單根纖維加筋土拉拔試驗儀的製作方法

2023-10-18 10:28:29 1

專利名稱：單根纖維加筋土拉拔試驗儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單根纖維加筋土拉拔試驗儀。
背景技術：
纖維加筋土(fiber reinforced soil)是近些年發展起來的一種新型加筋技術，是指按一定比例將很細的纖維絲與土體充分拌合均勻，從而形成一種土工複合材料，起到改良土體工程性質的目的。由於纖維在土中均勻分布以及與土體充分接觸，故纖維加筋土不完全等同於一般的加筋土，具有一些自身特有的工程性質。例如，成層分布於土中的筋條和土工織物只能控制土體的側向變形，而均勻分散在土中的 纖維則可同時控制土體的側向和豎向的變形。纖維作為加筋材料與傳統材料相比具有以下特點纖維加入簡單，容易與土體拌和均勻，不會像土工布、土工條帶、土工格柵等那樣，在土體中形成潛在的軟弱結構面。此夕卜，同水泥、石灰、粉煤灰等無機結合料相比，纖維與土體的作用屬於物理過程，對土體的基本化學性質和物理結構無明顯改變，不影響土壤生態環境。國內外許多研究表明在土體中加入纖維能夠有效提高土樣的壓縮強度、剪切強度、抗拉能力和承載力，增加土樣破壞時的應變，減少峰值強度損失，使土樣呈現較高的韌性等。因此，近些年來纖維加筋土逐漸受到研究人員和工程界的重視，並在一些堤壩工程、道路工程、垃圾衛生填埋場的襯墊層以及擋土牆中得到廣泛應用。同傳統的加筋材料(土工布、土工條帶、土工格柵等土工織物)一樣，纖維的加筋效果也主要取決於纖維-土界面之間的作用力大小。定量獲得纖維-土界面之間的作用力大小對研究纖維加筋土的力學機理有重要意義。測試筋-土界面作用力最直接最有效的方法是拉拔試驗，即對埋於土體中的加筋材料施加一定的拉應力，通過分析拉力-位移曲線對筋-土界面作用進行評價。在傳統加筋材料領域，國內外學者開發了許多拉拔試驗方法和裝置，極大提升了傳統加筋土的理論研究水平，促進了傳統加筋材料在巖土工程中的推廣應用。但對於纖維加筋材料而言，目前國內外還未見有相應的拉拔試驗儀能直接測試纖維-土界面作用力。主要是因為以下技術難點(1)纖維的直徑非常小，一般小於O. 1_，單根纖維與土的界面作用力也非常小，傳統的拉力傳感器精度無法滿足要求；(2)纖維在土體中隨機分散，且纖維易被拉斷，很難製備理想的拉拔試件。

發明內容
本發明目的是提供一種單根纖維加筋土拉拔試驗儀，可用於定量研究纖維加筋土中纖維與土體之間的界面作用力，具有操作簡便、性能穩定、測量方便、結果可靠、適應範圍廣等特點。本發明的技術方案是本發明包括安裝在底座箱內的無級變速電機，底座箱前側安裝有控制面板，作用是控制無級變速電機的電源和加載速率。所述無級變速電機的動力輸出端與一剛性傳動軸的下端相連，所述剛性傳動軸的上端與可升降平臺的底部相連，電子天平安裝在可升降平臺上，可隨升降平臺上下移動，所述電子天平的量程為200g，精度為O. Olg，且帶有數據採集接口。砝碼置於電子天平上，並與單根纖維加筋土試件的纖維的下端連接，砝碼重50-100g，其作用是當電子天平隨可升降平臺向下運動時對纖維施加拉應力。所述單根纖維加筋土試件置於橫梁中央，纖維一端通過橫梁上的第一貫穿小孔與砝碼相連，另一端通過外罩頂部的第二貫穿小孔穿出，外罩的作用是減少試驗過程中單根纖維加筋土試件的水分蒸發損失。位移傳感器安裝在剛性立柱上，其作用是監測試驗過程中可升降平臺的位移。電子天平和位移傳感器通過數據線與數據採集器相連。優選的，所述單根纖維加筋土試件是通過方形壓樣模具和對應方形壓樣活塞進行製備的，壓樣模具中間有方形活塞孔貫穿整個模具，方形活塞孔的尺寸與壓樣活塞的尺寸相匹配，壓樣模具下端對稱兩側開有一條貫通小縫，小縫的寬度在O. 05-0. Imm之間。所述壓樣活塞的上部一側設有毫米刻度線，其作用是控制壓樣高度。優選的，所述單根纖維加筋土試件呈方形，纖維水平貫穿單根纖維加筋土試件的中心。本發明的優點是
