一種土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí)施方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土工合成材料力學(xué)性能試驗(yàn)測試領(lǐng)域，涉及一種土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí)施方法，尤其涉及一種黃土溝壑區(qū)加筋土技術(shù)的土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí)施方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土工合成材料是以人工合成的聚合物(如塑料、化纖、合成橡膠等)為原料，制成各種類型的產(chǎn)品，置于土體內(nèi)部、表面或各種土體之間，發(fā)揮加強(qiáng)或保護(hù)土體的作用。主要包括土工織物、土工格柵，土工膜、土工特種材料和土工復(fù)合材料，玻纖網(wǎng)，土工墊等類型。
[0003]目前，《土工合成材料測試規(guī)程》(SL 235-2012)和《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E50-2006)均提到了土工合成材料直剪試驗(yàn)。但是，目前土工合成材料直剪試驗(yàn)過程中仍存在諸多問題:(I) 土工合成材料取樣時，樣品直剪試驗(yàn)方向隨意性大，試驗(yàn)得到的力學(xué)性能不一定具有代表性；(2) 土工合成材料取樣時，目前僅規(guī)定了土工合成材料取樣范圍和取樣尺寸，而所取各樣品間可能存在不一致性；(3) 土工合成材料直剪試驗(yàn)時，一般僅做一個方向的“筋-土”直剪試驗(yàn)，無法考慮土工合成材料的各向異性；(4) 土工合成材料直剪試驗(yàn)時，一般采用硬質(zhì)基底，直剪試驗(yàn)過程中其受力機(jī)理為“填土 - 土工合成材料-硬質(zhì)基底”之間相互作用，而工程實(shí)際中應(yīng)為“填土 - 土工合成材料-填土”相互作用，兩者存在較大差別，直剪試驗(yàn)所得出的土工合成材料與填土的界面力學(xué)性能一不定能真實(shí)的反映出工程實(shí)際中土工合成材料與填土的實(shí)際界面力學(xué)性能。
[0004]綜上所述，由于現(xiàn)行土工合成材料直剪試驗(yàn)過程中存在諸如取樣、試驗(yàn)方法等問題，其試驗(yàn)得到的土工合成材料與填土的界面力學(xué)性能無法真實(shí)反映工程實(shí)際。事實(shí)上，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，采用現(xiàn)行土工合成材料直剪試驗(yàn)得到的土工合成材料與填土界面力學(xué)性能進(jìn)行工程設(shè)計時，其安全性能存在較大隱患，嚴(yán)重威脅著工程質(zhì)量和人民生命財產(chǎn)安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中試驗(yàn)得到的土工合成材料與填土的界面力學(xué)性能無法真實(shí)反映工程實(shí)際的技術(shù)問題，進(jìn)而提供了一種充分考慮了土工合成材料力學(xué)性能的各向異性、有效避免了現(xiàn)行規(guī)范中試驗(yàn)測試值與土工合成材料實(shí)際受力特性嚴(yán)重不符以及測試過程精確可控的土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí)施方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺架、回轉(zhuǎn)支承、刻度盤、下剪切盒、夾具、上剪切盒、豎向加載裝置、水平加載裝置、導(dǎo)軌、位移傳感器、固定支座、回轉(zhuǎn)支承控制裝置、承載板以及控制機(jī)柜；所述固定支座以及控制機(jī)柜分別設(shè)置在試驗(yàn)臺架上；所述試驗(yàn)臺架上設(shè)置有導(dǎo)軌以及位移傳感器；所述回轉(zhuǎn)支承上分別設(shè)置有刻度盤以及回轉(zhuǎn)支承控制裝置；所述豎向加載裝置依次通過承載板、上剪切盒以及下剪切盒自上而下設(shè)置在回轉(zhuǎn)支承的上表面；所述豎向加載裝置通過承載板向上剪切盒、待進(jìn)行剪切試驗(yàn)的土工合成材料以及下剪切盒施加豎向壓力；所述回轉(zhuǎn)支承帶動下剪切盒繞回轉(zhuǎn)支承的軸向旋轉(zhuǎn)；待進(jìn)行剪切試驗(yàn)的土工合成材料置于上剪切盒與下剪切盒之間并通過夾具固定在下剪切盒的上表面；待進(jìn)行剪切試驗(yàn)的土工合成材料的橫截面呈圓形，所述待進(jìn)行剪切試驗(yàn)的土工合成材料的直徑與下剪切盒的外徑相同；所述上剪切盒通過固定支座固定在試驗(yàn)臺架上；所述水平加載裝置與回轉(zhuǎn)支承相連并帶動回轉(zhuǎn)支承在導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動；所述控制機(jī)柜分別與水平加載裝置以及豎向加載裝置相連。
[0008]進(jìn)一步的，本發(fā)明所采用的下剪切盒為半封閉空心圓柱體；所述下剪切盒的內(nèi)徑不小于300mm，所述下剪切盒的厚度不小于5mm，高度不小50mm ;所述上剪切盒為含有內(nèi)切圓的正多邊形柱體；所述上剪切盒的內(nèi)徑不小于200mm，所述上剪切盒的壁厚最薄弱處厚度不小于3mm，所述上剪切盒的高度不小于100mm，所述上剪切盒的正多邊形外徑與下剪切盒內(nèi)徑之差不應(yīng)小于80mm。
