CN113237779A - 一种测试thmc耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，包括主机架，直剪仪***、加载***、温度控制***及溶液供给***；加载***包括竖向加载***与水平加载***；溶液供给***安装在主机架右侧，直剪仪***安装在主机架中间，溶液供给***通过溶液导管与直剪仪***中的溶液槽连接；竖向加载***安装在直剪仪***上方的刚性反力架上；水平加载***安装在直剪仪***左侧的主机架上；温度控制***安装在主机架右侧下方。该装置操作调节简便、易于控制。本发明实现了THMC耦合作用下测量土工合成材料界面的抗剪强度，测量结果更接近于工程实际。为土工合成材料在THMC耦合作用下的研究提供基础。
Description
技术领域
本发明涉及环境岩土工程及土工合成材料测试技术领域，具体是一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置。
背景技术
复合衬垫可以很好地解决垃圾填埋场的防渗问题，因此越来越多的应用在现代卫生垃圾填埋场的底部位置。但复合衬垫中各土工合成材料或其与下卧土体界面间的剪切强度较低，使得复合衬垫在较低的剪切强度下容易发生沿着不同界面的滑动，发生复合衬垫局部或整体的失稳破坏，进而影响整体衬垫***的稳定性能和防渗性能。因此，测定复合衬垫中各土工合成材料界面的抗剪强度，对垃圾填埋场的稳定运行具有重要意义。
在垃圾填埋场工程中，由于复合衬垫所赋存的地质环境十分恶劣，在长期高温、高压、高腐蚀性及垃圾渗沥液作用下，复合衬垫所处的渗流场、应力场、化学场和温度场不断变化的，相互影响，产生非常复杂的THMC多场耦合问题。因此，准确测定复合衬垫中土工合成材料界面的抗剪强度需要考虑THMC耦合的影响。
现有技术中，常通过直剪仪测定土工合成材料相互之间的界面剪切特性。但是，目前已有的直剪仪还无法满足THMC耦合作用下土工合成材料界面剪切强度测试的试验需求。
因此，提供一种THMC耦合作用下土工合成材料界面直剪试验装置及使用方法，以实现在THMC耦合作用下，测试土工合成材料界面的抗剪强度，提高测试的准确性，对科学研究及工程施工都具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，以实现在THMC耦合作用下，测试土工合成材料界面的抗剪强度，提高测试的准确性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
包括主机架、直剪仪***、溶液供给***、加载***、温度控制***；所述的直剪仪***通过重载水平滑轨安装在所述主机架上；所述的溶液供给***安装在主机架右侧，溶液供给***通过溶液导管和直剪仪***中的溶液槽盖板相连接；所述的加载***包括竖向加载***与水平加载***，竖向加载***通过主机架上的刚性反力架安装在直剪仪***的上部，竖向加载***通过直剪仪***顶面的刚性垫块与直剪仪***接触连接；水平加载***安装在直剪仪***左侧的主机架上，通过下剪切盒的1号传力杆与直剪仪***接触连接；温度控制***通过控制盒安装在主机架右侧下方。
所述的直剪仪***包括上剪切盒、下剪切盒、滚珠排、凸齿板、1号传力杆、2号传力杆，所述的1号传力杆和2号传力杆形状为L形，由两块长方形板垂直连接组成；所述的上剪切盒安装在下剪切盒的顶端并对正，1号传力杆采用螺栓固定在下剪切盒左侧壁上方，1号传力杆的高度不低于下剪切盒的上端面；2号传力杆采用螺栓固定在上剪切盒右侧壁的下方，2号传力杆的高度不低于上剪切盒的下端面；所述上剪切盒的底部与所述下剪切盒的顶部之间设有滚珠排所述上剪切盒内设有用于固定土工合成材料的凸齿板；重载水平滑轨安装在主机架上方，上剪切盒与下剪切盒安装在重载水平滑轨上，下剪切盒的底端面与重载水平滑轨滑动接触连接。
