CN110031337B - 路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置及测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置及测定方法,该装置包括水平设置的底板,底板上设有剪切旋转盘,剪切旋转盘包括筒型的内填料腔,内填料腔的外部设有圆环形的外填料腔,内填料腔的底部中心通过转轴与回转驱动装置的输出端连接,内填料腔与外填料腔的相对转动面上设有圆环形的土工加筋,内填料腔与底板之间自由滚动连接,内填料腔的中心设有圆柱形的充气压力装置,内填料腔、外填料腔的盖板上方均设有压紧装置,内填料腔、外填料的盖板分别与对应压紧装置之间自由滚动连接。本发明中路基填料与土工加筋界面的接触面积在剪切过程中始终不变,且界面法向应力稳定,界面力学特性指标的测定结果准确、可靠。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域,涉及一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置及测定方法。
背景技术
随着我国铁路、公路工程基础设施的不断推进,特别是高铁运输事业的蓬勃发展,其工程建设过程中的路基防护对道路运输的安全运营至关重要,当采用土工加筋类材料发挥其与路基填料间的摩擦加筋原理以加固路基时,土工结构物加固综合体的力学性能是工程设计中的核心问题,而路基填料与土工加筋的接触界面在一定应力条件下剪切强度的科学、准确测量则是工程应用时亟需解决的基本问题。
现有关于填料与土工加筋界面力学特性测定装置及测定方法主要存在如下几点缺陷:(1)常规的上下分离式路基填料与土工加筋界面剪切强度测定时,接触面积在不断的减少,所测得剪切强度较实际情况偏保守;(2)一般的剪切盒测定装置主要是基于杠杆式加载作用竖向应力设定界面法向应力状态,其大小随着剪切面积的变化而不稳定且难以控制。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,路基填料与土工加筋界面的接触面积在剪切过程中始终不变,且界面法向应力稳定,界面力学特性指标的测定结果准确、可靠,解决了现有技术中存在的问题。
本发明的另一目的是,提供一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定方法。
本发明所采用的技术方案是,一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,包括水平设置的底板,底板上设有剪切旋转盘,剪切旋转盘包括筒型的内填料腔,内填料腔的外部设有圆环形的外填料腔,内填料腔与外填料腔能够相对转动,内填料腔的底部中心通过转轴与回转驱动装置的输出端连接,内填料腔与外填料腔的相对转动面上设有圆环形的土工加筋,内填料腔与底板之间自由滚动连接,内填料腔的中心设有圆柱形的充气压力装置,内填料腔、外填料腔、土工加筋、充气压力装置同轴线且高度相同;内填料腔、外填料腔的盖板上方均设有压紧装置,内填料腔、外填料的盖板分别与对应压紧装置之间自由滚动连接。
进一步的,所述底板的中心设有圆形凹槽,圆形凹槽内设有旋转托盘,旋转托盘与圆形凹槽之间设有滚动体,旋转托盘与内填料腔同轴、且可拆卸连接,旋转托盘的中心设有转轴,转轴通过轴承与底板连接,转轴的下端穿过轴承的轴承套口、并与回转驱动装置的输出端卡扣连接,转轴的下端嵌固于轴承套口内部。
进一步的,所述旋转托盘的底部设有第一滚痕凹槽,第一滚痕凹槽内滚动连接有滚珠。
