CN114894606B - 一种土工合成材料蠕变性能的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土工合成材料蠕变性能的测试装置，其包括：壳体、测试箱、竖向加载装置、水平加载装置、夹具和控制系统；测试箱包括一对可调节侧壁，可调节侧壁上设有高度可调节的测试口；水平加载装置通过支撑架安装于所述试验台上，水平加载装置与支撑架之间设有高度调节机构，高度调节机构用于调节所述水平加载装置的高度，使水平加载装置与所述测试口的高度保持一致。本发明还提供了一种基于上述土工合成材料蠕变性能的测试装置的测试方法，该方法通过调节测试口及水平加载装置的位置，实现对于不同土壤深度条件下土工合成材料蠕变性能的模拟测试，进而获取更加精确可靠的蠕变性能数据，对加筋土的结构安全具有重要的指导意义。

Description

一种土工合成材料蠕变性能的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于土工合成材料性能试验技术领域，具体涉及一种土工合成材料蠕变性能的测试装置，还涉及一种土工合成材料蠕变性能的测试方法。

背景技术

土工合成材料是一种土木工程材料，它是以人工合成的聚合物(如塑料、化纤、合成橡胶)为原材料制成不同类型的产品，将其放在土体的内部或表面以发挥加强或保护土体的作用。土工合成材料的蠕变是在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。当土工合成材料置于土体中时，其受到土体的长期负荷，会形成拉伸状态，上述现象的长期积累会对土体的稳定性产生影响。土工合成材料的蠕变会导致加筋土结构内部应力的改变，进而影响加筋土结构的长期稳定性，使加筋土失稳或产生过大的变形。因此，预测土工合成材料的长期蠕变对加筋土结构的安全非常重要。

现阶段，研究人员开发了一些土工合成材料蠕变性能的测试装置，以实现对于土工材料的蠕变性能的模拟测试，然而这样的装置都存在一些问题，包括：(1)上下设置的夹具会受到重力的影响，导致测量结果不准确；(2)砝码加载无法满足材料受力均匀的要求；(3)设备测试耗时长、工作量大、位移速度调节不易控制等。上述问题的存在导致蠕变性能测试结果与实际情况具有较大的偏差，无法获取精确、可靠的蠕变性能测试数据。

申请号为201710639007.1的中国专利公开了一种测试土工合成材料蠕变性能的试验平台，该装置先在测试箱内填充土壤，再将待测试土工材料置于土壤之中，以实现对于土壤约束/侧限情况下蠕变性能的测试。该装置通过对真实环境的模拟，使测试结果更加贴近真实情况，提高了测试的精确度。

然而，上述装置只是在采用固定形态的测试箱、填装固定量的土壤的前提下进行的测试，只能局限性的获得某一固定条件下土工材料的蠕变性能，并不具备广泛的适用性。此外，更多的研究表明，土工合成材料在土壤中不同的深度条件下有不同的加筋效果，且土工合成材料会受到的力不同，产生不同的蠕变现象，因此测量土工合成材料在不同深度的土壤条件下蠕变性能具有重要的意义。

基于此，如何对现有的土工合成材料蠕变性能测试装置进行改进，使其能够测试不同土壤深度条件下土工材料蠕变性能的测试，以获得更加精确可靠的蠕变性能数据，对于加筋土的结构安全评定与稳定性分析具有重要的指导意义，是亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够测试对于不同土壤深度条件下，土工合成材料蠕变性能进行测试的装置。

本发明的目的之二在于提供一种模拟对于不同土壤深度条件下，土工合成材料蠕变性能的测试方法。

本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种土工合成材料蠕变性能的测试装置，其包括：壳体、测试箱、竖向加载装置、水平加载装置、夹具、温控组件和控制系统；

所述测试箱设置于壳体底部的试验台上；所述测试箱包括一对固定侧壁和一对可调节侧壁，所述可调节侧壁上设有高度可调节的测试口；

所述竖向加载装置位于所述测试箱上方，其固定端安装于壳体顶部的横向框架上；所述竖向加载装置的活动端用于对测试箱内土壤施加竖向压力；

所述水平加载装置位于所述测试箱的一对可调节侧壁的两侧，其通过支撑架安装于所述试验台上；所述水平加载装置的活动端连接夹具，所述夹具设有用于夹持土工合成材料样品的夹爪；

