一種測(cè)試土工合成材料界面抗剪強(qiáng)度特性的多功能斜板儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測(cè)試土工合成材料界面抗剪強(qiáng)度特性的多功能斜板儀，包括試驗(yàn)臺(tái)、斜面控制機(jī)構(gòu)、剪切盒裝置、豎向加載機(jī)構(gòu)和測(cè)控系統(tǒng)。斜面控制機(jī)構(gòu)通過電機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的斜板轉(zhuǎn)動(dòng)至任意傾角，也可通過液壓千斤頂將斜板固定在某一傾角。剪切盒置于斜板表面凹形導(dǎo)軌上，上、下剪切盒間安裝土工合成材料試樣，通過斜板轉(zhuǎn)動(dòng)形成傾斜的多層剪切界面。豎向加載機(jī)構(gòu)包括界面短期和長期特性試驗(yàn)兩種加載裝置。由傳感器、控制及采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成的測(cè)控系統(tǒng)對(duì)上、下剪切盒及試樣的受力和位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)位移和拉力曲線突變點(diǎn)確定界面失穩(wěn)臨界傾角，并通過受力分析得出各界面抗剪強(qiáng)度。本發(fā)明可用于單層或多層界面的短期和長期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)。
【專利說明】一種測(cè)試土工合成材料界面抗剪強(qiáng)度特性的多功能斜板儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)試土工合成材料界面抗剪強(qiáng)度特性的多功能斜板儀，屬于水工結(jié)構(gòu)及材料試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]由于具有適應(yīng)差異變形能力強(qiáng)、施工期短、造價(jià)低、節(jié)約土地及低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，土工膜越來越多地應(yīng)用在堆石壩上游面作為防滲體。堆石壩面土工膜防滲體一般由墊層、復(fù)合土工膜(兩布一膜或者一布一膜+ 土工織物)和保護(hù)層等多層材料組成。由于土工膜和土工織物等土工合成材料與土石材料之間界面的抗剪強(qiáng)度較低，所以由多層材料組成的壩面防滲體在不同工況和荷載條件下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。而壩面防滲體不同材料間界面抗剪強(qiáng)度特性及失穩(wěn)破壞機(jī)理是進(jìn)行壩面土工膜防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。為了深入揭示堆石壩面土工膜防滲體的失穩(wěn)破壞機(jī)理，準(zhǔn)確計(jì)算和評(píng)價(jià)防滲體穩(wěn)定性，并提出經(jīng)濟(jì)、有效的抗滑保證措施，需要針對(duì)防滲體中不同土工合成材料間以及與墊層及保護(hù)層土石材料之間界面的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而為工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。
[0003]此外，對(duì)于目前堆石壩防滲主要采用的由長絲針刺土工織物/膜/長絲針刺土工織物復(fù)合而成的復(fù)合膜，其界面抗剪強(qiáng)度主要由表面的長絲纖維與接觸材料之間的摩擦與咬合作用提供。在復(fù)合膜與墊層或者保護(hù)層發(fā)生相互作用時(shí)，外層土工織物表面的長絲纖維是處于受力拉伸狀態(tài)的。由于高分子聚合物纖維在拉伸狀態(tài)下具有顯著的蠕變特征，在與墊層料保持長期接觸摩擦和剪切作用下，其表面長絲纖維將經(jīng)歷拉伸、分子鏈重組進(jìn)而產(chǎn)生蠕變的過程。這種蠕變效應(yīng)將使界面應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間的推移發(fā)生變化，界面抗剪強(qiáng)度將隨時(shí)間衰減。由此可見，采用常規(guī)試驗(yàn)得到的界面短期抗剪強(qiáng)度對(duì)壩坡設(shè)計(jì)及壩面防滲體穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)是偏于不安全的。因此，在考慮土工織物纖維蠕變效應(yīng)下揭示復(fù)合土工膜-保護(hù)層及墊層材料界面的長期抗剪強(qiáng)度特性及失穩(wěn)破壞機(jī)理對(duì)于壩面土工膜防滲體設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)是必要的。
