本發(fā)明屬于合成材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及到一種能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí)施方法。。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代加筋土技術(shù)是法國工程師HemiVidal于1966年首先提出的，并于20世紀(jì)80年代初引入中國，現(xiàn)已在水利、鐵路、公路、港口和建筑工程中得到大量應(yīng)用，解決了許多土木工程中的技術(shù)難題，取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，因而該技術(shù)得以蓬勃發(fā)展。

近幾十年來，不同種類的筋材（從低延性的金屬到高延性的高分子聚合物）被用于加筋土結(jié)構(gòu)中，而高分子聚合物筋材在加筋土工程中應(yīng)用則更廣。一般認(rèn)為，對(duì)剛度較小的土工合成材料，用直剪摩擦試驗(yàn)確定其強(qiáng)度參數(shù)較符合實(shí)際；對(duì)剛度較大的材料，則采用拉拔試驗(yàn)更適宜。美國學(xué)者M(jìn)cGown提出，對(duì)各種加筋土結(jié)構(gòu)而言，起加筋作用的都是土工合成材料的抗拔阻力，他主張用拉拔試驗(yàn)來測(cè)定界面強(qiáng)度，同時(shí)獲得埋在土內(nèi)筋材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。法國Schdsser認(rèn)為，拉拔試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試結(jié)果能自動(dòng)反映土體剪脹和壓密狀態(tài)，并較好模擬筋材在土內(nèi)的工作條件?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果已證明，拉拔試驗(yàn)的確能模擬加筋土結(jié)構(gòu)中的加筋行為，為獲得合適的設(shè)計(jì)參數(shù)提供了一種可靠的方法，而土工格柵被認(rèn)為是阻止拉拔破壞最有效筋材之一。

影響拉拔試驗(yàn)結(jié)果的因素有很多，以下兩點(diǎn)是由試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的：一是土工合成材料與盒（箱）壁之間的摩擦作用，它使所施加的拉拔力增大，無形中增強(qiáng)了土工合成材料的拉拔特性；二是拉拔速度，拉拔速度的不穩(wěn)定也會(huì)造成對(duì)土工合成材料拉拔特性的估計(jì)偏差。試驗(yàn)的目的是研究土工合成材料與填土之間的界面力學(xué)性能，必須準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)中所施加的法向壓力、拉拔力和土工合成材料的水平位移。因此，試驗(yàn)系統(tǒng)的精度至關(guān)重要。同時(shí)，也需要綜合考慮土工合成材料受不同方向載荷下的性能是否有所不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該取各方向上的最小值。

綜上所述，試驗(yàn)得到的土工合成材料與填土之間的界面力學(xué)性能往往要優(yōu)于工程實(shí)際中土工合成材料與填土的界面力學(xué)性能，其安全性能存在較大隱患，嚴(yán)重威脅著工程質(zhì)量和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種測(cè)試數(shù)據(jù)精確、過程可控性好、操作簡(jiǎn)便的能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí)施方法。

本發(fā)明所述的一種能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)，所述試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺(tái)1、電控柜2、觸摸屏3、伺服電機(jī)4、電動(dòng)缸5、拉壓傳感器6、氣缸7、氣缸承載板8、回轉(zhuǎn)支承9、試樣盒承載板10、上試樣盒11、下試樣盒12、步進(jìn)電機(jī)13、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14、同步回轉(zhuǎn)裝置15、夾具16、土工格柵17和活塞桿18；所述電控柜2以及電動(dòng)缸5設(shè)置在試驗(yàn)臺(tái)1一側(cè)，左右設(shè)置；所述電控柜2配有觸摸屏3；所述電動(dòng)缸5采用伺服電機(jī)4驅(qū)動(dòng),并與拉壓傳感器6一端相連，該拉壓傳感器6另一端與夾具16相連；所述試驗(yàn)臺(tái)1另一側(cè)上設(shè)置有回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14，與下試樣盒12同軸固定；上試樣盒11與回轉(zhuǎn)支承9同軸固定，穿過并置于試樣盒承載板10上；上試樣盒11與下試樣盒12通過同步回轉(zhuǎn)裝置15固定連接，通過步進(jìn)電機(jī)13帶動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使上試樣盒11與下試樣盒12同步旋轉(zhuǎn)；所述氣缸7固定于氣缸承載板8上，并與上試樣盒11、下試樣盒12、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14同心；所述活塞桿18連接在氣缸7下端；土工格柵17置于下試樣盒12的上表面；所述電控柜1分別與伺服電機(jī)4以及氣缸6相連。

