大型土工合成材料各向异性直剪仪研制

段英杰

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

目前将土工合成材料置于土体内部、表面或各种土体之间作为拉筋广泛应用于边坡、挡土墙等岩土加固工程中。这是因为土工合成材料埋入土体后，依靠其与土体的相互摩擦作用以及网眼所具有的嵌锁、咬合作用，弥补了土体抗拉强度低的缺陷，改善了土体力学性能，因此开展筋土界面力学特性研究具有重要意义[1-2]。

筋土界面的力学特性目前可通过3种试验手段来获得：直剪试验、拉拔试验和环剪试验，其中国内用的比较多的是前两种，而直剪试验应用更为广泛[3]。但是土工合成材料直剪试验时，一般仅做一个方向的“筋-土”直剪试验，无法考虑土工合成材料的各向异性，直剪试验所得出的土工合成材料与填土的界面力学性能不能真实反映工程实际中土工合成材料与填土的界面力学性能。

基于此，山西省交通科学研究院研制了大型土工合成材料各向异性直剪仪，该设备集机械、气压、控制和计算机等多学科技术于一体，操作方便、试验精度高、实验数据准确可靠，另外该设备的下剪切盒可实现0～360°任意角度旋转，可方便快捷地实现筋土界面各个方向力学性能检测。

1 各向异性直剪仪总体方案设计

大型土工合成材料各向异性直剪仪的主要功能是以不同的法向力作用于土工试样上，并以恒定剪切速率对试样进行剪切，测定土工合成材料各个方向上试验土样剪切破坏时的最大剪切力值，通过一元线性回归，计算试样的抗剪切力与摩擦角等试验数据。

1.1 直剪仪系统组成

大型土工合成材料各向异性直剪仪系统组成如图1。

图1 大型土工合成材料各向异性直剪仪结构组成

1.2 主要技术参数

大型土工合成材料各向异性直剪仪设计技术参数如下所示：

a）上剪切盒内径 200 mm；

b）旋转角度 0～360°；

c）法向载荷 0～500 kPa；

d）剪切速率 0.5～50 mm/min；

e）剪切位移 0～40 mm；

f）电源电压 220 V，50 Hz；

g）压力传感器精度 量程3 t，精度±0.1%F·S；

h）位移传感器精度 量程150 mm，精度±0.05%F·S。

2 各向异性直剪仪结构设计

2.1 水平加载系统

大型土工合成材料各向异性直剪仪水平加载系统主要包括电动缸、顶尖、直线导轨、压力传感器、位移传感器以及传感器联接组件等。

顶尖通过顶尖法兰和上剪切盒推块连接，限制上剪切盒旋转和水平方向的运动，上剪切盒在垂直方向可以自由滑动。旋转手轮，可以调节上剪切盒水平方向的位置。顶尖主要是由顶尖、顶尖法兰、梯形螺杆、梯形螺套和手轮等主要零部件组成，其中梯形螺杆与梯形螺套为主要受力组件，需对其进行热处理，热处理方式为调质+表面淬火，主要技术要求为：调质HRC58。顶尖三维造型如图2所示。

图2 顶尖

直线导轨副采用滚珠直线导轨副使导轨与滑块间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低了直剪试验中摩擦力对检测精度的影响。

压力传感器一端通过转接头与电动缸轴头联接，另一端通过铰链固结在下剪切盒的安装板上。为使水平加载系统结构可靠稳定，对转接头与铰链螺纹处进行热处理，热处理方式为调质+表面淬火。

本大型直剪仪属于应变控制式，通过对试样施加剪切位移而完成剪切试验。通过电动缸施加水平力，最大设计水平剪力可达10 kN，可实现对试样的匀速剪切，剪切速率可以根据需要进行调整。

2.2 法向加载系统

该系统包括气缸、气缸座、支撑杆、作业平台、法向传力组件、剪切盒、回转驱动等主要部分。

法向压力通过气缸施加，最大设计法向压强为500 kPa；法向加载系统轴线与上剪切盒中心位于一条直线上；支撑杆一端与气缸座通过圆螺母紧固，另一端与作业平台紧固，因此支撑杆作用在气缸座上的力与支撑杆作用在作业平台的力为方向相反的一对内力，因而不需要添加额外的反力装置。

为了实现土工合成材料与试验土样任意角度的直剪试验，并消除试验土样形状对筋土界面力学特性的影响，将上、下剪切盒的内部形状设计为圆形。另外，为实现上剪切盒与顶尖之间的配合可靠、稳定，将上剪切盒外部形状设计为正八边形。上、下剪切盒三维造型如图3、图4所示：

图3 上剪切盒

图4 下剪切盒

上剪切盒的净几何尺寸为：φ200×110；下剪切盒的净几何尺寸为：φ300×110。下剪切盒与回转驱动紧固，土工格栅通过螺栓联接紧固在下剪切盒上，可方便快捷地实现土工格栅各个方向的直剪试验。

3 试验验证

大型土工合成材料各向异性直剪仪试制完成后，在剪切速率为1 mm/min，剪切盒内土样含水量为16%，土工合成材料采用双向塑料土工格栅（见图 5）的条件下，我们进行了 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa 不同法向压力的直剪试验，测出相应的强度值，然后将试验结果点绘成曲线，从而求得似黏聚力c和似摩擦角φ，以验证该设备结构的可靠性与稳定性。试验方法和强度指标整理方法见公路土工合成材料试验规程（JTG E50—2006）。试验结果见图6、图7。

图5 双向塑料土工格栅

图6 剪应力与剪切位移关系曲线

图7 最大剪应力与法向应力关系曲线

由图6和图7可知，试验曲线符合一般规律，强度指标在正常数值范围内，合理可信，表明了大型土工合成材料各向异性直剪仪结构合理、控制精度和测量精度满足要求，达到了预期研制目标。

4 结语

大型土工合成材料直剪仪充分考虑土工合成材料力学性能的各向异性，创新性地提出圆形剪切盒设计理念以及筋土界面各个方向力学性能检测的实现方法，保障试验所得到的筋土界面力学性能真实反映工程实际。直剪试验结果表明，大型土工合成材料各向异性直剪仪数据可靠、操作便捷，达到了预期研制目标。