本实用新型属于测量仪器领域，具体涉及一种土工合成材料直拉试验仪。
背景技术：
国内针对纤维加筋素土和纤维加筋固化土开展相关研究的机构和人员很多，但能保持连贯且成系统的机构和团队主要有二个，分别是：南京大学唐朝生团队和清华大学李广信团队，此外长江科学院包承纲团队针对加筋土(不限于纤维加筋土，还包括土工合成材料加筋土)结构中筋土界面等力学机理进行了较多分析，因此下面将分为三部分来进行总结，分别是南京大学唐朝生团队研究成果、清华大学李广信团队以及其余国内研究成果。
(1)南京大学唐朝生团队研究成果
唐朝生团队对于纤维加筋土和纤维加筋固化土的研究最早可追溯至2005年，最新公开发表的论文为2016年，其间开展了大量的试验研究，也取得了许多非常有意义的成果。蔡奕等(2005)对不同改性填筑土的12组土样进行了一系列无侧限抗压和剪切试验，发现当团聚体平均粒径小于3.5mm时，素土、纤维土和石灰土粘聚力随粒径增大而减小，内摩擦角随粒径增大而增大，当团聚体粒径平均粒径大于3.5mm时，随粒径增大，纤维土的粘聚力和内摩擦角则变化不大。蔡奕等(2006)通过无侧限抗压强度试验、剪切试验、收缩试验和膨胀率试验对纤维加筋石灰土工程特性进行了研究，发现纤维有效减小了石灰土的膨胀性，改善了石灰土脆性破坏模式。唐朝生等(2007)研究了在纤维加筋黏土中添加一定量的砂对加筋土强度的影响，结果表明当砂掺量为干土重的4％时，纤维加筋土强度最高，过多的砂则会使土体强度降低，而在掺入纤维时通过添加适量砂可提高纤维的混合均匀性。
唐朝生等(2009)通过自制的立式拉拔试验仪对素土中单根聚丙烯纤维进行了拉拔试验，设置土体含水率和干密度为变量，分析了含水率和干密度对纤维与土体间界面作用力的影响，并在一系列假设的基础上推导了纤维的临界加筋长度。jiang等(2010)通过ucs试验研究了不同纤维掺量、长度以及土粒粒径对纤维加筋强度的影响，结果发现0.3％干土重的掺量，15mm长度规格的聚丙烯纤维加筋效果最好，土粒粒径则是处于3.5～7.5mm间时，加筋土强度最高。唐朝生和顾凯(2010)将聚丙烯纤维和水泥共同掺入软土中对其进行固化，研究了软土初始含水量、纤维掺量和纤维长度对加筋固化土强度的影响，结果表明最优含水量为55％，最右纤维长度为12mm。唐朝生等(2011)通过扫描电镜试验分别对纤维在素土、水泥土和石灰土中的形态及其加筋机理进行了对比分析，结果发现在纤维加筋素土中筋/土界面作用力主要来自纤维表面与土颗粒间相互作用，纤维加筋水泥土中界面作用以粘结力为主，纤维加筋石灰土中界面作用以摩擦力为主。
(2)清华大学李广信团队研究成果
该团队的成果主要集中于李广信和介玉新对纤维加筋土的理论计算方面上，李广信等(1994)提出在加筋土体中，将筋材的作用当成一个附加的压应力作用在加筋土的土骨架上，无需建立或引进任何新的本构模型，即可对加筋土体进行应力变形计算。李广信等(1995)将纤维加入粘性土作为加筋材料，测试了加筋土的抗剪强度、拉伸强度、断裂韧度等，结果表明纤维增强了土体的自愈能力。张小江等研究了聚丙烯纤维增强粘性土抵抗静动载作用下土体发生张拉裂缝的能力，结果表明纤维加筋土是一种比较理想的土坝防渗抗震填料。
(3)其余国内研究成果
丁金华和包承纲(1999)提出加筋有效影响范围的概念，并对其影响因素和分布规律作了初步探讨，利用加筋有效影响范围可以对加筋土结构作出优化设计。包承纲(2006)提出了一种新的综合性加筋机制，将筋材的加固机制大致分为直接加筋和间接加筋，加筋的主要作用在于增强土的整体性，使土由散体变为有一定连续性的介质。包承纲等(2014)对加筋土结构的合理设计方法提出了建议，指出最合理的方法是采用有限元分析和极限平衡分析法相结合的设计。
