一種可實現三維空間各向移動大型直剪儀及其試驗方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于土工合成材料力學性能測試領域，涉及一種土工合成材料各向異性直 剪儀及其試驗方法，尤其涉及一種可實現三維空間各向移動大型直剪儀及其試驗方法。
【背景技術】
[0002] 土工合成材料置于土體內部、表面或各種土體之間，起到保護或加強土體的作用， 因而得到廣泛應用，在《土工合成材料測試規程》和《公路工程土工合成材料試驗規程》等 規范中均提到了土工合成材料直剪儀裝置。目前已有的直剪儀裝置只能做單方向、小型樣 品的"筋-土"直剪試驗，樣品剪切方向隨意性大、所受載荷輕、剪切面積小，一般只能包含 土工合成材料幾個格柵孔，由試驗得到的力學性能不具有代表性，因此不能真實的反映工 程實際中土工合成材料與填土的實際力學性能。
[0003] 同時，為了與工程實際中的填土界面力學性能一致，直剪試驗過程中的受力機理 為"填土-土工合成材料-填土"。在較大豎向加載力作用下，上、下剪切盒土樣材料將會 發生較大壓縮位移，土工合成材料向下彎曲，這種變形將會造成格柵折疊和褶破，嚴重影響 試驗結果。另外，考慮到取樣方便性，上剪切盒與加載裝置之間應保證足夠的安裝空間，因 上、下剪切盒土樣將會發生較大壓縮位移，因此需要選用行程較大的加載裝置，會增加加載 裝置的體積及生產成本，從而造成資源浪費。
[0004] 綜上所述，由于現行土工合成材料直剪試驗過程中存在諸如試驗方法、取樣、選 型、模擬結果有效性等問題，其試驗得到的力學性能無法真實反映工程實際。因此，采用現 行直剪儀試驗得到的土工合成材料與填土界面力學性能進行工程設計時，其安全性能存在 較大隱患，嚴重威脅著工程質量和人民生命財產安全。宄其根本原因是現有直剪儀設備采 用單電機加導軌驅動方案，運動方向單一、驅動力有限，無法實現裝置大型化。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的是提出一種全新的大型直剪儀實現方案，解決現有設備剪切方向單 一、無法實現大型化、試驗得到的土工合成材料與填土界面力學性能無法真實反映工程實 際的技術問題。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0007] -種可實現三維空間各向移動大型直剪儀，其特征在于：所述可實現三維空間各 向移動大型直剪儀包括試驗臺架、電控柜、工作平臺、加載裝置、支撐裝置、水平位移約束裝 置、運動執行機構、上剪切盒、格柵壓片、下剪切盒以及承載板；所述工作平臺設置在試驗臺 架上；所述電控柜、水平位移約束裝置以及支撐裝置均設置在工作平臺上；所述加載裝置 與支撐裝置相連并通過支撐裝置設置在工作平臺上；所述運動執行機構設置在試驗臺架 上；所述加載裝置的底部設置有承載板；所述上剪切盒、格柵壓片以及下剪切盒自上而下 設置在運動執行機構的上表面；所述加載裝置通過承載板向上剪切盒、格柵壓片以及下剪 切盒施加豎向壓力；所述水平位移約束裝置與上剪切盒相連；待進行剪切試驗的土工合成 材料呈圓形，其直徑與下剪切盒外徑相同，待進行剪切試驗的土工合成材料置于格柵壓片 以及下剪切盒的上端面之間；所述運動執行機構帶動下剪切盒進行空間三維移動；所述電 控柜分別與加載裝置以及運動執行機構相連。
[0008] 作為優選，本發明所采用的運動執行機構包括動平臺、定平臺以及三個結構完全 相同的伸縮型運動分支；所述定平臺設置在試驗臺架上；所述工作平臺上設置有分支運動 孔；所述動平臺置于工作平臺之上；所述下剪切盒設置在動平臺上；所述伸縮型運動分支 穿過工作平臺上的分支運動孔后分別與動平臺以及定平臺相連；所述定平臺通過伸縮型運 動分支帶動動平臺以及下剪切盒進行空間三維移動。