进一步的,所述压紧装置包括上面板,上面板水平设置于底板的上方,底板与上面板之间设有多个用于支撑的侧支架杆,侧支架杆与底板相互垂直,侧支架杆通过第二定位螺钉与上面板连接,底板的底部设有底座;内填料腔的上端口设有内环盖板,外填料腔的上端口设有外环盖板,内环盖板的上方设有底面板,底面板与内环盖板的形状、尺寸相匹配,内环盖板与底面板之间设有滚动体;外环盖板的上方设有压板,外环盖板与压板之间设有滚动体,压板通过第一定位螺钉与侧支架杆连接,底面板通过竖直的中心支架杆与上面板连接,中心支架杆通过紧固螺钉与上面板连接;侧支架杆、中心支架杆的表面均设有螺纹。
进一步的,所述内环盖板的上表面设有环形的第二滚痕凹槽,外环盖板的上表面设有环形的第三滚痕凹槽,第二滚痕凹槽、第三滚痕凹槽内均滚动连接有滚珠。
进一步的,所述底面板的顶部中间与中心支架杆通过螺纹孔拧固连接,螺纹孔的边缘设有向上突出的高翼缘。
进一步的,所述充气压力装置的中间设有空心腔体,转轴伸入空心腔体内。
进一步的,所述充气压力装置为充气压力囊袋,充气压力囊袋上设有加压空气阀接口,充气压力囊袋采用橡胶材质。
进一步的,所述回转驱动装置为步进电机。
一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置的测定方法,具体按照以下步骤进行:
S1,调试底板的水平度,调节压紧装置保证向剪切旋转盘竖直施压;
S2,在剪切旋转盘内壁和底面均匀涂抹润滑层,分层填筑路基填料,填筑厚度为剪切旋转盘高度的1/5-1/6时,将圆环形的土工加筋竖向***路基填料,土工加筋置于内填料腔与外填料腔的相对转动面上,对充气压力装置施加预定压力值,拉毛填料表面后采用分层控制干密度方法一次性填筑填料至剪切旋转盘顶面;
S3,向充气压力装置内充气加压,压实填料直至接近剪切旋转盘端口,盖上内环盖板、外环盖板,将内填料腔安装在旋转托盘上,定位,调节压紧装置分别压在内填料腔、外填料腔的盖板上,内填料腔、外填料的盖板分别与对应压紧装置之间自由滚动连接;
S4,设定回转驱动装置的转动速率并启动,内填料腔相对外填料腔转动,模拟路基填料与土工加筋的界面剪切;
S5,获得设定转动速率下充气压力装置的气压值,路基填料层和土工加筋的界面剪应力根据回转驱动装置的转动速率确定;以充气压力装置的气压值为横坐标、界面剪应力为纵坐标做规律曲线,拟合两者之间的线性关系,得到路基填料层与土工加筋的界面力学特性指标。
本发明的有益效果是,具有以下优点:
1.本发明基于旋转圆柱面剪切方式,能保证路基填料与土工加筋的界面始终接触作用,接触面积保持不变,克服了常规上下分离式剪切盒在剪切过程接触面不断减少,导致测定结果不准确的缺陷。常规直剪法测定路基填料与土工加筋界面力学特性的过程中,其剪切面是固定的但是剪切接触面积会随着剪切过程而不断减小,这样导致测试结果与实际不符,测试中选取标准面积的加筋材料试样,比填土的实际基础面积小很多,在加筋材料行业中实际的接触面越大,测得的结果越接近实际值。与常规直剪法相比,本发明采用旋转圆柱面剪切方式,使得路基填料与土工加筋接触面积大,能更优越、直观的反映土工加筋与填料接触界面的摩擦、嵌挤力学作用,提高路基填料与土工加筋界面力学特性指标的准确性。
2.本发明剪切旋转盘内部轴心位置的圆柱形的充气压力装置能够实现径向压力施加,在剪切全过程稳定实施接触面法向压力,保证界面法向应力稳定,克服了常规错动式随剪切面积减少接触面应力作用发生变化的缺陷。
3.本发明的旋转面测定方法为路基填料与土工加筋相互作用定量指标的研究与判断提供一种新思维,且全套组件为装配式***,可实现局部零件更换,
4.本发明测定过程简单快捷,测定结果准确、可靠,能够得到准确的路基填料与土工加筋界面力学特性指标,为加筋结构设计计算中关键筋土界面力学参数的确定提供依据,为***的安全评价分析提供科学依据,具有较高的实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中剪切旋转盘的结构示意图。