所述的直剪仪***还包括溶液槽、溶液槽盖板、工字钢、刚性垫块、滚珠排、水龙头；所述的上剪切盒与下剪切盒均为拼接而成，所述的上剪切盒为上下两端开口，内部中空的正方形环式结构件，下剪切盒为上端开口，下端封闭，内部中空的长方形环式结构件，所述上剪切盒的底部与下剪切盒的顶部之间设有滚珠排，上剪切盒内设有用于传力的刚性垫块及固定土工合成材料的凸齿板，下剪切盒内设有用于固定试样的工字钢，下剪切盒外壁四周设有用于容纳化学溶液或水溶液的溶液槽，所述溶液槽采用长方形板拼接而成，温度控制***中的环形加热管和温度传感器均设置于溶液槽内，所述溶液槽外壁设置有用于排出液体的不锈钢水龙头，所述溶液槽上方放置有溶液槽盖板，所述溶液槽盖板为等厚度的异型板件，尺寸与溶液槽截面尺寸一致，溶液槽盖板上设置有一个用以与溶液供给***中的溶液导管相连接的溶液通孔和一个用以与温度控制***中的冷气传输软管相连接的冷气通孔。
所述凸齿板一侧壁上分布有三角状凸齿。
所述的溶液供给***安装在直剪仪***右侧，所述溶液供给***包括溶液箱、溶液浓度传感器、溶液导管和阀门；溶液浓度传感器设于溶液箱内壁上；所述的溶液箱为顶端能够打开的长方形的容器，溶液箱的顶部左侧设置有一通孔，通孔处有阀门，阀门的一端与溶液导管连接；所述溶液供给***通过溶液导管和直剪仪***的溶液槽盖板相连接，溶液导管通过阀门和直剪仪***的溶液槽盖板上的溶液通孔连接。
所述的竖向加载***还包括增压缸与1号压力传感器；所述的刚性反力架水平地固定在主机架的下侧，增压缸竖直地固定在刚性反力架上，增压缸的推力杆***刚性反力架顶板的通孔中，1号压力传感器安装在推力杆的端头上，1号压力传感器的回转中心线与增压缸中推力杆的回转中心线共线，竖向加载***位于直剪仪***的正上方；所述水平加载***包括水平推力电机、2号压力传感器与位移传感器；所述的水平推力电机采用支架安装在直剪仪***左侧的主机架上方，水平推力电机的推力杆与下剪切盒左壁的1号传力杆对正垂直，2号压力传感器使用底座安装在直剪仪***右侧的主机架上方，2号压力传感器的水平反力座与2号传力杆的端头对正顶紧，位移传感器安装在下剪切盒的左侧外壁上。
所述的加载***还包括数据采集仪；所述的数据采集仪位于水平加载***左侧主机架下方，数据采集仪的接口端和1号压力传感器、2号压力传感器与位移传感器的接口端连接。
所述的温度控制***包括冷气传输软管、温度传感器、环形加热管、制冷机及温控器；所述环形加热管和温度传感器安装在直剪仪***中的溶液槽内，所述的制冷机安装在主机架的右侧下方的控制盒内，制冷机的出口与冷气传输软管的进口端连接，制冷机通过冷气传输软管与直剪仪***中的溶液槽盖板相连接；温控器安装在控制盒内，温控器接线端分别与制冷机、温度传感器与环形加热管接线端连接。
本发明所获得的有益技术效果：
1)本发明解决了现有装置无法满足测试土工合成材料界面在THMC耦合作用下抗剪强度的缺陷。本发明实现了在THMC耦合作用下，测量土工合成材料界面的抗剪强度，并且更加准确地测定土工合成材料界面的抗剪强度，为土工合成材料的THMC耦合研究提供基础。
2)本发明通过设置温度控制***及溶液供给***，结合垂直加载装置，实现THMC的多场耦合，同时配合各***的协同运作，可以实现不同程度的THMC耦合要求。
3)本发明在直剪仪***内设置有凸齿板，可以有效固定土工合成材料，防止土工合成材料表面的局部滑移，提高测试精度。
4)本发明可根据不同厚度的土工合成材料在上下剪切盒之间选择设置不同高度的滚珠排，可以有效降低上下剪切盒之间滑动摩擦对测试数据的影响。
5)本发明直剪仪***及温度控制***内的主要部件均使用高强度耐强腐蚀材料制作，可以满足在不同温度及化学溶液条件下土工合成材料的固结等长时间的工作需求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置结构组成的正剖面图。
