CN104007025A - 一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪，包括试验台、斜面控制机构、剪切盒装置、竖向加载机构和测控系统。斜面控制机构通过电机带动试验台的斜板转动至任意倾角，也可通过液压千斤顶将斜板固定在某一倾角。剪切盒置于斜板表面凹形导轨上，上、下剪切盒间安装土工合成材料试样，通过斜板转动形成倾斜的多层剪切界面。竖向加载机构包括界面短期和长期特性试验两种加载装置。由传感器、控制及采集系统和计算机组成的测控系统对上、下剪切盒及试样的受力和位移进行实时监测，根据位移和拉力曲线突变点确定界面失稳临界倾角，并通过受力分析得出各界面抗剪强度。本发明可用于单层或多层界面的短期和长期抗剪强度特性试验。

Description

一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪

技术领域

本发明涉及一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪，属于水工结构及材料试验技术领域。

背景技术

由于具有适应差异变形能力强、施工期短、造价低、节约土地及低碳环保等优点，土工膜越来越多地应用在堆石坝上游面作为防渗体。堆石坝面土工膜防渗体一般由垫层、复合土工膜(两布一膜或者一布一膜+土工织物)和保护层等多层材料组成。由于土工膜和土工织物等土工合成材料与土石材料之间界面的抗剪强度较低，所以由多层材料组成的坝面防渗体在不同工况和荷载条件下极易发生失稳破坏。而坝面防渗体不同材料间界面抗剪强度特性及失稳破坏机理是进行坝面土工膜防渗结构设计及稳定性分析与评价的基础。为了深入揭示堆石坝面土工膜防渗体的失稳破坏机理，准确计算和评价防渗体稳定性，并提出经济、有效的抗滑保证措施，需要针对防渗体中不同土工合成材料间以及与垫层及保护层土石材料之间界面的抗剪强度进行试验研究，从而为工程设计和安全评价提供理论基础和科学依据。

此外，对于目前堆石坝防渗主要采用的由长丝针刺土工织物/膜/长丝针刺土工织物复合而成的复合膜，其界面抗剪强度主要由表面的长丝纤维与接触材料之间的摩擦与咬合作用提供。在复合膜与垫层或者保护层发生相互作用时，外层土工织物表面的长丝纤维是处于受力拉伸状态的。由于高分子聚合物纤维在拉伸状态下具有显著的蠕变特征，在与垫层料保持长期接触摩擦和剪切作用下，其表面长丝纤维将经历拉伸、分子链重组进而产生蠕变的过程。这种蠕变效应将使界面应力状态随时间的推移发生变化，界面抗剪强度将随时间衰减。由此可见，采用常规试验得到的界面短期抗剪强度对坝坡设计及坝面防渗体稳定性计算与评价是偏于不安全的。因此，在考虑土工织物纤维蠕变效应下揭示复合土工膜-保护层及垫层材料界面的长期抗剪强度特性及失稳破坏机理对于坝面土工膜防渗体设计及稳定性分析与评价是必要的。

在本发明之前，一般土工合成材料与土石材料之间界面抗剪强度特性试验常采用的方法主要有直剪试验、拉拔试验方法以及国外近年来开始采用的斜板仪试验方法。界面直剪仪试验比较适合界面剪切力和剪切位移为水平方向，且法向压力沿界面恒定且均匀分布的界面抗剪强度特性试验。试验中发生剪切的界面通常是人为设定好的，不能反映包含多层界面结构的整体抗剪强度；而且在低法向压力情况下，直剪试验得到的抗剪强度往往偏高。拉拔试验适合用于土工合成材料锚固部位附近界面抗剪强度特性试验，例如土工膜锚固端部以及加筋挡土墙筋材拔出等工况下界面抗剪强度特性研究，但无法模拟坝面上倾斜的界面力学性状。所以，传统的界面直剪和拉拔试验方法均无法反映坝面防渗体界面应力变形状态和相应的边界条件，且均无法考虑复合土工膜表面土工织物纤维蠕变效应而导致界面长期抗剪强度降低的影响。

斜板仪试验能够再现堆石坝面土工膜防渗体界面应力状态和变形破坏模式，适合用于坝面上土工膜防渗体界面抗剪强度特性试验。这种试验方法在我国相关测试规程中尚未列入，但在相关研究工作中已被采用。在本发明之前，题为“土工合成材料界面摩擦特性的室内剪切试验研究”(徐超等，岩土力学，2008年第29卷第5期)和“GCL与黏土接触面摩擦特性试验研究”(李雪宁等，施工技术，2011年第40卷第2期)的学术论文均研制了用于斜坡上土工合成材料界面抗剪强度特性试验的斜板仪。但这两种斜板仪无法满足坝面土工膜防渗体界面在不同工况和荷载条件下抗剪强度测试的需求，其不足主要表现在以下几个方面：