图3是本发明实施例中底板的结构示意图。
图4是本发明实施例中底板的俯视图。
图5是本发明实施例中外环盖板、内环盖板的结构示意图。
图6是本发明实施例中侧支架杆的固定方式示意图。
图中,1.剪切旋转盘,2.底板,3.中心支架杆,4.步进电机,5.底座,6.上面板,7.紧固螺钉,8.底面板,9.压板,10.侧支架杆,11.土工加筋,12.转轴,13.滚珠,14.外环盖板,15.内环盖板,16.路基填料层,17.充气压力囊袋,18.轴承,19.轴承套口,20.旋转托盘,21.圆形凹槽,22.第一滚痕凹槽,23.锚接开孔,24.第二滚痕凹槽,25.第三滚痕凹槽,26.第一定位螺钉,27.第二定位螺钉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中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做出创造性劳动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。
本发明测定装置的结构,如图1-2所示,包括水平设置的底板2,底板2上设有剪切旋转盘1,剪切旋转盘1包括筒型的内填料腔,内填料腔的外部设有圆环形的外填料腔,内填料腔与外填料腔能够相对转动,内填料腔的底部中心通过转轴12与步进电机4的输出端连接,内填料腔与外填料腔的相对转动面上设有圆环形的土工加筋11,内填料腔与底板2之间为自由滚动连接,内填料腔的中心设有圆柱形的充气压力装置,充气压力装置通过充气压力对内填料腔内的路基填料施压,且压力值可测,保证界面法向应力稳定;本实施例中充气压力装置采用充气压力囊袋17,内填料腔、外填料腔、土工加筋11、充气压力囊袋17同轴线且高度相同;内填料腔、外填料腔的盖板上方均设有压紧装置,内填料腔、外填料的盖板分别与对应压紧装置之间自由滚动连接。
压紧装置包括上面板6,上面板6水平设置于底板2的上方,底板2与上面板6之间设有多个用于支撑的侧支架杆10,侧支架杆10与底板2相互垂直,底板2的底部设有底座5,用于支撑整个装置;内填料腔的上端口设有内环盖板15,外填料腔的上端口设有外环盖板14,内环盖板15的上方设有底面板8,底面板8与内环盖板15的形状、尺寸相匹配,内环盖板15与底面板8之间设有滚动体,外环盖板14的上方设有压板9,外环盖板14与压板9之间设有滚动体,底面板8通过竖直的中心支架杆3与上面板6连接,中心支架杆3通过紧固螺钉7与上面板6连接;底面板8的上部中间与中心支架杆3通过螺纹孔拧固连接,螺纹孔的边缘设有向上突出的高翼缘,高翼缘的高度为4cm,起到对底面板8的压固作用,以使剪切旋转盘1在转动时不致松动。
如图6所示,侧支架杆10、中心支架杆3的表面均设有螺纹,侧支架杆10通过第二定位螺钉27与上面板6连接,压板9通过第一定位螺钉26与侧支架杆10连接,以压住底面板8,但不致影响剪切过程的定速旋转;压板9通过第一定位螺钉26定位,底面板8通过紧固螺钉7定位,压板9压住外环盖板14,底面板8压住内环盖板15,对剪切旋转盘1内的路基填料层16与竖向布设的土工加筋11施加竖向表面约束,当启动步进电机4进行剪切试验时不致引起试样***或滑脱。
底板2的结构,如图3-4所示,底板2的中心设有圆形凹槽21,圆形凹槽21内设有旋转托盘20,旋转托盘20与圆形凹槽21之间设有滚动体,具体的,旋转托盘20的底部设有第一滚痕凹槽22,第一滚痕凹槽22内滚动连接有滚珠13;旋转托盘20与内填料腔同轴、且可拆卸连接,旋转托盘20的中心设有转轴12,转轴12通过轴承18与底板2连接,转轴12的下端穿过轴承18的轴承套口19、并与步进电机4的输出端卡扣连接,转轴12下端嵌固于轴承套口19内部,转轴12绕轴承18的外套环可以极低阻力转动;底板2上设有锚接开孔23,侧支架杆10的下端穿过锚接开孔23并与底板2连接。
