CN107314926B - 一种击实土样试验装置及其制样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于土木工程领域，涉及一种击实土样试验装置及其制样方法。包括支架、击实系统、制样模具和控制系统，支架底座为圆形框架，支架底座两侧设有支架侧板，支架的上顶面设有支架顶板，支架顶板中部上方设有电机和滑轮组，牵引绳一端与电机相连、另一端绕过滑轮组后再穿过设于支架顶板中部的牵引孔与击锤上方的连接孔相连；所述击实系统包括导杆，击锤、击实底板和限位板；所述制样模具上部分为空心圆柱、制样模具下部分为带底的空心圆柱体，制样模具上部分和制样模具下部分之间设有环刀；所述控制系统包括压敏传感器、红外发射传感器、电机及控制器。本发明克服了人工制作击实土样过程中导杆不垂直，干密度不易控制的技术问题。

Description

一种击实土样试验装置及其制样方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，涉及一种击实土样试验装置及其制样方法。
背景技术
室内土工试验是获得土体强度、固结、渗透指标的一种重要方法，可为工程设计提供相关参数，是岩土工程勘察设计的重要组成部分。其中，土样制备是获得相关参数的必要步骤，土样制备质量与方法是其获得参数准确与否的关键与前提。
在实验过程中发现，击实与压实土样在微孔隙分布等方面存在一定差异，不同的土样制备方法对其物理、力学参数有较大影响。根据实际工程状态，确定相应的土样制备方法十分关键。在环刀试样的制备中，一般常用的方法有击实法和压实法两种。压实法由于具有精确控制干密度、保证试样平整度等优点在公路、铁路、水利等行业得到广泛应用。但在有些工程（如城墙修复等）中，多采用人工与电动击实方法进行。故室内土样制备中采用击实法更加符合工程实际情况，从而保证其稳定性与工程质量。
目前已有的击实土样制备工具与方法操作繁琐、击实土样表面不平整、干密度不易准确控制等缺点，严重制约了击实土样相关参数的准确获得，阻碍了击实土样物理、力学及身体等参数的深入研究与工程应用，故进行击实土样试验设备的研制十分必要。
发明内容
本发明为解决现有击实土样制备工具和方法操作繁琐，且干密度不易控制的技术问题，公开了一种击实土样试验装置及其制样方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种击实土样试验装置，包括支架、击实系统、制样模具和控制系统，支架底座为圆形框架，支架底座两侧设有支架侧板，支架侧板为弧形长板，支架的上顶面设有支架顶板，支架顶板中部上方设有电机和滑轮组，牵引绳一端与电机相连、另一端绕过滑轮组后再穿过设于支架顶板中部的牵引孔与击锤上方的连接孔相连；所述击实系统包括导杆，击锤、击实底板和限位板，导杆设于支架顶板中部，导杆外设有定位套筒，导杆底部与击实底板相连，击实底板两侧设有限位板，击锤套设于导杆；制样模具包括模具上部和模具下部，模具上部和模具下部之间通过凸起锲合、粘合剂或其他方式连接；模具上部为空心圆柱、模具下部为带底的空心圆柱体，模具上部和模具下部之间设有环刀；所述控制系统包括压敏传感器、红外发射传感器、电机及控制器。
所述电机通过导线与控制器相连，控制器分别与压敏传感器和红外发射传感器相连。
所述制样模具上部为内径61.8mm、外径71.8mm、高40mm的空心圆柱体，制样模具下部为内径59.8mm（环刀壁厚1mm）、外径71.8mm、高10mm的空心圆柱体；制样模具上部分下部为内径59.8mm（环刀壁厚1mm）、外径71.8mm、高10mm的空心圆柱体；制样模具与环刀组装完成后，可形成一个内径61.8mm，外径71.8mm，高50mm的空心圆柱体，该空心圆柱体与直径71.8mm，高10mm圆盘固接形成带底的空心圆柱体，制样模具与环刀中心线重合。
