CN109030135A - 一种旋降式原状土三轴试样制样器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种旋降式原状土三轴试样制样器，属于土木工程学科的室内土工测试技术领域。包括支撑机构、切削机构、承样机构；本发明通过两根升降轴带动切削机构的升降，六个锲形可拆卸的切削刀片代替手动切削，用两种不同直径的切削刀片，将土样分两次切成试验所需的圆柱体试样，在制样完成后，关闭切削速度开关，上升切削转盘，取出制成的试样，本发明不会在切削过程中对原状土产生扰动，避免切土过程中的不确定因素和人为因素的影响，且精准高效的完成制样，相较于现有实验室中的原状土切土器，其制样效率提高2倍，制样时间约为15分钟。

Description

一种旋降式原状土三轴试样制样器

技术领域

本申请涉及一种旋降式原状土三轴试样制样器，属于土木工程学科的室内土工测试技术领域。

背景技术

目前，随着建筑行业的不断发展，工程之初就需要对现场原状土进行力学性质的确定，通常采用三轴力学试验，以便为建筑结构设计提供资料。原状土进行三轴力学试验测试时，需把现场取得的直径150mm高200mm的圆柱形土体制成标准试样，标准试样通常为直径39.1mm高80mm的圆柱体；为了减少制样过程对试样的扰动，必须使用合适的制样设备，通常被称为切土器或制样器。

目前，实验室中的制样器虽然拥有结构简单的优点，但也存在需要人工多、受制样人员操作熟练程度影响大、制样成功率低等问题。针对这些问题研究人员做出了两种改进方式：一种是手动式制样器，例如“一种扩大下钉盘的切土器- CN201520528779.4”通过对下钉盘进行扩大减少人为因素的影响，但作用有限。另一种是电动式制样器，例如“一种电动切土器-CN201320305738.X”通过一个旋转底座带动土样旋转，简化了操作步骤，但在制样过程中底座一直带动土样转动，极易导致土样变形，制样成功率低；双轴切削多尺寸切土器- CN201710665814.0通过增加组装配件，完成多种尺寸试样的制作，但需要更换制样工具，对操作人员的熟练度要求高，土样制作易失败。综上所述，目前，原状土制样设备存在操作步骤繁琐、受制样人员操作熟练程度影响大、制样效率低、制样过程中对土样扰动大、制样成功率不高等需要解决的问题。

基于此，做出本申请。

发明内容

本发明提供一种旋降式原状土三轴试样制样器，以解决现有的制样设备在制样过程中存在操作步骤繁琐、受制样人员操作熟练程度影响大、制样效率低、制样过程中对土样扰动大、制样成功率不高等问题。

本发明采取的技术方案如下：

一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：包括支撑机构、切削机构、承样机构；

支撑机构包括下底座，上底座设于下底座的上方，调平螺母位于下底座与上底座之间，钉盘固接于上底座上，升降开关、水准气泡、警示灯均安装于上底座的上表面外边缘，其中水准气泡与警示灯左右相邻，并与升降开关对称分布；

切削机构包括固定钢架，固定钢架安装于上底座上，切削转盘可升降地安装于固定钢架上，在切削转盘上安装有切削刀片，切削刀片与旋转电机联动连接，在旋转电机的驱动下，切削刀片相对于切削转盘做旋转运动；所述的切削刀片设置有两组，一组是刀刃内直径为150mm的圆，刀刃向里弯曲，一组是刀刃内直径为80mm的圆，刀刃向里弯曲；

承样机构包括弧形抓片、把手、衔接螺丝，所述的弧形抓片为两个相同的内直径为39.5mm，厚度为2mm的半圆筒，弧形抓片两侧对称安装把手，把手中间处通过衔接螺丝连接。

进一步的设置在于：

所述的下底座为一个直径220mm，高度55mm的圆柱体，所述的上底座为一个直径220mm，高度35mm的圆柱空心体，所述的钉盘为一个直径180mm，厚度10mm的圆饼，上表面均匀布有间距10mm的钢钉，其中心与上底座的中心重合。