本發(fā)明所述的一種能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)，所述伺服電機(jī)4驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸5，通過拉壓傳感器6與夾具16相連，提供水平拉拔力與水平位移，速度精度0.1mm/min；利用PLC讀取電機(jī)編碼器脈沖數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算位移，位移精度0.01mm。

本發(fā)明所述的一種能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)，所述上試樣盒11與下試樣盒12為空心圓柱形，且尺寸一致，內(nèi)徑大于等于200mm，高度大于等于50mm。

本發(fā)明所述的一種能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)，所述上試樣盒11通過安裝調(diào)整墊片調(diào)整與下試樣盒12在垂直方向上的間隙。

本發(fā)明所述的一種能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)，所述回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14采用步進(jìn)電機(jī)13驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為0-360°。

本發(fā)明所述能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)施方法，所述實(shí)施方法具體步驟為：

A）將土工格柵17，裁取橫截面呈圓形，直徑比上試樣盒11、下試樣盒12內(nèi)徑大20mm；

B）向下試樣盒12填充試驗(yàn)土樣并壓實(shí)，壓實(shí)度視實(shí)際工況而定，壓實(shí)好之后將其固定于回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14上；將上試樣盒11穿過試樣盒承載板8并與回轉(zhuǎn)支承9連接固定，根據(jù)土工格柵17的厚度添加調(diào)整墊片，使上試樣盒11與下試樣盒12之間的間隙略大于土工格柵17的厚度；

C）將土工格柵17置于下試樣盒12的上表面上，保證土工格柵17充滿上試樣盒11與下試樣盒12的重合截面；

D）操作觸摸屏3，控制伺服電機(jī)4將電動(dòng)缸5伸出，到達(dá)試驗(yàn)開始指定位置，通過夾具16將土工格柵17夾緊固定；

E）操作觸摸屏3，調(diào)節(jié)氣缸7壓力，通過活塞桿(18)向上試樣盒(11)施法向應(yīng)力，氣壓調(diào)節(jié)精度為0.1kPa，2.5小時(shí)內(nèi)氣壓下降小于等于0.5%；

F）操作觸摸屏3，設(shè)定水平位移速率，控制在0.5-5mm/min以內(nèi)；

G）開始進(jìn)行試驗(yàn)，通過PLC實(shí)時(shí)采集伺服電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)編碼器讀數(shù)反饋記錄實(shí)時(shí)位移；觸摸屏3實(shí)時(shí)顯示并記錄法向應(yīng)力與水平拉拔力，采樣頻率為1Hz，直到土工格柵17的被完全拉出或拉斷時(shí)結(jié)束試驗(yàn)；

H）將氣缸7泄壓，去下上試樣盒11，檢查土工格柵17是否發(fā)生損壞；弱損壞，則需要更換土工格柵17并重新進(jìn)行步驟A至G；若未發(fā)生損壞，則將土工格柵17放回拉拔試驗(yàn)前的初始位置；

I）將上試樣盒11重新安裝好，將夾具16松開并操作觸摸屏3將其退至電動(dòng)缸5原點(diǎn)，控制步進(jìn)電機(jī)13使回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)指定角度；

J）控制電動(dòng)缸5重新回到試驗(yàn)原點(diǎn)，再用夾具16將已轉(zhuǎn)至指定角度的土工格柵17重新固定好，重新進(jìn)行步驟D至G；這樣就通過不同方向?qū)ν凉じ駯?7進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)。

