CN100570319C - 原状软粘土空心圆柱试样制样法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原状软粘土空心圆柱试样制样方法。包括如下步骤：1)将原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器安置于内芯切取器定位板上；2)安放原状试样于主动转盘与从动转盘间，用钢丝锯、刮刀切割外壁。外壁成形后，放置卡位护环、两瓣式钢膜等配件固定试样；3)推进内芯切取器钻杆，利用螺旋钻头及拆卸式刀锋片切取试样内芯；4)每次取芯深度达2cm时，旋出钻杆，掏挖积土，再复位钻头，重复取芯；5)取芯累计深度超过试样标准高度2cm时停止取芯；6)取下试样，削平试样的上下端部，完成试样制备。本发明能成功制备原状软粘土空心圆柱试样，制备过程中扰动、挤土效应小，为开展复杂应力条件下原状软粘土的试验研究提供了设备保证。

Description

原状软粘土空心圆柱试样制样法

技术领域

本发明涉及一种原状软粘土空心圆柱试样制样法。

背景技术

将土塑成空心圆柱形试样，为实验室内模拟土体在复杂应力路径条件下的受力状态、开展相关的性状研究提供了可能。然而国内外针对原状粘土空心圆柱试样开展的实验研究较少，其中一个重要原因是尚无适用于各种土质的“万能”制取空心样的技术。就原理上而言对原状粘土试样的制样方法主要有机械式和电渗式两种。机械式取芯法以英国帝国理工学院的研究成果为代表，应用对象是强度很高的伦敦超固结粘土，其法是在试样外壁由钢丝锯切屑完成后，将圆柱形试样水平固定，利用7个直径不同的钻刀，从小到大依次对试样进行内芯切取，通过渐进式的修正来实现期望试样内径的规格。

电渗式取芯法以以色列科学技术研究所的研究成果为代表，针对粘土土质为天然含水量高达80％～100％，液限85％～90％，塑限32～36％的高灵敏性软土，试样规格为高12cm×外直径7cm×内直径5cm。采用电渗法来对此类土进行制样的原理是：对试样施加直流电源正负两极，利用电势降使试样中的水从正极流向负极，这种流动过程由于粘土的渗透性低而并不显著影响试样的含水量，却可以在负极产生润滑作用。当切割试样外壁和内芯的时候，分别把一根电线连上负极，贯穿于试样的外径和内径尺寸位置，利用张紧的电线切割外壁和内壁，如此土屑与外、内壁之间与试样孔在润滑作用下较易分离，对试样的扰动也小。

然而上述两种方法都不能直接适用于我国东南沿海地区的用以克服尺寸效应和端部效应的大规格尺寸软粘土试样制备(通常试样高度在20cm以上)。实践操作发现，对大尺寸软粘土试样，机械式分步钻杆取芯法有以下不足：1)分步钻杆取芯，使试样在第一次小孔取芯后就失了可以对位的孔心，即意味着钻杆在后续钻孔过程中缺少了着力支撑点，这对于软粘土而言，容易导致无法保持取芯面的垂直推进，而造成偏孔；2)分步多次成孔法增加了对试样扰动的概率；3)更关键的问题是单一采用钻刀取土，由于软粘土的粘性较大，被切割下来的孔芯土屑不会在重力作用下脱落，而是二次粘附于内壁，与孔壁土附着阻碍钻孔进行。一旦钻刀对残留有附着土屑的孔壁进行作业，土屑与孔壁土将搅成一体，试样将受到很大扰动，甚至破坏。

而电渗式制样法的不足主要是：1)对我国东南沿海地区软粘土试样而言，很多土的含水量还远未达到可以使用该法的程度，即在通电渗流时，较难产生理想的润滑效果；2)电渗法要求在取芯的过程中用以切割内芯的电线在整个孔芯高度内均必须保持悬垂张紧状态。然而通过实际操作发现，电线只能在试样尺寸较小(通常高度小于15cm)，且内芯与孔壁阻力很小时才能完全张紧，而对于高度较长而电渗效果也较弱的试样而言，在张拉过程中，电线在试样的中部段实际上是呈曲张状态，由此纵然切割试样，也很难保证试样内壁的标准形状。

针对上述问题，基于我国东南沿海地区软粘土特性，依据机械式原理，设计了一种原状软粘土空心圆柱试样制样法来完成软粘土原状试样的制备工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种原状软粘土空心圆柱试样制样方法。

包括如下步骤：

1)将原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器安置于制样台的内芯切取器定位板上，所述的原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器具有护筒，护筒上端设有刃口，护筒下端通过护筒底托-护筒定位螺丝和护筒-护筒底托连接螺孔与拆卸式护筒底托相连接，拆卸式护筒底托上方设有拆卸式盛土托，拆卸式盛土托上设有释压孔，护筒中间设有主钻头，主钻头由螺旋钻头、内缘刀锋组成，并与钻杆连接，钻杆穿过拆卸式盛土托、拆卸式护筒底托并分别通过盛土托-钻杆定位螺丝、护筒底托-钻杆定位螺丝固定，拆卸式刀锋片由外缘刀锋、水平刀锋组成，并通过刀锋定位螺丝与主钻头刚性连接；