牛向飞(2011)以公路水泥灰土基层为研究背景，重点研究了聚丙烯纤维加筋水泥灰土的路用性能，以延长路面结构的使用寿命，结果表明纤维的加筋作用增强了水泥灰土稳定砂的抗温缩与干缩性能，提高了其水稳定性，是较为理想的路用加筋材料。杨舒(2011)研究了不同长度、不同掺量的聚氯乙烯纤维加筋海口南渡江砂的工程特性，在大量三轴剪切试验基础上得到纤维加筋土的应力-应变关系曲线，并进行了duncan-chang和lade-duncan本构模型参数的计算。张金利等(2012)通过三轴实验研究了聚丙烯纤维加筋红黏土的渗透性和力学特性，结果表明聚丙烯加筋作用使红黏土渗透系数保持在低水平，当纤维掺量较低时加筋土破坏模式为鼓胀型，当纤维掺量较大时，试样轴向应变显著增大，但未产生明显破坏。
对于固化土这种脆性材料，其特点就是抗压强度较高而抗拉强度不足，纤维加筋材料则可以显著提高固化土的抗拉强度，提高其塑性，因此研究纤维加筋水泥土的抗拉强度变化规律是十分必要且有意义的。规范上规定的劈裂抗拉强度存在不易操作、制样和试样过程中宜带来较多误差的缺点。
技术实现要素：
本实用新型针对上述存在的技术问题，提出了一种土工合成材料直拉试验仪，并且可利用直拉试验仪对其土样进行试验,以研究筋土界面作用特性。
本实用新型采用的技术方案：
一种土工合成材料直拉试验仪，包括由水平板以及支撑腿构成的工作台，
还包括设置于工作台上的驱动装置、拉拔装置、位移测量装置、拉力测量装置以及数据采集器；
其中，所述拉拔装置包括设置于工作台上的安装板，所述安装板上的两个长边处设置有对称的滑槽，所述滑槽上设置有条形板，所述条形板上设置有多个等间距的通孔，且所述通孔与滑槽连通，在每个通孔内均设置有滚珠，在条形板上设置有装样组件，所述装样组件的前后两端分别通过拉紧组件分别与驱动装置和拉力测量装置相连；
所述位移测量装置包括两个显数式位移传感器，两个显数式位移传感器均通过磁性表座分别与驱动装置和支撑腿连接，用于测量直拉试验的位移数据；
所述数据采集器通过导线分别与显数式位移传感器和拉力测量装置通过导线连接，用于采集位移数据及拉力值并上传至上位机。
优选的，所述装样组件包括设置于条形板上的左滑板和右滑板，所述左滑板和右滑板底部均与滚珠滑动连接，所述左滑板和右滑板上端分别设置有左卡夹和右卡夹，所述左卡夹和右卡夹的内部连通形成脊型内腔，所述脊型内腔内放置有待测试样；
所述左卡夹和右卡夹的卡头分别与拉紧组件相连，所述拉紧组件包括锁紧块、固定片和双向固定螺杆，所述固定片设置有两个且分别位于卡头的两侧，两个固定片均位于锁紧块上的安装槽内且通过锁紧块两侧锁紧杆对卡头进行固定，所述双向固定螺杆一端与锁紧块上的连接头螺纹相连。
优选的，所述卡头的宽度为4mm，长度为15mm，高度为50mm，在卡头的两侧壁上均设置有连续的齿型凸起，两个固定片面向卡头的一侧均设置有与连续的齿形凸起相配合的连续的齿形槽。
优选的，所述卡头的宽度为8mm，长度为20mm，高度为50mm，在卡头的两侧壁上设置有外凿毛，两个固定片面向卡头的一侧设置有凿毛相配合的内凿毛。
优选的，所述拉力测量装置包括固定台、力传感器、固定块，所述固定台上设置有沿其长度方向的u型槽，所述u型槽底部设置有条形导向孔，所述条形导向孔与工作台上设置的穿孔连通，所述固定块设置于u型槽内，所述固定块底部设置有调节螺杆，所述调节螺杆的自由端依次穿过条形导向孔和穿孔且通过螺母固定，所述力传感器一端与固定块相连，其另一端与双向固定螺杆的自由端相连，在力传感器的下方设置有垫块，所述垫块位于u型槽内。
