本发明为一种关于土工合成材料测试装置以及测试方法。该装置有三部分组成，一部分为摆式仪，该装置呈现半扇形结构，左半部分为扇形，扇形沿边有相应的刻度，右半部分为一个摆杆，摆杆一端安装一个冲击锤装置，另一端与扇形结构相连接；第二部分为一个土工合成材料装载装置，两个盒子作为模拟不同土质的剪切盒和一个夹具组成，该夹具又通过一不可伸长的细钢绳与冲击锤底部的挂钩相连接；第三部分为一个多功能底座，底座将第一部分与第二部分连接在一起，底座上装刻度尺，底座中间有两个滑道，滑道与夹具底部的滑轮相连接，底座右端装一卡具，用于固定受剪切时的土工格栅。本发明装置通过模拟不同土质情况下，测量不同土质情况下的土工合成材料的摩擦系数。
1.一种土工合成材料拉拔测试装置，包括底座(9)；其特征在于：所述底座(9)左部安装立杆(23)，所述立杆(23)上安装扇形刻度尺(10)，所述扇形刻度尺(10)位于立杆(23)左侧、且扇形刻度尺(10)的一条半径与立杆(23)轴线平行或重合，所述立杆(23)上位于扇形刻度尺(10)的圆心处活动安装摆杆(2)的一端，所述摆杆(2)的一端通过单向装置棘轮止逆器安装指针(1)、其另一端安装重锤(3)，所述重锤(3)上设有挂钩；
所述底座(9)右部中间安装有轨道(15)，所述轨道(15)上安装有夹具(7)，所述夹具(7)通过其底部滑轮(21)在轨道(15)上滑动；所述底座(9)右部侧面安装有水平刻度尺(8)，所述水平刻度尺(8)上套装有滑套(13)，所述滑套(13)上固定小指针(14)，所述小指针(14)与夹具(7)连接，实现同步运动；当摆杆(2)位于水平状态时，重锤(3)上的挂钩和夹具(7)之间连接钢绳(4)，所述钢绳(4)穿过两个定滑轮(11)之间后分别呈垂直和水平状态；
所述底座(9)右端固定安装下层剪切盒(5b)，所述下层剪切盒(5b)上放置上层剪切盒(5a)，所述下层剪切盒(5b)上表面和上层剪切盒(5a)下表面分别密布有小半球(22)、且上下层的小半球错位布置；所述下层剪切盒(5b)和上层剪切盒(5a)之间放置土工格栅后用销钉连接，所述土工格栅的左端被夹具(7)夹持；所述上层剪切盒(5a)上设有重盒(12)。
2.一种土工合成材料拉拔测试方法，其特征在于：该方法在权利要求1所述的土工合成材料拉拔测试装置中实现，包括如下步骤：(1)、将下层剪切盒安装于底座，摆放土工格栅，夹具将土工格栅夹好，将小指针与底座的水平刻度尺的0刻度对齐，放上层剪切盒，用销钉固定两个盒子；剪切盒中小半球粒径
(3)、释放冲击锤，冲击锤在摆过最低点后，通过钢绳拉动夹具，使夹具产生位移，通过水平刻度尺上小指针的滑动将夹具的位移显示在水平刻度尺上，记录夹具产生的位移；同时，安装在摆杆上的指针在冲击锤下摆过程中达到的最大摆角时停止，记录摆杆摆过的角度；
(4)、由摆杆摆锤的长度l，摆过角度θ，冲击锤质量m，求得势能损失mglcosθ，而夹具滑动的位移为s，由功能关系，fs＝mglcosθ，求得摩擦系数f；
(5)、重复上述步骤三次，求其均值 即可认为 为该土工格栅的摩擦系数；
(6)、换质量不同的冲击锤，分别求得 则土工格栅在粒径
(7)、换小半球粒径分别为2mm和20mm的剪切盒，重复步骤( 1) ～( 6) ，分别得到土工合成材料在粒径2mm和20mm土质下的摩擦系数ft-2.0、ft-20。