图2为本发明所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置结构组成的左剖面图。
图3为本发明所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置结构组成的俯视图。
图4为本发明所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置中的下剪切盒俯视图上的剖视图。
图5为本发明所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置中溶液槽盖板结构示意图。
图6为本发明本发明所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置中上下剪切盒与滚珠排示意图。
图7为本发明本发明所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置中凸齿板俯视图。
在以上附图中：1、主机架；2、上剪切盒；3、下剪切盒；4、滚珠排；5、重载水平滑轨；6、增压缸；7、1号压力传感器；8、刚性反力架；9、水平推力电机；10、2号压力传感器；11、位移传感器；12、溶液箱；13、阀门；14、溶液导管；15、冷气传输软管；16、环形加热管；17、温度传感器；18、溶液浓度传感器；19、数据采集仪；21、2号传力杆；22、刚性垫块；23、凸齿板；24、水龙头；25、控制盒；26、制冷机；31、2号传力杆；32、溶液槽；33、溶液槽盖板；34、工字钢；35、溶液通孔；36、冷气通孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体施例对本发明做进一步说明。
参阅图1-图7，本发明所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置包括主机架、直剪仪***、溶液供给***、加载***与温度控制***。
所述的直剪仪***包括上剪切盒2、下剪切盒3、溶液槽32、溶液槽盖板33、1号传力杆31、2号传力杆21、工字钢34、刚性垫块22、水龙头24、滚珠排4、凸齿板23与重载水平滑轨5。
所述上剪切盒2、下剪切盒3、溶液槽32、溶液槽盖板33、1号传力杆31、2号传力杆21、工字钢34、刚性垫块22、水龙头24、滚珠排4及凸齿板23均为304型不锈钢材质，上剪切盒2呈中空底部开口的方形结构，下剪切盒3为上端开口，下端封闭，内部中空的长方形箱体结构件，所述下剪切盒3四周外壁设有溶液槽32，溶液槽32的高度不低于上剪切盒2的下端面；溶液槽32内安装有环式加热管16，所述上剪切盒2的底部与下剪切盒3的顶部之间设有滚珠排4，优选的滚珠排的厚度可分为3mm、6mm等规格，可根据实际选用的土工材料厚度来选择合适的滚珠排4厚度以满足土工合成材料界面的直剪试验需要，所述上剪切盒2内设有用于传力的刚性垫块22及用于固定试样的凸齿板23，下剪切盒3内的工字钢34上设有螺孔用于锚固试样。
所述的1号传力杆31和2号传力杆21为L型，由长臂端与短臂端组成，长臂端与短臂端的一端垂直连接，材质为304不锈钢，1号传力杆31采用六角螺栓固定与下剪切盒3的左侧外壁上，1号传力杆31的长臂端不低于下剪切盒3的上端面；2号传力杆21采用六角螺栓固定在上剪切盒2的右侧外壁上，2号传力杆21的长臂端不低于上剪切盒2的下端面，所述2号传力杆21的长臂端与2号压力传感器10的水平反力座顶紧，确保在剪切试验中上剪切盒2保持位置不动。
所述的水龙头24为304不锈钢材质，安装于溶液槽32外壁，用于排出溶液槽32内的化学溶液或水溶液。