所述水平加载装置与支撑架之间设有高度调节机构；所述高度调节机构用于调节所述水平加载装置的高度，使水平加载装置与所述测试口高度保持一致；

所述控制系统包括电源、位移传感器、拉力传感器、温度调节器、显示屏和控制面板。

在上述技术方案的基础上，所述测试箱的可调节侧壁包括调节框架、顶部固定板、底部固定板和若干滑动板；

所述调节框架的两侧开设有供所述滑动板移动的滑轨；通过移动所述滑动板，使相邻的滑动板之间、滑动板与顶部固定板之间或滑动板与底部固定板之间形成所述测试口。

在上述技术方案的基础上，所述测试口位于所述测试箱高度的1/4～3/4处。

在上述技术方案的基础上，所述测试箱的固定侧壁采用高强度透明材料制成，所述固定侧壁与可调节侧壁相邻的边缘处设置有标尺。

在上述技术方案的基础上，所述竖向加载装置为液压伺服加载装置，其包括位于活动端底部的加载板，所述加载板用于对测试箱内土壤施加竖向压力。

在上述技术方案的基础上，所述水平加载装置包括水平液压伺服装置，所述水平加载装置用于对土工合成材料样品提供预加载拉力，所述水平加载装置提供的拉力速率为0.1～50mm/min。

在上述技术方案的基础上，所述高度调节机构为电动伺服伸缩杆，其固定端安装于所述支撑架的顶板上，其活动端连接所述水平加载装置。

在上述技术方案的基础上，所述温控组件包括罩设于所述测试箱外部的温控箱，所述温控箱内温度调节范围为-20～99℃。

本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种基于本发明目的之一所述的土工合成材料蠕变性能的测试方法，包括以下步骤：

S1、调节一对可调节侧壁上测试口的位置和水平加载装置的高度，使两者处于同一水平线上；

S2、铺设第一层土壤与水平加载装置齐平；

S3、将土工合成材料样品横向放置于填满土壤的测试箱内，利用夹具的夹爪将土工合成材料样品的两端夹持住；

S4、铺设第二层土壤与固定侧壁的顶部齐平；

S5、调节温控组件设置测试温度，启动竖向加载装置，对测试箱内的土壤施加预设压力；

S6、每隔一定时间进行一次数据采集，直至达到试验所需的时间，结束试验。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S5之前，还包括以下步骤：利用水平加载装置对所述土工合成材料样品施加预加载拉力，使其产生1％的抗拉强度预载，通过拉力传感器记录拉力值，通过位移传感器记录相应位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的一种土工合成材料蠕变性能的测试装置，该装置的测试箱包括一对固定侧壁和一对可调节侧壁，可调节侧壁上设有高度可调节的测试口。设置于一对可调节侧壁两侧的水平加载装置通过高度调节机构与支撑架相连接，通过控制高度调节机构能够实现水平加载装置的竖向高度的调节，使水平加载装置与测试口高度保持一致，再根据测试口的位置放置土工合成材料样品并填充不同量的土壤，进而实现对于不同土壤深度条件下，土工合成材料蠕变性能的测试。

(2)本发明提供的一种土工合成材料蠕变性能的测试方法，利用带有高度可调节的测试口的测试箱，配合高度可调节的水平加载装置，实现了土工合成材料在测试箱中放置位置的调节，更加真实的模拟了土工合成材料在不同土壤深度下的拉伸蠕变或者拉伸蠕变断裂，为进一步探究土工合成材料的蠕变性能提供了有效的途径。此外，通过将多组不同深度条件下土工合成材料蠕变性能数据进行比对，能够找出土工合成材料最适合的土壤深度条件，对实际工程中土壤加筋操作具有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的土工合成材料蠕变性能的测试装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的测试箱的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的测试箱的俯视图；

图4为本发明实施例提供的固定侧壁的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的夹具的夹爪的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的支撑架的侧视图。

其中，1-壳体；11-试验台；12-支撑架；2-测试箱；21-固定侧壁；212-标尺；22-可调节侧壁；221-调节框架；222-顶部固定板；223-底部固定板；224-滑动板；23-测试口；3-竖向加载装置；31-加载板；4-水平加载装置；41-高度调节机构；5-夹具；51-夹爪；6-温控组件；61-温控箱。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1