所述支架底座上设有圆形凹槽，凹槽底部有定位孔，圆形凹槽的直径与制样模具直径相匹配；支架底座为圆形刚性底座，厚度15mm，直径12cm，定位凹槽为圆柱形，固设于刚性底座中，凹槽深度5mm，在凹槽内部设3个定位孔，定位孔直径5mm，深度5mm；刚性架体厚度10mm，宽度50mm，高度与环刀高度及导杆相匹配。
支架顶板为宽50mm钢板，支架顶板下方固接一内径11mm、外径15mm、高度50mm的定位套筒，定位套筒、支架底座、凹槽中心线相重合。
所述定位套筒直径大于导杆，定位套筒与导杆相匹配，定位套筒穿过支架顶板，定位套筒高度不小于20mm。
所述击锤为空心圆柱体，在击实过程中，击锤沿导杆上下垂直运动，限位板距离击实底板的高度与模具上部的高度相匹配。
所述限位板为┓型，限位板与击实底板固接，击实底板顶面面高度与定位套筒底面高度之差小于导杆的高度。，导杆为直径10mm实心钢柱，其高度加上击实底板高度小于支架高度减去导杆定位套筒之差，击实底板为直径60.8mm、高10mm的刚性钢板，击锤为内径11mm外径50mm高60mm的刚性空心圆柱，限位板共4个，呈对称分布，限位板为厚10mm、宽10mm、高度30mm刚性钢板，限位板高度等于制样模具上部分上部圆柱体40mm与击实底板厚度10mm之差，击锤上部对称分布有连接牵引绳的空心圆形凸起，空心圆形凸起直径2mm。
所述红外发射传感器包括传感器发射端和传感器接收端，支架两侧的支架侧板上设有供传感器发射端和传感器接收端滑动的轨道，传感器发射端和传感器接收端可在滑道上上下移动，传感器发射端和传感器接收端成对、对称设置，传感器发射端与传感器接收端的连线不经过导杆。
击实土样试验装置的制样方法，步骤如下：
1）、将环刀套装于制样模具下部分，使其环刀下部与制样模具的凹槽充分接触，将制样模具上部分套装于环刀上，使环刀与制样模具上部分和制样模具下部分充分接触；
2）、称取配置好的重塑散土样，放入制样模具与环刀形成的圆柱形空间中；
3）、将击锤套入导杆，然后将导杆连同击锤平移至支架内，使导杆与定位套筒在同一中心线；然后将击实系统竖直提起，使导杆竖直进入定位套筒，同时将制样模具、环刀与重塑散土一起平移至支架底座凹槽中，对准定位孔，将击实系统缓缓放下至制样模具与环刀所形成的空间中；
4）、连接牵引绳、击锤，牵引绳通过滑轮组与电机相连；
5）、操作控制器，设定击锤上升高度，调整传感器位置，开启击实系统，操作控制器，设定击锤上升高度，开启自动击实系统，下部传感器发射端（如红外发射等）此时被击锤所挡住，控制器接收到信号后，电机启动，从而在牵引绳作用下击锤被提升；在提升过程中，上部传感器接收端始终可以接收到发射端信号；当击锤上表面提升至上部传感器高度时，此时传感器发射端（如红外发射等）被挡住，控制器接收到信号，使电机以重力加速度向下运动，从而击锤向下锤击；在下降过程中，下部传感器接收端可接收到传感器发射端信号，当击锤下降至发射端高度时，击锤挡住了发射端信号，控制器接收到信号后，做提升击锤动作，如此循环往复，直至4个限位板与制样模具顶面接触，压敏传感器产生信号，控制器接收信号后，击实过程结束，在其底部形成直径61.8mm，高20mm的标准土样。
本发明的有益效果在于：