3.一种土工合成材料直剪测试装置，包括底座(9)；其特征在于：所述底座(9)左部安装立杆(23)，所述立杆(23)上安装扇形刻度尺(10)，所述扇形刻度尺(10)位于立杆(23)左侧、且扇形刻度尺(10)的一条半径与立杆(23)轴线平行或重合，所述立杆(23)上位于扇形刻度尺(10)的圆心处活动安装摆杆(2)的一端，所述摆杆(2)的一端通过单向装置棘轮止逆器安装指针(1)、其另一端安装重锤(3)，所述重锤(3)上设有挂钩；
所述底座(9)右部侧面安装有水平刻度尺(8)，所述水平刻度尺(8)上套装有滑套(13)，所述滑套(13)上固定小指针(14)；所述底座(9)右部固定安装下层剪切盒(5b)，所述下层剪切盒(5b)上放置上层剪切盒(5a)，所述下层剪切盒(5b)上表面和上层剪切盒(5a)下表面分别密布有小半球(22)、且上下层的小半球错位布置；所述下层剪切盒(5b)和上层剪切盒(5a)之间放置土工格栅后用销钉连接，所述土工格栅的右端被位于底座(9)右端的卡具(6)夹持；所述小指针(14)与上层剪切盒(5a)连接，实现同步运动；当摆杆(2)位于水平状态时，重锤(3)上的挂钩和上层剪切盒(5a)之间连接钢绳(4)，所述钢绳(4)穿过两个定滑轮(11)之间后分别呈垂直和水平状态；所述上层剪切盒(5a)上设有重盒(12)。
4.一种土工合成材料直剪测试方法，其特征在于：该方法在权利要求3所述的土工合成材料直剪测试装置中实现，包括如下步骤：(1)、将下层剪切盒安装于底座，摆放土工格栅，卡具将土工格栅卡好，放上层剪切盒，将小指针与底座的水平刻度尺上的0刻度对齐，用销钉固定两个盒子；剪切盒中小半球粒径
(3)、释放冲击锤，冲击锤摆过最低点后通过钢绳拉动上层剪切盒，使上层剪切盒产生位移，通过刻度尺上小指针的滑动将上层剪切盒的位移显示在刻度尺上，记录剪切盒产生的位移；同时，安装在摆杆上的指针在冲击锤下摆过程中达到的最大摆角时停止，记录摆杆摆过的角度；
(4)、由摆杆摆锤的长度l，摆过角度θ，冲击锤质量m，求得势能损失mglcosθ，而上层剪切盒滑动的位移为s，由功能关系，fs＝mglcosθ，求得摩擦系数f；
(5)、重复上述步骤三次，求其均值 即可认为 为该土工格栅的摩擦系数；
(6)、换质量不同的冲击锤，分别求的 则土工格栅在粒径
(7)、换小半球粒径分别为2mm和20mm的剪切盒，重复步骤1～6，分别得到土工格栅在粒径2mm和20mm土质下的摩擦系数fs-2.0、fs-20。
土工合成材料拉拔/直剪测试装置及测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及测量仪器领域，具体为一种土工合成材料的拉拔/直剪测试装置以及测试方法。
背景技术
[0002] 近年来，随着土工合成材料产品的不断增加，使得加筋材料广泛应用于公路铁路港口煤矿等各个领域，但是对于筋土之间相互作用的研究结果及不同土质下土工合成材料的摩擦系数却存在较大的分散性，其主要的研究方法为直剪试验和拉拔试验的研究，但是在试验过程中对摩擦系数的定义模糊不清，所得结果并不能很好的表示土工合成材料的摩擦系数。
发明内容
[0003] 本发明旨在为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种方便简单的测量土工合成材料摩擦系数的测量装置及试验方法。