所述的调平螺母共三个，均匀等距分布在下底座上，通过旋转调平螺母，进行调平。

所述的升降开关分为三档，上档为上升，下档为下降，中间档为停止；所述的水准气泡上有一个准心，观察水准气泡中气泡与准心的相对位置，判断仪器是否水平；所述的警示灯为电源提示灯，亮起时有红、绿两个颜色，亮红灯表示电源接通，亮绿灯表示升降开关开启。

所述的固定钢架由两根圆柱形钢柱和升降通道组成，所述的钢柱底端对称固接于上底座，高度满足试样高度要求，在两根圆柱形钢柱上皆设置有升降通道作为切削转盘的轨道。

所述的切削转盘是一个圆环形结构，由外钢环、旋转轴承、卡扣连接头、升降轴组成，所述的外钢环为圆环形，内部中空；旋转轴承安装于外钢环内部中空处，可在外力作用下自由转动；所述的卡扣连接头为圆柱体，共6个，均匀分布在旋转轴承下端，切削刀片安装于卡扣连接头上，所述的升降轴为圆柱形短钢柱，共两根，对称固接于外钢环的外侧，每个升降轴的另一端安装于固定钢架的升降通道内，并可沿升降通道上下升降。

所述的切削刀片由刀头和卡扣组成，所述的刀头为6个锲形的刀片，刀片按直径不同分为两组，一组是刀刃内直径为150mm的圆，刀刃向里弯曲，与铅垂线成15°；一组是刀刃内直径为80mm的圆，刀刃向里弯曲，与铅垂线成35°，所述的卡扣为上端开口的空心圆柱体，两侧有对称分布两个空心圆洞，下端与刀头上部固接，在每个卡扣连接头靠近底端处有一个可伸缩轴，与卡扣两侧的空心圆洞相匹配。

所述的旋转电机，设有一切削速度开关；切削速度开关为三档开关，上档为快速，下档为慢速，中间档为停止。

所述的把手为L型构件，长边中心处有带螺纹的孔洞，把手共两个，短边一端对称固接于弧形抓片侧面，衔接螺丝的直径与把手的长边中心处的孔洞匹配，两个把手通过衔接螺丝连接。

本发明的工作原理：

本发明通过两根升降轴带动切削机构的升降，六个锲形可拆卸的切削刀片代替手动切削。用两种不同直径的切削刀片，将土样分两次切成试验所需的圆柱体试样。先根据土体资料，计算土体的液性指数，再选择对应的切削转速。采用刀刃内直径大的切削刀片对土体进行第一次切削，将土样安放在钉盘上，按动升降开关和切削速度开关，切削机构随升降轴下降，切削刀片旋转，刀刃处围成一个较大直径的圆，通过自身旋转对原状土样进行切削，完成试样的初步制作。更换切削刀片，用刀刃内直径小的切削刀片对土体进行第二次切削，重复第一次切削步骤，完成三轴试样的制作，在制样完成后，关闭切削速度开关，上升切削转盘，取出制成的试样。

本发明的有益效果为：

本发明可以针对不同硬度的土选择不同的切削转速，从而减少在机械切削过程中产生的切削不均匀或切裂等现象。仪器上安装的水准气泡和调平螺母可确保整个切削过程在水平面上工作，避免土体产生倾斜变形。升降通道和切削转盘的结合把手动制样转换成机械制样，减少了操作步骤与制作时间，避免了人为因素导致的制样失败，极大的提高了制样成功率。锲形切削刀片通过由点入面转动切削土体，即加快了切削效率，又避免现有切土器在切土过程中由于不断的旋转土样，对原状土产生的巨大扰动。通过不同直径的刀片组合，多次切削，最终制成实验所需的试样，最大限度的防止出现切削破坏。承样机构通过两片弧形抓片与把手配合操作将试样取出，解决了在土样制作完成后难以取出或在取出过程中对原状土产生极大扰动的问题。

本发明极大简化操作步骤，不会在切削过程中对原状土产生扰动，避免切土过程中的不确定因素和人为因素的影响，且精准高效的完成制样。相较于现有实验室中的原状土切土器，其制样效率提高2倍，制样时间约为15分钟。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2是本发明支撑机构的示意图。