(1)仪器自动化程度较低，试样界面倾角变化靠手动旋转螺纹杆或手动液压千斤顶将斜板顶起并转动，手动操作会导致斜板的转速不均匀，易发生跳跃式的旋转，试验操作本身会影响试样的稳定性，也影响试验结果的可靠性；

(2)试样界面失稳的判断是靠人为观察试样发生滑动时通过侧面量角器读取斜板与水平面之间的角度来实现，这使得试验结果可靠性降低，也会因不同操作人员的反映速度差异而产生误差；

(3)只能测试单层界面的抗剪强度，但对于包含多层界面坝面土工膜防渗体，在不同法向压力和变形状态下，事前并不知道哪个界面会发生失稳，所以现有斜板仪无法测试坝面土工膜防渗体中多层界面的抗剪强度特性；

(4)只能测试界面的短期抗剪强度，无法测试考虑土工合成材料本身蠕变效应下的界面长期抗剪强度特性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有坝面土工膜防渗体界面抗剪强度试验技术的不足，提供了一种既能测试土工合成材料与接触材料界面短期抗剪强度特性，又能进行考虑土工织物表面纤维蠕变效应下界面长期抗剪强度和失稳破坏机理试验的多功能斜板仪。

本发明采用以下技术方案实现：

一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪，包括试验台、斜面控制机构、剪切盒装置、竖向加载机构和测控系统。斜面控制机构通过电机可使试验台的斜板匀速转动至任意倾角，通过液压千斤顶可使斜板固定在某一倾角。装有接触材料的剪切盒置于斜板表面凹形导轨上，上、下剪切盒间安装土工合成材料试样，通过斜板转动形成倾斜的多层剪切界面。竖向加载机构包括短期和长期加载装置，分别用于界面短期和长期特性试验。拉力传感器、位移计、控制及采集系统和计算机组成的测控系统对上、下剪切盒及试样的受力和位移进行实时监测，根据位移和拉力曲线突变点可确定界面失稳临界倾角，并通过受力分析计算出各界面抗剪强度及相应参数。

所述的试验台由底座和斜板组成，底座为型钢焊接而成的矩形结构，通过膨胀螺栓固定在地板上，其长度方向的端部安装有转轴；斜板为设有加强肋的“L”形钢板，斜板通过转轴与底座相连并可绕转轴自由转动。

所述的斜面控制机构包括龙门支架、步进电机、两根钢丝绳、两套液压千斤顶及相应的垫板和传力接头组成。龙门支架位于底座的上方并固定在其两侧，龙门支架底部安装两根斜撑以增加刚度，顶部安装一台步进电机，缠绕在电机上的两根钢丝绳下端连接在斜板的顶部。通过电机控制可在界面短期抗剪强度特性试验中使斜板保持匀速转动；通过连接在固定铰支座上的两套液压千斤顶可在界面长期抗剪强度特性试验中将斜板固定在预设倾角下。

所述的剪切盒装置由上、下剪切盒、法向加载板、滚珠及固定插销组成，上、下剪切盒均为不锈钢制作的矩形盒子，下剪切盒右侧壁加宽，保证发生剪切位移过程中剪切面积不变。下剪切盒底部安装有两排滚珠，通过滚珠可在斜板表面的凹形导轨内自由滑动。剪切盒内填筑试验用土石材料，土工合成材料试样安装在两盒之间，通过电机带动斜板转动实现一定倾角下的单层或多层倾斜剪切面。

所述的竖向加载机构包括短期和长期两套加载装置。短期加载装置主要在界面短期抗剪强度特性试验中通过固定在法向加载板上的矩形钢块来提供竖向荷载，根据需要施加的荷载大小(斜板仪主要进行低法向荷载下的试验，一般法向荷载小于50kPa)选择若干块矩形钢块并运用长螺杆直接锚固在法向加载板上。长期加载装置包括杠杆、圆盘形砝码、砝码托盘、竖向加载杆及转动铰支座。杠杆安装在龙门支架的横梁上，通过砝码可长期对任意倾角下的斜面施加恒定的竖向荷载。长期加载机构可以方便安装和拆卸，进行界面短期抗剪强度特性试验时可拆卸下来。