[0004] 一种关于土工合成材料测试装置，该装置由三部分组成，一部分为摆式仪，该装置呈现半扇形结构，左半部分为扇形，扇形沿边有相应的刻度，右半部分为一个摆杆，摆杆一端安装一个冲击锤装置，另一端安装指针并与扇形结构相连接；第二部分为一个土工合成材料装载装置，两个盒子作为模拟不同土质的剪切盒和一个夹具组成，该夹具又通过一不可伸长的细钢绳与冲击锤底部的挂钩相连接；第三部分为一个多功能底座，底座将第一部分与第二部分连接在一起，底座上装刻度尺，底座中间有两个滑道，滑道与夹具底部的滑轮相连接，底座右端装一卡具，用于固定受剪切时的土工格栅。
[0005] 本发明具体通过如下技术方案实现的：
[0006] 本发明目的之一是提供一种土工合成材料拉拔测试装置及测试方法，如下：
[0007] 一种土工合成材料拉拔测试装置，包括底座；所述底座左部安装立杆，所述立杆上安装扇形刻度尺，所述扇形刻度尺位于立杆左侧、且扇形刻度尺的一条半径与立杆轴线平行或重合，所述立杆上位于扇形刻度尺的圆心处活动安装摆杆的一端，所述摆杆的一端通过单向装置棘轮止逆器安装指针、其另一端安装重锤，所述重锤上设有挂钩。
[0008] 所述底座中部安装有两组定滑轮。
[0009] 所述底座右部中间安装有轨道，所述轨道上安装有夹具，所述夹具通过其底部滑轮在轨道上滑动；所述底座右部侧面安装有水平刻度尺，所述水平刻度尺上套装有滑套，所述滑套上固定小指针，所述小指针与夹具连接，实现同步运动；当摆杆位于水平状态时，重锤上的挂钩和夹具之间连接钢绳，所述钢绳穿过两个定滑轮之间后分别呈垂直和水平状态。
[0010] 所述底座右端固定安装下层剪切盒，所述下层剪切盒上放置上层剪切盒，所述下层剪切盒上表面和上层剪切盒下表面分别密布有小半球、且上下层的小半球错位布置；所述下层剪切盒和上层剪切盒之间放置土工格栅后用销钉连接，所述土工格栅的左端被夹具夹持；所述上层剪切盒上设有重盒。
[0011] 一种土工合成材料拉拔测试方法，包括如下步骤：
[0012] (1)、将下层剪切盒安装于底座，摆放土工格栅，夹具将土工格栅夹好，将小指针与底座的水平刻度尺的0刻度对齐，放上层剪切盒，用销钉固定两个盒子；剪切盒中小半球粒径0.5mm；
[0013] (2)、将冲击锤摆放到水平位置；
[0014] (3)、释放冲击锤，冲击锤在摆过最低点后，通过钢绳拉动夹具，使夹具产生位移，通过水平刻度尺上小指针的滑动将夹具的位移显示在水平刻度尺上，记录夹具产生的位移；同时，安装在摆杆上的指针在冲击锤下摆过程中达到的最大摆角时停止，记录摆杆摆过的角度；
[0015] (4)、由摆杆摆锤的长度L，摆过角度θ，冲击锤质量m，求得势能损失mglcosθ，而夹具滑动的位移为S，由功能关系，fs＝mglcosθ，求得f；
[0016] (5)、重复上述试验三次，求其均值 即可认为 为该土工格栅的摩擦系数；
[0017] (6)、换质量不同的冲击锤，分别求的 则土工格栅在粒径0.5mm土质下的摩擦系数
[0018] (7)、换小半球粒径分别为2mm和20mm的剪切盒，重复步骤1～6，分别得到土工合成材料在粒径2mm和20mm土质下的摩擦系数ft-2.0、ft-20。
[0019] 本发明目的之二是提供一种土工合成材料直剪测试装置及测试方法，如下：
[0020] 一种土工合成材料直剪测试装置，包括底座；所述底座左部安装立杆，所述立杆上安装扇形刻度尺，所述扇形刻度尺位于立杆左侧、且扇形刻度尺的一条半径与立杆轴线平行或重合，所述立杆上位于扇形刻度尺的圆心处活动安装摆杆的一端，所述摆杆的一端通过单向装置棘轮止逆器安装指针、其另一端安装重锤，所述重锤上设有挂钩。