所述的溶液槽溶液槽盖板33为等厚度的异型不锈钢板件，放置于溶液槽32顶部，尺寸与溶液槽32内腔尺寸一致，溶液槽溶液槽盖板33表面开有1个直径3mm的溶液通孔35和1个直径5mm的冷气通孔36，分别用以与溶液供给***的溶液导管14相连接及温度控制***的制冷机26的端口相连接；
所述的凸齿板23的截面形状与所述上剪切盒2的内腔截面形状相同，所述凸齿板23的一侧壁上均匀分布有形状一样的凸齿，通过凸齿板23可以有效避免土工合成材料在剪切过程中的局部滑移；
所述的重载水平滑轨5由4根结构相同的不锈钢导轨组成，4根结构相同的不锈钢导轨固定于主机架上方；
所述的溶液供给***包括溶液箱12、溶液导管14、阀门13和溶液浓度传感器18；
所述的溶液箱12为顶端能够打开的长方形的容器，采用亚力克玻璃拼接而成，溶液箱12的侧面底部设置有一通孔，通孔处有阀门13，阀门13的一端与溶液导管14连接。
所述的溶液导管14为塑胶软管，溶液导管14与溶液箱12顶部左侧的阀门13套接锁紧，分为两个支管后分别与直剪仪***上的设置有内螺纹的溶液通孔35连接，支管端头安装有金属接头，使用金属接头与溶液通孔35拧紧，溶液导管14的内径为5mm。
所述的阀门13安装于溶液箱左侧顶部的，材质为不锈钢材料，可控制溶液导管内的水流量；
溶液供给***通过溶液导管14和直剪仪***的溶液槽盖板33相连接，通过溶液导管14分为两个支管和直剪仪***的溶液槽盖板33上的两个溶液通孔35连接。
所述的加载***包括竖向加载***、水平加载***；竖向加载***包括刚性反力架8、增压缸6、1号压力传感器7，水平加载***包括水平推力电机9、2号压力传感器10、位移传感器11及数据采集仪19。
所述的刚性反力架8由三块长方形板和四根立柱组成，长方形板的材质为碳钢材料，四根立柱的材质为不锈钢材料，立柱两端直径小于中间杆的直径，两端为设置有外螺纹的螺杆，立柱两端沿轴向设置有螺孔，螺孔的回转轴线与立柱的回转轴线共线，用于连接立柱的两块小长方形板的四角处设置有与立柱两端螺杆等直径的通孔，两块小长方形板四角处通孔套装在四根立柱上端的螺杆上并与大长方形板拼接安装，大长方形板为竖向布置的增压缸6提供支撑；大长方形板的中央处设置有与增压缸6推力杆直径相等的推力杆通孔，推力杆可经过推力杆通孔对直剪仪***中的刚性垫块22施加作用力。
所述的水平推力电机9通过支架安装在直剪仪***左侧的主机架上方，水平推力电机9的推力杆与下剪切盒3左壁的1号传力杆31对正垂直，水平固定于支架上，为直剪仪***提供水平荷载；
所述的1号压力传感器8安装在增压缸6的推力杆的端头上，记录作用于土工合成材料或土体上的竖向压力；所述的2号压力传感器10通过支架安装在直剪仪***右侧的主机架上，2号压力传感器10的端头与2号传力杆21对正垂直，水平固定在支架上；所述的位移传感器11位于下剪切盒3左侧的外壁上，采用与位移传感器11的配套配件安装在主机架1。
所述的数据采集仪19位于主机架下方，具有自动采集自动存储功能，1号压力传感器7、2号压力传感器10和位移传感器11的接口端直接与数据采集仪19端口段连接，可实时采集试验数据。
所述的温度控制***包括环形加热管16、温度传感器17、温控器20、制冷机26、冷气传输软管15。
所述的制冷机26位于主机架1下方的控制盒25内，制冷机26的出风口通过冷气传输软管15与溶液槽盖板33上的冷气通孔36连接，环形加热管16与温度传感器17均位于直剪仪***的溶液槽32内；温控器20安装在控制盒25内，温控器20接线端分别与制冷机26、温度传感器17与环形加热管16接线端连接。
