大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀的制作方法
【專利摘要】本發明屬巖土工程【技術領域】，具體涉及一種大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀。由底座、前后固定支架、橫縱向懸掛梁、懸掛桿、激振器（油缸、支座、傳力桿、卡口）、豎向壓力器、頂板、支撐柱、加載板、側限框、測試土樣和土工合成材料、抽出板、鋼滾條組、水平底座、伺服系統、油壓系統、電腦控制系統組成。前后固定支架與懸掛梁固定激振器，頂板、支撐柱和水平底座構成框架并固定豎向壓力器和加載板，其余部件構成剪切盒。通過電腦控制系統、油壓系統控制激振器和抽出板振動，通過伺服系統監測應力應變指標。本發明可測定任意振動波形作用下土工合成材料界面的動力剪切特性，該儀器還能通過更換部件測試多種界面，實現其他試驗目的。
【專利說明】大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀
【技術領域】
[0001]本發明屬巖土工程【技術領域】，具體涉及一種大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀，可以實現多種土工材料界面動力直接剪切試驗。
【背景技術】
[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)為原料的工業制成品，我國《土工合成材料應用技術規范GB50290-98》將土工合成材料分為土工織物、土工合成材料、土工特種材料和土工復合材料、土工網、玻纖網、土工墊等類型。土工合成材料被廣泛應用于垃圾填埋場及低矮建筑物基礎底部的作為襯墊系統，起到隔離污染物泄漏的作用，在地震災害發生時，土工合成材料復合襯墊系統會起到復雜的隔震作用。然而，土工合成材料的剪切強度普遍較低，在地震動力作用下會沿著復合襯墊的界面發生復雜的相對運動，目前尚不能用理論解釋或數值方法模擬這種現象。土工合成材料復合襯墊系統的抗震設計缺少必要的理論依據，存在較大的盲目性和不確定性。目前主要采取循環剪切法和直接剪切法來測取土工合成材料的剪切強度，然而這兩類方法不能模擬地震作用下地震波加速度的不規則性和瞬時性等特性。振動形式可控的動力直剪儀可以精確研究在復雜地震波激振作用下土工合成材料復合襯墊界面的動力剪切情況,并測得動力條件下土工合成材料復合襯墊界面的動剪切強度，進而深入研究地震作用下考慮襯墊系統作用的填埋場動力穩定機理。由于缺乏能夠實現復雜隨機振動輸入的直剪儀裝置，這方面的研究難以進行，亟需研制能夠實現復雜隨機振動輸入的土工材料界面動力直剪儀裝置。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀。
[0004]本發明提出的大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀，由儀器底座1、激振系統、動力激振輸入系統、正壓力施加系統和壓力盒系統組成，其中:
儀器底座I作為整個多功能試驗平臺的底部固定系統，激振系統、動力激振輸入系統、正壓力施加系統和壓力盒系統均位于儀器底座I上方；
