CN102288461B - 一种粗粒土大型空心圆柱制样器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粗粒土大型空心圆柱制样器和使用方法。它包括环形套筒和振动密实器两部分，环形套筒包括环形底座（1）、环形外套筒（2）、环形内套筒（3）和环形外延筒（4），振动密实器包括振动电机（7）、圆形铁板（12）、传力杆（6）、定位器（8）和环形铁板（5）。使用本仪器时，首先铺设土样（9），放入环形铁板（5），开启振动电机（7），当环形外套筒（2）边缘与定位器（8）相平时，停止振动，添加下一层土样（9），再进行振动密实，直至土样达到设定的高度。本发明在使用上简洁，便于操作和控制，能够制备密实度较高且均匀的试样，节约了试样制备时间和人力。
Description
技术领域
本发明涉及土木水利工程试验技术领域，尤其涉及粗粒土大型空心圆柱制样器及使用方法。
背景技术
高土石坝由于坝高库水容量大，一旦失事，将产生灾难性的后果。因而有必要开展筑坝料动力特性研究。高土石坝在地震荷载作用下，坝体内部应力状态比较复杂，常规的动三轴试验只能模拟简单的应力加载路径，对于复杂的应力加载路径和主应力轴旋转等问题无法实现。空心扭剪仪在试验过程中由于能够进行三向不等压加载，被认为是当前较好的模拟土体动应力加载的试验设备。对于常规的空心扭剪仪由于试样尺寸较小，无法开展粗粒料动力试验。因此，需要开发大型空心扭剪仪。
在本发明之前，“专利：一种空心圆柱扭剪仪重塑样击实器（申请号：200710164847.3）”公开了一种重塑样击实器，该击实器采用的是重锤自由落体提供的动能来进行击实，能量较小（击实锤质量为2.835kg），要提高击实能需要增加击实锤的重量和导杆的长度，这些无疑增加了试验过程中制样的困难、费力、费时；每层的均匀度难以控制。主要适用于中小型空心圆柱重塑样，无法进行粗粒料大型空心圆柱试样的击实（如试样外径500mm，内径300mm），无法解决粗粒土相对密度较大时的制样的困难，无法解决粗粒料相对密度较低时试样难以成型等问题。
专利“一种空心圆柱制样仪（申请号：200920228846）”公开了一种空心圆柱试样制样仪，该设备在使用过程中将试验样品分层均匀放在加压板、空心圆柱体形成的内嵌空间中，通过转动手柄来进行试样的压密，没有考虑试样制备完成后自身的不稳定性，因此只适用于重塑样，对于粗粒土试样的制备并不适用。
此外，试样制备过程中，由于试样尺寸增大环形内套筒与试样料内橡皮膜之间的摩擦力增大，采用常规的对开模或等分三开模设计，很难拆卸内套筒。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种粗粒土大型空心圆柱制样器及使用方法，完成粗粒土大型空心圆柱试样的制备。
一种粗粒土大型空心圆柱制样器，包括环形套筒和振动密实器两部分，其主要技术特征在于环形套筒包括环形底座、环形外套筒、环形内套筒和环形外延筒；振动密实器包括振动电机、圆环铁板、传力杆、定位器和环形铁板。
所述的环形外套筒为薄圆环，由两个对开模组成，通过四个六角螺栓进行两对开模的链接，通过六个六角螺栓与环形试样进行链接，高度与试样的高度相等。
所述的环形内套筒为薄圆环，采用三开模设计，其中一个模为上端宽，下端窄的梯形设计，通过圆环进行固定，插入圆环底座的环形插槽内，高度大于试样高度，为试样高度的1.1~1.4倍。
所述的环形外延筒为薄圆环，内、外直径与环形外套筒相等，高度等于环形内套筒与环形外套筒高度之差。
所述的环形铁板，外直径小于环形外套筒直径，两者的差值为试验过程中采用的橡皮膜厚度的4~8倍；内直径大于环形内套筒直径，两者之间的差值为试验过程中采用的橡皮膜厚度的4~8倍。
所述的传力杆采用螺纹钢筋，双排四分对角布置，长度为试样高度的1.0~1.2倍左右。传力杆与环形铁板、传力杆与圆形铁板之间通过焊接成为一整体。
所述的粗粒土大型空心圆柱制样器采用振动电机来代替常规的落锤，根据粗粒土试样内直径和外直径计算试验所需要选的振动电机功率，通常功率范围为0.4~1.5kw。