[0004]在本發(fā)明之前，一般土工合成材料與土石材料之間界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)常采用的方法主要有直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)方法以及國外近年來開始采用的斜板儀試驗(yàn)方法。界面直剪儀試驗(yàn)比較適合界面剪切力和剪切位移為水平方向，且法向壓力沿界面恒定且均勻分布的界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)生剪切的界面通常是人為設(shè)定好的，不能反映包含多層界面結(jié)構(gòu)的整體抗剪強(qiáng)度；而且在低法向壓力情況下，直剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度往往偏高。拉拔試驗(yàn)適合用于土工合成材料錨固部位附近界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)，例如土工膜錨固端部以及加筋擋土墻筋材拔出等工況下界面抗剪強(qiáng)度特性研究，但無法模擬壩面上傾斜的界面力學(xué)性狀。所以，傳統(tǒng)的界面直剪和拉拔試驗(yàn)方法均無法反映壩面防滲體界面應(yīng)力變形狀態(tài)和相應(yīng)的邊界條件，且均無法考慮復(fù)合土工膜表面土工織物纖維蠕變效應(yīng)而導(dǎo)致界面長期抗剪強(qiáng)度降低的影響。
[0005]斜板儀試驗(yàn)?zāi)軌蛟佻F(xiàn)堆石壩面土工膜防滲體界面應(yīng)力狀態(tài)和變形破壞模式，適合用于壩面上土工膜防滲體界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)。這種試驗(yàn)方法在我國相關(guān)測(cè)試規(guī)程中尚未列入，但在相關(guān)研究工作中已被采用。在本發(fā)明之前，題為“土工合成材料界面摩擦特性的室內(nèi)剪切試驗(yàn)研究”(徐超等，巖土力學(xué)，2008年第29卷第5期)和“GCL與黏土接觸面摩擦特性試驗(yàn)研究”(李雪寧等，施工技術(shù)，2011年第40卷第2期)的學(xué)術(shù)論文均研制了用于斜坡上土工合成材料界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)的斜板儀。但這兩種斜板儀無法滿足壩面土工膜防滲體界面在不同工況和荷載條件下抗剪強(qiáng)度測(cè)試的需求，其不足主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
[0006](I)儀器自動(dòng)化程度較低，試樣界面傾角變化靠手動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺紋桿或手動(dòng)液壓千斤頂將斜板頂起并轉(zhuǎn)動(dòng)，手動(dòng)操作會(huì)導(dǎo)致斜板的轉(zhuǎn)速不均勻，易發(fā)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)操作本身會(huì)影響試樣的穩(wěn)定性，也影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性；
[0007](2)試樣界面失穩(wěn)的判斷是靠人為觀察試樣發(fā)生滑動(dòng)時(shí)通過側(cè)面量角器讀取斜板與水平面之間的角度來實(shí)現(xiàn)，這使得試驗(yàn)結(jié)果可靠性降低，也會(huì)因不同操作人員的反映速度差異而產(chǎn)生誤差；
[0008](3)只能測(cè)試單層界面的抗剪強(qiáng)度，但對(duì)于包含多層界面壩面土工膜防滲體，在不同法向壓力和變形狀態(tài)下，事前并不知道哪個(gè)界面會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以現(xiàn)有斜板儀無法測(cè)試壩面土工膜防滲體中多層界面的抗剪強(qiáng)度特性；
[0009](4)只能測(cè)試界面的短期抗剪強(qiáng)度，無法測(cè)試考慮土工合成材料本身蠕變效應(yīng)下的界面長期抗剪強(qiáng)度特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有壩面土工膜防滲體界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)的不足，提供了一種既能測(cè)試土工合成材料與接觸材料界面短期抗剪強(qiáng)度特性，又能進(jìn)行考慮土工織物表面纖維蠕變效應(yīng)下界面長期抗剪強(qiáng)度和失穩(wěn)破壞機(jī)理試驗(yàn)的多功能斜板儀。
[0011]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0012]一種測(cè)試土工合成材料界面抗剪強(qiáng)度特性的多功能斜板儀，包括試驗(yàn)臺(tái)、斜面控制機(jī)構(gòu)、剪切盒裝置、豎向加載機(jī)構(gòu)和測(cè)控系統(tǒng)。斜面控制機(jī)構(gòu)通過電機(jī)可使試驗(yàn)臺(tái)的斜板勻速轉(zhuǎn)動(dòng)至任意傾角，通過液壓千斤頂可使斜板固定在某一傾角。裝有接觸材料的剪切盒置于斜板表面凹形導(dǎo)軌上，上、下剪切盒間安裝土工合成材料試樣，通過斜板轉(zhuǎn)動(dòng)形成傾斜的多層剪切界面。豎向加載機(jī)構(gòu)包括短期和長期加載裝置，分別用于界面短期和長期特性試驗(yàn)。拉力傳感器、位移計(jì)、控制及采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成的測(cè)控系統(tǒng)對(duì)上、下剪切盒及試樣的受力和位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)位移和拉力曲線突變點(diǎn)可確定界面失穩(wěn)臨界傾角，并通過受力分析計(jì)算出各界面抗剪強(qiáng)度及相應(yīng)參數(shù)。