优选的，所述驱动装置包括变速电机、推拉装置和手摇轮，所述变速电机能正反两个方向旋转，所述变速电机的输出轴与推拉装置的输入轴相连且能够根据试验要求为推拉装置设定不同转速和推拉速度，所述手摇轮设置于推拉装置上且可通过手摇轮驱动其前进或后退，所述推拉装置上的旋转移动杆贯穿整个推拉装置，其一端与双向固定螺杆的自由端相连，另一端与显数式位移传感器的测量端接触。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1.试验仪所有部件都是可拆卸并且通用的，能够利用到不同的试验中，提高试验设备部的利用率；
2.试验仪中在左卡夹和右卡夹下方分别设置左滑板和右滑板，左滑板和右滑板与底部的滑轨滑动连接，避免了左卡夹和右卡夹相对移动产生的摩擦力的影响，进而提高了测量力值的准确性，其次，滑板的厚度可调，适用于不同的试验中。
3.试验仪中固定力传感器的固定块底部设置有调节螺杆，通过调节螺杆可上下调节固定块的高度，有利于利于拉拔试验和直拉试验的对中,其次，调节螺杆可沿着固定台上的条形导向孔左右移动，使得力传感器可适用于拉拔试验和直拉试验。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实用新型一实施例提供的一种土工合成材料直拉试验仪的结构示意图；
图2为图1中左卡夹和右卡夹拉拔试样的结构示意图；
图3为图1中安装板的俯视图；
图4为直拉过程应力位移应变曲线及试样典型破坏形态；(a)直拉过程应力位移曲线；(b)细纤维加筋；(c)粗纤维加筋。
其中，1-水平板；2-支撑腿；3-左卡夹；4-右卡夹；5-卡头；6-锁紧块；7-固定片；8-锁紧螺杆；9-双向固定螺杆；10-推拉装置；11-变速电机；12-手摇轮；13-磁性表座；14-数显式位移传感器；15-力传感器；16-固定块；1601-调节螺杆；17-垫块；18-固定台；19-安装板；1901-滑槽；20-条形板；21-滚珠；22-左滑板；23-右滑板。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参照图1所示，本实用新型具体提供了一种土工合成材料直拉试验仪，包括由水平板1以及支撑腿2构成的工作台，还包括设置于工作台上的驱动装置、拉拔装置、位移测量装置、拉力测量装置以及数据采集器。
具体的，参照图3所示，拉拔装置包括设置于工作台上的安装板19，所述安装板19上的两个长边处设置有对称的滑槽1901，所述滑槽1901上设置有条形板20，所述条形板20上设置有多个等间距的通孔，且所述通孔与滑槽1901连通，在每个通孔内均设置有滚珠21，在条形板20上设置有装样组件，所述装样组件的前后两端分别通过拉紧组件分别与驱动装置和拉力测量装置相连。
参照图3所示，所述装样组件包括设置于条形板20上的左滑板22和右滑板23，所述左滑板22和右滑板23底部均与滚珠21滑动连接，所述左滑板22和右滑板23上端分别设置有左卡夹3和右卡夹4，所述左卡夹3和右卡夹4的内部连通形成脊型内腔，所述脊型内腔内放置有待测试样。
再参考图3所示，所述左卡夹3和右卡夹4的卡头5分别与拉紧组件相连，所述拉紧组件包括锁紧块6、固定片7和双向固定螺杆9，所述固定片7设置有两个且分别位于卡头5的两侧，两个固定片7均位于锁紧块6上的安装槽内且通过锁紧块6两侧锁紧杆9对卡头进行固定，所述双向固定螺杆9一端与锁紧块6上的连接头螺纹相连。