本发明设计制样模具在制样模具上增加连接装置，保证在击实过程中不发生偏离；采用导杆定位套筒，使击实过程中导杆始终处于垂直状态；在击实底板上增加了限位板，保证了击实后土样表面平整，达到土样均匀，干密度可控；增加了自动控制系统，通过设定击锤上升高度、传感器发射与接收控制、压敏传感器等，避免了人为因素的干扰，还可设定一定的程序实现自动击实土样；本发明克服了人工制作击实土样过程中导杆不垂直，击实后土样表面不平，干密度不易控制的技术问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明结构的俯视图。
具体实施方式
实施例1
如图1-2所示的一种击实土样试验装置，包括支架2、击实系统、制样模具1和控制系统，支架底座2-1为圆形框架，支架底座2-1两侧设有支架侧板2-2，支架侧板2-2为弧形长板，支架2的上顶面设有支架顶板2-3，支架顶板2-3中部上方设有电机11和滑轮组10，牵引绳9一端与电机11相连、另一端绕过滑轮组10后再穿过设于支架顶板2-3中部的牵引孔20与击锤4上方的连接孔17相连；所述击实系统包括导杆3，击锤4、击实底板16和限位板5，导杆3设于支架顶板2-3中部，导杆3外设有定位套筒15，导杆3底部与击实底板16相连，击实底板16两侧设有限位板5，击锤4套设于导杆3；制样模具1包括模具上部和模具下部，模具上部为空心圆柱、模具下部为带底的空心圆柱体，模具上部和模具下部之间通过凸起锲合，模具上部和模具下部之间设有环刀6；所述控制系统包括压敏传感器13、红外发射传感器、电机11及控制器12。
实施例2
一种击实土样试验装置，所述支架底座2-1上设有圆形凹槽18，凹槽18底部有定位孔19，圆形凹槽18的直径与制样模具1直径相匹配；支架底座2-1为圆形刚性底座，厚度15mm，直径12cm，定位凹槽为圆柱形，固设于刚性底座中，凹槽深度5mm，在凹槽内部设3个定位孔，定位孔直径5mm，深度5mm；刚性架体厚度10mm，宽度50mm，高度与环刀高度及导杆相匹配。所述定位套筒15直径大于导杆3，定位套筒15与导杆3相匹配，定位套筒15穿过支架顶板2-3。其它结构与实施例1相同。
实施例3
一种击实土样试验装置，所述限位板5为┓型，限位板5与击实底板16固接，击实底板16顶面面高度与定位套筒15底面高度之差小于导杆3的高度。，导杆为直径10mm实心钢柱，击实底板为直径60.8mm、高10mm的刚性钢板，击锤为内径11mm外径50mm高60mm的刚性空心圆柱，限位板共4个，呈对称分布，限位板为厚10mm、宽10mm、高度30mm刚性钢板，限位板高度等于制样模具上部分上部圆柱体40mm与击实底板厚度10mm之差，击锤4上部对称分布有连接牵引绳9的空心圆形凸起，空心圆形凸起直径2mm。其它结构与实施例1相同。
实施例4
一种击实土样试验装置，所述击锤4为空心圆柱体，在击实过程中，击锤4沿导杆3上下垂直运动，限位板5距离击实底板16的高度与环刀6的高度相匹配，其中导杆3、击锤4、定位套筒15和制样模具1中心线相重合。所述电机11通过导线与控制器12相连，控制器12分别于压敏传感器13和红外发射传感器相连。所述红外发射传感器包括传感器发射端7和传感器接收端8，支架两侧的支架侧板2-2上设有供传感器发射端7和传感器接收端8滑动的轨道15，传感器发射端7和传感器接收端8成对、对称设置，传感器发射端7与传感器接收端8的连线不经过导杆3。
实施例5
一种击实土样试验装置，所述制样模具上部为内径61.8mm、外径71.8mm、高40mm的空心圆柱体，模具下部为内径59.8mm（环刀壁厚1mm）、外径71.8mm、高10mm的空心圆柱体；模具上部为内径59.8mm（环刀壁厚1mm）、外径71.8mm、高10mm的空心圆柱体；制样模具1与环刀6组装完成后，可形成一个内径61.8mm，外径71.8mm，高50mm的空心圆柱体，该空心圆柱体与直径71.8mm，高10mm圆盘固接形成带底的空心圆柱体，制样模具1与环刀6中心线重合。支架顶板2-3为宽50mm钢板，支架顶板2-3下方固接一内径11mm、外径15mm、高度50mm的定位套筒，定位套筒、支架底座、凹槽中心线相重合。
