[发明专利]一种土工合成材料接触面摩擦强度测试方法

摘要

一种土工合成材料接触面摩擦强度测试方法，其特征是采用一种试验装置进行土工合成材料接触面摩擦强度参数获取，该装置包括反力架(1)，加载框架(2)，第一伺服电机(3)，第二伺服电机(4)，载样台(5)，上剪切盒(6)，下剪切盒(7)，轨道车(8)，水平滑轨(17)，水平加载轴(22)，垂直加载轴(25)等。通过不同垂直荷载作用下土工合成材料与地质体间相互作用，获取斜截面上的正应力与剪切应力，从而获取其摩擦强度参数。该方法可用于土木工程或地质工程中遇到的各种土工合成材料包括土工织物、土工膜、土工布、土工格栅、土工网、土工垫、土工特种材料和土工复合材料等与地质体之间的摩擦强度参数的获取。

主权项

一种土工合成材料接触面摩擦强度测试方法，其特征是采用一种试验装置进行土工合成材料接触面摩擦强度测试，该装置包括反力架(1)，加载框架(2)，第一伺服电机(3)，第二伺服电机(4)，载样台(5)，上剪切盒(6)，下剪切盒(7)，轨道车(8)，垂直位移计(9)，第一垂直滑轨(10)，上盒试样(11)，滚珠轴排(12)，下盒扩展板(13)，下盒试样(14)，第一千斤顶(15)，第一支撑底座(16)，水平滑轨(17)，第二支撑底座(18)，第二千斤顶(19)，传力杆(20)，连接端头(21)，水平加载轴(22)，水平位移计(23)，第一侧限柱(24)，垂直加载轴(25)，加压板(26)，第二侧限柱(27)，伸缩臂(28)，第三侧限柱(29)，第二垂直滑轨(30)；第一伺服电机(3)连接垂直加载轴(25)，垂直加载轴(25)提供垂直压力，位于加压板(26)上面，加压板(26)连接垂直位移计(9)，加压板(26)位于上盒试样(11)的顶面，上剪切盒(6)由第一侧限柱(24)和第二侧限柱(27)固定，第一侧限柱(24)连接第一垂直滑轨(10)，第二侧限柱(27)通过伸缩臂(28)与第三侧限柱(29)相连，第三侧限柱(29)连接第二垂直滑轨(30)，上剪切盒(6)通过滚珠轴排(12)对准下剪切盒(7)，上剪切盒(6)内安装上盒试样(11)，下剪切盒(7)内安装下盒试样(14)，下剪切盒(7)连接下盒扩展板(13)，下剪切盒(7)连接轨道车(8)，轨道车(8)可沿水平滑轨(17)移动到载样台(5)之上，水平滑轨(17)与加载框架(2)连接，第一千斤顶(15)连接第一支撑底座(16)，第二千斤顶(19)连接第二支撑底座(18)，下剪切盒(7)连接传力杆(20)和水平位移计(23)，连接端头(21)与水平加载轴(22)对准，水平加载轴(22)连接第二伺服电机(4)；上剪切盒(6)尺寸为长500mm宽500mm，连接第一侧限柱(24)一侧的上剪切盒(6)的盒壁高为445mm，连接第二侧限柱(27)一侧的上剪切盒(6)的盒壁高为155mm，下剪切盒(7)尺寸为长500mm宽500mm，连接下盒扩展板(13)一侧的下剪切盒(7)的盒壁高为155mm，连接传力杆(20)一侧的下剪切盒(7)的盒壁高为445mm，滚珠轴排(12)倾角为30°，上剪切盒(6)和下剪切盒(7)均采用质量轻强度高的合金材料，且进行阳极电镀防腐处理，上剪切盒(6)和下剪切盒(7)的内壁四个角为圆形设计，圆角半径为30mm～60mm，上剪切盒(6)可以沿下盒扩展板(13)滑动，第一侧限柱(24)可以沿第一垂直滑轨(10)垂直滑动，第三侧限柱(29)可以沿第二垂直滑轨(30)垂直滑动，第一伺服电机(3)和第二伺服电机(4)通过反力架(1)施加力，反力架(1)和加载框架(2)以及加压板(26)均采用高强度不锈钢材料，加压板(26)与上剪切盒(6)间的缝隙间隔为2mm～4mm，滚珠轴排(12)、下盒扩展板(13)和水平滑轨(17)均为高强度不锈钢材料，且表面均涂有特富龙材料；第一伺服电机(3)和第二伺服电机(4)均可以进行快进快退操作，也可以进行匀速应变加载和应力加载，应变剪切速率为0.02～5.00mm/min，最大出力可达1000kN，出力测量精度可达0.5％FS，应力剪切速率为100～600kN/min；垂直位移计(9)的最大量程为150mm，测量精度可达1mm，水平位移计(23)的最大量程为170mm，测量精度可达1mm，采用该装置进行土工合成材料接触面摩擦强度测试的方法如下：①按照一定含水量、含石量与密度要求，称取相应质量的土体、碎石和水，将土体、碎石、水三者混合均匀，成为混合料，分成均匀的三份备用；②将轨道车(8)移至载样台(5)上，将上剪切盒(6)经由滚珠轴排(12)对齐下剪切盒(7)，将第一份混合料装入下剪切盒(7)中，将加压板(26)置于混合料上，将轨道车(8)移至垂直加载轴(25)正下方，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)接触，使轨道车(8)悬空，开动第一伺服电机(3)，使垂直加载轴(25)接触加压板(26)顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计(9)显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；③开动第一伺服电机(3)，卸载使垂直加载轴(25)离开加压板(26)顶帽，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)脱离，使轨道车(8)与水平滑轨(17)接