[0021] 所述底座中部安装有两组定滑轮。
[0022] 所述底座右部侧面安装有水平刻度尺，所述水平刻度尺上套装有滑套，所述滑套上固定小指针；所述底座右部固定安装下层剪切盒，所述下层剪切盒上放置上层剪切盒，所述下层剪切盒上表面和上层剪切盒下表面分别密布有小半球、且上下层的小半球错位布置；所述下层剪切盒和上层剪切盒之间放置土工格栅后用销钉连接，所述土工格栅的右端被位于底座右端的卡具夹持；所述小指针与上层剪切盒连接，实现同步运动；当摆杆位于水平状态时，重锤上的挂钩和上层剪切盒之间连接钢绳，所述钢绳穿过两个定滑轮之间后分别呈垂直和水平状态；所述上层剪切盒上设有重盒。
[0023] 一种土工合成材料直剪测试方法，包括如下步骤：
[0024] (1)、将下层剪切盒安装于底座，摆放土工格栅，卡具将土工格栅卡好，放上层剪切盒，将小指针与底座的水平刻度尺上的0刻度对齐，用销钉固定两个盒子；剪切盒中小半球粒径0.5mm；
[0025] (2)、将冲击锤摆放到水平位置；
[0026] (3)、释放冲击锤，冲击锤摆过最低点后通过钢绳拉动上层剪切盒，使上层剪切盒产生位移，通过刻度尺上小指针的滑动将上层剪切盒的位移显示在刻度尺上，记录剪切盒产生的位移；同时，安装在摆杆上的指针在冲击锤下摆过程中达到的最大摆角时停止，记录摆杆摆过的角度；
[0027] (4)、由摆杆摆锤的长度L，摆过角度θ，冲击锤质量m，求得势能损失mglcosθ，而上层剪切盒滑动的位移为S，由功能关系，fs＝mglcosθ，求得f；
[0028] (5)、重复上述试验三次，求其均值 即可认为 为该土工格栅的摩擦系数；
[0029] (6)、换质量不同的冲击锤，分别求的 则土工格栅在粒径0.5mm土质下的摩擦系数
[0030] (7)、换小半球粒径分别为2mm和20mm的剪切盒，重复步骤1～6，分别得到土工格栅在粒径2mm和20mm土质下的摩擦系数fs-2.0、fs-20。
[0031] 本发明测试装置通过重锤向下摆动，使得土工合成材料与剪切盒发生位移，由重锤在扇形结构上显示的摆动角度，可求出这一过程产生的动能，由功能关系得出土工合成材料的摩擦系数。
[0032] 本发明测试装置设计科学、结构简单、操作简洁、实用性强，用不同大小的小球模拟土质，避免了装砂、倒砂等繁琐的步骤，使测量更加简单方便，能够更加快速有效的测量不同砂土和不同受力情况下土工合成材料在土体中的摩擦系数。
附图说明
[0033] 图1表示本发明装置的结构示意图。
[0034] 图2表示底座示意图。
[0035] 图3表示夹具示意图。
[0036] 图4a表示剪切盒底面示意图。
[0037] 图4b表示上下层剪切盒配合示意图。
[0038] 图中：1-指针，2-摆杆，3-冲击锤，4-钢绳，5a-上层剪切盒，5b-下层剪切盒，6-卡具，7-夹具，8-水平刻度尺，9-底座，10-扇形刻度尺，11-定滑轮，12-重盒，13-滑套，14-小指针，15-轨道，16-底座大孔螺纹，17-底座小孔螺纹，18-夹片A，19-夹片B，20-弹簧，21-滑轮，22-小半球，23-立杆。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
[0040] 如图1所示，一种土工合成材料测试装置，装置由三部分组成。
