CN103123306B - 加快吸力平衡的三轴试验制样装置 - Google Patents

Abstract

一种加快吸力平衡的三轴试验制样方法，包括以下步骤：一、压制试样；二、在试样上钻孔；三、在钻孔中灌砂；通过上述步骤获得加快排水速率而不影响其应力应变特性的三轴试验试样。一种用于给三轴实验试样钻孔的装置，上盖板和底板之间通过滑杆连接，上盖板和底板之间设有与滑杆滑动配合并可锁定的滑动盖板；传动螺杆穿过上盖板，传动螺杆下端设有钻头夹，滑动盖板上设有与钻头夹上的钻杆相应的通孔，传动螺杆上端设有转动手柄；用于固定试样的对开钢模位于滑动盖板和底板之间。本发明方法制备的试样，同样的初始条件，灌砂前后吸力的平衡时间由45天缩短到8天，但其应力应变没有任何影响。由于试样轴对称，其应力应变没有影响从理论上也是成立的。

Description

加快吸力平衡的三轴试验制样装置

技术领域

本发明涉及岩土力学三轴试验技术领域，具体的说，是一种可加快非饱和细粒土三轴试验的固结排水、吸力平衡的新方法及其试样制作装置。

背景技术

现有技术中，非饱和三轴试验系统是非饱和土力学研究领域中必备的实验设备之一。通过该设备可以得到非饱和强度参数、变形参数、渗透参数等，是非饱和土力学试验中重要的研究内容。非饱和三轴试验不同于饱和三轴试验，前者在实验过程中需要利用轴平移技术施加基质吸力。对于渗透性较差的细粒土而言，试样在饱和、固结、吸力平衡过程中排水耗时很长。Gee等对2cm厚的砂土、淤泥、粘性土开展脱湿试验，发现时间超过十天吸力都没有达到平衡。吸力的平衡时间与排水路径长度的平方成正比例关系，非饱和土三轴（GDS）试验试样直径5cm、高度10cm。据此推算，每一级吸力平衡所需的时间十分惊人，无论从三轴试验仪的设备性能还是试验周期上都难以接受。因此迫切需要对细粒土非饱和三轴试验方法进行改进，但现有技术中尚无新的试验方法及其试验设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种加快吸力平衡的三轴试验制样方法及装置，可以提高试验效率，缩短试验周期。本发明还提供了相应的试样钻孔装置用以制备合格的砂芯试样。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种加快吸力平衡的三轴试验制样方法，包括以下步骤：

一、压制试样；

二、在试样上钻孔；

三、在钻孔中灌砂；

通过上述步骤获得加快排水速率而不影响其应力应变特性的三轴试验试样。

步骤一中，首先根据设计的干密度和含水率计算每个试样的湿土质量，然后把称量好的土样倒入底端已放有一垫块的钢模中，钢模顶部放入另一垫块，再将钢模整体放在垫有垫板的千斤顶上，利用上盖板、支撑杆和反力架底板组成的反力架完成试样的静压；

当钢模内的两块垫块压的与钢模边缘平齐时即得到预定密度的三轴实验试样。

静压完成后，让施加的力稳定一段时间以防止试样回弹。

压制前钢模内要涂少许凡士林以减少脱模时试样与钢模内壁间的摩擦力。

脱模时，卸掉千斤顶的压力，撤走钢模上下方的垫板，用千斤顶和垫块将试样从钢模底部经由反力架上盖板中脱模孔慢慢顶出。

步骤二中，以对开钢模固定试样，以钻杆在试样中心钻出孔道，钻孔过程中应注意减少成孔过程中对试样的扰动。

步骤三中，利用灌砂漏斗分次将砂灌入到试样的钻孔中，使砂均匀而密实的填满钻孔。

一种如上所述的用于给三轴实验试样钻孔的装置，上盖板和底板之间通过滑杆连接，上盖板和底板之间设有与滑杆滑动配合并可锁定的滑动盖板；

传动螺杆穿过上盖板，且与上盖板之间螺纹配合，传动螺杆下端设有用于夹紧钻头的钻头夹，滑动盖板上设有与钻头夹上的钻杆相应的通孔，传动螺杆上端设有用于驱动传动螺杆旋转的转动手柄；