2)抬升制样台的主动转盘，将原状试样安放在制样台的主动转盘与从动转盘之间，降下主动转盘，使原状试样固定。用钢丝锯沿支撑定位杆对原状试样进行外壁切割，待外壁成形后，再用刮刀对外壁进行修光处理。再原状试样的外壁上沿试样周身包裹一层保鲜膜，之后在主动转盘上放置并固定两瓣式卡位护环，在两瓣式卡位护环上安放两瓣式钢膜，用其合拢原状试样的外壁，再采用不锈钢软箍箍紧两瓣式钢膜；

3)在原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器的护筒外壁以及螺旋钻头、内缘刀锋、外缘刀锋、水平刀锋、刃口上均涂抹凡士林，垂直于试样底部向上推进内芯切取器的钻杆，使螺旋钻头与原状试样底部接触。之后将钻杆螺旋式推进，利用螺旋钻头、拆卸式刀锋片、刃口对试样内芯进行取芯钻孔作业；

4)当内芯切取器每次钻入原状试样的内芯深度达20mm时，将钻杆反向旋出试样，旋松拆卸式护筒底托与钻杆间的护筒底托-钻杆定位螺丝，将钻杆推上，使固定于钻杆上的拆卸式盛土托移出护筒，掏挖拆卸式盛土托及护筒内积土。待清土完毕后，将钻杆与护筒底托的相对位置复位，并通过护筒底托-钻杆定位螺丝使钻杆与护筒底托旋紧，重复取芯工作；

5)当钻孔取芯的累计深度超过试样标准高度的20mm时停止钻孔；

6)依次卸除不锈钢软箍、两瓣式钢膜和两瓣式卡位护环，将外、内壁均切屑好的原状试样取下，放入与试样外径和高度标准尺寸相匹配的承膜筒中，利用钢丝锯将原状试样上下端部削平，即完成原状软粘土空心圆柱试样的制备。

本发明具有的有益效果

本发明能够成功制备原状软粘土空心圆柱试样，且在制样过程中对土产生的扰动、挤土效应均小，同时设备的经济成本较低，操作便捷，时间上也较为节省，为试验室内开展包含主应力轴旋转的复杂应力条件下原状软粘土的性状研究提供了有力的设备保证。

附图说明

图1是原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器结构剖面图；

图2是原状空心试样内芯切取过程示意图。

图中：主钻头1、拆卸式刀锋片2、刀锋定位螺丝3、护筒4、拆卸式盛土托5、盛土托-钻杆定位螺丝6、拆卸式护筒底托7、护筒底托-护筒定位螺丝8、护筒底托-钻杆定位螺丝9、钻杆10、螺旋钻头11、内缘刀锋12、外缘刀锋13、水平刀锋14、刃口15、释压孔16、护筒-护筒底托连接螺孔17、支撑定位杆18、主动转盘19、从动转盘20、不锈钢软箍21、两瓣式钢膜22、两瓣式卡位护环23、原状试样24、内芯切取器定位板25。

具体实施方式

原状软粘土空心圆柱试样制样法包括如下步骤：

1)将原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器安置于制样台的内芯切取器定位板25上，所述的原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器具有护筒4，护筒4上端设有刃口15，护筒4下端通过护筒底托-护筒定位螺丝8和护筒-护筒底托连接螺孔17与拆卸式护筒底托7相连接，拆卸式护筒底托7上方设有拆卸式盛土托5，拆卸式盛土托5上设有释压孔16，护筒4中间设有主钻头1，主钻头1由螺旋钻头11、内缘刀锋12组成，并与钻杆10连接，钻杆10穿过拆卸式盛土托5、拆卸式护筒底托7并分别通过盛土托-钻杆定位螺丝6、护筒底托-钻杆定位螺丝9固定，拆卸式刀锋片2由外缘刀锋13、水平刀锋14组成，并通过刀锋定位螺丝3与主钻头1刚性连接；

2)抬升制样台的主动转盘19，将原状试样24安放在制样台的主动转盘19与从动转盘20之间，降下主动转盘19，使原状试样24固定。用钢丝锯沿支撑定位杆18对原状试样24进行外壁切割，待外壁成形后，再用刮刀对外壁进行修光处理。再原状试样24的外壁上沿试样周身包裹一层保鲜膜，之后在主动转盘19上放置并固定两瓣式卡位护环23，在两瓣式卡位护环23上安放两瓣式钢膜22，用其合拢原状试样24的外壁，再采用不锈钢软箍21箍紧两瓣式钢膜22；