应用例1
使用实施例1的击实土样试验装置，制备土样：
某粉质粘土样，事先测得最大干密度1.78g/cm3，在室内配置含水率9.1%散土样，通过自动击实土样实验装置，获得干密度1.70g/cm3的环刀样；
程序控制流程如下：
（a）环刀采用直径61.8mm高度20mm的标准环刀，根据目标含水率、目标干密度，计算并秤取所需散土质量55.6g；
（b）将环刀刃口朝下放入制样模具1下部分，使其与制样模具1下部分充分接触，然后将制样模具1上部分套入环刀外，制样模具1组装完成；
（c）将所秤取散土倒入制样模具1与环刀所形成的空间内，散土虚铺高度49mm；
（d）将导杆及击锤提起一定高度；
（e）同时将制样模具1及其中的环刀与散土平移至支架2底座凹槽内，将制样模具定位凸起与凹槽底部定位孔对准后，准确放入支架2底座上；
（f）目标锤击高度设定为40cm，调整上部传感器发射端与接收端在支架2架体上轨道的位置，使其距离击实底板上表面高度为40cm；
（g）打开控制电源，此时下部传感器发射端信号被击锤阻挡，下部传感器接收端未接收信号，此时，控制程序开始启动电机，击锤被提升；
（h）提升至40cm处后，上部传感器发射端信号被阻挡，控制程序启动，电机以重力加速度反转，击锤下落，如此循环往复；
（i）在击实89次后，限位板5上的压敏传感器产生信号，控制系统启动，击实系统关闭，击实土样完成；
（j）将制样模具从支架中取出，将环刀从制样模具中取出，直径61.8mm高度20mm击实土样制作完成；
对制作完成环刀样切成四份，测得其干密度分别为1.71 g/cm3、1.69g/cm3、1.72g/cm3、1.70 g/cm3。
应用例2
使用实施例2的击实土样试验装置，制备土样：
某粉质粘土样，事先测得最大干密度1.78 g/cm3，在室内配置含水率12.1%散土样，通过自动击实土样实验装置，获得干密度1.70g/cm3的环刀样。
程序控制流程如下：
（a）环刀采用直径61.8mm高度20mm的标准环刀。根据目标含水率、目标干密度，计算并秤取所需散土质量57.2g；
（b）将环刀刃口朝下放入制样模具下部分，使其与制样模具下部分充分接触，然后将制样模具1上部分套入环刀外，制样模具组装完成；
（c）将所秤取散土倒入制样模具与环刀所形成的空间内，散土虚铺高度53mm。
（d）将导杆及击锤提起一定高度；
（e）同时将制样模具及其中的环刀与散土平移至支架2底座凹槽内，将制样模具定位凸起与凹槽底部定位孔对准后，准确放入支架2底座上；
（f）目标锤击高度设定为36cm，调整上部传感器发射端与接收端在支架2架体上的位置，使其距离击实底板上表面高度为36cm；
（g）打开控制电源，此时下部传感器发射端信号被击锤阻挡，下部传感器接收端未接收信号，此时，控制程序开始启动电机，击锤被提升；
（h）提升至36cm处后，上部传感器发射端信号被阻挡，控制程序启动，电机以重力加速度反转，击锤下落，如此循环往复；控制面板上的次数记录仪记录击实次数；
（i）在击实65次后，限位板5上的压敏传感器产生信号，控制系统启动，击实系统关闭，击实土样完成；
（j）将制样模具从支架中取出，将环刀从制样模具中取出，直径61.8mm高度20mm击实土样制作完成。
对制作完成环刀样切成四份，测得其干密度分别为1.71g/cm3、1.69 g/cm3、1.69g/cm3、1.70 g/cm3。