其中，左卡夹3和右卡夹4上的卡头5有两种不同结构，其结构具体如下描述。
卡头5的宽度为4mm，其长度为15mm，其高度为50mm，在卡头5的两侧壁上均设置有连续的齿型凸起，两个固定片7面向卡头5的一侧均设置有与连续的齿形凸起相配合的连续的齿形槽。
卡头5的宽度为8mm，长度为20mm，高度为50mm，在卡头的两侧壁上设置有外凿毛，两个固定片7面向卡头5的一侧设置有凿毛相配合的内凿毛。
再参考图1所示，拉力测量装置包括固定台18、力传感器15、固定块16，所述固定台18上设置有沿其长度方向的u型槽，所述u型槽底部设置有条形导向孔，所述条形导向孔与工作台上设置的穿孔连通，所述固定块16设置于u型槽内，所述固定块16底部设置有调节螺杆1601，所述调节螺杆1601的自由端依次穿过条形导向孔和穿孔且通过调节螺母固定，所述力传感器15一端与固定块16相连，其另一端与双向固定螺杆9的自由端相连，在力传感器15的下方设置有垫块17，所述垫块17位于u型槽内。
其中，力传感器15采用温州山度仪器有限公司生产的sh-1k型传感器，最大量程1kn，分度值为0.5n，通过双向固定螺杆9分别与卡头和固定块连接，力传感器15最大采样频率10hz，将力传感器15和数显式位移传感器14采样频率皆设置为10hz，做到力值和位移能够同步采样。
考虑到卡头5和拉紧组件自身重量且长度较长，为防止这部分对力传感器15产生影响，在力传感器15下方设置可调高度的垫块17。
其次，可通过调节调节螺杆1601的高度进而实现对力传感器15高度的调整，从而使得力传感器15与待测试样对中。
再参考图1所示，驱动装置包括变速电机11、推拉装置10和手摇轮12，所述变速电机11能正反两个方向旋转，所述变速电机11的输出轴与推拉装置10的输入轴相连且能够根据试验要求为推拉装置10设定不同转速和推拉速度，所述手摇轮12设置于推拉装置10上且可通过手摇轮12驱动其前进或后退，所述推拉装置10上的旋转移动杆贯穿整个推拉装置10，其一端与双向固定螺杆9的自由端相连，另一端与显数式位移传感器14的测量端接触。
本实施例中，变速电机11可提供0.02mm/min、0.8mm/min和2.4mm/min三挡速度。
本实施例中，位移测量装置包括两个显数式位移传感器14，两个显数式位移传感器14均通过磁性表座13分别与变速电机11和支撑腿2连接，数据采集器通过导线分别与显数式位移传感器14和力传感器15通过导线连接，用于采集位移数据及拉力值并上传至上位机，通过上位机绘制位移和力的变化曲线，进而对直拉结果进行分析。
其直拉试验过程如下：
将制备好的试样放入左卡夹和右卡夹形成的脊型内腔中，启动电机或手动操作，使得推拉装置上的旋转移动杆带动左卡夹向左移动，试样收到拉力作用力，随着拉力增大试样在薄弱部位断开，重复6次，收集6次直拉试验过程中力值和位移，做出应力-位移曲线，根据应力-位移曲线，分析土工合成材料的特性。