激振系統由激振器后固定支架2、激振器前固定支架3、縱向懸掛梁4、橫向懸掛梁5、激振器懸掛固定桿6、激振器固定支座7、動力激振器油缸8、激振器傳力桿9和連接卡口裝置10組成，激振器后固定支架2、激振器前固定支架3為預制的鋼制焊接構建，通過高強螺栓固定于儀器底座I上；兩根縱向懸掛梁4和兩根橫向懸掛梁5焊接構成上部懸掛梁部件，縱向懸掛梁4兩端通過螺栓與激振器前固定支架2和激振器后固定支架3連接固定在一起；激振器懸掛固定桿6穿過橫向懸掛梁5中部且用螺栓固定，通過調節螺栓可以實現激振器懸掛固定桿6的上下調節，激振器懸掛固定桿6下端與動力激振器油缸8固定；激振器固定支座7是位于動力激振器油缸8的后部水平固定裝置，其通過高強螺栓固定于激振器后固定支架2內側，動力激振器油缸8連接激振器傳力桿9，激振器傳力桿9 一端設有激振器傳力桿連接卡口裝置10 ； 動力激振輸入系統由激振器伺服系統23、油壓輸送控制系統24和電腦調節控制系統25組成，激振器伺服系統23、油壓輸送控制系統24和電腦調節控制系統25分別連接動力激振器油缸8，激振器伺服系統23通過油壓閥門和傳感器監測并控制動力激振器油缸8的運行，油壓輸送控制系統24為激振器油缸8的運行提供穩定可控的油源，伺服系統23和油壓系統24由可視化的電腦調節控制系統25進行最終控制；
壓力盒系統由壓力盒加載板15、側限固定框16、測試土樣17、測試土工合成材料18和動抽出板19組成，測試土工合成材料18緊貼于動抽出板19的上表面上；壓力盒加載板15、側限固定框16和動抽出板19構成的長方體空間內填充有測試土樣17 ;動抽出板19 一端連接激振器傳力桿連接卡口裝置10 ;取下側限固定框16后，加上第二層土工合成材料22構成改裝壓力盒，第二層土工合成材料22緊貼于壓力盒加載板15下表面；
正壓力施加系統由豎向壓力器油缸11、固定支撐頂板12、豎向壓力器傳力桿13、豎向支撐柱14和水平底座21組成，水平底座21通過高強螺栓固定于儀器底座I上，4根豎向支撐柱14通過螺栓分別與水平底座21和支撐頂板12固定形成框架，固定支撐頂板12為有肋板的構件，豎向壓力器油缸11安裝于固定支撐頂板12頂部的中心位置，壓力器傳力桿13連接壓力盒加載板15 ;水平底座21上設置鋼滾條組20，使得安置在鋼滾條組20上的動抽出板19的下表面受到的摩擦可忽略。
[0005]本發明中，橫向懸掛梁5有2根，每根橫向懸掛梁上分布安裝2根激振器懸掛固定桿6，共有4根激振器懸掛固定桿6，分別位于激振器油缸的四個對稱懸掛點位置。
[0006]本發明中，豎向支撐柱14共有4根,豎向支撐柱下端固定在儀器底座I上,上端與支撐頂板12構成剛性支撐框架。
[0007]本發明中，當取下側限固定框16后，加上第二層土工合成材料22即構成改裝壓力盒，第二層土工合成材料22緊貼于壓力盒加載板15下表面。
[0008]本發明的工作過程:
本發明為多功能試驗儀器，不同試驗目的和功能對應于不同的工作過程，下面簡述土工合成材料-土界面動直接剪切試驗、雙土工合成材料界面動直接剪切試驗的工作過程。
[0009]1、土工合成材料-土界面動直接剪切試驗的工作過程如下:將土工合成材料18貼附于動抽出板19的上表面，在土工合成材料18上放置側限固定框16。在測試土工合成材料18與側限固定框形成的長方體槽填入測試土樣17。操作電腦數控系統25和油壓控制系統24,控制豎向壓力器油缸11啟動,推動豎向壓力器傳力桿13和加載板15向下運行并垂直壓覆在測試土樣上表面，控制電腦數控系統25和油壓控制系統24，使施加的正壓力達到實驗設定值。操作電腦數控系統25和油壓控制系統24，將設定的激振波形油壓控制系統24通過油壓的控制轉變為激振器油缸8活塞的機械振動，通過激振器傳力桿9帶動抽出板19及貼附在其上的測試土工合成材料18 —起振動，與靜止的側限固定框16及固定框內的測試土樣17的下表面發生剪切。通過伺服系統23監測對應于剪切過程中不同時刻的應力、應變指標，具體的傳感器設置方案按具體試驗要求而定。參照圖廣圖6。