图3是本发明切削机构的示意图。

图4是本发明固定钢架的示意图。

图5是本发明切削刀片的示意图。

图6是本发明切削转盘的示意图。

图7是本发明承样机构的示意图。

图8是本发明切削前准备状态的示意图。

图9是本发明切削过程的示意图。

图10是本发明切削后完成状态的示意图。

图中标号：1支撑机构，11下底座，12调平螺母，13上底座，14钉盘，15 升降开关，16水准气泡，17警示灯，18钢钉；2切削机构，21固定钢架，211 钢柱，212升降通道，22切削刀片，221刀头，222卡扣，23切削转盘，231外钢环，232旋转轴承，233卡扣连接头，234升降轴，24旋转电机，25切削速度开关；3承样机构，31弧形抓片，32把手，33衔接螺丝，4待切削的原状土，5 切削后的土样。

具体实施方式

下面将结合具体事例对本发明做进一步详细说明。

结合图1-图10所示，本发明的一种旋降式原状土三轴试样制样器，包括支撑机构1、切削机构2、承样机构3。

支撑机构1，包括下底座11、调平螺母12、上底座13、钉盘14、升降开关 15、水准气泡16、警示灯17、钢钉18，下底座11位于最下面，上底座13设于下底座11的上方，调平螺母12位于下底座11与上底座13之间，钉盘14固接于上底座13上，升降开关15、水准气泡16、警示灯17均安装于上底座13的上表面外边缘，其中水准气泡16与警示灯17左右相邻，并与升降开关15对称分布。

所述的下底座11为一个直径220mm，高度55mm的圆柱体。

所述的调平螺母12共三个，均匀等距分布在下底座11上，通过旋转调平螺母，进行调平。

所述的上底座13为一个直径220mm，高度35mm的圆柱空心体，在上底座 13内置有电源及升降马达。

所述的钉盘14为一个直径180mm，厚度10mm的圆饼，上表面均匀布有间距10mm的钢钉18，其中心与上底座13的中心重合。

所述的升降开关15分为三档，上档为上升，下档为下降，中间档为停止，升降开关15与上底座13中的电源相连，控制升降马达。

所述的水准气泡16上有一个准心，观察水准气泡中气泡与准心的相对位置，判断仪器是否水平。

所述的警示灯17为电源提示灯，亮起时有红、绿两个颜色，亮红灯表示电源接通，亮绿灯表示升降开关15开启。

本发明中的切削机构2，活动地设置于固定钢架21上，并可沿固定钢架21 上的升降通道212做上下升降运动。

所述的固定钢架21由两根圆柱形钢柱211组成，钢柱211底端对称固接于上底座13，高度满足试样高度要求，升降通道212作为切削机构2的升降轨道，设置于在钢柱211的内部，切削机构2通过升降轴234沿升降通道212作上下升降运动，切削机构2的升降是通过设置于上底座13内的升降马达来驱动的。

切削机构2采用一旋转式的切削刀片22，切削刀片22安装于切削转盘23 上，切削刀片22通过旋转轴承232与一旋转电机24相连，在旋转电机24的驱动下，切削刀片22相对于切削转盘23做旋转运动，切削转盘23的两端安装有升降轴234，切削转盘23通过升降轴234沿升降通道212做上下升降运动。

本实施例中：

所述的切削刀片22由刀头221和卡扣222组成，所述的刀头221为6个锲形的刀片，刀片按直径不同分为两组，一组是刀刃内直径为150mm的圆，刀刃向里弯曲，与铅垂线成15°；一组是刀刃内直径为80mm的圆，刀刃向里弯曲，与铅垂线成35°。所述的卡扣222为上端开口的空心圆柱体，两侧有对称分布的两个空心圆洞，下端与刀头221上部固接，卡扣222通过卡扣连接头233铰接于切削转盘23内部的旋转轴承232上。

所述的切削转盘23是一个圆环形结构，由外钢环231、旋转轴承232、卡扣连接头233、升降轴234组成，所述的外钢环231为圆环形，内部中空；旋转轴承232安装于外钢环231内部中空处，可在外力作用下自由转动；所述的卡扣连接头233为圆柱体，共6个，均匀分布在旋转轴承232的下端，每个卡扣连接头 233靠近底端处有一个可伸缩轴，与切削刀片22的卡扣222两侧空心圆洞相匹配；所述的升降轴234为圆柱形短钢柱，共两根，对称固接于外钢环231外侧，每个升降轴234的另一端与升降通道212内的连接件匹配连接，并由设于上底座13内的升降马达驱动。