[0009]進(jìn)一步的，本發(fā)明所采用的正多邊形柱體是正五邊形柱體、正六邊形柱體、正七邊形柱體、正八邊形柱體。
[0010]進(jìn)一步的，本發(fā)明所采用的回轉(zhuǎn)支承與下剪切盒通過卡槽固定連接，所述回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)精度為0.5°，所述回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)范圍為O?180°。
[0011]進(jìn)一步的，本發(fā)明所采用的承載板的直徑不小于190_，所述承載板的直徑與上剪切盒內(nèi)徑之差應(yīng)在5?1mm范圍內(nèi)。
[0012]進(jìn)一步的，本發(fā)明所采用的控制機(jī)柜包括豎向加載控制裝置、水平加載控制裝置、運(yùn)行指示燈以及智能顯示控制采集裝置；所述豎向加載控制裝置與豎向加載裝置相連；所述水平加載控制裝置與水平加載裝置相連。
[0013]一種基于如上所述的土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng)對土工合成材料進(jìn)行各向異性直剪試驗(yàn)的實(shí)施方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟:
[0014]A)裁取土工合成材料試樣，所述土工合成材料試樣的橫截面呈圓形，所述土工合成材料試樣的直徑與土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng)的下剪切盒的外徑相同；
[0015]B)卸下土工合成材料各向異性直剪試驗(yàn)系統(tǒng)的上剪切盒和下剪切盒，填筑試驗(yàn)土樣，所述試驗(yàn)土樣在上剪切盒中以及下剪切盒中的壓實(shí)度與工程應(yīng)用中現(xiàn)場實(shí)際壓實(shí)度一致，所述下剪切盒中填筑試驗(yàn)土樣的高度與下剪切盒的盒高相同，所述上剪切盒中填筑試驗(yàn)土樣的高度不小于50mm ；
[0016]C)將土工合成材料試樣鋪設(shè)于下剪切盒內(nèi)部的試驗(yàn)土樣的上表面上，通過夾具將土工合成材料試樣與下剪切盒固定，土工合成材料試樣保持平整、無折疊以及無褶皺；
[0017]D)將下剪切盒安裝至回轉(zhuǎn)支承上，回轉(zhuǎn)支承上的刻度盤標(biāo)記0°處土工合成材料試樣位置；
[0018]E)安裝上剪切盒，調(diào)節(jié)固定支座，通過固定支座約束上剪切盒的水平位移；
[0019]F)安裝水平反力加載裝置、位移傳感器，并通過豎向加載控制裝置對豎向加載裝置施加50kPa豎向壓力；
[0020]G)通過水平加載控制裝置控制水平加載裝置施加水平位移速率，施加應(yīng)變控制式水平荷載，所述水平位移速率為0.5-5mm/min，精度不低于0.lmm/min ;通過智能顯示控制采集裝置記錄水平荷載及對應(yīng)的相對位移，記錄間隔時間為0.5-2.0s，直至達(dá)到土工合成材料試樣的剪切面直徑的16.5%時結(jié)束試驗(yàn)；
[0021]H)卸下上剪切盒和下剪切盒，仔細(xì)地除去土工合成材料試樣，檢查土工合成材料試樣是否發(fā)生伸長、褶皺或損壞；如果發(fā)生伸長、褶皺或損壞，則需要更換土工合成材料試樣并重新進(jìn)行步驟C)至步驟G);若未發(fā)生伸長、褶皺或損壞，則采用另一塊土工合成材料試樣繼續(xù)進(jìn)行步驟I);
[0022]I)選用不同的土工合成材料試樣，重復(fù)步驟B)?步驟H)，分別在豎向壓力是100kPa、200kPa以及400kPa的法向應(yīng)力下各試驗(yàn)一塊土工合成材料試樣，即完成土工合成材料試樣在0°時在不同豎向壓力下的直剪試驗(yàn)；
[0023]J)選用不同的土工合成材料試樣，重復(fù)步驟B)?步驟I)，實(shí)施步驟D)時，將土工合成材料試樣放置在下剪切盒標(biāo)記0°處位置，同時通過回轉(zhuǎn)支承控制裝置旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支承至22.5°，即完成土工合成材料試樣在22.5°時在不同豎向壓力下的直剪試驗(yàn)；
[0024]K)判斷土工合成材料試樣是90°對稱還是45°對稱；若是90°對稱，則通過回轉(zhuǎn)支承控制裝置分別旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支承至45°、67.5°以及90°，重復(fù)步驟J)，即完成土工合成材料試樣分別在45°、67.5°以及90°時在不同豎向壓力下的直剪試驗(yàn)；若是45°對稱，則通過回轉(zhuǎn)支承控制裝置旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支承至45°，重復(fù)步驟J)，即完成土工合成材料試樣在45°時在不同豎向壓力下的直剪試驗(yàn)；
[0025]L)記錄水平荷載減去等量堅向壓力作用下導(dǎo)軌所產(chǎn)生的滑動摩阻力，所述導(dǎo)軌所產(chǎn)生的滑動摩阻力是土工合成材料試樣與步驟B)中所填筑的試驗(yàn)土樣之間剪切力，所述剪切力除以上剪切盒內(nèi)徑面