[0013]所述的試驗(yàn)臺(tái)由底座和斜板組成，底座為型鋼焊接而成的矩形結(jié)構(gòu)，通過膨脹螺栓固定在地板上，其長度方向的端部安裝有轉(zhuǎn)軸；斜板為設(shè)有加強(qiáng)肋的“L”形鋼板，斜板通過轉(zhuǎn)軸與底座相連并可繞轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0014]所述的斜面控制機(jī)構(gòu)包括龍門支架、步進(jìn)電機(jī)、兩根鋼絲繩、兩套液壓千斤頂及相應(yīng)的墊板和傳力接頭組成。龍門支架位于底座的上方并固定在其兩側(cè)，龍門支架底部安裝兩根斜撐以增加剛度，頂部安裝一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，纏繞在電機(jī)上的兩根鋼絲繩下端連接在斜板的頂部。通過電機(jī)控制可在界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)中使斜板保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；通過連接在固定鉸支座上的兩套液壓千斤頂可在界面長期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)中將斜板固定在預(yù)設(shè)傾角下。
[0015]所述的剪切盒裝置由上、下剪切盒、法向加載板、滾珠及固定插銷組成，上、下剪切盒均為不銹鋼制作的矩形盒子，下剪切盒右側(cè)壁加寬，保證發(fā)生剪切位移過程中剪切面積不變。下剪切盒底部安裝有兩排滾珠，通過滾珠可在斜板表面的凹形導(dǎo)軌內(nèi)自由滑動(dòng)。剪切盒內(nèi)填筑試驗(yàn)用土石材料，土工合成材料試樣安裝在兩盒之間，通過電機(jī)帶動(dòng)斜板轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)一定傾角下的單層或多層傾斜剪切面。
[0016]所述的豎向加載機(jī)構(gòu)包括短期和長期兩套加載裝置。短期加載裝置主要在界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)中通過固定在法向加載板上的矩形鋼塊來提供豎向荷載，根據(jù)需要施加的荷載大小(斜板儀主要進(jìn)行低法向荷載下的試驗(yàn)，一般法向荷載小于50kPa)選擇若干塊矩形鋼塊并運(yùn)用長螺桿直接錨固在法向加載板上。長期加載裝置包括杠桿、圓盤形砝碼、砝碼托盤、豎向加載桿及轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座。杠桿安裝在龍門支架的橫梁上，通過砝碼可長期對(duì)任意傾角下的斜面施加恒定的豎向荷載。長期加載機(jī)構(gòu)可以方便安裝和拆卸，進(jìn)行界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)時(shí)可拆卸下來。
[0017]所述的測(cè)控系統(tǒng)由拉力傳感器、位移計(jì)、控制及采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。兩只拉力傳感器固定在“L”形斜板的頂端，分別測(cè)試下剪切盒和土工合成材料試樣受到的拉力；位移計(jì)安裝在斜板底部，用來檢測(cè)上剪切盒的位移。拉力及位移檢測(cè)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸至控制及采集系統(tǒng)，并通過軟件界面實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)上。步進(jìn)電機(jī)的控制也由控制及采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)斜板的傾角，并通過計(jì)算實(shí)時(shí)顯示不同時(shí)刻斜板的傾斜角度。根據(jù)測(cè)試得到的位移和拉力曲線突變點(diǎn)可確定界面失穩(wěn)臨界傾角，并通過受力分析計(jì)算出各界面抗剪強(qiáng)度及相應(yīng)參數(shù)。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于:
[0019](I)本發(fā)明設(shè)備既能進(jìn)行斜坡上土工合成材料界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)，又可進(jìn)行考慮土工合成材料蠕變效應(yīng)下的界面長期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)；
