CN104390821B - 三轴试验土样制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于土工试验技术领域，具体涉及三轴试验土样制备系统。该系统包括击实装置、击样筒、对开式箍环、开筒器和刨毛刷。击实装置能有效固定击样筒和控制击锤杆保持垂直。击锤导杆上设有刻度，能够实时观测土样高度。击样筒内壁涂装高强度超疏水涂料，有效降低筒壁对水和土颗粒的黏附，可大幅提升开筒成功率。筒壁外侧设有两道突起环，与对开式箍环配合。对开式箍环采用对称式半圆结构。开筒器适用于击样筒，能以大小相等的力同时开启三瓣击样筒，避免开筒时因受力不均而引起的土样破坏，从而提高开筒成功率。刨毛刷与击样筒同直径，表面分布有短钢丝。本发明能有效改善三轴试验土样制备的精度与效率，提高开筒成功率。

Description

三轴试验土样制备系统

技术领域

本发明属于土工试验技术领域，具体涉及三轴试验土样制备系统。

技术背景

常规三轴试验是岩土工程领域十分重要的试验手段，是测定土的力学性质的有效方法。对于扰动土的三轴试验，试样制备质量对试验精度及数据可靠性具有重要影响。根据规范要求，扰动粉土、黏土试样采用分层击实方法制得。传统击实制样虽然设备简单、使用方便，但制样过程存在许多问题：1.击样筒难以固定，操作过程中容易移动，且击样筒可能向上滑移；2.传统击样筒采用整体箍环套箍，击实过程中会滑脱松动，导致接缝张开或模板错动；3.击锤导杆方向不便控制，易使击实表面倾斜，导致土样密度不均匀；4.分层击实时，无法实时监测筒中土样高度，需要不断手工测量，容易出现击实不足或过度的情况；5.分层击实时需手工刨毛，因无专用工具，无法保证刨毛质量；6.开筒困难，往往由于开筒失误导致制样失败。鉴于上述问题，发明一种能提高三轴土样制备精度和成功率的系统是十分必要的。

发明内容

为了提高三轴土样制备的精度和效率，发明了一种三轴试验土样制备系统，该三轴试验土样制备系统能够改善制样质量，简化操作流程，增加开筒成功率，提高制样效率。三轴试验土样制备系统适用于制备三种规格的试样：φ39.1mm×80mm、φ50mm×100mm和φ61.8mm×125mm。

一种三轴试验土样制备系统，包括击实装置、击样筒、对开式箍环、开筒器和刨毛刷。

击实装置具有固定击样筒、保持击锤导杆方向、实时监测土样高度等功能，如图1所示。击实装置包括底座1、主支柱2、下定位卡盘3、T型卡销4、上定位套筒5、套筒横连杆6、主支柱套环7、三角定位板8、副支柱9、顶部定位环10、击锤导杆11、击锤12和击锤底板13。其中，上定位套筒5、套筒横连杆6和主支柱套环7构成套筒系统，击锤导杆11、击锤12和击锤底板13构成击锤系统。下定位卡盘3、上定位套筒5、击锤12和击锤底板13各有三种尺寸，可根据制样规格选用相应组件。

底座1：底座是金属盘，中间有圆形凹槽且均布有三个嵌耳槽，用以嵌固下定位卡盘3，每个嵌耳槽旁有螺孔，用以安装防止下定位卡盘3脱出的T型卡销4。底座1上设有三个安装主支柱2的孔，呈等边三角形分布。

主支柱2：主支柱总长不小于500mm，下端连接底座1，上端连接三角定位板8。

下定位卡盘3：下定位卡盘3用来固定击样筒14，其可嵌入底座1的圆形凹槽中。下定位卡盘3有三种尺寸，分别适用于不同尺寸的击样筒14。下定位卡盘3由底圆盘和上圆环构成。底圆盘外端均布有三个嵌耳，与底座1的嵌耳槽相配合。上圆环内壁设有嵌耳槽，与击样筒14外壁的嵌耳相配合。下定位卡盘3上圆环的嵌耳槽旁有安装T型卡销4的螺孔，以防止击样筒14上移脱出。