[0010]2、雙土工合成材料界面直接剪切試驗模式的工作過程如下:將測試土工合成材料18貼附于動抽出板19的上表面,將測試土工合成材料22貼附于壓力加載板15的下表面，控制電腦數控系統25和油壓控制系統24，使壓力加載板15下表面的土工合成材料22與抽出板19上表面的土工合成材料18接觸形成剪切界面，繼續增大正壓力并達到實驗設定值。操作電腦數控系統25和油壓控制系統24，將設定的激振波形油壓控制系統30通過油壓的控制轉變為激振器油缸8活塞的機械振動，通過激振器傳力桿9帶動動抽出板19及貼附在其上的測試土工合成材料18 —起振動，與貼附于加載板15下表面的測試土工合成材料22發生剪切。通過伺服系統23監測剪切過程中對應于不同時刻的應力、應變指標，具體的傳感器設置方案按具體試驗要求而定。
[0011]本發明的有益效果:
本發明裝置的最大優點是實現了在設定任意波形振動的激勵下，土工合成材料-土界面和雙土工合成材料界面的動力剪切應力應變性質的測定，解決了現有大型直接剪切儀只能測得靜力剪切性質的不足，填補了目前對土工合成材料界面剪切性質測試的研究空白。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的示意圖。
[0013]圖2為本發明的前視圖。
[0014]圖3為本發明的左視圖。
[0015]圖4為本發明的右視圖。
[0016]圖5為本發明的俯視圖。
[0017]圖6為本發明的土-土工合成材料界面剪切盒的示意圖。
[0018]圖7為本發明的雙土工合成材料界面剪切盒的示意圖。
[0019]圖中標號:1為底座，2為激振器后固定支架，3為激振器前固定支架，4為縱向懸掛平衡梁，5為橫向懸掛梁，6為激振器懸掛固定桿，7為激振器固定支座，8為動力激振器油缸，9為激振器傳力桿，10為激振器傳力桿連接卡口裝置，11為豎向壓力器油缸，12為豎向壓力裝置固定支撐頂板，13為豎向壓力器傳力桿，14為豎向支撐柱，15為壓力盒加載板，16為壓力盒側限固定框，17為測試土樣，18為測試土工合成材料，19為動抽出板，20為鋼滾條組，21為剪切部分水平底座，22為第二層土工合成材料，23為激振器伺服系統，24為油壓輸送控制系統，25為電腦調節控制系統。
【具體實施方式】
[0020]本發明為多功能試驗儀器，不同試驗目的和功能對應于不同的工作過程，下面通過實施例進一步描述本發明。
[0021]實施例1
如圖1-圖7所示，裝置由儀器底座1、激振器后固定支架2、激振器前固定支架3、縱向懸掛梁4、橫向懸掛梁5、激振器懸掛固定桿6、激振器固定支座7、激振器油缸8、激振器傳力桿9、連接卡口裝置10、豎向壓力器油缸11、固定支撐頂板12、豎向壓力器傳力桿13、豎向支撐柱14、加載板15、側限固定框16、測試土樣17、測試土工合成材料18、動抽出板19、鋼滾條組20、水平底座21、第二層測試土工合成材料22組成，此外還包括激振器伺服系統23、油壓輸送控制系統24、電腦調節控制系統25。其中，儀器底座I作為整個多功能試驗平臺的底部固定系統。激振器后固定支架2、激振器前固定支架3、縱向懸掛梁4、橫向懸掛梁5、激振器懸掛固定桿6、激振器固定支座7、動力激振器油缸8、激振器傳力桿9、連接卡口裝置10組成激振系統。激振器后固定支架2、為激振器前固定支架3為預制的鋼制焊接構建，用高強螺栓固定于底座I上；兩根縱向懸掛梁4和兩根橫向懸掛梁5焊接構成上部懸掛梁系統，通過螺栓與激振器前后固定支架2、3連接固定在一起；4根鋼制激振器懸掛固定桿6分別穿過在兩根橫向懸掛梁5中部且用螺栓固定，通過調節可以實現懸掛固定桿的上下調節，懸掛固定桿6的下端與動力激振器油缸8固定。