[0009] 作為優選，本發明所采用的伸縮型運動分支包括上轉動軸、上軸承、推桿電機、鉸 座、下轉動軸、下軸承、滑塊以及導軌；所述導軌設置在定平臺上；所述鉸座通過滑塊設置 在導軌上并可在導軌上自如滑動；所述推桿電機的頂部通過上轉動軸設置在上軸承中；所 述上軸承設置在動平臺上；所述推桿電機的底部通過下轉動軸設置在下軸承中；所述下軸 承設置在鉸座上；所述電控柜與推桿電機相連；在推桿電機的驅動下，動平臺沿導軌的軸 線移動繞上轉動軸和/或下轉動軸的軸向擺動。
[0010] 作為優選，本發明所采用的三個結構完全相同的伸縮型運動分支的導軌以正三角 形式均勾布置于定平臺上。
[0011] 作為優選，本發明所采用的動平臺為六邊形，對應外接圓直徑至少為500_;所述 定平臺為矩形，最小尺寸為900X680X 14mm ;所述動平臺性能參數為：水平任意方向移動 范圍至少為±60mm、垂向移動范圍至少為±50mm;水平任意方向承載力至少為0. 5t、垂向 承載力至少為I. 5t。
[0012] 作為優選，本發明所采用的水平位移約束裝置包括定位塊、絲杠、套筒、手輪以及 基座；所述基座設置在工作平臺上；所述套筒設置在基座上；所述套筒套裝在絲杠外部并 與絲杠嚙合；所述絲杠的兩端分別設置有手輪以及定位塊；所述定位塊與上剪切盒相連； 所述水平位移約束裝置是結構完全相同的兩組；所述兩組結構完全相同的水平位移約束裝 置以絲杠軸線互成120°。
[0013] 作為優選，本發明所采用的上剪切盒的外側壁上設置有支座以及與支座相連且 與定位塊相匹配的定位槽；所述上剪切盒呈空心圓柱體結構，所述上剪切盒的內徑至少為 200_、壁厚至少10_、高度至少為IlOmm ;所述下剪切盒的內徑至少為300_、厚度至少為 IOmm ;所述承載板的直徑至少為195mm、厚度至少為20mm，所述承載板的直徑與上剪切盒的 內徑之差應在2~5mm范圍內；所述格柵壓片的直徑與下剪切盒的直徑相同，厚度至多為 5mm 〇
[0014] 作為優選，本發明所采用的試驗臺架是由角鋼焊接而成的桁架式結構，所述試驗 臺架的外表面設置有鈑金包裹層；所述工作平臺尺寸至少為1500 X 700 X 14mm，所述工作 平臺上的分支運動孔的直徑不小于120_ ;所述支撐裝置包括支撐板以及支撐桿；所述支 撐板通過支撐桿設置在工作平臺上；所述加載裝置設置在支撐板上。
[0015] -種基于如上所述的可實現三維空間各向移動大型直剪儀的待進行剪切試驗的 土工合成材料的試驗方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：1)卸下上剪切盒以及下 剪切盒，并在上剪切盒以及下剪切盒中裝填與待進行剪切試驗的土工合成材料相對應的試 驗土樣；
[0016] 2)將下剪切盒安裝于運動執行機構動平臺上表面，并在待進行剪切試驗的土工合 成材料置于下剪切盒的上表面，在待進行剪切試驗的土工合成材料的上表面依次安裝格柵 壓片、上剪切盒以及承載板，調整上剪切盒角度，并旋轉水平位移約束裝置的手輪，待定位 塊與定位槽表面貼合后調節上剪切盒運動至工作位置；
[0017] 3)通過電控柜控制運動執行機構由初始位置運行至工作位置，調節加載裝置通過 加載對上剪切盒進行豎向壓力加載；所述初始位置是所有推桿電機伸縮量為零時對應的位 置；所述工作位置是所有推桿電機伸縮量為總行程的一半時對應的位置；
[0018] 4)待豎向壓力加載完畢后，根據試驗要求在電控柜中輸入所需的剪切方向、剪切 位移以及剪切速度，由運動執行機構通過推桿電機開始對待進行剪切試驗的土工合成材料 進行試驗；
[0019] 5)試驗運行過程中，實時記錄運動