本发明装置对土工合成材料界面进行剪切试验的工作过程如下：将溶液箱12的上顶盖打开，在溶液箱12中加入化学溶液或水，观察溶液浓度传感器18的读数调整至指定浓度；在下剪切盒3中放入工字钢34，在工字钢34上铺设300mm×360mm的土工膜GM试样，根据GM+GCL的厚度情况选择高度为3mm或6mm的滚珠排4，随后将上剪切盒2放在下剪切盒3上，放入300mm×300mm尺寸的GCL试样，再在GCL顶面依次放入凸齿板23和刚性垫块22，安装溶液槽32上的溶液槽盖板33；打开溶液供给***的阀门13，向直剪仪***补充水溶液或化学溶液，并确保浸水位高于土工合成材料界面10mm以上；通过计算机控制垂直加载装置与水平加载装置进行垂直荷载和水平剪力的施加；通过温度控制***设定试验所需温度，溶液槽32内的环形加热管16及制冷机26将会自动启动，当溶液槽32内温度达到预设值时，温度控制***中的温控器20会控制制冷机26与环形加热器管16的开关以维持溶液槽32内一直处于预设温度。启动竖向加载***和水平加载***，数据采集仪19采集试验过程中的加载信息和位移信息，记录数据。
以上所述仅为结合本次过程进行说明，并不限制本结构，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，比如多个本实体的组合、变换所用材料等。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，其特征在于：包括主机架(1)、直剪仪***、溶液供给***、加载***、温度控制***；所述的直剪仪***通过重载水平滑轨(5)安装在所述主机架(1)上；所述的溶液供给***安装在主机架(1)右侧，溶液供给***通过溶液导管(14)和直剪仪***中的溶液槽盖板(33)相连接；所述的加载***包括竖向加载***与水平加载***，竖向加载***通过主机架(1)上的刚性反力架(8)安装在直剪仪***的上部，竖向加载***通过直剪仪***顶面的刚性垫块(22)与直剪仪***接触连接；水平加载***安装在直剪仪***左侧的主机架(1)上，通过下剪切盒(3)的1号传力杆(31)与直剪仪***接触连接；温度控制***通过控制盒(25)安装在主机架(1)右侧下方。
2.根据权利要求1所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，其特征在于，所述的直剪仪***包括上剪切盒(2)、下剪切盒(3)、滚珠排(4)、凸齿板(23)、1号传力杆(31)、2号传力杆(21)，所述的1号传力杆(31)和2号传力杆(21)形状为L形，由两块长方形板垂直连接组成；所述的上剪切盒(2)安装在下剪切盒(3)的顶端并对正，1号传力杆(31)采用螺栓固定在下剪切盒(3)左侧壁上方，1号传力杆(31)的高度不低于下剪切盒(3)的上端面；2号传力杆(21)采用螺栓固定在上剪切盒(2)右侧壁的下方，2号传力杆(21)的高度不低于上剪切盒(2)的下端面；所述上剪切盒(2)的底部与所述下剪切盒(3)的顶部之间设有滚珠排(4)；所述上剪切盒(2)内设有用于固定土工合成材料的凸齿板(23)；重载水平滑轨(5)安装在主机架(1)上方，上剪切盒(2)与下剪切盒(3)安装在重载水平滑轨(5)上，下剪切盒(3)的底端面与重载水平滑轨(5)滑动接触连接。
3.根据权利要求1所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，其特征在于，所述的直剪仪***还包括溶液槽(32)、溶液槽盖板(33)、工字钢(34)、刚性垫块(22)、滚珠排(4)、水龙头(24)；所述的上剪切盒(2)与下剪切盒(3)均为拼接而成，所述的上剪切盒(2)为上下两端开口，内部中空的正方形环式结构件，下剪切盒(3)为上端开口，下端封闭，内部中空的长方形环式结构件，所述上剪切盒(2)的底部与下剪切盒(3)的顶部之间设有滚珠排(4)，上剪切盒(2)内设有用于传力的刚性垫块(22)及固定土工合成材料的凸齿板(23)，下剪切盒(3)内设有用于固定试样的工字钢(34)，下剪切盒(3)外壁四周设有用于容纳化学溶液或水溶液的溶液槽(32)，所述溶液槽(32)采用长方形板拼接而成，温度控制***中的环形加热管(16)和温度传感器(17)均设置于溶液槽(32)内，所述溶液槽(32)外壁设置有用于排出液体的不锈钢水龙头(24)，所述溶液槽(32)上方放置有溶液槽盖板(33)，所述溶液槽盖板(33)为等厚度的异型板件，尺寸与溶液槽(32)截面尺寸一致，溶液槽盖板(33)上设置有一个用以与溶液供给***中的溶液导管(14)相连接的溶液通孔(35)和一个用以与温度控制***中的冷气传输软管(15)相连接的冷气通孔(36)。