[0020](2)短期界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)采用電機(jī)控制斜板旋轉(zhuǎn)，可根據(jù)需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)速率，使斜板帶動(dòng)剪切盒及測(cè)試界面保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)控制自動(dòng)程度高，可消除斜板轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)試樣穩(wěn)定性及試驗(yàn)結(jié)果的影響；
[0021](3)界面長期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)采用杠桿配合砝碼加載，方法簡(jiǎn)便，不受環(huán)境影響和時(shí)間限制，在進(jìn)行長期加載試驗(yàn)中具有較高的可靠性和穩(wěn)定性；
[0022](4)采用傳感器監(jiān)測(cè)各部分試樣位移和受力變化曲線的突變點(diǎn)來判斷界面的失穩(wěn)臨界點(diǎn)，并同時(shí)在計(jì)算機(jī)上顯示失穩(wěn)臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的界面傾斜角度，通過不同法向壓力下的臨界傾角即可確定界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)靠人為觀察判斷試樣失穩(wěn)和利用量角器讀取界面傾斜角度的方法，試驗(yàn)結(jié)果精度和可靠性更高；
[0023](5)本發(fā)明除了能像傳統(tǒng)斜板儀一樣進(jìn)行單層界面抗剪強(qiáng)度測(cè)試外，在配合使用不同拉力傳感器和位移計(jì)對(duì)試樣各部分的受力和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可在一次試驗(yàn)中同時(shí)測(cè)試多個(gè)界面的抗剪強(qiáng)度，可進(jìn)行多層界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究。
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以【具體實(shí)施方式】為限，而是由權(quán)利要求加以限定。【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以【具體實(shí)施方式】為限，而是由權(quán)利要求加以限定。
[0026]圖1為多層界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)?zāi)Ｊ较滦卑鍍x正面示意圖；
[0027]圖2為多層界面長期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)?zāi)Ｊ较滦卑鍍x正面示意圖；
[0028]圖3為單層界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)中試樣方式安裝示意圖。
[0029]圖中:1、底座，2、斜板，3、轉(zhuǎn)軸，4、龍門支架，5、斜撐，6、步進(jìn)電機(jī)，7、鋼絲繩，8、下剪切盒，9、上剪切盒，10、滾珠，11、凹形導(dǎo)軌，12、土工合成材料試樣，13、法向加載板，14、矩形鋼塊，15、長螺桿，16、拉力傳感器，17、位移傳感器，18、控制采集系統(tǒng)，19、計(jì)算機(jī)，20、杠桿，21、砝碼托盤，22、圓盤形砝碼，23、液壓千斤頂，24、墊塊，25、傳力接頭，26、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座-1，27、螺栓-1，28、豎向加載桿，29、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座-11，30、螺栓-11，31、錨固件。
【具體實(shí)施方式】
[0030]如圖1、圖2所示，一種測(cè)試土工合成材料界面抗剪強(qiáng)度特性的多功能斜板儀，包括試驗(yàn)臺(tái)、斜面控制機(jī)構(gòu)、剪切盒裝置、豎向加載機(jī)構(gòu)和測(cè)控系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)由底座I和斜板2組成，底座I為型鋼焊接而成的矩形結(jié)構(gòu)，通過膨脹螺栓固定在地板上，其長度方向的端部安裝有轉(zhuǎn)軸3 ;斜板2為設(shè)有加強(qiáng)肋的“L”形鋼板，通過轉(zhuǎn)軸3與底座I相連并可繞轉(zhuǎn)軸3自由轉(zhuǎn)動(dòng)。斜面控制機(jī)構(gòu)由龍門支架4、斜撐5、步進(jìn)電機(jī)6、兩根鋼絲繩7、兩套液壓千斤頂23及相應(yīng)的墊塊24和傳力接頭25組成。龍門支架位于底座I的上方并固定在其兩側(cè)，龍門支架4底部安裝四根斜撐5以增加剛度，頂部安裝一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)6，纏繞在步進(jìn)電機(jī)6上的兩根鋼絲繩7下端連接在斜板2的頂部。