CN107367414B - 一种硬粘土原状三轴样制备装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于硬粘土制样领域，具体涉及一种硬粘土原状三轴样制备装置及其使用方法。包括支架，支架底部设有基座，基座上设有底板，底板中部设有下固定圆盘，下固定圆盘相对的上方设有上固定圆盘，上固定圆盘与导向杆相连，导向杆穿过刀具帽，刀具帽与中空螺旋刀具相连，刀具帽与进给导轨螺纹连接，进给导轨为螺纹杆，进给导轨穿过支架顶部与步进电机的输出端相连，步进电机位于顶部由控制器控制。本发明结构设计巧妙，可精确控制土样尺寸与垂直度，制备土样成功率高，节约了制样的时间，大大提高了制样效率，具有巨大的商业应用价值。

Description

一种硬粘土原状三轴样制备装置及其使用方法

技术领域

本发明属于硬粘土制样领域，具体涉及一种硬粘土原状三轴样制备装置及其使用方法。

背景技术

强度指标是地基工程、边坡工程和地下工程设计的重要参数。土体材料的剪切强度问题也一直是土力学研究的热点。土力学中测定土体强度指标的方法主要有直接剪切实验和三轴剪切实验两种。直接剪切实验由于具有事先确定了剪切破坏面，不能测量孔隙水压力等缺点，导致不能准确表达其破坏强度。三轴剪切试验在剪切过程中试样受力情况明确，能控制和测定孔隙水压力等优点而应用范围较广。

在土力学中，就研究的复杂程度而言，粘性土的抗剪强度远比无粘性土复杂，原状土较重塑土复杂。在进行对土的强度特性的研究，大多采用均匀的重塑土样。但原状土和重塑土之间在结构上和应力历史上存在重大差异。对于边坡及基坑等工程而言，了解其原状土的强度参数对于工程开挖流程优化、工程支护设计方案、保证工程施工安全等具有十分重要的意义。

无论是进行地下工程、边坡工程还是基坑过程施工，土体力学参数测试必不可少。三轴样制备过程对于土体力学参数准确获得十分关键。如上所述，土的力学参数多通过三轴试验测试获得。在进行三轴试验前，均需按照规范要求进行三轴样的制备。对于重塑土而言，一般为将配制好土样通过击实与压实方法，分层击实或压实后获得不同干密度的均匀土样；但对于原状土三轴样制备，一般采用三轴样削样装置，即将一定形状原状土样（一般为长方体）放在削样器底座上，通过一个活动杆调整至所需土样直径后，将其旋紧，利用切土刀或钢丝进行三轴样制作。但对于硬粘土（如膨胀土等），其三轴土样制备具有如下问题：

（1）原状土中微裂隙遍布，在切削中常出现土样散掉或用钢丝切削不动等问题；

（2）由于其强度较大，在切削过程中用力较大，常造成拧紧的活动杆在竖向出现不垂直现象，从而导致切削取样不圆或土样不能使用的问题；

（3）中国专利CN201110024140.9可实现自动化三轴土样切削，效果良好；但其在切削过程中，需多次调整刀具等，最终达到所需土样尺寸。

此外，人工切削时耗费人力，且最终土样质量不一。

发明内容

本发明为解决切削取样不圆或土样不能使用的技术问题，提供了一种硬粘土原状三轴样制备装置及其使用方法。

为解决上述技术问题，采用以下技术方案：

一种硬粘土原状三轴样制备装置，包括支架，支架为长方体框架，支架底部设有基座，基座上设有底板，底板中部设有下固定圆盘，下固定圆盘相对的上方设有上固定圆盘，上固定圆盘与导向杆垂直相连，导向杆穿过刀具帽，刀具帽下方设有中空螺旋刀具，刀具帽与进给导轨螺纹连接，进给导轨为螺纹杆，进给导轨穿过支架顶部与步进电机的输出端相连，步进电机位于顶部由控制器控制。

所述进给导轨、刀具帽、中空螺旋刀具、上固定圆盘和下固定圆盘的中心线相重合。

所述导向杆在上固定圆盘呈正三角形垂直分布，下固定圆盘底部设有连接凸起，连接凸起与底板中部的定位孔相配合。

所述下固定圆盘与底板之间设有若干个钢珠。

所述下固定圆盘的直径大于上固定圆盘的直径，上固定圆盘与下固定圆盘上均匀分布有若干个钢针。

所述进给导轨与刀具帽螺纹配合，支架高于土样与导向杆高度之和，土样的高度小于中空螺旋刀具的高度。

硬粘土原状三轴样制备装置的使用方法，步骤如下：

1）、在制样土样外表面涂抹石蜡，使石蜡包裹住土样，石蜡厚度1~3mm，在土样上表面放置水准泡，使水准泡下表面浸入石蜡中；

2）、将下固定圆盘放入支架底板中部，通过连接凸起与底板中部的对位孔，将上固定圆盘的导向杆从下向上穿过刀具帽；将涂有石蜡与包含水准泡的土样放入支架下固定圆盘上，待水准泡处于中心位置时，将土样固定于下固定圆盘上；

