移动，直至达到预设拉拔位移时结束试验；⑦卸下土工合成材料试验，检测和记录试验是否发生伸长、褶皱和损坏；⑧绘制剪应力与拉拔位移关系曲线，最大剪应力与法向应力关系曲线，给出土工合成材料与土工试样之间的粘聚力、摩擦角和拉拔摩擦系数。