激振器固定支座7、動力激振器油缸8、激振器傳力桿9、激振器傳力桿連接卡口裝置10、激振器伺服系統23、油壓輸送控制系統24、電腦調節控制系統25組成了動力激振輸入系統。激振器固定支座7是動力激振器油缸8的后部水平固定裝置，通過高強螺栓固定在激振器后固定支架2內側鋼板上，激振器傳力桿9通過激振器傳力桿連接卡口裝置10連接振動輸出裝置，激振器伺服系統23通過油壓閥門和傳感器監測并控制動力激振器油缸8的運行，油壓輸送控制系統24為激振器油缸8的運行提供穩定可控的油源，伺服系統和油壓系統由可視化的電腦調節控制系統25進行最終控制。豎向壓力器油缸11、固定支撐頂板12、豎向壓力器傳力桿13、豎向支撐柱14、加載板15和水平底座21組成正壓力施加系統。水平底座21為鋼制矩形底座通過高強螺栓固定在儀器底座I上，作為正壓力施加系統的底座；4根豎向支撐柱14通過螺栓分別與水平底座21和支撐頂板12固定形成框架，豎向壓力裝置固定支撐頂板12為有肋板的鋼制構件，豎向壓力器油缸11安裝在頂板12的中心位置，壓力器傳力桿13連接壓力盒加載板15 ;在水平底座21上設置鋼滾條組20，使得安置在鋼滾條組20上的動抽出板19的下表面受到的摩擦可以忽略。加載板15、側限固定框16、測試土樣17、測試土工合成材料18、動抽出板19、組成壓力盒系統，如圖6所示。測試土工合成材料18緊貼在動抽出板19的上表面上；壓力盒加載板15、側限固定框16和貼附測試土工合成材料18的動抽出板19構成的長方體空間內填充測試土樣17。取下側限固定框16后，加上第二層土工合成材料22構成改裝壓力盒，如圖7所示。第二層土工合成材料22緊貼在壓力盒加載板15下表面。
[0022]橫向懸掛梁5有2根,每根橫向懸掛梁上分布安裝2根激振器懸掛固定桿6,共有
4根激振器懸掛固定桿6，分別位于激振器油缸的四個對稱懸掛點位置。
[0023]豎向支撐柱14共有4根，豎向支撐柱下端固定在儀器底座I上，上端與支撐頂板12構成剛性支撐框架。
[0024]儀器底座1:由兩根3000mm長的HN 700X300X13X24號H型鋼構成，橫向用20mm厚度鋼板和高強螺栓固定連接；激振器后固定支架2:縱向長度200mm、橫向寬600mm、高度500_的鋼制支撐構件，用鋼板焊接而成，用高強螺栓與儀器底座I固定；激振器前固定支架3:與激振器后固定支架尺寸相同，在豎向鋼板的中下位置處開一個280mmX 200mm的孔洞，以讓激振器傳力桿穿過；縱向懸掛梁4:為長度IOOOmm的HN 100X50X5X7號H型鋼，兩端焊接有固定鋼塊，用高強螺栓與激振器前后固定支架2、3固定連接；橫向懸掛梁5:為480mm長的8號槽鋼，槽口向下固定于縱向懸掛梁4的上方，用高強螺栓與縱向懸掛梁4連接固定；激振器懸掛固定桿6:為長度400mm、直徑20mm的圓形車制高強鋼桿件；激振器固定支座7、激振器油缸8、激振器傳力桿9:為美國MTS公司提供的配套元件；連接卡口裝置10:為長度200mm、寬度120mm、高120mm的高強鋼材車制的構件，卡口固定處用
2個20mm直徑的高強螺栓固定；豎向壓力器油缸11、豎向壓力器傳力桿13:為長春機械科學研究院集團有限公司提供的配套元件；固定支撐頂板12:為長寬700mmX700mm，用20mm厚鋼板焊接的構件；豎向支撐柱14:為長度960mm, IOOmmX IOOmm的方鋼；加載板15:為IIOOmmX340mmX35mm的鋼制構件,上部有焊接肋板；側限固定框16:用鋼板焊接制成的框內尺寸為1050mmX350mm的框形鋼制構件；動抽出板19:為寬度350mm、長度1450mm的15mm厚鋼板，動抽出板19上表面為機械蝕刻的密集刻紋，在較大正壓力下，可以保證測試土工合成材料與其不產生相對位移；鋼滾條組20:由一組15_直徑剛條和配套油槽組成，用高強螺栓固定在水平底座21上；水平底座21:為1100mmX800mm的20mm厚鋼板，用高強螺栓與底座I固定連接。