本发明粗粒土大型空心圆柱制样器的使用方法，主要技术步骤如下：
（1） 根据试样干密度称取所需的土样，并等分层若干份，一般分为六份；
（2） 组装好环形底座、环形外套筒、环形内套筒、内橡皮膜和外橡皮膜，并进行固定，在环形底座上放置环形透水石和滤纸，用小勺将第一份土样均匀放入内橡皮膜和外橡皮膜组成的环形腔内，并抹平土样表面；
（3） 在传力杆上预先设定好定位器位置，便于密实度的控制；
（4） 将环形铁板放入环形腔内，开启振动电机，进行振动击实，当定位器达到环形外套筒边缘时停止击实，取出环形铁板，刮毛土样表面；
（5） 装入下一层土样，重复步骤4进行试样击实，直至最后一层土样的安装，此时需要在环形外套筒上套环形外延筒，装入土样，重复步骤4进行振动击实；
（6） 取下环形外延筒，安装环形试样顶帽，扎好内、外橡皮膜，进行试样抽真空，拆除环形外套筒和环形内套筒，试样制备完成。
本发明的优点和效果在于：
（1）采用梯形三开模环形内套筒设计，解决了大型粗粒料制备过程中由于试样尺寸增大而导致环形内套筒与橡皮膜之间摩擦力增大，无法拆卸模具的困难。
（2）环形铁板的尺寸设计，方便环形铁环灵活出入，减少环形铁环在振动过程中与橡皮膜的摩擦，避免因橡皮膜拉动而导致试样局部的受力不均匀。
（3）采用振动电机提供振动力进行振动击实，与常规的击实锤沿导杆下落将重力势能转化为动能进行击实，具有方便、快捷、省力等特点。
（4）能够制备相对密度较低的粗粒土试样，且能够保持其圆环外形不容易坍塌。
（5）能够制备较大尺寸的粗粒料空心圆柱试样。
（6）能够制备较为均匀的试样，对于试样密实度较大的试样也可以方便制备。
附图说明
图1 本发明的结构示意图
图2 本发明的环形内套筒三维立体示意图
图3 图1中A位置剖面图
图4 图1中B位置局部放大图
图5 图1中C位置局部放大图
图6 图1中D位置剖面图
图中：（1）环形底座，（2）环形外套筒，（3）环形内套筒，（4）环形外延筒，（5）环形铁板，（6）传力杆，（7）振动电机，（8）定位器，（9）土样，（10）圆环，（11）螺栓，（12）圆形铁板，（13）螺栓，（14）外橡皮膜，（15）内橡皮膜，（16）环形透水石，（17）滤纸。
具体实施方式
如图1~图6所示，一种粗粒土大型空心圆柱制样器。所述的粗粒土大型空心圆柱制样器的试样外直径和内直径根据试验材料的最大颗粒直径进行确定，外直径与内直径之差应大于10倍的最大颗粒直径，同时内直径与外直径之比应大于0.5；试样高度应大于1倍的外直径与内直径之差。主要由环形底座（1）、环形外套筒（2）、环形内套筒（3）、环形外延筒（4）、振动电机（7）、圆形铁板（12）、传力杆（6）、定位器（8）和环形铁板（5）组成。
环形外套筒（2）由对开模组合而成，采用铝合金材料进行制造，厚度为10mm，高600mm，内直径505mm，在对开模接缝处设置半圆形螺丝孔，上下各一个，试验过程中通过M10的螺栓（11）进行锚固，环形外套筒（2）与环形底座（1）的连接通过外模具下边缘的四个M16的螺栓（13）进行锚固（如图6所示）。
环形内套筒（3）采用三开模设计，分别由三个不同形状的三瓣模模组合而成，其中一个模为上端宽，下端窄的梯形设计（如图2所示）。采用铝合金材料进行制造，厚度为10mm，高720mm，外直径295mm，试验过程中，由于其受力主要是法向的压力，因此不需要特殊的固定方式，通过顶部的圆环（10）进行固定即可，圆环高度为10mm，厚度为5mm（如图5所示）。
环形外延筒（4）由铝合金材料制造，为圆环结构，厚度为10mm，高120mm，内直径505mm（如图4所示）。
振动密实器由由振动电机（7）、圆形铁板（12）、传力杆（6）、定位器（8）和环形铁板（5）组成。环形铁板（5）厚度10mm，外直径495mm，内直径305mm；与传力杆（6）通过焊接连在一起，传力杆（6）采用直径为10mm的螺纹钢筋，双排四分对角布置（如图3所示），传力杆（6）长度为670mm。通过焊接与顶部圆形铁板（12）连接，铁板厚度10mm，直径495mm。选用JZO-8-2型振动电机（7）与圆形铁板（12）通过M10六角螺栓进行连接，电机功率0.75kw，激振力8kN。