[0041] 一部分为摆式仪，该装置呈现半扇形结构，一部分为摆式仪(属现有结构)，该装置呈现半扇形结构，左半部分为扇形，扇形沿边有相应的刻度，右半部分为一个摆杆，摆杆一端安装一个冲击锤装置、另一端与扇形结构相连接；具体包括扇形刻度尺10，摆杆2，安装于摆杆右端的可拆卸式冲击锤3，安装于摆杆2左端的指针1，指针1上安装有一个单项装置棘轮逆止器，在冲击锤3下摆过程中达到的最大摆角时停止，冲击锤3底端有一挂钩，连接一不可伸长的细钢绳4。扇形刻度尺10位于立杆23左侧、且扇形刻度尺10的一条半径与立杆23轴线平行或重合，立杆23上位于扇形刻度尺10的圆心处活动安装摆杆2的一端。定滑轮有两种规格，一种用于拉拔测试，一种用于直剪测试，其作用为使得夹具或剪切盒受到的力为水平力。可拆卸式冲击锤3有四种规格，其质量分别为2.5kg、5kg、7.5kg、10kg。
[0042] 第二部分为一个模拟土质装置，由两个大小为300mm×300mm×60mm的盒子作为土质模拟剪切盒和一个大小为300mm×300mm×60mm的重盒12组成，上层剪切盒5a和下层剪切盒5b之间用销钉连接，下层剪切盒5b通过螺丝固定底座9上。如图4a所示，土质模拟剪切盒的小半球22均匀紧密分布在剪切盒内，不同尺寸的小半球代表不同的土质，上层剪切盒与下层剪切盒的半球相互交错开(如图4b所示)，用于模拟不同土质的实际情况。具体实施时，土质模拟剪切盒分为六个盒子，每个盒子一面都布满不同尺寸的小半球，其粒径分别为0.5mm、2mm、20mm，分别表示中沙粒、细圆砾或角砾颗粒、中圆砾或角砾颗粒，两个粒径相等的盒子分为一组，共三组盒子，上、下层剪切盒质量均为10kg。重盒质量9kg，相当于给剪切盒100kPa的竖向压力。
[0043] 第三部分为一个多功能底座9，底座上装水平刻度尺8，水平刻度尺8可以在底座9上自由滑动后固定，用于调零，精度以毫米计。水平刻度尺8上安装一竖直向上的小指针14，小指针14与水平刻度尺8通过滑套13连接，滑套13可以在水平刻度尺8上进行无摩擦滑动，精度以毫米计。底座9右端装一卡具6，进行直受剪测试时用于固定土工格栅。进行直剪测试时，将冲击锤3和上层剪切盒5a通过钢绳4及安装于底座的定滑轮11相连，且钢绳4分别呈垂直和水平状态。
[0044] 如图2所示，底座9中间有两个滑道15(用于拉拔测试)，底座左部有一个直径为20mm的大孔16，用于安装立杆23。底座中部有两个直径为10mm的小孔，用于固定定滑轮11。
[0045] 一个20mm×300×100mm的夹具7，进行拉拔测试时，该夹具7又通过不可伸长的细钢绳4及安装在底座9的两组定滑轮11与冲击锤3底部的挂钩相连接，且钢绳4分别呈垂直和水平状态。如图3所示，夹具7底端有两个滑轮21，滑轮21沿底座9上的两个轨道15可以进行自由无约束滑动，夹具7的夹力由夹紧螺栓控制，夹紧螺栓与夹片A18相连，夹片A18与夹片B19之间由六组弹簧20相连接，这使得夹具与土工合成材料的连接方面受力更加平衡，使测出的摩擦力更为的精准。进行拉拔测试时，将土工格栅左端位于夹片B19以下。
[0046] 测量时，通过冲击锤向下摆动，摆动过程中牵拉细钢绳，细钢绳通过定滑轮给予夹具或上层剪切盒一个水平的力，通过底座的刻度尺上显示所移动的距离从而求得土工合成材料在剪切盒中的位移。由指针在扇形结构上显示的摆动角度θ，通过勾股定理求得冲击锤摆过最大角度时的下落距离从而可求出这一过程产生的动能mglcosθ，由功能关系得出土工合成材料的摩擦系数f。