I.本發明採用無級變速電機實現應變控制式加載，可獲得完整的單根纖維拉拔曲線(拉力-位移曲線)。2.本發明採用電子天平能感應微小拉力變化，如精度為O. Olg的電子天平而言，對應拉力精度為10_4n，能極大提高試驗精度，滿足單根纖維加筋土拉拔試驗要求。3.本發明中的單根纖維加筋土試件通過專用裝置製備，試件質量統一，試驗可重複性好。4.本發明涉及的儀器裝置結構簡單，操作簡便，成本低，數據可靠。


下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
圖I為單根纖維加筋土拉拔試驗儀示意 圖2為壓樣模具示意 圖3為壓樣活塞示意 圖4為單根纖維加筋土試件示意 圖5為典型單根纖維加筋土拉拔試驗拉力-位移曲線。其中1、底座箱，2、無級變速電機，3、控制面板，4、剛性立柱，5、剛性傳動軸，6、可升降平臺，7、電子天平，8、砝碼，9、位移傳感器，10、纖維，11、橫梁，12、第一貫穿小孔，13、單根纖維加筋土試件，14、外罩，15、第二貫穿小孔，16、數據採集器，17、壓樣模具，18、方形活塞孔，19、小縫，20、壓樣活塞，21、毫米刻度線。
具體實施例方式實施例如圖I所示，本發明包括安裝在底座箱I內的無級變速電機2，底座箱I前側安裝有控制面板3，作用是控制無級變速電機2的電源和加載速率。所述無級變速電機2的動力輸出端與一剛性傳動軸5的下端相連，所述剛性傳動軸5的上端與可升降平臺6的底部相連，電子天平7安裝在可升降平臺6上，可隨升降平臺6上下移動，所述電子天平7的量程為200g，精度為O. Olg,且帶有數據採集接口。砝碼8置於電子天平7上，並與單根纖維加筋土試件13的纖維10的下端連接，砝碼8重50-100g，其作用是當電子天平7隨可升降平臺6向下運動時對纖維10施加拉應力。所述單根纖維加筋土試件13置於橫梁11中央，纖維10 —端通過橫梁11上的第一貫穿小孔12與砝碼8相連，另一端通過外罩14頂部的第二貫穿小孔15穿出，外罩14的作用是減少試驗過程中單根纖維加筋土試件13的水分蒸發損失。位移傳感器9安裝在剛性立柱4上，其作用是監測試驗過程中可升降平臺6的位移。電子天平7和位移傳感器9通過數據線與數據採集器16相連。如圖2圖3所示，所述單根纖維加筋土試件13是通過方形壓樣模具17和對應方形壓樣活塞20進行製備的，壓樣模具17中間有方形活塞孔18貫穿整個模具17，方形活塞孔18的尺寸與壓樣活塞20的尺寸相匹配，壓樣模具17下端對稱兩側開有一條貫通小縫19，小縫19的寬度在O. 05-0. Imm之間。所述壓樣活塞20的上部一側設有毫米刻度線21，其作用是控制壓樣高度。如圖4所示，通過壓樣模具17和壓樣活塞20製備的單根纖維加筋土試件13呈方·形，纖維10水平貫穿單根纖維加筋土試件13的中心。本發明的工作原理如下
無級變速電機2通過剛性傳動軸5以恆定的位移速率帶動可升降平臺6上的電子天平7向下運動，在此過程中，砝碼8在重力作用下對纖維10施加拉力，拉力的大小通過電子天平7的示數進行反映，位移通過位移傳感器9進行測量，並通過連接的數據採集器16進行米集保存。本發明進行單根纖維拉拔試驗的步驟為
(1)先稱預製備試件一半的土重倒入壓樣模具17的活塞孔18中，輕輕撫平壓樣模具17中土樣的上表面；
(2)將一根纖維10從壓樣模具17兩側的貫通小縫19中穿過，水平置於土樣的上表面，在纖維10兩端施加微小拉力拉直纖維10，再將預製備試件的另一半土樣倒入壓樣模具17中；
(3)將壓樣活塞20置於壓樣模具17的活塞孔18中，在千斤頂上壓實，通過壓樣活塞20側面的毫米刻度線21控制壓樣高度；
(4)將壓製成的單根纖維加筋土試件13從壓樣模具17中推出，置於橫梁11上，蓋上外罩14，並將單根纖維加筋土試件13 —端的纖維10穿過橫梁11中央的第一貫穿小孔12，同砝碼8相連，纖維10的另一端穿過外罩14頂部的第二貫穿小孔15 ；
(5)通過控制面版3控制無級變速電機2的位移速率，接通電源，使電子天平7隨可升降平臺6 —起向下做勻速直線運動，並通過數據採集器16實時採集保存電子天平7的示數變化和位移傳感器9的位移變化，直到電子天平7的示數在Imin內波動範圍均不超過O. 5g時，便可以結束試驗；