所述的旋转电机24，设有一切削速度开关25；所述的切削速度开关25为三档开关，上档为快速，下档为慢速，中间档为停止。

本发明中的承样机构3，包括弧形抓片31，把手32，衔接螺丝33。弧形抓片31两侧对称安装把手32，把手32中间处通过衔接螺丝33连接。

所述的弧形抓片31为两个相同的内直径为39.5mm，厚度为2mm的半圆筒。

所述的把手32为L型构件，长边中心处有带螺纹的孔洞，把手32共两个，短边一端对称固接于弧形抓片31侧面。

所述的衔接螺丝33，直径与把手32的长边中心处的孔洞匹配，两个把手32 通过衔接螺丝33连接。

结合图7-图9所示，本实施例的一种旋降式原状土三轴试样制样方法，包括如下步骤：

1、确定切削转速：根据所需切削的原状土的液性指数来判断土的硬度。本次所需切削原状土为河南地区硬质黏土，经检测其天然含水量为2.019％、液限为1.267％、塑限为0.632，代入液性指数计算公式得，液性指数为：0.249。故属于软土，切削转速采用低速挡。

2、仪器准备：将本仪器平放在一个平整的平台上，观察水准气泡16，调整调平螺母12，使仪器处于水平状态。将刀刃内直径为150mm的切削刀片22安装在切削转盘上。接通电源，警示灯17亮红色。将承样机构放置在仪器一侧，待切削完成后将试样取出。

3、固定原状土：将待切削的原状土4安放在钉盘14的中心处。

4、切削土样。

1)启动切削速度开关：由步骤1确定需要的切削转速，将切削速度开关25 调至下档，切削转盘23开始工作，带动切削刀片22转动；

2)启动升降开关：将升降开关15调至下档位，警示灯17亮绿色，切削转盘23开始匀速下降，当切削刀片22与原状土顶部接触时，切削开始；

3)暂停切削：当原状土被切削三分之一时，先调节升降开关15至中间档位，警示灯17亮红色，切削转盘23停止下降，再调节切削速度开关25至中间档位，切削转盘23停止旋转，切削刀片22不再转动；

4)切割残余土体：用钢丝锯切割已经被切削，但还连接在未切削处的残余土体；

5)继续切削：先将切削速度开关25调至下档位，切削转盘23继续工作，切削刀片22转动，再将升降开关15调至下档位，警示灯17亮绿色，切削转盘 23开始匀速下降，在土样与切削刀片接触处，继续切削土样；

6)重复操作：每当原状土被切削三分之一时，重复3)、4)、5)三步，共两次；

7)停止切削：当原状土被切削完全后，先调节升降开关15至中间档位，警示灯17亮红色，切削转盘23停止下降，再调节切削速度开关25至中间档位，切削转盘23停止旋转，切削刀片22不再转动。

8)切削转盘复位。将升降开关15调至上档位，警示灯亮绿色，切削转盘 23开始匀速上升，当切削转盘23升至最初位置时，调节升降开关15至中间档位，警示灯17亮红色，切削转盘23停止上升。

9)更换刀片：用刀刃内直径为80mm的切削刀片22替换原刀片，重复1) 至8)。

10)切断电源，警示灯17熄灭。

5、取出土样：用弧形抓片31包裹住切削后的土样5，合拢把手向上拔，把切削完成后的土样从钉盘上拔出，对取出后的土样进行处理，切掉多余部分，仅保留80mm的高度，即完成了一个原状土试样的制作，将切削好的原状土试样放置在养护箱中以待使用。

本发明可以针对不同硬度的土选择不同的切削转速，从而减少在机械切削过程中产生的切削不均匀或切裂等现象。仪器上安装的水准气泡和调平螺母可确保整个切削过程在水平面上工作，避免土体产生倾斜变形。升降通道和切削转盘的结合把手动制样转换成机械制样，减少了操作步骤与制作时间，避免了人为因素导致的制样失败，极大的提高了制样成功率。锲形切削刀片通过由点入面转动切削土体，即加快了切削效率，又避免现有切土器在切土过程中由于不断的旋转土样，对原状土产生的巨大扰动。通过不同直径的刀片组合，多次切削，最终制成实验所需的试样，最大限度的防止出现切削破坏。承样机构通过两片弧形抓片与把手配合操作将试样取出，解决了在土样制作完成后难以取出或在取出过程中对原状土产生极大扰动的问题。