所述的测控系统由拉力传感器、位移计、控制及采集系统和计算机组成。两只拉力传感器固定在“L”形斜板的顶端，分别测试下剪切盒和土工合成材料试样受到的拉力；位移计安装在斜板底部，用来检测上剪切盒的位移。拉力及位移检测数据通过数据线传输至控制及采集系统，并通过软件界面实时显示在计算机上。步进电机的控制也由控制及采集系统来实现，系统可设置不同的转速来实现斜板的倾角，并通过计算实时显示不同时刻斜板的倾斜角度。根据测试得到的位移和拉力曲线突变点可确定界面失稳临界倾角，并通过受力分析计算出各界面抗剪强度及相应参数。

本发明的优点和效果在于：

(1)本发明设备既能进行斜坡上土工合成材料界面短期抗剪强度特性试验，又可进行考虑土工合成材料蠕变效应下的界面长期抗剪强度特性试验；

(2)短期界面抗剪强度特性试验采用电机控制斜板旋转，可根据需要设置旋转速率，使斜板带动剪切盒及测试界面保持匀速转动，试验控制自动程度高，可消除斜板转动对试样稳定性及试验结果的影响；

(3)界面长期抗剪强度特性试验采用杠杆配合砝码加载，方法简便，不受环境影响和时间限制，在进行长期加载试验中具有较高的可靠性和稳定性；

(4)采用传感器监测各部分试样位移和受力变化曲线的突变点来判断界面的失稳临界点，并同时在计算机上显示失稳临界点对应的界面倾斜角度，通过不同法向压力下的临界倾角即可确定界面抗剪强度参数。相对传统靠人为观察判断试样失稳和利用量角器读取界面倾斜角度的方法，试验结果精度和可靠性更高；

(5)本发明除了能像传统斜板仪一样进行单层界面抗剪强度测试外，在配合使用不同拉力传感器和位移计对试样各部分的受力和位移进行监测，可在一次试验中同时测试多个界面的抗剪强度，可进行多层界面抗剪强度特性试验研究。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

图1为多层界面短期抗剪强度特性试验模式下斜板仪正面示意图；

图2为多层界面长期抗剪强度特性试验模式下斜板仪正面示意图；

图3为单层界面抗剪强度特性试验中试样方式安装示意图。

图中：1、底座，2、斜板，3、转轴，4、龙门支架，5、斜撑，6、步进电机，7、钢丝绳，8、下剪切盒，9、上剪切盒，10、滚珠，11、凹形导轨，12、土工合成材料试样，13、法向加载板，14、矩形钢块，15、长螺杆，16、拉力传感器，17、位移传感器，18、控制采集系统，19、计算机，20、杠杆，21、砝码托盘，22、圆盘形砝码，23、液压千斤顶，24、垫块，25、传力接头，26、转动铰支座-Ⅰ，27、螺栓-Ⅰ，28、竖向加载杆，29、转动铰支座-II，30、螺栓-II，31、锚固件。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪，包括试验台、斜面控制机构、剪切盒装置、竖向加载机构和测控系统。试验台由底座1和斜板2组成，底座1为型钢焊接而成的矩形结构，通过膨胀螺栓固定在地板上，其长度方向的端部安装有转轴3；斜板2为设有加强肋的“L”形钢板，通过转轴3与底座1相连并可绕转轴3自由转动。斜面控制机构由龙门支架4、斜撑5、步进电机6、两根钢丝绳7、两套液压千斤顶23及相应的垫块24和传力接头25组成。龙门支架位于底座1的上方并固定在其两侧，龙门支架4底部安装四根斜撑5以增加刚度，顶部安装一台步进电机6，缠绕在步进电机6上的两根钢丝绳7下端连接在斜板2的顶部。在如图1所示的界面短期抗剪强度特性试验中，通过步进电机6控制可使斜板2保持匀速转动；在如图2所示的界面长期抗剪强度特性试验中，两套并排的液压千斤顶23通过固定铰支座-Ⅰ26和螺栓-Ⅰ27安装在地板上，配合垫块24和传力接头25使斜板2固定在预设的倾角下。剪切盒装置由下剪切盒8、上剪切盒9、法向加载板13及滚珠10组成，下剪切盒8和上剪切盒9均为不锈钢制作的矩形盒子。下剪切盒8底部安装有两排滚珠10，通过滚珠10可在斜板表面的凹形导轨11内自由滑动。下剪切盒8和上剪切盒9内填筑试验用土石材料，土工合成材料试样12安装在两盒之间，通过斜板2的转动实现一定倾角下的单层或多层剪切斜面。在进行单层界面抗剪强度特性试验时，采用锚固件31将土工合成材料试样12固定在下剪切盒9的侧面；在进行多层界面抗剪强度特性试验时，土工合成材料试样12不需要固定。竖向加载机构包括短期和长期两套加载装置。短期加载是通过固定在法向加载板13上的矩形钢块14来提供界面的竖向荷载，根据需要施加的荷载大小选择若干块矩形钢块14并运用长螺杆15直接锚固在法向加载板13上。长期加载机构包括杠杆20、砝码托盘21、圆盘形砝码22、竖向加载杆28及转动铰支座-II29。杠杆20安装在龙门支架4的横梁上，通过圆盘形砝码22可对任意倾角下的斜面施加恒定的长期竖向荷载。长期加载机构可以方便安装和拆卸，进行界面短期抗剪强度特性试验时可以拆卸下来。测控系统由拉力传感器16、位移计17、控制及采集系统18和计算机19组成。两只拉力传感器16固定在斜板2的顶端，分别监测下剪切盒9和土工合成材料试样12受到的拉力；位移计17安装在斜板2底部，用来监测上剪切盒8的位移。拉力及位移检测数据通过数据线传输至控制及采集系统18，并通过软件界面实时显示在计算机19上。步进电机6的控制也由控制及采集系统18中的控制模块来实现，可根据试验需要设置不同的转速来实现斜板2的倾角，并通过计算实时显示不同时刻斜板2的倾斜角度。根据测试得到的位移和拉力曲线突变点可确定界面失稳临界倾角，并通过受力分析计算出各界面抗剪强度及相应参数。