T型卡销4：T型卡销4如图6所示，其作用是压在嵌耳上，防止嵌套构件滑脱。T型卡销4中部截面为T型，腹板和翼缘板为变高度。T型卡销4端部设有通孔，可使用螺栓固定。

上定位套筒5：上定位套筒5既作为击实套筒，又用于固定击样筒。上定位套筒5有三个，可实现三级嵌套，适用于制作不同尺寸试样。上定位套筒5上段内径与击样筒14内径相同，下段内径与击样筒14外径相配合，且其内壁设有嵌耳槽，该嵌耳槽与击样筒14的嵌耳相配合。上定位套筒5与套筒横连杆6相连。

套筒横连杆6：套筒横连杆6用于连接上定位套筒5与主支柱套环7。

主支柱套环7：主支柱套环7起移动和固定上定位套筒5的作用，其套在主支柱2上，内侧与套筒横连杆6相连，外侧设有贯通螺孔，可安装限位螺栓以固定位置。

三角定位板8：三角定位板8既是主支柱2的固定板，也是维持击锤导杆11方向的构件。三角定位板8安装在主支柱2顶端，中间设有定位管。三角定位板8每边中点设有孔，用于安装副支柱9。

副支柱9：副支柱9为倾斜杆，用于连接三角定位板8和顶部定位环10。

顶部定位环10：顶部定位环10装在副支柱9顶端，其与三角定位板8上的定位管配合，可保持击锤导杆11垂直于击样筒底面，防止击实面倾斜。顶部定位环10由圆板与定位管组成，定位管侧壁上设有贯通螺孔，以便使用限位螺栓固定击锤导杆11。

击锤导杆11：击锤导杆11用于引导击锤12。此外，击锤导杆11上标有刻度，能够实时观测土样高度。击锤导杆11的全长不小于650mm，自上而下分别穿过顶部定位环10的定位管、三角定位板8的定位管和上定位套筒5，击锤导杆11的下端依次安装击锤12和击锤底板13。击锤导杆11上端设置平截面并标注刻度。未装土样时，击锤底板与下定位卡盘3接触，以顶部定位环10最高位置与击锤导杆11的重合点作为零刻度，由上至下标注刻度。

击锤12和击锤底板13：击锤12和击锤底板13的尺寸对应于击样筒14。

击样筒14，如图2所示。击样筒14采用三瓣式结构，每瓣上下端各有嵌耳，分别与下定位卡盘3和上定位套筒5中预留的嵌耳槽配合。击样筒14有三种规格，分别用于制作φ61.8mm×125mm、φ50mm×100mm和φ39.1mm×80mm试样。击样筒14具备如下特点：1.击样筒内壁涂装高强度超疏水涂料，该涂层具有显著的疏水防污效果，还具备耐候、耐久和耐划伤性，能够极大降低筒壁对水和土粒的粘附作用，从而使开筒更为顺畅，大幅提高开筒成功率。2.每片筒模上下端均有与击实装置配套的嵌耳，方便固定击样筒，能有效避免制样过程中击样筒滑移、松动和错位等问题。嵌耳上留有通孔，供开筒时使用。3.改变传统的单环套箍，采用对开式箍环15双环固定，使得击样筒受力更为合理。4.在筒模外壁设有两道环形突起，该突起与对开式箍环15内壁的嵌槽相对应，能有效避免箍环受震时的滑移松脱问题。

对开式箍环15是与击样筒14配套的箍环，如图3所示。对开式箍环15为半圆环结构，两端设有螺孔。对开式箍环15也有三种规格，其内半径与击样筒14外半径相同。对开式箍环15具有如下特点：1.采用对开式设计，通过螺栓固定，方便安装拆卸，避免了传统套箍、退箍的敲击操作对击样筒和土样的扰动。2.箍环内壁设有嵌槽，可与击样筒14外壁的环状突起相契合，能有效避免箍环受震时的滑移松脱问题。3.采用对称设计，两半箍环不分左右，方便生产和使用。