触，将轨道车(8)移至载样台(5)上，取出加压板(26)，将混合料拉毛，装入第二份混合料，将加压板(26)置于混合料上，将轨道车(8)移至垂直加载轴(25)正下方，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)接触，使轨道车(8)悬空，开动第一伺服电机(3)，使垂直加载轴(25)接触加压板(26)顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计(9)显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；④开动第一伺服电机(3)，卸载使垂直加载轴(25)离开加压板(26)顶帽，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)脱离，使轨道车(8)与水平滑轨(17)接触，将轨道车(8)移至载样台(5)上，取出加压板(26)，将混合料拉毛，装入第三份混合料，将加压板(26)置于混合料上，将轨道车(8)移至垂直加载轴(25)正下方，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)接触，使轨道车(8)悬空，开动第一伺服电机(3)，使垂直加载轴(25)接触加压板(26)顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计(9)显示达到要求的密度时对应的位移值，保持垂直压力F不变；⑤将第一侧限柱(24)和第二侧限柱(27)分别与上剪切盒(6)连接，将第二侧限柱(27)通过伸缩臂(28)与第三侧限柱(29)连接，使上剪切盒(6)固定，启动第二伺服电机(4)，使水平加载轴(22)与连接端头(21)相连，按要求的等应变速率通过传力杆(20)施加拉力，使下剪切盒(7)向第二伺服电机(4)方向移动，保持上剪切盒(6)水平方向固定，上剪切盒(6)通过第一垂直滑轨(10)和第二垂直滑轨(30)向下滑动，使垂直加载轴(25)输出压力按照F′＝F‑Ttg30°变化，滚珠轴排(12)沿下盒扩展板(13)滑动，以避免上剪切盒(6)内部的上盒试样(11)漏出；⑥待水平位移增大到75mm时停止试验，通过垂直加载轴(25)使第一伺服电机(3)卸载，第二伺服电机(4)通过水平加载轴(22)施加推力推动下剪切盒(7)移动，使得上剪切盒(6)与下剪切盒(7)重合，卸除上剪切盒(6)与第一侧限柱(24)及第二侧限柱(27)的连接，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)脱离，使轨道车(8)与水平滑轨(17)接触，将轨道车(8)通过水平滑轨(17)移动至载样台(5)上，卸除上盒试样(11)与上剪切盒(6)，使下剪切盒(7)内混合料表面平整，卸除的混合料备用；⑦将土工合成材料固定于下剪切盒(7)表面，将上剪切盒(6)与下剪切盒(7)对准，再次装入卸除的混合料，将加压板(26)置于混合料上，将轨道车(8)移至垂直加载轴(25)正下方，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)接触，使轨道车(8)悬空，开动第一伺服电机(3)，使垂直加载轴(25)接触加压板(26)顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计(9)显示达到要求的密度时对应的位移值，保持垂直压力F不变；⑧将第一侧限柱(24)和第二侧限柱(27)分别与上剪切盒(6)连接，将第二侧限柱(27)通过伸缩臂(28)与第三侧限柱(29)连接，使上剪切盒(6)固定，启动第二伺服电机(4)，使水平加载轴(22)与连接端头(21)相连，按要求的等应变速率通过传力杆(20)施加拉力T，使下剪切盒(7)向第二伺服电机(4)方向移动，同时采用水平位移计(23)测量水平位移S，保持上剪切盒(6)水平方向固定，上剪切盒(6)通过第一垂直滑轨(10)和第二垂直滑轨(30)向下滑动，使垂直加载轴(25)输出压力按照F′＝F‑Ttg30°变化，并采用垂直位移计(9)测量加压板(26)的垂直位移S′；⑨待水平位移S增大到75mm时停止试验，获得上盒试样(11)与土工合成材料接触面处正压力f＝F′cos30°+Tsin30°，取f的最大值fmax1，获得土工合成材料接触面处摩擦剪切力T′＝Tcos30°‑F′sin30°，取T′的最大值T′max1；⑩通过垂直加载轴(25)使第一伺服电机(3)卸载，第二伺服电机(4)通过水平加载轴(22)施加推力推动下剪切盒(7)移动，使得上剪切盒(6)与下剪切盒(7)重合，卸除上剪切盒(6)与第一侧限柱(24)及第二侧限柱(27)的连接，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)脱离，使轨道车(8)与水平滑轨(17)接触，将轨道车(8)通过水平滑轨(17)移动至载样台(5)上，卸除全部混合料；改变垂直压力F的值，重复步骤②‑⑩，获得fmax2与T′max2；再次改变垂直压力F的值，重复步骤②‑⑩，获得fmax3与T′max3；将fmax1与T′max1、fmax2与T′max2、fmax3与T′max3通过上盒试样(11)与土工合成材料的接触面积换算成应力，绘制摩尔库伦线，获得土工合成材料接触面摩擦强度指标。