在本發(fā)明中，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸提供拉拔力和水平位移，速度位移精度高、調(diào)節(jié)范圍廣，有提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；同時(shí)，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并且上、下試樣盒通過同步回轉(zhuǎn)裝置固定，使上、下試樣盒同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了0-360°拉拔；利用調(diào)節(jié)墊片調(diào)節(jié)上、下試樣盒的間隙，消除了試樣盒表面與土工格柵的摩擦力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；通過氣缸提供法向應(yīng)力，壓力值可通過壓力表隨時(shí)讀取，并且與上、下試樣盒法向同心，使土樣受力更加均勻，計(jì)算時(shí)理論值更接近實(shí)際值，更能反映真實(shí)工況。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí)施方法有效避免了現(xiàn)行試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試值與土工合成材料實(shí)際受力特性嚴(yán)重不符的問題，解決了土工合成材料工程應(yīng)用中存在的安全隱患。

附圖說明

圖1：本發(fā)明所述試驗(yàn)系統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)圖；圖2：拉撥力隨拉撥位移變化曲線；1-試驗(yàn)臺(tái)；2-電控柜；3-觸摸屏；4-伺服電機(jī)；5-電動(dòng)缸；6-拉壓傳感器；7-氣缸；8-氣缸承載板；9-回轉(zhuǎn)支承；10-試樣盒承載板；11-上試樣盒；12-下試樣盒；13-步進(jìn)電機(jī)；14-回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；15-同步回轉(zhuǎn)裝置；16-夾具；17-土工格柵；18-氣缸活塞。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)做進(jìn)一步說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

實(shí)施例1

一種能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試驗(yàn)臺(tái)1、電控柜2、觸摸屏3、伺服電機(jī)4、電動(dòng)缸5、拉壓傳感器6、氣缸7、氣缸承載板8、回轉(zhuǎn)支承9、試樣盒承載板10、上試樣盒11、下試樣盒12、步進(jìn)電機(jī)13、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14、同步回轉(zhuǎn)裝置15、夾具16、土工格柵17和活塞桿18；所述電控柜2以及電動(dòng)缸5設(shè)置在試驗(yàn)臺(tái)1一側(cè)，左右設(shè)置；電控柜2配有觸摸屏3；電動(dòng)缸5采用伺服電機(jī)4驅(qū)動(dòng),并與拉壓傳感器6一端相連，該拉壓傳感器6另一端與夾具16相連；所述試驗(yàn)臺(tái)1另一側(cè)上設(shè)置有回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14，與下試樣盒12同軸固定；上試樣盒11與回轉(zhuǎn)支承9同軸固定，穿過并置于試樣盒承載板10上；上試樣盒11與下試樣盒12通過同步回轉(zhuǎn)裝置15固定連接，通過步進(jìn)電機(jī)13帶動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使上試樣盒11與下試樣盒12同步旋轉(zhuǎn)；所述氣缸7固定于氣缸承載板8上，并與上試樣盒11、下試樣盒12、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14同心；活塞桿18連接在氣缸7下端；土工格柵17置于下試樣盒12的上表面；所述電控柜1分別與伺服電機(jī)4以及氣缸6相連。

所述伺服電機(jī)4驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸5，通過拉壓傳感器6與夾具16相連，提供水平拉拔力與水平位移，速度精度0.1mm/min；利用PLC讀取電機(jī)編碼器脈沖數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算位移，位移精度0.01mm。所述上試樣盒11與下試樣盒12為空心圓柱形，且尺寸一致，內(nèi)徑大于等于200mm，高度大于等于50mm。所述上試樣盒11通過安裝調(diào)整墊片調(diào)整與下試樣盒12在垂直方向上的間隙。所述回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14采用步進(jìn)電機(jī)13驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為0-360°。