开筒器如图4所示，包括：开筒器底座16、平台组件17、主滑条18、支柱19、上定位环20、上滑条21、平动导杆22和嵌耳穿杆23。

开筒器底座16为圆柱型，其内部具有三爪卡盘结构：由小锥齿轮、大锥齿轮和螺旋槽构成的传动机构。仅需转动小锥齿轮，即可同时收紧或张开三个主滑条18。开筒器底座16上设有与主滑条18配套的滑动嵌槽，其中间留有通孔用于安装平台组件17，其上端面外缘均布三个安装支柱19的孔。

平台组件17是放置土样筒的平台，由一个T型圆柱和两个圆环组成，可根据制样尺寸嵌套使用。第一平台组件17适用于φ39.1mm击样筒，其由两个圆柱体组合而成，下圆柱体可插入开筒器底座16的中间通孔，上圆柱体的外半径与适用于φ39.1mm×80mm试样的击样筒14外半径相同。第二平台组件17是可套在第一平台组件17上的圆环，其外半径与制作φ50mm×100mm试样的击样筒14外半径相同。第三平台组件17是可套在第二平台组件17上的圆环，其外半径与制作φ61.8mm×125mm试样的击样筒14外半径相同。

主滑条18是与开筒器底座16配套的构件，其在传动机构的作用下能够平稳滑动，以提供开筒力。主滑条18的一端具有与击样筒14嵌耳匹配的嵌耳槽，嵌耳槽下留有安插嵌耳穿杆23的孔，另一端设有安装平动导杆22孔。

支柱19是用于连接开筒器底座16与上定位环20的金属杆。

上定位环20为圆环，与支柱19相连，用于嵌固上滑条21，其上有三个嵌固上滑条21的嵌槽。

上滑条21通过平动导杆22与主滑条18相连，可与主滑条18同时移动，以对击样筒14上端嵌耳施力。上滑条21有能嵌入上定位环20的嵌槽和用以安装平动导杆22和嵌耳穿杆23的通孔。

平动导杆22用于连接主滑条18与上滑条21，使两者能够同时移动。

嵌耳穿杆23为用于连接击样筒14与开筒器，能够贯穿击样筒上下嵌耳孔及开筒器上滑条21和主滑条18的预留孔。

开筒器利用三爪卡盘的传动原理，同时对三瓣击样筒14施加等大的力，从而实现稳定开筒。开筒器施力均匀、运行平稳，避免了手工开筒对土样的扰动。由于击样筒14内壁涂装了高强度超疏水涂料，可有效避免筒壁粘结土样造成的试样破坏，因此，击样筒14配合开筒器，能有效提高开筒成功率。

刨毛刷，能够有效提高刨毛质量，改善层间结合力。刨毛刷由刷头24和手柄25组成，如图5所示。刷头24有三种规格，适用于相应的的击样筒14，手柄25通用。刷头24是与击样筒14内径相同的圆板，下端面分布有高强度金属丝，上端面有连接手柄25的套环。刷头24涂装高强度超疏水涂料，能避免粘带土颗粒。手柄25由导杆和握杆组成，导杆末端与刷头24相连。

本发明的有益效果：该三轴试验土样制备系统能有效改善三轴试验土样制备的精度与效率，提高开筒成功率。

附图说明

图1是三轴试验土样制备系统的击实装置示意图。

图2是三轴试验土样制备系统的击样筒示意图。

图3是三轴试验土样制备系统的对开式箍环示意图。

图4是三轴试验土样制备系统的开筒器示意图。

图5是三轴试验土样制备系统的刨毛刷示意图。

图6是三轴试验土样制备系统的T型卡销示意图。

图7是三轴试验土样制备系统的上定位套筒示意图。

图中：1底座；2主支柱；3下定位卡盘；4T型卡销；5上定位套筒；6套筒横连杆；7主支柱套环；8三角定位板；9副支柱；10顶部定位环；11击锤导杆；12击锤；13击锤底板；14击样筒；15对开式箍环；16开筒器底座；17平台组件；18主滑条；19支柱；20上定位环；21上滑条；22平动导杆；23嵌耳穿杆；24刷头；25手柄。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

