大型土工合成材料各向異性直剪儀研制

段英杰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

目前將土工合成材料置于土體內(nèi)部、表面或各種土體之間作為拉筋廣泛應(yīng)用于邊坡、擋土墻等巖土加固工程中。這是因?yàn)橥凉ず铣刹牧下袢胪馏w后，依靠其與土體的相互摩擦作用以及網(wǎng)眼所具有的嵌鎖、咬合作用，彌補(bǔ)了土體抗拉強(qiáng)度低的缺陷，改善了土體力學(xué)性能，因此開展筋土界面力學(xué)特性研究具有重要意義[1-2]。

筋土界面的力學(xué)特性目前可通過3種試驗(yàn)手段來獲得：直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)和環(huán)剪試驗(yàn)，其中國內(nèi)用的比較多的是前兩種，而直剪試驗(yàn)應(yīng)用更為廣泛[3]。但是土工合成材料直剪試驗(yàn)時(shí)，一般僅做一個(gè)方向的“筋-土”直剪試驗(yàn)，無法考慮土工合成材料的各向異性，直剪試驗(yàn)所得出的土工合成材料與填土的界面力學(xué)性能不能真實(shí)反映工程實(shí)際中土工合成材料與填土的界面力學(xué)性能。

基于此，山西省交通科學(xué)研究院研制了大型土工合成材料各向異性直剪儀，該設(shè)備集機(jī)械、氣壓、控制和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)于一體，操作方便、試驗(yàn)精度高、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，另外該設(shè)備的下剪切盒可實(shí)現(xiàn)0～360°任意角度旋轉(zhuǎn)，可方便快捷地實(shí)現(xiàn)筋土界面各個(gè)方向力學(xué)性能檢測。

1 各向異性直剪儀總體方案設(shè)計(jì)

大型土工合成材料各向異性直剪儀的主要功能是以不同的法向力作用于土工試樣上，并以恒定剪切速率對試樣進(jìn)行剪切，測定土工合成材料各個(gè)方向上試驗(yàn)土樣剪切破壞時(shí)的最大剪切力值，通過一元線性回歸，計(jì)算試樣的抗剪切力與摩擦角等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.1 直剪儀系統(tǒng)組成

大型土工合成材料各向異性直剪儀系統(tǒng)組成如圖1。

圖1 大型土工合成材料各向異性直剪儀結(jié)構(gòu)組成

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

大型土工合成材料各向異性直剪儀設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如下所示：

a）上剪切盒內(nèi)徑 200 mm；

b）旋轉(zhuǎn)角度 0～360°；

c）法向載荷 0～500 kPa；

d）剪切速率 0.5～50 mm/min；

e）剪切位移 0～40 mm；

f）電源電壓 220 V，50 Hz；

g）壓力傳感器精度 量程3 t，精度±0.1%F·S；

h）位移傳感器精度 量程150 mm，精度±0.05%F·S。

2 各向異性直剪儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 水平加載系統(tǒng)

大型土工合成材料各向異性直剪儀水平加載系統(tǒng)主要包括電動缸、頂尖、直線導(dǎo)軌、壓力傳感器、位移傳感器以及傳感器聯(lián)接組件等。

頂尖通過頂尖法蘭和上剪切盒推塊連接，限制上剪切盒旋轉(zhuǎn)和水平方向的運(yùn)動，上剪切盒在垂直方向可以自由滑動。旋轉(zhuǎn)手輪，可以調(diào)節(jié)上剪切盒水平方向的位置。頂尖主要是由頂尖、頂尖法蘭、梯形螺桿、梯形螺套和手輪等主要零部件組成，其中梯形螺桿與梯形螺套為主要受力組件，需對其進(jìn)行熱處理，熱處理方式為調(diào)質(zhì)+表面淬火，主要技術(shù)要求為：調(diào)質(zhì)HRC58。頂尖三維造型如圖2所示。

圖2 頂尖

直線導(dǎo)軌副采用滾珠直線導(dǎo)軌副使導(dǎo)軌與滑塊間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低了直剪試驗(yàn)中摩擦力對檢測精度的影響。