用于固定试样的对开钢模位于滑动盖板和底板之间。

所述的滑动盖板与滑杆滑动配合的位置设有定位螺钉。

所述的滑动盖板上与钻杆相应的通孔处设有阶台，阶台上放置有钻杆导向环，所述的钻杆导向环设有与钻杆外径相配合的内孔。

本发明提供的一种加快吸力平衡的三轴试验制样方法及装置，通过在试样设置的钻孔，使其轴向正中形成贯通试样的通孔，再向通孔中灌注标准砂使之成为带砂芯的试样，通过缩短其渗流路径来加快吸力平衡时间，提高排水效率。

同样的初始条件，灌砂前后吸力的平衡时间由45天缩短到8天，但其应力应变没有任何影响。由于试样轴对称，其应力应变没有影响从理论上也是成立的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中压制试样的示意图。

图2为本发明中试样脱模的示意图。

图3为本发明中钻孔装置的整体结构示意图。

图4为图3中A处的局部 示意图。

图5为本发明中灌砂的整体结构示意图。

图6为本发明中获得的试样的剖面实拍黑白照片。

图7为本发明中灌砂试样的含水量平衡过程图。

图8为不灌砂试样含水量平衡过程图。

图9为灌砂与不灌砂的试样应力应变对比。

图中：脱模孔1，反力架上盖板2，垫板3，垫块4钢模5，试样6，支撑杆7，千斤顶8，反力架底板9，转动手柄10，传动螺杆11，上盖板12，钻头夹13，滑杆14，钻杆15，滑动盖板16，定位螺钉17，钻杆导向环18，阶台19，灌砂漏斗20，砂21，对开钢模22，底板23。

具体实施方式

一种加快吸力平衡的三轴试验制样方法，包括以下步骤：

一、压制试样6；如图1中，参照《土工试验规程》、《土工实验方法标准》或其它部门的土工实验标准采用千斤顶压样成型法制备标准三轴实验试样6，首先根据设计的干密度和含水率计算每个试样6的湿土质量，然后把称量好的土样倒入底端已放有一垫块4的钢模5中，钢模5顶部放入另一垫块4，再将钢模5整体放在垫有垫板3的千斤顶8上，利用上盖板12、支撑杆7和反力架底板9组成的反力架完成试样的静压；

当钢模5内的两块垫块4压的与钢模5边缘平齐时即得到预定密度的三轴实验试样6。

静压完成后，不要立即卸掉千斤顶1-8，让施加的力稳定3～5分钟，以防止试样6回弹。

压制前钢模5内要涂少许凡士林以减少脱模时试样6与钢模5内壁间的摩擦力。

如图2中，脱模时，卸掉千斤顶8的压力，撤走钢模5上下方的垫板3，用千斤顶8和垫块4将试样6从钢模5底部经由反力架上盖板2中脱模孔1慢慢顶出。

试样的制备是试验的基础，制样的好坏直接关系试验的成功与否。常规三轴制样采用的是分层击实法，制样过程存在分布不均和分层的不足。为了克服该缺点，本发明采用的是千斤顶压样成型法，即将土样一次压制成型。压样装置包括装样器、千斤顶及反力架三个部分，其中装样器为一钢模，钢模内径同试样直径，高比试样高5cm，多出的5cm由两个直径同试样直径、高2.5cm的垫块填充，当千斤顶在反力架中刚好把两个垫块压平的时候，即可得到预定干密度的标准三轴试样。

二、在试样6上钻孔；步骤二中，以对开钢模22固定试样6，以钻杆15在试样6中心钻出孔道，钻孔过程中应注意减少成孔过程中对试样的扰动。

如图3、4中所示，一种如上所述的用于给三轴实验试样钻孔的装置，上盖板12和底板23之间通过滑杆14连接，上盖板12和底板23之间设有与滑杆14滑动配合并可锁定的滑动盖板16；

传动螺杆11穿过上盖板12，且与上盖板12之间螺纹配合，传动螺杆11下端设有用于夹紧钻头的钻头夹13，滑动盖板16上设有与钻头夹13上的钻杆15相应的通孔，传动螺杆11上端设有用于驱动传动螺杆11旋转的转动手柄10；

用于固定试样6的对开钢模22位于滑动盖板16和底板23之间。

优化的方案中，所述的滑动盖板16与滑杆14滑动配合的位置设有定位螺钉17，由此结构用于固定住滑动盖板16的位置。优化的方案中，所述的滑动盖板16上与钻杆15相应的通孔处设有阶台19，阶台19上放置有钻杆导向环18，所述的钻杆导向环18设有与钻杆15外径相配合的内孔，用于给钻杆15提供导向，可以制备多个不同内孔直径而外径相同的钻杆导向环18，以和不同直径的钻杆15相配合。