[0025]將上述裝置用于測試土樣剪切盒直接剪切試驗模式，其工作過程如下:將尺寸為1250mmX400mm 土工合成材料18貼附于動抽出板19的上表面，在土工合成材料18上放置側限固定框16,側限固定框16由20mm厚的鋼板制成內部尺寸為1050mmX 350mm矩形框形結構，側限固定框高度為120_。在測試土工合成材料18與側限固定框形成的長方體槽填入測試土樣17，測試土樣17的填入深度依照試驗要求設定。操作電腦數控系統25和油壓控制系統24,控制豎向壓力器油缸11啟動,推動豎向壓力器傳力桿13和加載板15向下運行，使加載板15垂直壓覆在測試土樣上表面，并與土工合成材料18、側限固定框16形成對測試土樣17的全民包裹,加載板15的下表面尺寸為1050mmX 350mm,控制電腦數控系統25和油壓控制系統24，使加載板15施加的正壓力達到實驗設定值。將抽出板19與激振器傳力桿9通過鋼制傳力桿固定裝置10用螺栓牢固連接，操作電腦數控系統25和油壓控制系統24，將設定的激振波形通過油壓控制系統24對油壓的控制轉變為激振器油缸8活塞的機械振動,通過激振器傳力桿9帶動動抽出板19及貼附在其上的測試土工合成材料18 —起振動，與靜止的側限固定框16及固定框內的測試土樣17的下表面發生剪切。通過伺服系統23監測剪切過程中對應于不同時刻的應力、應變指標，具體的傳感器設置方案按具體試驗要求而定。在整個振動剪切過程中，保證動抽出板19上貼附的測試土工合成材料18始終完全覆蓋試驗土樣17的下表面。參照圖廣6，本領域的技術人員均能順利實施。
[0026]實施例2
將實施例1所述裝置用于測試雙土工合成材料界面直接剪切試驗模式，其工作過程如下:將尺寸為1250mmX350mm的測試土工合成材料18貼附于動抽出板19的上表面，將尺寸為1050mmX350mm的測試土工合成材料貼附于壓力加載板15下表面,控制電腦數控系統31和油壓控制系統30，使壓力加載板15下表面的土工合成材料22與動抽出板19上表面的土工合成材料18接觸形成剪切面，繼續增大施加的正壓力并達到實驗設定值。將抽出板19與激振器傳力桿9通過鋼制傳力桿固定裝置10用螺栓牢固連接，操作電腦數控系統25和油壓控制系統24，將設定的激振波形通過油壓控制系統24對油壓的控制轉變為激振器油缸8活塞的機械振動，通過激振器傳力桿9帶動動抽出板19及貼附在其上的測試土工合成材料18 —起振動,與貼附于加載板15下表面的測試土工合成材料22發生剪切。通過伺服系統23監測剪切過程中對應于不同時刻的應力、應變指標，具體的傳感器設置方案按具體試驗要求而定。在整個振動剪切過程中,保證動抽出板19上貼附的測試土工合成材料18始終完全覆蓋測試土工合成材料22的下表面。參照圖f 5及圖7，本領域的技術人員均能順利實施。
【權利要求】
1.一種大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀，由儀器底座(1)、激振系統、動力激振輸入系統、正壓力施加系統和壓力盒系統組成，其特征在于: 儀器底座(1)作為整個多功能試驗平臺的底部固定系統，激振系統、動力激振輸入系統、正壓力施加系統和壓力盒系統均位于儀器底座(1)上方； 