[0047] 由于在整个过程中，没有别的能量的散耗，冲击锤下落中所损失的势能全部用于土工合成材料的摩擦，所以所测的系数是准确的。该装置三部分都可以拆卸，易于携带、设计科学严谨、易于操作、实用性强，适用于一些简单的加筋土摩擦特性试验中摩擦系数的测量。
[0048] 通过上述装置来测试土工合成材料摩擦系数的测试方法，如下：
[0049] 一、拉拔测试
[0050] 1)、将下层剪切盒5b安装于底座9，摆放土工格栅(土工合成材料)，夹具7将土工格栅左端夹好，将小指针14与底座9的水平刻度尺8的0刻度对齐，放上层剪切盒5a，用销钉固定两个盒子。选择剪切盒中小半球粒径(直径)为0.5mm。
[0051] 2)、将冲击锤3和夹具7通过细钢绳4及安装于底座9的定滑轮11相连，将冲击锤3摆放到水平位置。
[0052] 3)、释放冲击锤3，冲击锤3下摆最低点后通过钢绳4拉动夹具7，使夹具7产生位移，通过水平刻度尺8上小指针14的滑动将夹具7的位移显示在水平刻度尺8上，记录夹具7产生的位移；同时，安装在摆杆2上的指针1在冲击锤3下摆过程中达到的最大摆角时停止，记录摆杆摆过的角度。
[0053] 4)、由摆杆摆锤的长度L，摆过角度θ，冲击锤质量m，求得势能损失mglcosθ，而夹具滑动的位移为S，由功能关系，fs＝mglcosθ，求得f。
[0054] 5)、重复上述试验三次，求其均值 即可认为 为该筋材(土工格栅)的摩擦系数。
[0055] 6)、换质量不同的冲击锤，分别求的 则土工合成材料在粒径0.5mm土质下的摩擦系数
[0056] 7)、换小半球粒径分别为2mm和20mm的剪切盒，重复步骤1～6，分别得到土工合成材料在粒径2mm和20mm土质下的摩擦系数ft-2.0、ft-20。
[0057] 二、直剪测试
[0058] 1)、将下层剪切盒5b安装于底座，摆放土工格栅，卡具6将土工格栅右端卡好，放上层剪切盒5a，将小指针14与底座9的水平刻度尺8上的0刻度对齐，用销钉固定两个盒子。选择剪切盒中小半球粒径(直径)为0.5mm。
[0059] 2)、将冲击锤3和上层剪切盒5a通过细钢绳4及安装于底座的定滑轮11相连，将冲击锤3摆放到水平位置
[0060] 3)、释放冲击锤3，冲击锤3通过钢绳4拉动上层剪切盒5a，使上层剪切盒5a产生位移，通过水平刻度尺8上小指针14的滑动将上层剪切盒5a的位移显示在水平刻度尺8上，记录上层剪切盒5a产生的位移；同时，安装在摆杆2上的指针1在冲击锤3下摆过程中达到的最大摆角时停止，记录摆杆2摆过的角度。
[0061] 4)、由摆杆摆锤的长度L，摆过角度θ，冲击锤质量m，求得势能损失mglcosθ，而夹具滑动的位移为S，由功能关系，fs＝mglcosθ，求得f。
[0062] 5)、重复上述试验三次，求其均值 即可认为 为该筋材的摩擦系数。
[0063] 6)、换质量不同的冲击锤(3)，分别求的 则土工合成材料在粒径0.5mm土质下的摩擦系数
[0064] 7)、换小半球粒径分别为2mm和20mm的剪切盒，重复步骤1～6，分别得到土工合成材料在粒径2mm和20mm土质下的摩擦系数fs-2.0、fs-20。
[0065] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明原理的前提下的若干改进也应视为本发明的保护范围。