4.根据权利要求2所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，其特征在于，所述凸齿板(23)一侧壁上分布有三角状凸齿。
5.根据权利要求1所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，其特征在于，所述的溶液供给***安装在直剪仪***右侧，所述溶液供给***包括溶液箱(12)、溶液浓度传感器(18)、溶液导管(14)和阀门(13)；溶液浓度传感器(18)设于溶液箱(12)内壁上；所述的溶液箱(12)为顶端能够打开的长方形的容器，溶液箱(12)的顶部左侧设置有一通孔，通孔处有阀门(13)，阀门(13)的一端与溶液导管(14)连接；所述溶液供给***通过溶液导管(14)和直剪仪***的溶液槽盖板(33)相连接，溶液导管(14)通过阀门(13)和直剪仪***的溶液槽盖板上(33)的溶液通孔(35)连接。
6.根据权利要求1所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，其特征在于，所述的竖向加载***还包括增压缸(6)与1号压力传感器(7)；所述的刚性反力架(8)水平地固定在主机架(1)的下侧，增压缸(6)竖直地固定在刚性反力架(8)上，增压缸(6)的推力杆***刚性反力架(8)顶板的通孔中，1号压力传感器(7)安装在推力杆的端头上，1号压力传感器(7)的回转中心线与增压缸(6)中推力杆的回转中心线共线，竖向加载***位于直剪仪***的正上方；所述水平加载***包括水平推力电机(9)、2号压力传感器(10)与位移传感器(11)；所述的水平推力电机(9)采用支架安装在直剪仪***左侧的主机架(1)上方，水平推力电机(9)的推力杆与下剪切盒(3)左壁的1号传力杆(31)对正垂直，2号压力传感器(10)使用底座安装在直剪仪***右侧的主机架上方，2号压力传感器(10)的水平反力座与2号传力杆(21)的端头对正顶紧，位移传感器(11)安装在下剪切盒(3)的左侧外壁上。
7.根据权利要求1所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，其特征在于，所述的加载***还包括数据采集仪(19)；所述的数据采集仪(19)位于水平加载***左侧主机架(1)下方，数据采集仪(19)的接口端和1号压力传感器(7)、2号压力传感器(10)与位移传感器(11)的接口端连接。
8.根据权利要求1所述的一种测试THMC耦合作用下土工合成材料界面性能的直剪试验装置，其特征在于，所述的温度控制***包括冷气传输软管(15)、温度传感器(17)、环形加热管(16)、制冷机(26)及温控器(20)；所述环形加热管(16)和温度传感器(17)安装在直剪仪***中的溶液槽(32)内，所述的制冷机(26)安装在主机架(1)的右侧下方的控制盒(25)内，制冷机(26)的出口与冷气传输软管(15)的进口端连接，制冷机(26)通过冷气传输软管(15)与直剪仪***中的溶液槽盖板(33)相连接；温控器(20)安装在控制盒(25)内，温控器(20)接线端分别与制冷机(8)、温度传感器(17)与环形加热管(16)接线端连接。
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