三轴试验土样制备系统是成套的击实制样设备，能够规范制样操作、改善制样质量、提高制样效率。现以制备φ61.8mm×125mm试样为例，说明三轴试验土样制备系统的使用方法。

首先根据制样规格调整击实装置。选取适用于φ61.8mm×125mm试样的下定位卡盘3，装入底座1，将底座1上的三个T型卡销4压在下定位卡盘3的嵌耳上，并用蝶型螺栓拧紧固定。选用定位套筒7，拧紧主支柱套环7上的定位螺栓，将套筒系统暂时固定于高位，待放置击样筒后再放下并固定。选用击锤16和击锤底板19，安装到击锤导杆11上，提升击锤系统并利用顶部定位环10上的限位螺栓固定，待击实时再放下。

选用三瓣击样筒14和四片对开式箍环15，将对开式箍环15套于击样筒14上，使用螺栓固定。将固定好的击样筒置入下定位卡盘3，并将下定位卡盘3上的三个T型卡销4压在击样筒14的下嵌耳上，用蝶型螺栓拧紧固定。松开套筒系统，下滑套在击样筒14上，紧固主支柱套环7上的定位螺栓。

放入一层土样，松开顶部定位环10上的限位螺栓，放下击锤系统，此时击锤导杆11上端伸出的刻度值即为筒中土样高度。执行击实，随着不断击实，击锤导杆11将下行，待刻度值下降至所需高度时，即可装入下一层土样。提出击锤系统并固定，选用刷头24与手柄25组成刨毛刷，伸入击样筒22，旋转刨毛刷执行刨毛。取出刨毛刷，继续加入土样并重复操作，直至完成击实。提升并固定击锤系统和套筒系统，松开压紧击样筒14的T型卡销4，取出含试样的击样筒即可。

开筒前应先配置开筒器，安装平台组件17，转动开筒器底座16侧面的小锥齿轮螺孔，使主滑条18和上滑条21收紧，至主滑条18触及平台组件17边界为止。放入含试样的击样筒，由上滑条21的嵌耳穿杆孔插入三根嵌耳穿杆23，贯通至主滑条18上的嵌耳孔。转动小锥齿轮螺孔，使滑条系统张开，带动击样筒与土样分离，待张开至最大位置，向上抬升平台组件17，从顶部取出土样完成开筒。

Claims (2)

1.一种三轴试验土样制备系统，其特征在于，该三轴试验土样制备系统包括击实装置、击样筒、对开式箍环、开筒器和刨毛刷；

击实装置包括底座、主支柱、下定位卡盘、T型卡销、上定位套筒、套筒横连杆、主支柱套环、三角定位板、副支柱、顶部定位环、击锤导杆、击锤和击锤底板；其中，上定位套筒、套筒横连杆和主支柱套环构成套筒系统，击锤导杆、击锤和击锤底板构成击锤系统，下定位卡盘、上定位套筒、击锤和击锤底板各有三种尺寸相互配合；

底座：底座为中间有圆形凹槽且均布有三个嵌耳槽的金属盘，嵌耳槽用以嵌固下定位卡盘，嵌耳槽旁有螺孔，用以安装防止下定位卡盘脱出的T型卡销；底座上设有三个安装主支柱的孔，呈等边三角形分布；

主支柱：主支柱总长不小于500mm，其下端连接底座，上端连接三角定位板；

下定位卡盘：下定位卡盘用于固定击样筒，其嵌入底座的圆形凹槽中；下定位卡盘由底圆盘和上圆环构成，底圆盘外端均布三个嵌耳，与底座的嵌耳槽相配合；上圆环内壁设有嵌耳槽，与击样筒外壁的嵌耳相配合；下定位卡盘上圆环的嵌耳槽旁有安装T型卡销的螺孔，防止击样筒上移脱出；