3）、取下水准泡，将上固定圆盘扎入土样；

4）、接通电源，操作控制面板，开启步进电机，进给导轨带动刀具帽向下以3~5mm/min的速度均匀向下运动，直至切土完成；

5）、操作控制面板，步进电机反转，进给导轨带动刀具帽向上以8~10mm/min的速度均匀向上运动，直至刀具脱离土样；

6）、土样切削完成，取出土样，完成硬粘土原状三轴样的制备。

本发明的有益效果在于：在准备进行切削土样表面涂抹石蜡，保护了土样免受外界因素的影响，增加了土样的整体性；在准备切削土样上表面放置水准泡，保证土样切削与土样沉积方向的一致性；在下固定圆盘下表面与支架底板上表面支架增加一圈钢珠，避免了切削过程中土样偏离中心线，保证土样切削的垂直性；三根导向杆在刀具帽上呈三角形分布，增加了切削过程中的稳定性，避免土样中心线偏离；采用中空螺纹刀具，使切削过程中土样完成切削部分受到刀具包裹，增加了切削土样的安全性；采用步进电机，可根据土样状态，调整转速满足切削要求，提高了土样制备装置的适用性；中空螺纹刀具刀刃与竖向中心线呈5°夹角，可便于排出土屑；自动化程度高，能提高制样效率。本发明通过简单的细节改进，大大提高了工作效率，节约了制样时间，具有巨大的商业应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种硬粘土原状三轴样制备装置，包括支架1，支架1为长方体框架，支架1底部设有基座，基座上设有底板4，底板4中部设有下固定圆盘5，下固定圆盘5相对的上方设有上固定圆盘6，上固定圆盘6与导向杆2相连，导向杆2穿过刀具帽9，刀具帽9与中空螺旋刀具8相连，刀具帽9与进给导轨11螺纹连接，进给导轨11为螺纹杆，进给导轨11穿过支架顶部与步进电机10的输出端相连，步进电机10位于顶部由控制器13控制。

在准备进行切削土样表面涂抹石蜡，保护了土样免受外界因素的影响，增加了土样的整体性；在准备切削土样上表面放置水准泡，保证土样切削与土样沉积方向的一致性，保证土样切削的垂直性；在下固定圆盘下表面与支架底板上表面支架增加一圈钢珠，避免了切削过程中土样偏离中心线；三根导向杆在刀具帽上呈三角形分布，增加了切削过程中的稳定性，避免土样中心线偏离；采用中空螺纹刀具，使切削过程中土样完成切削部分受到刀具包裹，增加了切削土样的安全性；采用步进电机，可根据土样状态，调整转速满足切削要求；中空螺纹刀具刀刃与竖向中心线呈5°夹角，可便于排出土屑；自动化程度高，能提高制样效率。本发明通过简单的细节改进，节约了制样时间，大大提高了工作效率，具有巨大的商业应用价值。

实施例2

所述支架1为刚性支架，其中底板4为圆形刚性底座，底板4与支架1均为刚性钢板；其中刚性底板厚度15mm，直径20cm，底板4上有定位孔，定位孔为圆柱形，固设于刚性底座中，定位孔直径5mm深度8mm；刚性支架1厚度10mm，宽度80mm，高度与土样及导向杆高度相匹配，在刚性支架顶部为厚15mm直径20cm钢板，其中定位孔与支架顶部圆盘、底板中心线相重合。其它结构与实施例1相同。

实施例3

所述固定圆盘分为上固定圆盘6和下固定圆盘5，其中下固定圆盘5直径10cm，圆盘厚度4mm，圆盘上均匀分布钢针，钢针高度8mm，下固定圆盘5底面与底板4上表面之间有一圈钢珠，钢珠直径4mm，下固定圆盘5中心处有与底板4匹配的圆柱形凸起，圆柱形凸起直径5mm高度11mm，上固定圆盘与3根导向杆2固接，上固定圆盘直径61.8mm，厚度4mm，上固定圆盘下表面均匀分布钢针，钢针高度8mm。导向杆2直径4mm，导向杆2高度大于中空螺旋刀具高度20mm以上，小于支架1高度与土样高度之差，3根导向杆2在上固定圆盘呈正三角分布，其中圆柱形凸起、下固定圆盘5、上固定圆盘6中心线相重合。其它结构与实施例1相同。

实施例4

中空螺旋刀具8与刀具帽9固接，其中中空螺旋刀具8内径62mm，与切削土样目标直径61.8mm有一定间隙，中空螺旋刀具刀刃高度5mm，刀刃与中空螺旋刀具8竖向中心轴线呈5°夹角，沿刀具间隔20mm均匀分布，中空螺旋刀具8高度与土样高度相配合，刀具帽9为直径72mm厚度5mm刚性板，刀具帽9上有呈正三角的孔径4mm的三个孔，孔径与导向杆直径相同，刀具帽9中心处有一直径10mm的孔，孔壁有螺纹，与进给导轨11相配合。其中，刀具帽9、中空螺旋刀具8、上固定圆盘6、刀具帽9上中心孔的中心线相重合。其它结构与实施例1相同。