内环盖板15、外环盖板14的结构,如图5所示,内环盖板15的上表面设有环形的第二滚痕凹槽24,外环盖板14的上表面设有环形的第三滚痕凹槽25,第二滚痕凹槽24、第三滚痕凹槽25内均滚动连接有滚珠13,实现内环盖板15与底面板8之间自由滚动连接,外环盖板14与压板9之间自由滚动连接,以利于随剪切旋转盘1转动;外环盖板14顶部的滚珠13承接压板9的压力并垂直作用到外环盖板14上从而传递给外填料腔的路堤填料,以使剪切旋转盘1中的路基填料整体达到均匀的受力状态,并且保持填筑的初始状态,以便于剪切试验的实施。
其中,外填料腔的底部与底板2之间没有设置滚珠13,避免外填料腔随内填料腔而转动;填筑路基填料层16时,外环盖板14需要打开,填筑完成后盖上外环盖板14需要通过滚珠13传递压板9至外填料腔的压力,同时需要减小压板9与外环盖板14之间的摩阻力;压板9与外环盖板14之间的摩阻力会使得扭转力就会偏大,即过分估计实际加筋材料与填料的界面作用,得到的强度指标偏高。因而外环盖板14与压板9之间自由滚动连接,本实施例中在压板9与外环盖板14之间设有滚珠13。
充气压力囊袋17上设有加压空气阀接口,充气压力囊袋17采用橡胶材质,充气囊袋17的中间设有空心腔体,转轴12伸入空心腔体内,对充气压力囊袋17充气加压后,利用转轴12限定充气压力囊袋17的位置,能准确的对路基填料层16施加水平向的压力,提高界面法向应力的稳定性。
外填料腔的直径为50cm,内填料腔的直径为29.8cm,充气压力囊袋17的直径为15cm,内填料腔、外填料腔、土工加筋11、充气压力囊袋17的高度均为30cm;内填料腔、外填料腔的侧壁厚度为1cm;内环盖板15为直径29.8cm、厚度1cm的不锈钢圆板,外环盖板14为直径为50cm、宽度10cm的不锈圆环钢板。
第一滚痕凹槽22距旋转托盘20的底部边沿5cm,第二滚痕凹槽24距内环盖板15的边沿5cm,第三滚痕凹槽25设于外环盖板14中心位置,使得旋转托盘20与圆形凹槽21之间、内环盖板15与底面板8之间、外环盖板14与压板9之间能够自由转动,且承力均匀;第一滚痕凹槽22、第二滚痕凹槽24、第三滚痕凹槽25的截面均为半圆形,分别与对应滚珠13的形状、大小匹配。
本实施例中,底板2的厚度为8cm,圆形凹槽21的直径为30cm、深度为3cm,旋转托盘20的直径为29.8cm,第一滚痕凹槽22的深度为1cm,轴承套口19的直径为4cm,与转轴12的外径相匹配,轴承18的外套环直径为8cm。
侧支架杆10为直径为5cm的实心不锈钢杆,通常范围加工成道痕间距为2mm、槽深为1mm的正向螺纹,紧固螺钉7厚度为2cm,中心支架杆3的直径为6cm,螺纹设置与侧支架杆10相同。
本发明测定装置的工作原理,通过带有螺纹的侧支架杆10及第二定位螺钉27对载有剪切旋转盘1的底板2进行固定,试验前先将装置调整标定并借助水准器辅助整平;步进电机4通过转轴12带动旋转托盘20转动,进而带动内填料腔定速转动,外填料腔保持静止,初动时会存在移动可能,但旋转位移增大后,外填料腔的路基填料受到压板9的压力以及剪切旋转盘1的内侧壁摩阻力而抵抗经内填料腔转动的摩阻,并且在土工加筋11层处必然发生剪切滑移,以使土工加筋11包围的圆柱面即为剪切面,以实现路基填料层16与土工加筋11的界面力学特性测定,获得界面剪切强度。
本发明路基填料与土工加筋界面力学特性测定方法,具体按照以下步骤进行:
S1,安装并调试整个试验装置,包括调试底板2的水平度,调节压紧装置的施力方向,保证竖直压向剪切旋转盘1;具体的,通过调节底板2、上面板6、底面板8、压板9的水平度,调节中心支架杆3、侧支架杆10的竖直度,保证中心支架杆3、侧支架杆10竖直向剪切旋转盘1施力;将待测试的路基填料和土工加筋材料分组,土工加筋11为环形。