请参见图1，本实施例提供了一种土工合成材料蠕变性能的测试装置，该测试装置包括：壳体1、测试箱2、竖向加载装置3、水平加载装置4、夹具5、温控组件6和控制系统；

所述测试箱2设置于壳体1底部的试验台11上，测试箱2包括一对固定侧壁21和一对可调节侧壁22，所述可调节侧壁22上设有高度可调节的测试口23；所述竖向加载装置3位于所述测试箱2上方，其固定端安装于壳体1顶部的横向框架上，其活动端用于对测试箱2内土壤施加竖向压力；所述水平加载装置4位于所述测试箱2的一对可调节侧壁22的两侧，其通过支撑架12安装于所述试验台11上；所述水平加载装置4的活动端连接夹具5，所述夹具5设有用于夹持土工合成材料样品的夹爪51；所述水平加载装置4与支撑架12之间还设有高度调节机构41；所述高度调节机构41用于调节所述水平加载装置4的高度，使水平加载装置4与所述测试口23的高度保持一致。

所述控制系统包括电源、位移传感器、拉力传感器、温度调节器、显示屏和控制面板。在本实施例中，位移传感器和拉力传感器分别设置于水平加载装置4靠近支撑架12的位置的两侧。其中，拉力传感器用来测量加载在土工合成材料上的拉力，位移传感器是用来测量土工合成材料的伸长量。温度调节器用于调节温控组件6的测试温度，控制面板是用来调节水平和竖直的拉力和压力。控制系统的工控机信号输出端连接显示屏，显示屏显示竖向加载压力、水平加载拉力以及土工合成材料的伸长量。

本实施例提供的土工合成材料蠕变性能的测试装置，测试口23及水平加载装置4的高度均为可调节的形式，试验人员能够根据土工合成材料样品测试需求，调节测试口23的开口所在位置以及水平加载装置4的高度位置确定土工合成材料样品的放置位置，并进行其下方及上方土壤的填装，进而实现将土工合成材料放置于测试盒不同高度的土壤环境中并进行模拟测试的目的。上述测试装置可以模拟土工合成材料在不同土壤深度下的蠕变动态，对比过去的试验装置，采用此装置的试验结果更贴近实际的工程情况。

请参见图2和图3，本实施例的测试箱2呈长方体结构，其顶部开放，底部封闭，四周设有侧壁，其与水平加载装置4相邻的侧壁为可调节侧壁22。所述可调节侧壁22包括调节框架221、顶部固定板222、底部固定板223和若干滑动板224；所述调节框架221的两侧开设有供所述滑动板224移动的滑轨；通过移动所述滑动板224，使相邻的滑动板224之间、滑动板224与顶部固定板222之间或滑动板224与底部固定板223之间形成所述测试口23。

在本实施例中，顶部固定板222与底部固定板223之间的距离为测试口23开口的可调节范围。优选地，所述测试口23位于所述测试箱2高度的1/4～3/4处，通过调节滑动板224的位置(包括将上部滑动板224向下移动、下部滑动板224向上移动或同时移动上部及下部的滑动板224)，即可实现测试口23的高度位置及开口大小的调节。进一步的，调节框架221设有滑轨，每个滑动板224通过滑块与所述滑轨滑动连接，每个所述滑块上设有锁紧按钮，用于对滑动板224的位置进行锁定。

具体地，滑动板224的数量及尺寸可以根据实际测试需求而灵活设置。在本实施例中，顶部固定板222、底部固定板223和滑动板224的尺寸相同，调节框架221的两侧分别设有两道滑轨，每道滑轨上下各设有一块滑动板224(即总共四块滑动板)。位于内侧的一对滑动板224主要用于调节测试口23的高度位置及开口大小，而位于外侧的一对滑动板224起到辅助支撑作用，将其移动至固定板与滑动板224连接处的外侧，能够对测试箱2起到加固作用，进而维持测试箱2测试过程中的整体稳定性。

请参见图4，所述测试箱2的固定侧壁21采用高强度透明材料制成，所述固定侧壁21与可调节侧壁22相邻的边缘处设置有刻度212。在本实施例中，所述固定侧壁21由钢化玻璃制成，便于测试人员从壳体1外部对试验进行观测。固定侧壁21的边缘设有标尺212，标尺212带有刻度用于对测试口23所在位置进行标记，便于滑动板224高度的调节，控制测试口23的开设位置，进而提高模拟测试的精确度。