本发明极大简化操作步骤，不会在切削过程中对原状土产生扰动，避免切土过程中的不确定因素和人为因素的影响，且精准高效的完成制样。相较于现有实验室中的原状土切土器，其制样效率提高2倍，制样时间约为15分钟。

以上内容是结合本发明创造的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明创造具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。

Claims (9)

1.一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：包括支撑机构、切削机构、承样机构；

支撑机构包括下底座，上底座设于下底座的上方，调平螺母位于下底座与上底座之间，钉盘固接于上底座上，升降开关、水准气泡、警示灯均安装于上底座的上表面外边缘，其中水准气泡与警示灯左右相邻，并与升降开关对称分布；

切削机构包括固定钢架，固定钢架安装于上底座上，切削转盘可升降地安装于固定钢架上，在切削转盘上安装有切削刀片，切削刀片与旋转电机联动连接，在旋转电机的驱动下，切削刀片相对于切削转盘做旋转运动；所述的切削刀片设置有两组，一组是刀刃内直径为150mm的圆，刀刃向里弯曲，一组是刀刃内直径为80mm的圆，刀刃向里弯曲；

承样机构包括弧形抓片、把手、衔接螺丝，所述的弧形抓片为两个相同的内直径为39.5mm，厚度为2mm的半圆筒，弧形抓片两侧对称安装把手，把手中间处通过衔接螺丝连接。

2.如权利要求1所述的一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的下底座为一个直径220mm，高度55mm的圆柱体，所述的上底座为一个直径220mm，高度35mm的圆柱空心体，所述的钉盘为一个直径180mm，厚度10mm的圆饼，上表面均匀布有间距10mm的钢钉，其中心与上底座的中心重合。

3.如权利要求1所述的一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的调平螺母共三个，均匀等距分布在下底座上，通过旋转调平螺母，进行调平。

4.如权利要求1所述的一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的升降开关分为三档，上档为上升，下档为下降，中间档为停止；所述的水准气泡上有一个准心，观察水准气泡中气泡与准心的相对位置，判断仪器是否水平；所述的警示灯为电源提示灯，亮起时有红、绿两个颜色，亮红灯表示电源接通，亮绿灯表示升降开关开启。

5.如权利要求1所述的一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的固定钢架由两根圆柱形钢柱和升降通道组成，所述的钢柱底端对称固接于上底座，高度满足试样高度要求，在两根圆柱形钢柱上皆设置有升降通道作为切削转盘的轨道。

6.如权利要求1所述的一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的切削转盘是一个圆环形结构，由外钢环、旋转轴承、卡扣连接头、升降轴组成，所述的外钢环为圆环形，内部中空；旋转轴承安装于外钢环内部中空处，可在外力作用下自由转动；所述的卡扣连接头为圆柱体，共6个，均匀分布在旋转轴承下端，切削刀片安装于卡扣连接头上，所述的升降轴为圆柱形短钢柱，共两根，对称固接于外钢环的外侧，每个升降轴的另一端安装于固定钢架的升降通道内，并可沿升降通道上下升降。

7.如权利要求1或6所述的一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的切削刀片由刀头和卡扣组成，所述的刀头为6个锲形的刀片，刀片按直径不同分为两组，一组是刀刃内直径为150mm的圆，刀刃向里弯曲，与铅垂线成15°；一组是刀刃内直径为80mm的圆，刀刃向里弯曲，与铅垂线成35°，所述的卡扣为上端开口的空心圆柱体，两侧有对称分布两个空心圆洞，下端与刀头上部固接，在每个卡扣连接头靠近底端处有一个可伸缩轴，与卡扣两侧的空心圆洞相匹配。

8.如权利要求1所述的一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的旋转电机，设有一切削速度开关；切削速度开关为三档开关，上档为快速，下档为慢速，中间档为停止。

9.如权利要求1所述的一种旋降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的把手为L型构件，长边中心处有带螺纹的孔洞，把手共两个，短边一端对称固接于弧形抓片侧面，衔接螺丝的直径与把手的长边中心处的孔洞匹配，两个把手通过衔接螺丝连接。