(6)移除已拉拔結束的單根纖維加筋土試件13，仿照步驟(I)、(2)、(3)、(4)和(5)對新的單根纖維加筋土試件13進行單根纖維拉拔試驗，直至完成所有試件的測試工作。圖5為採用本發明按上述步驟測得的單根聚丙烯纖維加筋土試件的典型拉拔曲線(拉力-位移)。所用聚丙烯纖維的長度為10mm，直徑為O. 048mm，所用的土樣為南京地區的粉質黏土。試件尺寸為5X5X5mm，含水率均為16. 5%，對應幹密度分別為I. 5,1. 6和I.7g/cm3。從圖中可以看出，在初始階段，拉力-位移關係近似直線變化，即隨著拉伸位移的增大纖維所承受的拉力呈線性增加，當拉力達到峰值後，纖維-土接觸面開始鬆動滑移，拉力驟減。隨著拉伸位移的進一步增加，曲線逐漸水平，纖維所承受的拉力趨於定值，說明纖維在土體中滑動，界面作用力以滑動摩擦力為主。從圖中還可以看出，試件的幹密度越大，對應的拉力峰值和殘餘拉力也越大。可見，採用本發明的拉拔試驗儀能進行單根纖維拉拔試驗，能取得非常理想的試驗結果，為定量分析纖維-土界面相互作用力提供了有效的途徑。本發明具有操作簡單、方便、結果精度高、成本低廉等優點。當然上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術 的人能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明主要技術方案的精神實質所做的修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種單根纖維加筋土拉拔試驗儀，其特徵在於它包括安裝在底座箱(I)內的電機(2 )，底座箱(I)前側安裝有控制面板(3 )，所述電機(2 )的動力輸出端與一剛性傳動軸(5 )的下端相連，所述剛性傳動軸(5)的上端與可升降平臺(6)的底部相連，電子天平(7)安裝在可升降平臺(6)上，可隨升降平臺(6)上下移動，砝碼(8)置於電子天平(7)上，並與單根纖維加筋土試件(13)的纖維(10)的下端連接，所述單根纖維加筋土試件(13)置於橫梁(11)中央，纖維(10)—端通過橫梁(11)上的第一貫穿小孔(12)與砝碼(8)相連，另一端通過外罩(14)頂部的第二貫穿小孔(15)穿出，位移傳感器(9)安裝在剛性立柱(4)上，電子天平(7 )和位移傳感器(9 )通過數據線與數據採集器(16 )相連。
2.根據權利要求I所述的單根纖維加筋土拉拔試驗儀，其特徵在於所述單根纖維加筋土試件(13)是通過方形壓樣模具(17)和對應方形壓樣活塞(20 )進行製備的，壓樣模具(17)中間有方形活塞孔(18)，方形活塞孔(18)的尺寸與壓樣活塞(20)的尺寸相匹配，壓樣模具(17)下端對稱兩側開有一條貫通小縫(19)，所述壓樣活塞(20)的上部一側設有毫米刻度線(21)。
3.根據權利要求I所述的單根纖維加筋土拉拔試驗儀，其特徵在於所述單根纖維加筋土試件(13)呈方形，纖維(10)水平貫穿單根纖維加筋土試件(13)的中心。
4.根據權利要求I所述的單根纖維加筋土拉拔試驗儀，其特徵在於所述電機(2)為無級變速電機或多級變速電機。
全文摘要
本發明公開了一種單根纖維加筋土拉拔試驗儀，它包括安裝在底座箱內的無級變速電機，所述無級變速電機的動力輸出端與一剛性傳動軸的下端相連，所述剛性傳動軸的上端與可升降平臺的底部相連，電子天平安裝在可升降平臺上，可隨升降平臺上下移動，砝碼置於電子天平上，並與單根纖維加筋土試件的纖維的下端連接，所述單根纖維加筋土試件置於橫梁中央，纖維一端通過橫梁上的第一貫穿小孔與砝碼相連，另一端通過外罩頂部的第二貫穿小孔穿出；本發明採用無級變速電機實現應變控制式加載，可獲得完整的單根纖維拉拔曲線；本發明採用電子天平能感應微小拉力變化，能極大提高試驗精度。
文檔編號G01N3/08GK102901670SQ20121030141
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月23日 優先權日2012年8月23日
發明者唐朝生, 施斌 申請人:蘇州南智傳感科技有限公司