在本实施例中，测试盒的高度为400mm，顶部固定板222、底部固定板223以及四块滑动板224的长度均为100mm，厚度为10mm，标尺212的刻度范围为测试盒高度的1/4～3/4。在一些其他的实施方式中，也可以根据测试的土壤深度及土工合成材料的规格，对上述尺寸进行调整。

进一步的，所述竖向加载装置3采用液压伺服加载装置，其包括位于活动端底部的加载板31，所述加载板31用于伸入测试箱2对测试箱2内土壤施加竖向压力，并将测试箱2内的土体压实。加载板31的尺寸略小于测试箱2顶部开口的大小，以确保载荷加载均匀。

所述水平加载装置4包括水平液压伺服装置，所述水平加载装置4用于对土工合成材料样品提供预加载拉力，所述水平加载装置4提供的拉力速率为0.1～50mm/min。

请参见图5，所述夹具5包括一对夹爪51，夹爪51设有上夹板和下夹板，上夹板和下夹板的接触面呈锯齿状咬合，确保对样品的稳定夹持。夹爪51还配有调节件，用于对上夹板和下夹板间距进行调节，以适应对不同厚度的样品的测试需求。

请参见图6，支撑架12固定于试验台11上，高度调节机构41采用电动伺服伸缩杆，电动伺服伸缩杆的固定端与支撑架12的顶部固定连接，电动伺服伸缩杆的活动端连接水平加载装置4。通过控制电动伺服伸缩杆的活动端伸出的长度，实现对于水平加载装置4高度位置的调节，进而使与水平加载装置4相连的夹具5与测试口23内的样品高度保持一致(基本处于同一水平线上)。

在本实施例中，所述测试装置还设有温控组件6，温控组件6包括罩设于测试盒外的温控箱61，所述温控箱61内的温度调节范围为-20～90℃。通过调节温控箱61内的温度，对测试箱2内的土壤及土工合成材料进行不同的温度条件下进行蠕变性能的模拟测试，使试验条件更加接近于现实应用的场景。优选地，温控箱61采用透明材质制成，便于对其内部试验情况进行观察。

进一步的，为了保证计时的精确度和及时性，本实施例的测试装置的控制系统还包括计时装置，该计时装置与控制系统相连，可以连续记录或按规定的时间间隔记录试样的伸长，以及试样发生断裂时的时间，不再需要专人记录，减轻试验操作人员的工作负担。本实施例的测试装置还可以设置停电保护装置以及紧急停止装置，以应对试验过程中的突发情况，确保试验安全。

实施例2

本实施例提供了一种基于实施例1中土工合成材料蠕变性能的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S1、调节一对可调节侧壁22上测试口23的位置和水平加载装置4的高度，使两者处于同一水平线上；

S2、铺设第一层土壤与水平加载装置4齐平；

S3、将土工合成材料样品横向放置于填满土壤的测试箱2内，利用夹具5的夹爪51将土工合成材料样品的两端夹持住；

S4、铺设第二层土壤与固定侧壁21的顶部齐平；

S5、调节温控组件6设置测试温度，启动竖向加载装置3，对测试箱2内的土壤施加预设压力；

S6、每隔一定时间进行一次数据采集，直至达到试验所需的时间，结束试验。

进一步的，所述步骤S5之前，还包括以下步骤：利用水平加载装置4对所述土工合成材料样品施加预加载拉力，使其产生1％的抗拉强度预载，通过拉力传感器记录拉力值，通过位移传感器记录相应位移。

在上述操作中，通过利用水平加载装置4进行预加载，使土工合成材料产生约1％抗拉强度的预载，并通过拉力传感器记录拉力值，通过位移传感器记录相应位移，从而启动试验，能够确保试件各部分接触良好，使载荷与变形关系趋于稳定，提高测试结果的准确度，并确保试验顺利进行。

在本实施例中，水平加载装置4精确到±1％，可以调节速率为0.1～50mm/min。施加水平方向的预载后，垂直压力逐渐增加，直到大约1分钟后达到目标值。加载过程完成后利用位移传感器连续收集土工合成材料的位移数据，按照规定的测试时间持续测试，并每隔1分钟自动采集并记录相关数据一次，直至试验结束。