实施实例1：现以一个堆石坝面土工膜防渗体界面短期抗剪强度特性试验为例来说明多功能斜板仪短期测试模式下的的使用方法。界面短期抗剪强度特性试验步骤如下：

(1)斜板归零：通过控制及采集系统18控制步进电机6将斜板2倾角归零，呈水平置于底座1之上，并将下剪切盒8放置斜板表面的凹形导轨11上的预定位置；

(2)试样填筑及安装：在下剪切盒8内按相关要求分层填筑垫层材料，直至与下剪切盒8顶部齐平；将土工合成材料试样12置于下剪切盒8上表面，并展开平铺，如果测试单层界面抗剪强度特性，需如图3所示，采用锚固件31将土工合成材料试样12左端部固定在下剪切盒8左侧面上；安装好土工合成材料试样12后，将上剪切盒9置于土工合成材料试样12上部，并在上剪切盒9内按相关要求分层填筑保护层材料；安装时要求土工合成材料试样12与上剪切盒9、下剪切盒8边缘不接触；

(3)连接采集及控制系统：待试样完成固结过程后，将安装于斜板2顶部的两个拉力传感器16通过钢丝绳7分别与下剪切盒8和土工合成材料试样12相连；将安装于斜板2底部的位移计17与上剪切盒9的下侧面相接触；然后将拉力传感器16和位移计17和采集与控制系18统相连，保证采集通道畅通；

(4)施加竖向荷载：在上剪切盒9顶部放置法向加载板13，将三排长螺杆15插入法向加载板13表面的螺孔内，按照试验需要将一定数量设有圆孔的矩形钢14块穿过长螺杆15，并用螺帽拧紧固定；施加竖向荷载后，试样材料开始固结，固结时间可参考相关土工试验规程要求；

(5)试验运行：将采集的位移与拉力数据清零，然后按照预设的旋转速率控制步进电机6匀速转动，通过计算机19中的系统软件界面实时显示位移、拉力和斜板2倾角随时间变化曲线，并注意观察曲线的突变点和试样失稳状态，当界面发生失稳破坏后，停止试验，并保存数据；

(6)试验数据处理：通过整理试验结果得到的位移、拉力和斜板2倾角随时间变化曲线，分别找到上剪切盒9位移曲线、土工合成材料试样12拉力曲线和下剪切盒8所受拉力曲线的突变点对应时刻，并找出各突变点对应的斜板2倾角。其中，上剪切盒9位移曲线和土工合成材料试样12拉力曲线突变点对应的斜板2倾角为土工合成材料试样12上界面临界失稳倾角；下剪切盒9所受拉力曲线突变点对应的斜板2倾角为合成材料试样12下界面临界失稳倾角。通过三组以上不同法向压力下的试验结果，根据摩尔库仑准则即可建立各层界面的摩擦角和凝聚力的二元一次方程，通过三组方程联立求解，即可求得各界面的抗剪强度参数；