应用例1

以实施例1中的硬粘土原状三轴样制备装置制备土样：某膨胀土样，含水率21.1%-22.5%，比较坚硬且多有微裂隙分布，采用手工切削比较困难，采用以下流程：

（a）在膨胀土样表面涂抹4mm厚石蜡，固定水准泡；

（b）安装中空螺纹刀具，安装上固定圆盘、下固定圆盘，装样后启动程序；

（c）步进电机启动后，带动刀具帽向下沿着3根导向杆向下运动，控制速度为5mm/min；

（d）中空螺纹刀具运动至下固定圆盘时，切削动作停止；

（e）通过控制面板，使步进电机反转，控制速度8mm/min，带动中空螺旋刀具向上运动，运动至上固定圆盘时，电机停止工作；

（f）切削完成，取出土样。

应用例2

以实施例2中的硬粘土原状三轴样制备装置制备土样：某膨胀土样，含水率26.6%-27.8%，呈硬塑状，采用手工切削比较困难，采用本发明控制流程如下：

（a）在膨胀土样表面涂抹1mm厚的石蜡，固定水准泡；

（b）安装中空螺纹刀具，安装上固定圆盘、下固定圆盘，装样后启动程序；

（c）步进电机启动后，带动刀具帽向下沿着3根导向杆向下运动，控制速度为5mm/min；

（d）中空螺纹刀具运动至下固定圆盘时，切削动作停止；

（e）通过控制面板，使步进电机反转，控制速度10mm/min，带动中空螺旋刀具向上运动，运动至上固定圆盘时，电机停止工作；

（f）切削完成，取出土样。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种硬粘土原状三轴样制备装置，其特征在于：包括支架（1），支架（1）底部设有基座，基座上设有底板（4），底板（4）中心部位设有下固定圆盘（5），支架（1）顶部设有步进电机（10），步进电机（10）的输出端与进给导轨（11）相连，进给导轨（11）底部设有上固定圆盘（6），进给导轨（11）上套设有刀具帽（9），刀具帽（9）上设有中空螺旋刀具（8），步进电机（10）位于支架（1）顶部由控制器（13）控制；

所述上固定圆盘（6）上设有导向杆（2），导向杆（2）穿过刀具帽（9），刀具帽（9）与进给导轨（11）螺纹连接，进给导轨（11）为螺纹杆；

所述进给导轨（11）、刀具帽（9）、中空螺旋刀具（8）、上固定圆盘（6）和下固定圆盘（5）的中心线相重合；

所述导向杆（2）在上固定圆盘（6）呈正三角形垂直分布，下固定圆盘（5）底部设有连接凸起，连接凸起与底板（4）中部的定位孔相配合。

2.如权利要求1所述的硬粘土原状三轴样制备装置，其特征在于：所述下固定圆盘（5）与底板（4）之间设有若干个钢珠（3）。

3.如权利要求2所述的硬粘土原状三轴样制备装置，其特征在于：所述下固定圆盘（5）的直径大于上固定圆盘（6）的直径，上固定圆盘（6）与下固定圆盘（5）上均匀分布有若干个钢针。

4.如权利要求3所述的硬粘土原状三轴样制备装置，其特征在于：所述进给导轨（11）与刀具帽（9）螺纹配合，支架（1）高于土样（7）与导向杆（2）高度之和，土样（7）的高度小于中空螺旋刀具（8）的高度。

5.如权利要求1所述的硬粘土原状三轴样制备装置的使用方法，其特征在于，步骤如下：

1）、在制样土样外表面涂抹石蜡，使石蜡包裹住土样，石蜡厚度1~3mm，在土样上表面放置水准泡，使水准泡下表面浸入石蜡中；

2）、将下固定圆盘放入支架（1）底板中部，通过连接凸起与底板（4）中部的对位孔，将上固定圆盘（6）的导向杆（2）从下向上穿过刀具帽；将涂有石蜡与包含水准泡的土样放入支架下固定圆盘（5）上，待水准泡处于中心位置时，将土样固定于下固定圆盘（5）上；

3）、取下水准泡，将上固定圆盘（6）扎入土样；

4）、接通电源，操作控制面板，开启步进电机（10），进给导轨（11）带动刀具帽（9）向下以5mm/min的速度均匀向下运动，直至切土完成；

5）、操作控制面板，步进电机（10）反转，进给导轨（11）带动刀具帽（9）向上以8~10mm/min的速度均匀向上运动，直至刀具脱离土样；

6）、土样切削完成，取出土样，完成硬粘土原状三轴样的制备。

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