3)在原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器的护筒4外壁以及螺旋钻头11、内缘刀锋12、外缘刀锋13、水平刀锋14、刃口15上均涂抹凡士林，垂直于试样底部向上推进内芯切取器的钻杆10，使螺旋钻头11与原状试样24底部接触。之后将钻杆10螺旋式推进，利用螺旋钻头11、拆卸式刀锋片2、刃口15对试样内芯进行取芯钻孔作业；

4)当内芯切取器每次钻入原状试样24的内芯深度达20mm时，将钻杆10反向旋出试样，旋松拆卸式护筒底托7与钻杆10间的护筒底托-钻杆定位螺丝9，将钻杆10推上，使固定于钻杆10上的拆卸式盛土托5移出护筒4，掏挖拆卸式盛土托5及护筒4内积土。待清土完毕后，将钻杆10与护筒底托7的相对位置复位，并通过护筒底托-钻杆定位螺丝9使钻杆10与护筒底托7旋紧，重复取芯工作；

5)当钻孔取芯的累计深度超过试样标准高度的20mm时停止钻孔；

6)依次卸除不锈钢软箍21、两瓣式钢膜22和两瓣式卡位护环23，将外、内壁均切屑好的原状试样24取下，放入与试样外径和高度标准尺寸相匹配的承膜筒中，利用钢丝锯将原状试样24上下端部削平，即完成原状软粘土空心圆柱试样的制备。

Claims (1)

1.一种原状软粘土空心圆柱试样制样法，其特征在于包括如下步骤：

1)将原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器安置于制样台的内芯切取器定位板(25)上，所述的原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器具有护筒(4)，护筒(4)上端设有刃口(15)，护筒(4)下端通过护筒底托护筒定位螺丝(8)和护筒护筒底托连接螺孔(17)与拆卸式护筒底托(7)相连接，拆卸式护筒底托(7)上方设有拆卸式盛土托(5)，拆卸式盛土托(5)上设有释压孔(16)，护筒(4)中间设有主钻头(1)，主钻头(1)由螺旋钻头(11)、内缘刀锋(12)组成，并与钻杆(10)连接，钻杆(10)穿过拆卸式盛土托(5)、拆卸式护筒底托(7)并分别通过盛土托钻杆定位螺丝(6)、护筒底托钻杆定位螺丝(9)固定，拆卸式刀锋片(2)由外缘刀锋(13)、水平刀锋(14)组成，并通过刀锋定位螺丝(3)与主钻头(1)刚性连接；

2)抬升制样台的主动转盘(19)，将原状试样(24)安放在制样台的主动转盘(19)与从动转盘(20)之间，降下主动转盘(19)，使原状试样(24)固定，用钢丝锯沿支撑定位杆(18)对原状试样(24)进行外壁切割，待外壁成形后，再用刮刀对外壁进行修光处理，在原状试样(24)的外壁上沿试样周身包裹一层保鲜膜，之后在主动转盘(19)上放置并固定两瓣式卡位护环(23)，在两瓣式卡位护环(23)上安放两瓣式钢膜(22)，用其合拢原状试样(24)的外壁，再采用不锈钢软箍(21)箍紧两瓣式钢膜(22)；

3)在原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器的护筒(4)外壁以及螺旋钻头(11)、内缘刀锋(12)、外缘刀锋(13)、水平刀锋(14)、刃口(15)上均涂抹凡士林，垂直于试样底部向上推进内芯切取器的钻杆(10)，使螺旋钻头(11)与原状试样(24)底部接触，之后将钻杆(10)螺旋式推进，利用螺旋钻头(11)、拆卸式刀锋片(2)、刃口(15)对试样内芯进行取芯钻孔作业；

4)当内芯切取器每次钻入原状试样(24)的内芯深度达20mm时，将钻杆(10)反向旋出试样，旋松拆卸式护筒底托(7)与钻杆(10)间的护筒底托钻杆定位螺丝(9)，将钻杆(10)推上，使固定于钻杆(10)上的拆卸式盛土托(5)移出护筒(4)，掏挖拆卸式盛土托(5)及护筒(4)内积土，待清土完毕后，将钻杆(10)与护筒底托(7)的相对位置复位，并通过护筒底托钻杆定位螺丝(9)使钻杆(10)与护筒底托(7)旋紧，重复取芯工作；

5)当钻孔取芯的累计深度超过试样标准高度20mm时停止钻孔；

6)依次卸除不锈钢软箍(21)、两瓣式钢膜(22)和两瓣式卡位护环(23)，将外、内壁均切屑好的原状试样(24)取下，放入与试样外径和高度标准尺寸相匹配的承膜筒中，利用钢丝锯将原状试样(24)上下端部削平，即完成原状软粘土空心圆柱试样的制备。

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