在如圖1所示的界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)中，通過步進(jìn)電機(jī)6控制可使斜板2保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；在如圖2所示的界面長期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)中，兩套并排的液壓千斤頂23通過固定鉸支座-1 26和螺栓-1 27安裝在地板上，配合墊塊24和傳力接頭25使斜板2固定在預(yù)設(shè)的傾角下。剪切盒裝置由下剪切盒8、上剪切盒9、法向加載板13及滾珠10組成，下剪切盒8和上剪切盒9均為不銹鋼制作的矩形盒子。下剪切盒8底部安裝有兩排滾珠10，通過滾珠10可在斜板表面的凹形導(dǎo)軌11內(nèi)自由滑動(dòng)。下剪切盒8和上剪切盒9內(nèi)填筑試驗(yàn)用土石材料，土工合成材料試樣12安裝在兩盒之間，通過斜板2的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)一定傾角下的單層或多層剪切斜面。在進(jìn)行單層界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)時(shí)，采用錨固件31將土工合成材料試樣12固定在下剪切盒9的側(cè)面；在進(jìn)行多層界面抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)時(shí)，土工合成材料試樣12不需要固定。豎向加載機(jī)構(gòu)包括短期和長期兩套加載裝置。短期加載是通過固定在法向加載板13上的矩形鋼塊14來提供界面的豎向荷載，根據(jù)需要施加的荷載大小選擇若干塊矩形鋼塊14并運(yùn)用長螺桿15直接錨固在法向加載板13上。長期加載機(jī)構(gòu)包括杠桿20、$去碼托盤21、圓盤形破碼22、豎向加載桿28及轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座-1129。杠桿20安裝在龍門支架4的橫梁上，通過圓盤形砝碼22可對(duì)任意傾角下的斜面施加恒定的長期豎向荷載。長期加載機(jī)構(gòu)可以方便安裝和拆卸，進(jìn)行界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)時(shí)可以拆卸下來。測(cè)控系統(tǒng)由拉力傳感器16、位移計(jì)17、控制及采集系統(tǒng)18和計(jì)算機(jī)19組成。兩只拉力傳感器16固定在斜板2的頂端，分別監(jiān)測(cè)下剪切盒9和土工合成材料試樣12受到的拉力；位移計(jì)17安裝在斜板2底部，用來監(jiān)測(cè)上剪切盒8的位移。拉力及位移檢測(cè)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸至控制及采集系統(tǒng)18，并通過軟件界面實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)19上。步進(jìn)電機(jī)6的控制也由控制及采集系統(tǒng)18中的控制模塊來實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)斜板2的傾角，并通過計(jì)算實(shí)時(shí)顯示不同時(shí)刻斜板2的傾斜角度。根據(jù)測(cè)試得到的位移和拉力曲線突變點(diǎn)可確定界面失穩(wěn)臨界傾角，并通過受力分析計(jì)算出各界面抗剪強(qiáng)度及相應(yīng)參數(shù)。
[0031]實(shí)施實(shí)例1:現(xiàn)以一個(gè)堆石壩面土工膜防滲體界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)為例來說明多功能斜板儀短期測(cè)試模式下的的使用方法。界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)步驟如下:
[0032](1)斜板歸零:通過控制及采集系統(tǒng)18控制步進(jìn)電機(jī)6將斜板2傾角歸零，呈水平置于底座1之上，并將下剪切盒8放置斜板表面的凹形導(dǎo)軌11上的預(yù)定位置；
[0033](2)試樣填筑及安裝:在下剪切盒8內(nèi)按相關(guān)要求分層填筑墊層材料，直至與下剪切盒8頂部齊平；將土工合成材料試樣12置于下剪切盒8上表面，并展開平鋪，如果測(cè)試單層界面抗剪強(qiáng)度特性，需如圖3所示，采用錨固件31將土工合成材料試樣12左端部固定在下剪切盒8左側(cè)面上；安裝好土工合成材料試樣12后，將上剪切盒9置于土工合成材料試樣12上部，并在上剪切盒9內(nèi)按相關(guān)要求分層填筑保護(hù)層材料；安裝時(shí)要求土工合成材料試樣12與上剪切盒9、下剪切盒8邊緣不接觸；
[0034](3)連接采集及控制系統(tǒng):待試樣完成固結(jié)過程后，將安裝于斜板2頂部的兩個(gè)拉力傳感器16通過鋼絲繩7分別與下剪切盒8和土工合成材料試樣12相連；將安裝于斜板2底部的位移計(jì)17與上剪切盒9的下側(cè)面相接觸；然后將拉力傳感器16和位移計(jì)17和采集與控制系18統(tǒng)相連，保證采集通道暢通；