上述粗粒土大型空心圆柱制样器的制作和使用方法，包括以下技术步骤：
（1）试验时首先根据试样干密度称取所需的土样（9），并分层六等份；
（2）组装好环形底座（1）、环形外套筒（2）、环形内套筒（3）、套筒内套好内橡皮膜（15）、外橡皮膜（14），在环形底座（1）上放置环形透水石（16）和滤纸（17），用小勺将等分好的土样（9）均匀放入圆环形腔内，并抹平试样表面；
（3）在传力杆（6）上设定好定位器（8）的位置；
（4）放入环形铁板（5），开启振动电机（7），振动力通过传力杆（6）传递到试样顶面进行振动密实，当环形外套筒（2）边缘与定位器（8）相平时，停止振动，取出环形铁板（5），刮毛试样表面；
（5）装入下一层土样（9），重复步骤3-4进行试样击实；直至最后一层土样（9）的安装。此时需要在环形外套筒（2）上安装外延筒（4），装入土样（9），重复步骤3-4进行振动击实；
（6）取下环形外延筒（4），安装环形试样顶帽，扎好内橡皮膜（15）和外橡皮膜（14），进行试样抽真空，拆除环形外套筒（2）和环形内套筒（3），试样制备完成。
Claims (5)
1.一种粗粒土大型空心圆柱制样器，由环形套筒和振动密实器组成，其特征在于：环形套筒主要由环形底座（1）、环形外套筒（2）、环形内套筒（3）和环形外延筒（4）组成；振动密实器由振动电机（7）、圆形铁板（12）、传力杆（6）、定位器（8）和环形铁板（5）组成；
所述环形内套筒（3）为薄圆环，采用三开模设计，其中一个模为上端宽，下端窄的梯形设计，环形内套筒（3）通过圆环（10）进行固定，插入环形底座（1）内，环形内套筒（3）高度等于环形外套筒（2）高度与环形外延筒（4）高度之和，为试样高度的1.1~1.4倍；
所述环形外套筒（2）为薄圆环，采用对开模设计，通过螺栓（11）进行两对开模链接，高度与试样总高度相等。
2.根据权利要求1所述的一种粗粒土大型空心圆柱制样器，其特征在于环形铁板（5）外直径小于环形外套筒（2）直径，两者的差值为试验过程中采用的橡皮膜厚度的4~8倍；环形铁板（5）内直径大于环形内套筒（3）直径，两者之间的差值为试验过程中采用的橡皮膜厚度的4~8倍。
3.根据权利要求1所述的一种粗粒土大型空心圆柱制样器，其特征在于传力杆（6）采用螺纹钢筋，双排四分对角布置，长度为试样高度的1.0~1.2倍，传力杆（6）与环形铁板（5）和圆形铁板（12）之间通过焊接成为一整体。
4.根据权利要求1所述的一种粗粒土大型空心圆柱制样器，其特征在于根据粗粒土试样大小选择振动电机功率，振动电机的功率范围为0.4~1.5kw。
5.一种权利要求1所述的粗粒土大型空心圆柱制样器的使用方法，包括以下步骤：
（1）组装好环形底座（1）、环形外套筒（2）、环形内套筒（3）、套筒内套上内橡皮膜（15）、外橡皮膜（14），在环形底座（1）上放置环形透水石（16）和滤纸（17）；
（2）在内橡皮膜（15）和外橡皮膜（14）形成的环形空腔内均匀的放入土样（9），抹平土样（9）表面；
（3）调整传力杆（6）上的定位器（8）位置；
（4）放入环形铁板（5），开启振动电机（7），振动力通过传力杆（6）传递到土样（9）表面进行振动密实，当环形外套筒（2）边缘与定位器（8）相平时，停止振动；
（5）装入下一层土样（9），重复步骤（2）-（4），直至最后一层土样（9）的填入，此时需要在环形外套筒（2）上安装环形外延筒（4），重复步骤（2）-（4）；
（6）取下环形外延筒（4），安装环形试样顶帽，扎好内橡皮膜（15）和外橡皮膜（14），试样抽真空，拆除环形外套筒（2）和环形内套筒（3），试样制备完成。
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