激振系統由激振器后固定支架(2)、激振器前固定支架(3)、縱向懸掛梁(4)、橫向懸掛梁(5)、激振器懸掛固定桿(6)、激振器固定支座(7)、動力激振器油缸(8)、激振器傳力桿(9)和連接卡口裝置(10)組成，激振器后固定支架(2)、激振器前固定支架(3)為預制的鋼制焊接構建，通過高強螺栓固定于儀器底座(1)上；兩根縱向懸掛梁(4)和兩根橫向懸掛梁(5)焊接構成上部懸掛梁部件，縱向懸掛梁(4)兩端通過螺栓與激振器前固定支架(2)和激振器后固定支架(3)連接固定在一起；激振器懸掛固定桿(6)穿過橫向懸掛梁(5)中部且用螺栓固定，通過調節螺栓可以實現激振器懸掛固定桿(6)的上下調節，激振器懸掛固定桿(6)下端與動力激振器油缸(8)固定；激振器固定支座(7)是位于動力激振器油缸(8)的后部水平固定裝置，其通過高強螺栓固定于激振器后固定支架(2)內側，動力激振器油缸(8)連接激振器傳力桿(9)，激振器傳力桿(9) 一端設有激振器傳力桿連接卡口裝置(10)； 動力激振輸入系統由激振器伺服系統(23)、油壓輸送控制系統(24)和電腦調節控制系統(25)組成，激振器伺服系統(23)、油壓輸送控制系統(24)和電腦調節控制系統(25)分別連接動力激振器油缸(8)，激振器伺服系統(23)通過油壓閥門和傳感器監測并控制動力激振器油缸(8)的運行，油壓輸送控制系統(24)為激振器油缸(8)的運行提供穩定可控的油源，伺服系統(23) 和油壓系統(24)由可視化的電腦調節控制系統(25)進行最終控制； 壓力盒系統由壓力盒加載板(15)、側限固定框(16)、測試土樣(17)、測試土工合成材料(18)和動抽出板(19)組成，測試土工合成材料(18)緊貼于動抽出板(19)的上表面上；壓力盒加載板(15)、側限固定框(16)和動抽出板(19)構成的長方體空間內填充有測試土樣(17);動抽出板(19) 一端連接激振器傳力桿連接卡口裝置(10);取下側限固定框(16)后，加上第二層土工合成材料(22)構成改裝壓力盒，第二層土工合成材料(22)緊貼于壓力盒加載板(15)下表面； 正壓力施加系統由豎向壓力器油缸(11)、固定支撐頂板(12)、豎向壓力器傳力桿(13)、豎向支撐柱(14)和水平底座(21)組成，水平底座(21)通過高強螺栓固定于儀器底座(1)上，4根豎向支撐柱(14)通過螺栓分別與水平底座(21)和支撐頂板(12)固定形成框架，固定支撐頂板(12)為有肋板的構件，豎向壓力器油缸(11)安裝于固定支撐頂板(12)頂部的中心位置，壓力器傳力桿(13)連接壓力盒加載板(15);水平底座(21)上設置鋼滾條組(20)，使得安置在鋼滾條組(20)上的動抽出板(19)的下表面受到的摩擦可忽略。
2.根據權利要求1所述的大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀，其特征在于橫向懸掛梁(5)有2根，每根橫向懸掛梁上分布安裝2根激振器懸掛固定桿(6)，共有4根激振器懸掛固定桿出)，分別位于激振器油缸的四個對稱懸掛點位置。
3.根據權利要求1所述的大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀，其特征在于豎向支撐柱(14)共有4根，豎向支撐柱下端固定在儀器底座(1)上，上端與支撐頂板(12)構成剛性支撐框架。
4.根據權利要求1所述的大型多功能土工合成材料界面動力直剪儀，其特征在于當取下側限固定框(16)后，加上第二層土工合成材料(22)即構成改裝壓力盒，第二層土工合成材料(22)緊貼于壓力盒 加載板(15)下表面。
【文檔編號】G01N3/24GK104034607SQ201410243598
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】馮世進, 沈陽 申請人:同濟大學