S2,在剪切旋转盘1内壁和底面均匀涂抹润滑层,将每组路基填料在剪切旋转盘1中摊铺,分层填筑路基填料,填筑厚度为剪切旋转盘1高度的1/5-1/6(本实施例中摊铺厚度为5-6cm)时,将圆环形的土工加筋11竖向***路基填料,土工加筋11置于内填料腔与外填料腔的相对转动面上,对充气压力囊袋17施加预定压力值,拉毛填料表面后采用分层控制干密度方法一次性填筑填料至剪切旋转盘1顶面,控制路基填料层16的几何形态与应力状态。
S3,向充气压力囊袋17内充气加压,压实填料直至接近剪切旋转盘1端口,具体的,剪切旋转盘1端口1-3cm,留有余地给后续上覆的内环盖板15,以防路基填料层16洒落,盖上内环盖板15、外环盖板14,将内填料腔安装在旋转托盘20上,定位,盖上底面板8,边紧固压板9边手工调节微动剪切旋转盘1不致卡死;底面板8、压板9分别压在内填料腔、外填料腔的盖板上,内填料腔、外填料的盖板分别与底面板8、压板9之间通过滚珠13自由滚动连接,保证内填料腔自由转动。
S4,设定步进电机4转动速率V rad/min,启动步进电机4,内填料腔相对外填料腔转动,模拟路基填料与土工加筋11的界面剪切,进行路基填料层16与土工加筋11界面剪切试验。
S5,获得设定转动速率下充气压力囊袋17的气压值,路基填料层16和土工加筋11的界面剪应力根据步进电机4的转动速率确定,充气压力囊袋17的气压值在数值上等效为路基填料层16和土工加筋11的界面压力值,每组待测试的路基填料和土工加筋材料至少获得3组上述数据,以界面压力值为横坐标、界面剪应力为纵坐标做规律曲线,拟合两者之间的线性关系,在该坐标系中能够得到剪切强度包线,该包线具有一定的截距与倾角,即为试验所要获得的力学特性(剪切强度)指标。
路基填料层16和土工加筋11的界面剪应力根据步进电机4的转动速率确定,通过不同转速下的测定值来确定,为本领域公知;与现有装置与方法相比,本发明能够保证稳定不变的接触面与受力状态,能够获得更可靠的指标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,其特征在于,包括水平设置的底板(2),底板(2)上设有剪切旋转盘(1),剪切旋转盘(1)包括筒型的内填料腔,内填料腔的外部设有圆环形的外填料腔,内填料腔与外填料腔能够相对转动,内填料腔的底部中心通过转轴(12)与回转驱动装置的输出端连接,内填料腔与外填料腔的相对转动面上设有圆环形的土工加筋(11),内填料腔与底板(2)之间自由滚动连接,内填料腔的中心设有圆柱形的充气压力装置,内填料腔、外填料腔、土工加筋(11)、充气压力装置同轴线且高度相同;内填料腔、外填料腔的盖板上方均设有压紧装置,内填料腔、外填料的盖板分别与对应压紧装置之间自由滚动连接;
所述底板(2)的中心设有圆形凹槽(21),圆形凹槽(21)内设有旋转托盘(20),旋转托盘(20)与圆形凹槽(21)之间设有滚动体,旋转托盘(20)与内填料腔同轴、且可拆卸连接,旋转托盘(20)的中心设有转轴(12),转轴(12)通过轴承(18)与底板(2)连接,转轴(12)的下端穿过轴承(18)的轴承套口(19)、并与回转驱动装置的输出端卡扣连接,转轴(12)的下端嵌固于轴承套口(19)内部;
所述充气压力装置的中间设有空心腔体,转轴(12)伸入空心腔体内。
2.根据权利要求1所述的一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,其特征在于,所述旋转托盘(20)的底部设有第一滚痕凹槽(22),第一滚痕凹槽(22)内滚动连接有滚珠(13)。