上定位套筒：上定位套筒上段内径与击样筒内径相同，下段内径与击样筒外径相配合，其内壁设有嵌耳槽，该嵌耳槽与击样筒的嵌耳相配合；上定位套筒与套筒横连杆相连；

套筒横连杆：套筒横连杆用于连接上定位套筒与主支柱套环；

主支柱套环：主支柱套环用于移动和固定上定位套筒，其套在主支柱上，内侧与套筒横连杆相连，外侧设有贯通螺孔，用于安装限位螺栓以固定位置；

三角定位板：三角定位板安装在主支柱顶端，中间设有定位管，三角定位板的每边中点设有孔，用于安装副支柱；

副支柱：副支柱为倾斜杆，用于连接三角定位板和顶部定位环；

顶部定位环：顶部定位环装在副支柱顶端，其与三角定位板上的定位管配合，保持击锤导杆垂直于击样筒底面，防止击实面倾斜；顶部定位环由圆板与定位管组成，定位管侧壁上设有贯通螺孔，使用限位螺栓固定击锤导杆；

击锤导杆：击锤导杆上标有刻度，实时观测土样高度；击锤导杆的全长不小于650mm，自上而下分别穿过顶部定位环的定位管、三角定位板的定位管和上定位套筒，击锤导杆的下端依次安装击锤和击锤底板；未装土样时，击锤底板与下定位卡盘接触，以顶部定位环最高位置与击锤导杆的重合点作为零刻度，由上至下标注刻度；

击锤和击锤底板：击锤和击锤底板的尺寸对应于击样筒；

击样筒：击样筒采用三瓣式结构，每瓣上下端各有嵌耳，分别与下定位卡盘和上定位套筒中预留的嵌耳槽配合；

对开式箍环：是与击样筒配套的箍环，对开式箍环为半圆环结构，其内半径与击样筒外半径相同，其两端设有螺孔；

开筒器包括开筒器底座、平台组件、主滑条、支柱、上定位环、上滑条、平动导杆和嵌耳穿杆；

开筒器底座为圆柱型，其内部具有三爪卡盘结构，三爪卡盘结构由小锥齿轮、大锥齿轮和螺旋槽构成的传动机构，转动小锥齿轮同时收紧或张开三个主滑条；开筒器底座上设有与主滑条配套的滑动嵌槽，其中间留有通孔用于安装平台组件，其上端面外缘均布三个安装支柱的孔；

平台组件是放置土样筒的平台，由一个T型圆柱和两个圆环组成，根据制样尺寸嵌套使用；

主滑条是与开筒器底座配套的构件，其在传动机构的作用下平稳滑动，以提供开筒力；主滑条的一端具有与击样筒嵌耳匹配的嵌耳槽，嵌耳槽下留有安插嵌耳穿杆的孔，另一端设有安装平动导杆孔；

支柱是用于连接开筒器底座与上定位环的金属杆；

上定位环为圆环，与支柱相连，用于嵌固上滑条，其上有三个嵌固上滑条的嵌槽；

上滑条通过平动导杆与主滑条相连，可与主滑条同时移动，以对击样筒上端嵌耳施力；上滑条有能嵌入上定位环的嵌槽和用以安装平动导杆和嵌耳穿杆的通孔；

平动导杆用于连接主滑条与上滑条，使两者同时移动；

嵌耳穿杆为用于连接击样筒与开筒器，贯穿击样筒上下嵌耳孔及开筒器上滑条和主滑条的预留孔；

刨毛刷由刷头和手柄组成，刷头有三种规格，刷头是与击样筒内径相同的圆板，其下端面分布有金属丝，上端面有连接手柄的套环；手柄由导杆和握杆组成，导杆末端与刷头相连。

2.根据权利要求1所述的三轴试验土样制备系统，其特征在于，所述的T型卡销的中部截面为T型，腹板和翼缘板为变高度；T型卡销端部设有通孔，使用螺栓固定。