壓力傳感器一端通過轉(zhuǎn)接頭與電動缸軸頭聯(lián)接，另一端通過鉸鏈固結(jié)在下剪切盒的安裝板上。為使水平加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠穩(wěn)定，對轉(zhuǎn)接頭與鉸鏈螺紋處進(jìn)行熱處理，熱處理方式為調(diào)質(zhì)+表面淬火。

本大型直剪儀屬于應(yīng)變控制式，通過對試樣施加剪切位移而完成剪切試驗(yàn)。通過電動缸施加水平力，最大設(shè)計(jì)水平剪力可達(dá)10 kN，可實(shí)現(xiàn)對試樣的勻速剪切，剪切速率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

2.2 法向加載系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括氣缸、氣缸座、支撐桿、作業(yè)平臺、法向傳力組件、剪切盒、回轉(zhuǎn)驅(qū)動等主要部分。

法向壓力通過氣缸施加，最大設(shè)計(jì)法向壓強(qiáng)為500 kPa；法向加載系統(tǒng)軸線與上剪切盒中心位于一條直線上；支撐桿一端與氣缸座通過圓螺母緊固，另一端與作業(yè)平臺緊固，因此支撐桿作用在氣缸座上的力與支撐桿作用在作業(yè)平臺的力為方向相反的一對內(nèi)力，因而不需要添加額外的反力裝置。

為了實(shí)現(xiàn)土工合成材料與試驗(yàn)土樣任意角度的直剪試驗(yàn)，并消除試驗(yàn)土樣形狀對筋土界面力學(xué)特性的影響，將上、下剪切盒的內(nèi)部形狀設(shè)計(jì)為圓形。另外，為實(shí)現(xiàn)上剪切盒與頂尖之間的配合可靠、穩(wěn)定，將上剪切盒外部形狀設(shè)計(jì)為正八邊形。上、下剪切盒三維造型如圖3、圖4所示：

圖3 上剪切盒

圖4 下剪切盒

上剪切盒的凈幾何尺寸為：φ200×110；下剪切盒的凈幾何尺寸為：φ300×110。下剪切盒與回轉(zhuǎn)驅(qū)動緊固，土工格柵通過螺栓聯(lián)接緊固在下剪切盒上，可方便快捷地實(shí)現(xiàn)土工格柵各個(gè)方向的直剪試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

大型土工合成材料各向異性直剪儀試制完成后，在剪切速率為1 mm/min，剪切盒內(nèi)土樣含水量為16%，土工合成材料采用雙向塑料土工格柵（見圖 5）的條件下，我們進(jìn)行了 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa 不同法向壓力的直剪試驗(yàn)，測出相應(yīng)的強(qiáng)度值，然后將試驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)繪成曲線，從而求得似黏聚力c和似摩擦角φ，以驗(yàn)證該設(shè)備結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性。試驗(yàn)方法和強(qiáng)度指標(biāo)整理方法見公路土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E50—2006）。試驗(yàn)結(jié)果見圖6、圖7。

圖5 雙向塑料土工格柵

圖6 剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖7 最大剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖6和圖7可知，試驗(yàn)曲線符合一般規(guī)律，強(qiáng)度指標(biāo)在正常數(shù)值范圍內(nèi)，合理可信，表明了大型土工合成材料各向異性直剪儀結(jié)構(gòu)合理、控制精度和測量精度滿足要求，達(dá)到了預(yù)期研制目標(biāo)。

4 結(jié)語

大型土工合成材料直剪儀充分考慮土工合成材料力學(xué)性能的各向異性，創(chuàng)新性地提出圓形剪切盒設(shè)計(jì)理念以及筋土界面各個(gè)方向力學(xué)性能檢測的實(shí)現(xiàn)方法，保障試驗(yàn)所得到的筋土界面力學(xué)性能真實(shí)反映工程實(shí)際。直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，大型土工合成材料各向異性直剪儀數(shù)據(jù)可靠、操作便捷，達(dá)到了預(yù)期研制目標(biāo)。