[0035](4)施加豎向荷載:在上剪切盒9頂部放置法向加載板13，將三排長螺桿15插入法向加載板13表面的螺孔內(nèi)，按照試驗(yàn)需要將一定數(shù)量設(shè)有圓孔的矩形鋼14塊穿過長螺桿15，并用螺帽擰緊固定；施加豎向荷載后，試樣材料開始固結(jié)，固結(jié)時(shí)間可參考相關(guān)土工試驗(yàn)規(guī)程要求；
[0036](5)試驗(yàn)運(yùn)行:將采集的位移與拉力數(shù)據(jù)清零，然后按照預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)速率控制步進(jìn)電機(jī)6勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過計(jì)算機(jī)19中的系統(tǒng)軟件界面實(shí)時(shí)顯示位移、拉力和斜板2傾角隨時(shí)間變化曲線，并注意觀察曲線的突變點(diǎn)和試樣失穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)界面發(fā)生失穩(wěn)破壞后,停止試驗(yàn)，并保存數(shù)據(jù)；
[0037](6)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理:通過整理試驗(yàn)結(jié)果得到的位移、拉力和斜板2傾角隨時(shí)間變化曲線，分別找到上剪切盒9位移曲線、土工合成材料試樣12拉力曲線和下剪切盒8所受拉力曲線的突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻，并找出各突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斜板2傾角。其中，上剪切盒9位移曲線和土工合成材料試樣12拉力曲線突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斜板2傾角為土工合成材料試樣12上界面臨界失穩(wěn)傾角；下剪切盒9所受拉力曲線突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斜板2傾角為合成材料試樣12下界面臨界失穩(wěn)傾角。通過三組以上不同法向壓力下的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)摩爾庫侖準(zhǔn)則即可建立各層界面的摩擦角和凝聚力的二元一次方程，通過三組方程聯(lián)立求解，即可求得各界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；
[0038]實(shí)施實(shí)例2:現(xiàn)以一個(gè)堆石壩面土工膜防滲體界面長期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)為例來說明多功能斜板儀用于長期測(cè)試模型下的使用方法。
[0039]考慮土工合成材料蠕變效應(yīng)下界面長期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)方法概述:根據(jù)界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)得到的各界面短期抗剪強(qiáng)度值，按照壩坡設(shè)計(jì)規(guī)范分別取F1、F2、F3…Fi等一組安全系數(shù)，將短期抗剪強(qiáng)度參數(shù)分別處以相應(yīng)的安全系數(shù)后，得到折減后的α 1、α 2、α 3...α i等一組穩(wěn)定傾角；然后針對(duì)每一種穩(wěn)定傾角進(jìn)行長期荷載下的界面抗剪試驗(yàn)，測(cè)試各層界面在不同安全系數(shù)對(duì)應(yīng)下的穩(wěn)定傾角下是否因材料本身蠕變影響而發(fā)生失穩(wěn)以及失穩(wěn)所需時(shí)間。
[0040](I)斜板歸零:同界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)步驟(I)；
[0041](2)試樣填筑及安裝:同界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)步驟(2);
[0042](3)連接采集及控制系統(tǒng):同界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)步驟(3)；
[0043](4)長期加載裝置組裝:將杠桿20的左端部通過轉(zhuǎn)軸安裝在龍門支架4的橫梁上，然后將豎向加載桿28及轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座-1129安裝在杠桿20相應(yīng)位置，用兩支螺栓-1130將其固定在法向加載板13上；并將砝碼托盤21懸掛在杠桿20右側(cè)端部。