3.根据权利要求1所述的一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,其特征在于,所述压紧装置包括上面板(6),上面板(6)水平设置于底板(2)的上方,底板(2)与上面板(6)之间设有多个用于支撑的侧支架杆(10),侧支架杆(10)与底板(2)相互垂直,侧支架杆(10)通过第二定位螺钉(27)与上面板(6)连接,底板(2)的底部设有底座(5);内填料腔的上端口设有内环盖板(15),外填料腔的上端口设有外环盖板(14),内环盖板(15)的上方设有底面板(8),底面板(8)与内环盖板(15)的形状、尺寸相匹配,内环盖板(15)与底面板(8)之间设有滚动体;外环盖板(14)的上方设有压板(9),外环盖板(14)与压板(9)之间设有滚动体,压板(9)通过第一定位螺钉(26)与侧支架杆(10)连接,底面板(8)通过竖直的中心支架杆(3)与上面板(6)连接,中心支架杆(3)通过紧固螺钉(7)与上面板(6)连接;侧支架杆(10)、中心支架杆(3)的表面均设有螺纹。
4.根据权利要求3所述的一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,其特征在于,所述内环盖板(15)的上表面设有环形的第二滚痕凹槽(24),外环盖板(14)的上表面设有环形的第三滚痕凹槽(25),第二滚痕凹槽(24)、第三滚痕凹槽(25)内均滚动连接有滚珠(13)。
5.根据权利要求3所述的一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,其特征在于,所述底面板(8)的顶部中间与中心支架杆(3)通过螺纹孔拧固连接,螺纹孔的边缘设有向上突出的高翼缘。
6.根据权利要求1所述的一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,其特征在于,所述充气压力装置为充气压力囊袋(17),充气压力囊袋(17)上设有加压空气阀接口,充气压力囊袋(17)采用橡胶材质。
7.根据权利要求1所述的一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,其特征在于,所述回转驱动装置为步进电机(4)。
8.一种路基填料与土工加筋界面力学特性测定方法,其特征在于,采用如权利要求1-7任一项所述路基填料与土工加筋界面力学特性测定装置,具体按照以下步骤进行:
S1,调试底板(2)的水平度,调节压紧装置保证向剪切旋转盘(1)竖直施压;
S2,在剪切旋转盘(1)内壁和底面均匀涂抹润滑层,分层填筑路基填料,填筑厚度为剪切旋转盘(1)高度的1/5-1/6时,将圆环形的土工加筋(11)竖向***路基填料,土工加筋(11)置于内填料腔与外填料腔的相对转动面上,对充气压力装置施加预定压力值,拉毛填料表面后采用分层控制干密度方法一次性填筑填料至剪切旋转盘(1)顶面;
S3,向充气压力装置内充气加压,压实填料直至接近剪切旋转盘(1)端口,盖上内环盖板(15)、外环盖板(14),将内填料腔安装在旋转托盘(20)上,定位,调节压紧装置分别压在内填料腔、外填料腔的盖板上,内填料腔、外填料的盖板分别与对应压紧装置之间自由滚动连接;
S4,设定回转驱动装置的转动速率并启动,内填料腔相对外填料腔转动,模拟路基填料与土工加筋(11)的界面剪切;
S5,获得设定转动速率下充气压力装置的气压值,路基填料层(16)和土工加筋(11)的界面剪应力根据回转驱动装置的转动速率确定;以充气压力装置的气压值为横坐标、界面剪应力为纵坐标做规律曲线,拟合两者之间的线性关系,得到路基填料层(16)与土工加筋(11)的界面力学特性指标。
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