实施实例2：现以一个堆石坝面土工膜防渗体界面长期抗剪强度特性试验为例来说明多功能斜板仪用于长期测试模型下的使用方法。

考虑土工合成材料蠕变效应下界面长期抗剪强度特性试验方法概述：根据界面短期抗剪强度特性试验得到的各界面短期抗剪强度值，按照坝坡设计规范分别取F1、F2、F3…Fi等一组安全系数，将短期抗剪强度参数分别处以相应的安全系数后，得到折减后的α1、α2、α3…αi等一组稳定倾角；然后针对每一种稳定倾角进行长期荷载下的界面抗剪试验，测试各层界面在不同安全系数对应下的稳定倾角下是否因材料本身蠕变影响而发生失稳以及失稳所需时间。

(1)斜板归零：同界面短期抗剪强度特性试验步骤(1)；

(2)试样填筑及安装：同界面短期抗剪强度特性试验步骤(2)；

(3)连接采集及控制系统：同界面短期抗剪强度特性试验步骤(3)；

(4)长期加载装置组装：将杠杆20的左端部通过转轴安装在龙门支架4的横梁上，然后将竖向加载杆28及转动铰支座-II29安装在杠杆20相应位置，用两支螺栓-II30将其固定在法向加载板13上；并将砝码托盘21悬挂在杠杆20右侧端部。

(5)施加竖向长期荷载：先启动步进电机6旋转将斜板2转动至需要测试的稳定倾角αi；然后关闭步进电机6，将两个液压千斤顶23通过固定铰支座-Ⅰ26和螺栓-Ⅰ27并排安装在地板上，配合垫块24和传力接头25使斜板2固定在预设的稳定倾角αi下；按照试验需要将一定数量圆盘形砝码22放在砝码托盘21上施加竖向长期荷载，在竖向荷载沿斜面方向的分力作用下，各层界面将发生剪切作用，同时界面上的土工合成材料试样12表面的纤维也将发生蠕变作用，这种蠕变将使界面应力变形状态随时间发生变化，进而影响界面抗剪强度的变化。

(6)试验运行及数据采集：将采集的位移与拉力数据清零，通过计算机中19的系统软件界面实时显示位移、拉力和斜板2倾角随时间变化曲线，并注意观察曲线的突变点和试样界面变形状态；参考土工合成材料蠕变试验相关标准，在试验开始后100小时之内如果界面发生失稳破坏后，则停止试验，并保存数据；若100小时仍未发生破坏，则关闭计算机6，采用数据采集仪采集数据，以后每天观察一次试样界面变形及失稳状态，并记录下数据，直至试样失稳破坏或试验达1000小时。

(7)数据处理及试验结果：通过整理试验结果得到的位移、拉力和斜板2倾角随时间变化曲线，即可判断界面抗剪强度是否受材料蠕变效应影响而产生失稳，如发生失稳，说明界面在对应安全系数下的稳定性不满足要求，并可根据高分子蠕变理论预测期发生失稳所需时间及失稳概率。

Claims (1)

1.一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪，包括试验台、斜面控制机构、剪切盒装置、竖向加载机构和测控系统，其特征在于：

所述的试验台由底座和斜板组成，底座为型钢焊接而成的矩形结构，通过膨胀螺栓固定在地板上，其长度方向的端部安装有转轴；斜板为设有加强肋的 “L”形钢板，斜板通过转轴与底座相连；

所述的斜面控制机构包括龙门支架、步进电机、两根钢丝绳、两套液压千斤顶及相应的垫板和传力接头，龙门支架位于底座的上方并固定在其两侧，龙门支架底部安装两根斜撑以增加刚度，顶部安装一台步进电机，缠绕在电机上的两根钢丝绳下端连接在斜板的顶部；

所述的剪切盒装置由上、下剪切盒、法向加载板、滚珠及固定插销组成，上、下剪切盒均为不锈钢制作的矩形盒子，下剪切盒右侧壁加宽，下剪切盒底部安装有两排滚珠，通过滚珠在斜板表面的凹形导轨内自由滑动，剪切盒内填筑试验用土石材料，土工合成材料试样安装在两盒之间，通过电机带动斜板转动实现一定倾角下的单层或多层倾斜剪切面；

所述的竖向加载机构包括短期和长期两套加载装置，短期加载装置主要在界面短期抗剪强度特性试验中通过固定在法向加载板上的矩形钢块来提供竖向荷载，根据需要施加的荷载大小选择若干块矩形钢块并运用长螺杆直接锚固在法向加载板上；长期加载装置包括杠杆、圆盘形砝码、砝码托盘、竖向加载杆及转动铰支座，杠杆安装在龙门支架的横梁上，通过砝码可长期对任意倾角下的斜面施加恒定的竖向荷载；

所述的测控系统由拉力传感器、位移计、控制及采集系统和计算机组成，两只拉力传感器固定在“L”形斜板的顶端，位移计安装在斜板底部。