[0044](5)施加豎向長期荷載:先啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)6旋轉(zhuǎn)將斜板2轉(zhuǎn)動(dòng)至需要測(cè)試的穩(wěn)定傾角a i ;然后關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)6，將兩個(gè)液壓千斤頂23通過固定鉸支座-1 26和螺栓-1 27并排安裝在地板上，配合墊塊24和傳力接頭25使斜板2固定在預(yù)設(shè)的穩(wěn)定傾角a i下；按照試驗(yàn)需要將一定數(shù)量圓盤形砝碼22放在砝碼托盤21上施加豎向長期荷載，在豎向荷載沿斜面方向的分力作用下，各層界面將發(fā)生剪切作用，同時(shí)界面上的土工合成材料試樣12表面的纖維也將發(fā)生蠕變作用，這種蠕變將使界面應(yīng)力變形狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生變化，進(jìn)而影響界面抗剪強(qiáng)度的變化。
[0045](6)試驗(yàn)運(yùn)行及數(shù)據(jù)采集:將采集的位移與拉力數(shù)據(jù)清零，通過計(jì)算機(jī)中19的系統(tǒng)軟件界面實(shí)時(shí)顯示位移、拉力和斜板2傾角隨時(shí)間變化曲線，并注意觀察曲線的突變點(diǎn)和試樣界面變形狀態(tài)；參考土工合成材料蠕變?cè)囼?yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)開始后100小時(shí)之內(nèi)如果界面發(fā)生失穩(wěn)破壞后，則停止試驗(yàn)，并保存數(shù)據(jù)；若100小時(shí)仍未發(fā)生破壞，則關(guān)閉計(jì)算機(jī)6，采用數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)，以后每天觀察一次試樣界面變形及失穩(wěn)狀態(tài)，并記錄下數(shù)據(jù)，直至試樣失穩(wěn)破壞或試驗(yàn)達(dá)1000小時(shí)。
[0046](7)數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果:通過整理試驗(yàn)結(jié)果得到的位移、拉力和斜板2傾角隨時(shí)間變化曲線，即可判斷界面抗剪強(qiáng)度是否受材料蠕變效應(yīng)影響而產(chǎn)生失穩(wěn)，如發(fā)生失穩(wěn)，說明界面在對(duì)應(yīng)安全系數(shù)下的穩(wěn)定性不滿足要求，并可根據(jù)高分子蠕變理論預(yù)測(cè)期發(fā)生失穩(wěn)所需時(shí)間及失穩(wěn)概率。
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)試土工合成材料界面抗剪強(qiáng)度特性的多功能斜板儀，包括試驗(yàn)臺(tái)、斜面控制機(jī)構(gòu)、剪切盒裝置、豎向加載機(jī)構(gòu)和測(cè)控系統(tǒng)，其特征在于: 所述的試驗(yàn)臺(tái)由底座和斜板組成，底座為型鋼焊接而成的矩形結(jié)構(gòu)，通過膨脹螺栓固定在地板上，其長度方向的端部安裝有轉(zhuǎn)軸；斜板為設(shè)有加強(qiáng)肋的“L”形鋼板，斜板通過轉(zhuǎn)軸與底座相連； 所述的斜面控制機(jī)構(gòu)包括龍門支架、步進(jìn)電機(jī)、兩根鋼絲繩、兩套液壓千斤頂及相應(yīng)的墊板和傳力接頭，龍門支架位于底座的上方并固定在其兩側(cè)，龍門支架底部安裝兩根斜撐以增加剛度，頂部安裝一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，纏繞在電機(jī)上的兩根鋼絲繩下端連接在斜板的頂部; 所述的剪切盒裝置由上、下剪切盒、法向加載板、滾珠及固定插銷組成，上、下剪切盒均為不銹鋼制作的矩形盒子，下剪切盒右側(cè)壁加寬，下剪切盒底部安裝有兩排滾珠，通過滾珠在斜板表面的凹形導(dǎo)軌內(nèi)自由滑動(dòng),剪切盒內(nèi)填筑試驗(yàn)用土石材料,土工合成材料試樣安裝在兩盒之間，通過電機(jī)帶動(dòng)斜板轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)一定傾角下的單層或多層傾斜剪切面； 所述的豎向加載機(jī)構(gòu)包括短期和長期兩套加載裝置，短期加載裝置主要在界面短期抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)中通過固定在法向加載板上的矩形鋼塊來提供豎向荷載，根據(jù)需要施加的荷載大小選擇若干塊矩形鋼塊并運(yùn)用長螺桿直接錨固在法向加載板上；長期加載裝置包括杠桿、圓盤形砝碼、砝碼托盤、豎向加載桿及轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座，杠桿安裝在龍門支架的橫梁上，通過砝碼可長期對(duì)任意傾角下的斜面施加恒定的豎向荷載； 所述的測(cè)控系統(tǒng)由拉力傳感器、位移計(jì)、控制及采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，兩只拉力傳感器固定在“L”形斜板的頂端，位移計(jì)安裝在斜板底部。
【文檔編號(hào)】G01N3/24GK104007025SQ201410194096
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】吳海民, 束一鳴, 張憲雷, 劉云鋒 申請(qǐng)人:河海大學(xué)