应用例3
使用实施例3的击实土样试验装置，制备土样：
某粉质粘土样，事先测得最大干密度1.78g/cm3，在室内配置含水率16.1%散土样，通过自动击实土样实验装置，获得干密度1.70g/cm3的环刀样。
程序控制流程如下：
（a）环刀采用直径61.8mm高度20mm的标准环刀，根据目标含水率、目标干密度，计算并秤取所需散土质量59.2g；
（b）将环刀刃口朝下放入制样模具1下部分，使其与制样模具1下部分充分接触，然后将制样模具1上部分套入环刀外，制样模具1组装完成；
（c）将所秤取散土倒入制样模具1与环刀所形成的空间内，散土虚铺高度56mm；
（d）将导杆及击锤提起一定高度；
（e）同时将制样模具1及其中的环刀与散土平移至支架2底座凹槽内，将制样模具定位凸起与凹槽底部定位孔对准后，准确放入支架2底座上；
（f）目标锤击高度设定为50cm，调整上部传感器发射端与接收端在支架2架体上的位置，使其距离击实底板上表面高度为50cm；
（g）打开控制电源，此时下部传感器发射端信号被击锤阻挡，下部传感器接收端未接收信号，此时，控制程序开始启动电机，击锤被提升；
（h）提升至50cm处后，上部传感器发射端信号被阻挡，控制程序启动，电机以重力加速度反转，击锤下落，如此循环往复；
（i）在击实18次后，限位板5上的压敏传感器产生信号，控制系统启动，击实系统关闭，击实土样完成；
（j）将制样模具从支架中取出，将环刀从制样模具中取出，直径61.8mm高度20mm击实土样制作完成。
对制作完成环刀样切成四份，测得其干密度分别为1.70 g/cm3、1.69 g/cm3、1.71g/cm3、1.70 g/cm3。
应用例4
使用实施例4的击实土样试验装置，制备土样：
某粘土样，事先测得最大干密度1.76g/cm3，在室内配置含水率14.6%散土样，通过自动击实土样实验装置，获得干密度1.69g/cm3的环刀样。
程序控制流程如下：
（a）环刀采用直径61.8mm高度20mm的标准环刀。根据目标含水率、目标干密度，计算并秤取所需散土质量58.1g；
（b）将环刀刃口朝下放入制样模具1下部分，使其与制样模具1下部分充分接触，然后将制样模具1上部分套入环刀外，制样模具1组装完成；
（c）将所秤取散土倒入制样模具1与环刀所形成的空间内，散土虚铺高度52mm；
（d）将导杆及击锤提起一定高度；
（e）同时将制样模具1及其中的环刀与散土平移至支架2底座凹槽内，将制样模具定位凸起与凹槽底部定位孔对准后，准确放入支架2底座上；
（f）目标锤击高度设定为40cm，调整上部传感器发射端与接收端在支架2架体上的位置，使其距离击实底板上表面高度为40cm；
（g）打开控制电源，此时下部传感器发射端信号被击锤阻挡，下部传感器接收端未接收信号，此时，控制程序开始启动电机，击锤被提升；
（h）提升至40cm处后，上部传感器发射端信号被阻挡，控制程序启动，电机以重力加速度反转，击锤下落，如此循环往复；
（i）在击实32次后，限位板5上的压敏传感器产生信号，控制系统启动，击实系统关闭，击实土样完成；
（j）将制样模具从支架中取出，将环刀从制样模具中取出，直径61.8mm高度20mm击实土样制作完成。
对制作完成环刀样切成四份，测得其干密度分别为1.68 g/cm3、1.69 g/cm3、1.69g/cm3、1.70 g/cm3。

Claims (8)