電控柜中選用歐姆龍CP1H-Y系列PLC進(jìn)行控制，配有NB系列觸摸屏，并分別有若干指示燈和按鈕；電動(dòng)缸采用邁茨DMC75-0560-1500-020-31；伺服電機(jī)型號(hào)為安川SGMJV-02A3A61；拉壓傳感器采用高靈CFBLS-1系列；氣缸采用SMC的CS1B200-250；回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)采用萬達(dá)SE12-78-H-25R，回轉(zhuǎn)支承采用萬達(dá)010.12.280F；步進(jìn)電機(jī)采用鴻寶達(dá)86BYG350-114。氣缸承載板與試樣盒承載板采用鋼板，尺寸為700×500×14mm；上試樣盒與下試樣盒為圓柱形，內(nèi)徑200mm，厚度5mm；夾具為楔形夾具；土工格柵為圓形，其直徑220mm。

本發(fā)明所述能實(shí)現(xiàn)各向拉拔的試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)施方法，所述實(shí)施方法具體步驟為：

A）將土工格柵17，裁取橫截面呈圓形，直徑比上試樣盒11、下試樣盒12內(nèi)徑大20mm；

B）向下試樣盒12填充試驗(yàn)土樣并壓實(shí)，壓實(shí)度視實(shí)際工況而定，壓實(shí)好之后將其固定于回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)14上；將上試樣盒11穿過試樣盒承載板8并與回轉(zhuǎn)支承9連接固定，根據(jù)土工格柵17的厚度添加調(diào)整墊片，使上試樣盒11與下試樣盒12之間的間隙略大于土工格柵17的厚度；

C）將土工格柵17置于下試樣盒12的上表面上，保證土工格柵17充滿上試樣盒11與下試樣盒12的重合截面；

D）操作觸摸屏3，控制伺服電機(jī)4將電動(dòng)缸5伸出，到達(dá)試驗(yàn)開始指定位置，通過夾具16將土工格柵17夾緊固定；

E）操作觸摸屏3，調(diào)節(jié)氣缸7壓力，通過活塞桿(18)向上試樣盒(11)施法向應(yīng)力，氣壓調(diào)節(jié)精度為0.1kPa，2.5小時(shí)內(nèi)氣壓下降小于0.5%，調(diào)節(jié)氣壓為300kPa；

F）操作觸摸屏3，設(shè)定水平位移速率為1mm/min；

G）開始進(jìn)行試驗(yàn)，通過PLC實(shí)時(shí)采集伺服電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)編碼器讀數(shù)反饋記錄實(shí)時(shí)位移。觸摸屏實(shí)時(shí)顯示并記錄法向應(yīng)力與水平拉拔力，采樣頻率為1Hz，直到土工格柵17的被完全拉出或拉斷時(shí)結(jié)束試驗(yàn)；

H）將氣缸7泄壓，去下上試樣盒11，檢查土工格柵17是否發(fā)生損壞；弱損壞，則需要更換土工格柵17并重新進(jìn)行步驟A至G；若未發(fā)生損壞，則將土工格柵17放回拉拔試驗(yàn)前的初始位置；

I）將上試樣盒11重新安裝好，將夾具16松開并操作觸摸屏3將其退至電動(dòng)缸5原點(diǎn)，控制步進(jìn)電機(jī)13使回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)指定角度；

J）控制電動(dòng)缸5重新回到試驗(yàn)原點(diǎn)，再用夾具16將已轉(zhuǎn)至指定角度的土工格柵17重新固定好，重新進(jìn)行步驟D至G。這樣就通過不同方向?qū)ν凉じ駯?7進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)。

圖2為在上述試驗(yàn)條件下得到的土工格柵在0°與45°角度下拉拔位移與拉拔力的變化曲線。從圖中可以看出，土工格柵在0°與45°方向的最大拉拔力不一致，即力學(xué)性能不一樣?？梢钥闯觯?dāng)未考慮土工合成材料的各向異性，按照土工合成材料標(biāo)稱性能進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，可能不滿足要求不滿足工程實(shí)際需求，嚴(yán)重威脅著工程質(zhì)量和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。綜上所述，本發(fā)明充分考慮了土工格柵性能的各向異性，可以更準(zhǔn)確得評(píng)估土工合成材料的性能，解決了工程應(yīng)用中存在的安全隱患。