使用时，将如图2中取出的试样6装入对开钢模22，在外部套紧紧固环，将对开钢模22整体放入钻孔装置滑动盖板16和底板23之间，沿滑杆14滑动滑动盖板16，使其刚好卡住对开钢模22的上端面，拧紧定位螺钉17。将将尺寸对应的钻杆导向环18和钻杆15分别装入滑动盖板16通孔的阶台19处和钻头夹13中固定。匀速旋转转动手柄10，通过传动螺杆11带动钻头夹13旋转，并在上盖板12的螺纹作用下进给，使钻杆15通过钻杆导向环18中心的通孔进入试样6，形成通孔。

试验中，为尽量减小成孔过程中对试样6的扰动，成孔宜采用分级钻孔。即在钻孔过程中注意在成孔一定深度或者转动手柄10旋转一定圈数后要将钻杆15退回，及时清洁钻杆15上的土屑，如此再转下一级。对于较硬的土体应考虑从土样两端向中间分别钻的方法，防止试样开裂及钻杆倾斜，以保证成孔的铅直及试样的质量。试样6通孔形成后，依次卸下钻杆15、钻杆导向环18，松开定位螺钉17，将滑动盖板16沿滑杆14上移，取出对开钢模22中已成孔的试样6，具体试样如图6中所示。

试样成孔是制作砂芯试样的关键步骤，成孔过程中应保证土样的初始状态，尽量避免对土样的扰动且保证成孔位置轴向正中，进而避免试验过程中试样产生不规则变形。基于此，本发明成孔过程采用麻花钻杆钻取成孔，其优点是：一、在钻孔过程中钻取的土可随钻杆带出，避免了对土样的挤压；二、钻杆由钻头夹固定，方便拆卸与更换，可以实现对不同试样成不同孔径的通孔。滑动盖板16中心处预留有通孔用以安装钻杆导向环。钻杆导向环内径与麻花钻杆直径相同，起到固定麻花钻杆并使其通过进入试样的作用。麻花钻杆由钻头夹固定，与钻杆导向环配套，同时拆卸与更换。传动装置由支架上盖板以螺纹固定，包括传动螺杆、设置与转动盘上得转动手柄两部分。钻头夹与传动螺杆相连，通过人工转动转动手柄带动传动装置与钻头夹，使麻花钻杆进入试样，预先成孔。

三、在钻孔中灌砂；如图5中，将灌砂漏斗20插入试样6的通孔底部，将计算称量好的砂21分次倒入灌砂漏斗20中，进入试样6，注意边灌砂边向上提灌砂漏斗20，使砂21均匀而密实的填满钻孔。孔中灌注的砂系标准砂，粒径范围为0.25-0.5mm，市场上可以直接购买。灌砂完成后，拆开对开模3-12，取出试样。本发明中三轴砂芯试样制作完成。

砂填筑是否均匀密实直接影响试验中的渗流路径及变形，所以灌注砂的过程中应保证其质量。

通过上述步骤获得加快排水速率而不影响其应力应变特性的三轴试验试样6。

申请人还开展了系列灌注砂与未灌注砂关于加快吸力平衡试验效果的三轴试验数值模拟，内容包括加快吸力平衡时间效果的验证和应力应变影响的模拟，其模型、荷载加载路径及试验结果分别见图7、图8和图9。同样的初始条件，灌砂前后吸力的平衡时间由45天缩短到8天，但其应力应变没有任何影响。由于是试样6轴对称的原因，其应力应变没有影响从理论上也是成立的。

Claims (1)

1.一种用于给三轴实验试样钻孔的装置，其特征是：上盖板（12）和底板（23）之间通过滑杆（14）连接，上盖板（12）和底板（23）之间设有与滑杆（14）滑动配合并可锁定的滑动盖板（16），

所述的滑动盖板（16）与滑杆（14）滑动配合的位置设有定位螺钉（17）；

传动螺杆（11）穿过上盖板（12），且与上盖板（12）之间螺纹配合，传动螺杆（11）下端设有用于夹紧钻头的钻头夹（13），滑动盖板（16）上设有与钻头夹（13）上的钻杆（15）相应的通孔，所述的滑动盖板（16）上与钻杆（15）相应的通孔处设有阶台（19），阶台（19）上放置有钻杆导向环（18），所述的钻杆导向环（18）设有与钻杆（15）外径相配合的内孔；

传动螺杆（11）上端设有用于驱动传动螺杆（11）旋转的转动手柄（10）；

用于固定试样（6）的对开钢模（22）位于滑动盖板（16）和底板（23）之间。