1.一种击实土样试验装置，其特征在于：包括支架（2）、击实系统、制样模具（1）和控制系统，支架底座（2-1）两侧设有支架侧板（2-2），支架（2）的上顶面设有支架顶板（2-3），支架顶板（2-3）中部上方设有电机（11）和滑轮组（10），牵引绳（9）一端与电机（11）相连、另一端绕过滑轮组（10）后再穿过设于支架顶板（2-3）中部的牵引孔（20）与击锤（4）上方的连接孔（17）相连；所述击实系统包括导杆（3），击锤（4）、击实底板（16）和限位板（5），导杆（3）设于支架顶板（2-3）中部，导杆（3）外设有定位套筒（15），导杆（3）底部与击实底板（16）相连，击实底板（16）两侧设有限位板（5），击锤（4）套设于导杆（3）；制样模具（1）包括模具上部和模具下部，模具上部为空心圆柱、模具下部为带底的空心圆柱体，模具上部和模具下部之间设有环刀（6）；所述控制系统包括压敏传感器（13）、红外发射传感器、电机（11）及控制器（12）。
2.如权利要求1所述的击实土样试验装置，其特征在于：所述支架底座（2-1）上设有圆形凹槽（18），凹槽（18）底部有定位孔（19），圆形凹槽（18）的直径与制样模具（1）直径相匹配。
3.如权利要求1所述的击实土样试验装置，其特征在于：所述电机（11）通过导线与控制器（12）相连，控制器（12）分别与压敏传感器（13）和红外发射传感器相连。
4.如权利要求1所述的击实土样试验装置，其特征在于：所述定位套筒（15）直径大于导杆（3）的直径，定位套筒（15）与导杆（3）相匹配，定位套筒（15）穿过支架顶板（2-3）且高于支架顶板（2-3）。
5.如权利要求1所述的击实土样试验装置，其特征在于：所述限位板（5）为┓型，限位板（5）与击实底板（16）固接，击实底板（16）顶面面高度与定位套筒（15）底面高度之差小于导杆（3）的高度。
6.如权利要求1所述的击实土样试验装置，其特征在于：所述击锤（4）为空心圆柱体，在击实过程中，击锤（4）沿导杆（3）上下垂直运动，限位板（5）距离击实底板（16）的高度与模具上部的高度相匹配，其中导杆（3）、击锤（4）、定位套筒（15）和制样模具（1）中心线相重合。
7.如权利要求1-6任一项所述的击实土样试验装置，其特征在于：所述红外发射传感器包括传感器发射端（7）和传感器接收端（8），支架两侧的支架侧板（2-2）上设有供传感器发射端（7）和传感器接收端（8）滑动的轨道（15），传感器发射端（7）和传感器接收端（8）成对且对称设置，传感器发射端（7）与传感器接收端（8）的连线不经过导杆（3）。
8.如权利要求7所述的击实土样试验装置的制样方法，其特征在于步骤如下：
1）、将环刀（6）套装于制样模具（1）下部分，使其环刀（6）下部分与制样模具（1）的凹槽充分接触，将模具上部套装于环刀（6）上，使环刀（6）与模具上部和模具下部充分接触；
2）、称取配置好的重塑散土样，放入制样模具与环刀（6）形成的圆柱形空间中；
3）、将击锤（4）套入导杆（3），然后将导杆（3）连同击锤（4）平移至支架（2）内，使导杆（3）与定位套筒（15）在同一中心线；然后将击实系统竖直提起，使导杆（3）竖直进入定位套筒（15），同时将制样模具（1）、环刀（6）与重塑散土一起平移至支架底座（2-1）凹槽中，对准定位孔（19），将击实系统缓缓放下至制样模具（1）与环刀（6）所形成的空间中；
4）、连接牵引绳（9）、击锤（4），牵引绳（9）通过滑轮组（10）与电机（11）相连；
5）、操作控制器（12），设定击锤（4）上升高度，调整传感器位置，开启击实系统；使击锤（4）以重力加速度向下运动进行土样击实；循环往复，直至限位板（5）与制样模具（1）接触，压敏传感器（13）产生信号，控制器（12）接收信号调节电机停止运动，击实过程结束，完成土样的制备。
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