由于本实施例采用的土工合成材料蠕变性能的测试装置具有测试口23高度可调节的特性，在具体试验中，可以将同一批次的土工合成材料样品放置于土壤不同高度分别进行蠕变性能测试。例如，可以分别在固定侧壁21刻度为1/4、1/3、1/2、2/3和3/4的位置放置土工合成材料测试蠕变性能数据，再将五组数据进行比对，也可以按模拟试验比例计算真实土壤环境下的蠕变性能数据，进而获得该土工合成材料在不同土壤深度条件下的蠕变性能变化曲线。

进一步的，在每一次试验完毕后，对水平加载装置4和夹具5进行水平状态调节，以实现进一步减小了试验误差，提高试验测试精度的效果。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种土工合成材料蠕变性能的测试装置，其特征在于，其包括：壳体（1）、测试箱（2）、竖向加载装置（3）、水平加载装置（4）、夹具（5）、温控组件（6）和控制系统；

所述测试箱（2）设置于壳体（1）底部的试验台（11）上；所述测试箱（2）包括一对固定侧壁（21）和一对可调节侧壁（22），所述可调节侧壁（22）上设有高度可调节的测试口（23）；

所述竖向加载装置（3）位于所述测试箱（2）上方，其固定端安装于壳体（1）顶部的横向框架上；所述竖向加载装置（3）的活动端用于对测试箱（2）内土壤施加竖向压力；

所述水平加载装置（4）位于所述测试箱（2）的一对可调节侧壁（22）的两侧，其通过支撑架（12）安装于所述试验台（11）上；所述水平加载装置（4）的活动端连接夹具（5），所述夹具（5）设有用于夹持土工合成材料样品的夹爪（51）；

所述水平加载装置（4）与支撑架（12）之间设有高度调节机构（41）；所述高度调节机构（41）用于调节所述水平加载装置（4）的高度，使水平加载装置（4）与所述测试口（23）高度保持一致；

所述控制系统包括电源、位移传感器、拉力传感器、温度调节器、显示屏和控制面板；

所述测试箱（2）的可调节侧壁（22）包括调节框架（221）、顶部固定板（222）、底部固定板（223）和若干滑动板（224）；

所述调节框架（221）的两侧开设有供所述滑动板（224）移动的滑轨；通过移动所述滑动板（224），使相邻的滑动板（224）之间、滑动板（224）与顶部固定板（222）之间或滑动板（224）与底部固定板（223）之间形成所述测试口（23）。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述测试口（23）位于所述测试箱（2）高度的1/4~3/4处。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述测试箱（2）的固定侧壁（21）采用高强度透明材料制成，所述固定侧壁（21）与可调节侧壁（22）相邻的边缘处设置有标尺（212）。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述竖向加载装置（3）为液压伺服加载装置，其包括位于活动端底部的加载板（31），所述加载板（31）用于对测试箱（2）内土壤施加竖向压力。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述水平加载装置（4）包括水平液压伺服装置，所述水平加载装置（4）用于对土工合成材料样品提供预加载拉力，所述水平加载装置（4）提供的拉力速率为0.1~50mm/min。

6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述高度调节机构（41）为电动伺服伸缩杆，其固定端安装于所述支撑架（12）的顶板上，其活动端连接所述水平加载装置（4）。

7.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述温控组件（6）包括罩设于所述测试箱（2）外部的温控箱（61），所述温控箱（61）内温度调节范围为-20~99℃。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的土工合成材料蠕变性能的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、调节一对可调节侧壁（22）上测试口（23）的位置和水平加载装置（4）的高度，使两者处于同一水平线上；

S2、铺设第一层土壤与水平加载装置（4）齐平；

S3、将土工合成材料样品横向放置于填满土壤的测试箱（2）内，利用夹具（5）的夹爪（51）将土工合成材料样品的两端夹持住；

S4、铺设第二层土壤与固定侧壁（21）的顶部齐平；

S5、调节温控组件（6）设置测试温度，启动竖向加载装置（3），对测试箱（2）内的土壤施加预设压力；

S6、每隔一定时间进行一次数据采集，直至达到试验所需的时间，结束试验。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：所述步骤S5之前，还包括以下步骤：利用水平加载装置（4）对所述土工合成材料样品施加预加载拉力，使其产生1%的抗拉强度预载，通过拉力传感器记录拉力值，通过位移传感器记录相应位移。