如图4(a)所示，首先根据应力-位移曲线可以得到试样的最大直拉强度，此外曲线可以显示出试样断裂后受力的降低幅度以及位移的增长速度，据此可以分析出土样经水泥固化后脆性显著增强，经纤维加筋后试样的“脆性破坏”模式得到改善。虽然纤维加筋水泥土应力位移曲线在达到最大值后也会骤降，但降低到的应力值与峰值差距小得多，其中细聚丙烯纤维加筋水泥土试样的降低值要小于粗聚丙烯纤维加筋水泥土，而粗细混合聚丙烯纤维加筋水泥土试样降低值又小于细聚丙烯纤维加筋水泥土。这表明经纤维加筋后即使固化土试样在受拉出现裂缝后依然有承载能力，在应力达到较低值前应力有较长的发展过程，从4(b)和(c)可以看到试样受拉开裂后，纤维依然起着“桥梁”的作用，将试样连接成整体。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制,凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
1.一种土工合成材料直拉试验仪，包括由水平板以及支撑腿构成的工作台，其特征在于，还包括设置于工作台上的驱动装置、拉拔装置、位移测量装置、拉力测量装置以及数据采集器；
其中，所述拉拔装置包括设置于工作台上的安装板，所述安装板上的两个长边处设置有对称的滑槽，所述滑槽上设置有条形板，所述条形板上设置有多个等间距的通孔，且所述通孔与滑槽连通，在每个通孔内均设置有滚珠，在条形板上设置有装样组件，所述装样组件的前后两端分别通过拉紧组件分别与驱动装置和拉力测量装置相连；
所述位移测量装置包括两个显数式位移传感器，两个显数式位移传感器均通过磁性表座分别与驱动装置和支撑腿连接，用于测量直拉试验的位移数据；
所述数据采集器通过导线分别与显数式位移传感器和拉力测量装置通过导线连接，用于采集位移数据及拉力值并上传至上位机。
2.根据权利要求1所述的一种土工合成材料直拉试验仪，其特征在于，所述装样组件包括设置于条形板上的左滑板和右滑板，所述左滑板和右滑板底部均与滚珠滑动连接，所述左滑板和右滑板上端分别设置有左卡夹和右卡夹，所述左卡夹和右卡夹的内部连通形成脊型内腔，所述脊型内腔内放置有待测试样；
所述左卡夹和右卡夹的卡头分别与拉紧组件相连，所述拉紧组件包括锁紧块、固定片和双向固定螺杆，所述固定片设置有两个且分别位于卡头的两侧，两个固定片均位于锁紧块上的安装槽内且通过锁紧块两侧锁紧杆对卡头进行固定，所述双向固定螺杆一端与锁紧块上的连接头螺纹相连。
3.根据权利要求2所述的一种土工合成材料直拉试验仪，其特征在于，所述卡头的宽度为4mm，长度为15mm，高度为50mm，在卡头的两侧壁上均设置有连续的齿型凸起，两个固定片面向卡头的一侧均设置有与连续的齿形凸起相配合的连续的齿形槽。
4.根据权利要求2所述的一种土工合成材料直拉试验仪，其特征在于，所述卡头的宽度为8mm，长度为20mm，高度为50mm，在卡头的两侧壁上设置有外凿毛，两个固定片面向卡头的一侧均设置有凿毛相配合的内凿毛。
5.根据权利要求2所述的一种土工合成材料直拉试验仪，其特征在于，所述拉力测量装置包括固定台、力传感器、固定块，所述固定台上设置有沿其长度方向的u型槽，所述u型槽底部设置有条形导向孔，所述条形导向孔与工作台上设置的穿孔连通，所述固定块设置于u型槽内，所述固定块底部设置有调节螺杆，所述调节螺杆的自由端依次穿过条形导向孔和穿孔且通过调节螺母固定，所述力传感器一端与固定块相连，其另一端与双向固定螺杆的自由端相连，在力传感器的下方设置有垫块，所述垫块位于u型槽内。
6.根据权利要求2所述的一种土工合成材料直拉试验仪，其特征在于，所述驱动装置包括变速电机、推拉装置和手摇轮，所述变速电机能正反两个方向旋转，所述变速电机的输出轴与推拉装置的输入轴相连且能够根据试验要求为推拉装置设定不同转速和推拉速度，所述手摇轮设置于推拉装置上且可通过手摇轮驱动其前进或后退，所述推拉装置上的旋转移动杆贯穿整个推拉装置，其一端与双向固定螺杆的自由端相连，另一端与显数式位移传感器的测量端接触。
技术总结