CN109085048B - 一种无粘性土冻结制样设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无粘性土冻结制样设备，包括：制样室组件、控温室组件、轴向传动组件、低温循环浴及信号采集监控组件以及抽真空组件；制样室组件内部为制样室，用于盛放试样及对试样滤水；控温室组件用于低温冷冻试样，制样室组件位于控温室组件内部；轴向传动组件用于试验结束后顶出试样；低温循环浴及信号采集监控组件用于采集试验及监控数据；抽真空组件用于对控温室组件内部抽真空。本发明的制样设备可用于直接制备砾石、砂砾土、砂土、粉土等多种无粘性土的饱和重塑试样，制样过程简单易行，整个设备可操作性强，提高了制样效率，节约时间。

Description

一种无粘性土冻结制样设备

技术领域

本发明属于岩土工程试验领域，更具体地，涉及一种实心圆柱无粘性土冻结制样设备及该设备的使用方法。

背景技术

室内静动三轴仪可以独立控制的动态围压和动态轴向力，能模拟工程中遇到的大多数应力路径，是研究土体在各种应力条件下力学性质的必要设备，室内共振柱可以测量土体各个应变量级下模量与阻尼。对无粘性土的各应变水平下静态和动态的力学特性进行研究，其中很重要的一个环节就是室内试验的试样制备问题。

试样的制备方法对试验结果有着决定性的影响。最初，室内对自然沉积土的试验都是用原状样。然而对于细颗粒土，很难获得原状样，因为它们很容易被扰动且基本难以恢复。一种有效地获得原状样的方法是冻结取样，但是这种方法耗费很高，且适用范围很小。另一种方法就是将凝胶或类似胶凝的材料注入土壤中使其固化并取样，然后在实验室中将凝胶在受控条件下移除。但是，对于渗透性较差的土该方法是很不适用的，整个过程承受着较高的扰动风险。在实验室中制备试样最常见的方法就是重塑土样，常见的重塑制样的方法包括：砂雨法，湿装法，水沉法和泥浆固结法等。然而上述的制样方法很难制备松散状态的试样，且很容易对试样产生二次扰动，从而使得制备试样的密实状态改变，同时，制备的试样都为非饱和样，试样的均匀性难以保证。冻结制样法可以制备各种密实状态的饱和试样，但现有冻结制样方法仅仅是将无粘性土先装入标准的饱和器中，然后真空饱和，饱和完成后的试样连同饱和器一起放置于冰箱中冻结，直至冻结完成。此冻结制样方法虽可以制备松散状态的试样，但对试样产生多次扰动，且很难制备饱和样，同时，冻结完成的试样由于冰的胶结作用很难从饱和器中取出，从而形成不完整冻结试样。

因此，需要开发新的冻结制样设备与使用方法以保证试样的均匀性与完全饱和性，同时规范制样过程，减少制样的扰动，精准控制冻结制样温度和密实状态(即相对密度)。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无粘性土冻结制样设备，其目的在于，通过设计一种能够具有温度监测、能够抽真空及进行防冻填充的设备构造，实现制备各种密实状态的试样，尤其可制备松散状态的试样。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无粘性土冻结制样设备，包括：制样室组件、控温室组件、轴向传动组件、低温循环浴及信号采集监控组件，以及抽真空组件；

制样室组件为密封腔体构造，内部为制样室，制样室内设有过滤试样水分的透水石及滤纸；

控温室组件包括防冻液体、控温室上盖、控温室底座以及位于控温室上盖、控温室底座之间、互相密封连接的冷媒通道嵌入式控温室筒；制样室组件位于控温室组件内部且固定于控温室底座上；防冻液体用于试样真空排水后填充控温室组件的内部空间；

轴向传动组件包括温控室承台、轴向驱动器以及轴向传力杆；控温室底座固定于温控室承台上；轴向传力杆下端与轴向驱动器连接，上端穿过控温室底座插入制样室中，用于在轴向驱动器带动下顶起试样；

低温循环浴及信号采集监控组件包括：冷媒循环通道、冷媒进入管、冷媒排出管、温度传感器、轴向力传感器以及轴向位移传感器；冷媒循环通道嵌入于冷媒通道嵌入式控温室筒的侧壁内，两端分别连接冷媒进入管和冷媒排出管；温度传感器用于监测控温室组件的内腔温度；轴向力传感器、轴向位移传感器分别用于测量轴向传力杆的轴向力及轴向位移；

抽真空组件用于对控温室组件内部抽真空。

进一步地，制样室组件还包括：制样室外环顶盖、制样室内环顶盖、制样室底座、制样室支护筒、试样顶帽，试样底帽；

制样室支护筒为易导温材料制成的空心筒，密封连接于制样室外环顶盖和制样室底座之间，构成制样室；制样室内环顶盖密封固定于制样室外环顶盖中部；试样顶帽、试样底帽分别设于制样室上下两端，试样顶帽下表面先后设置透水石及滤纸，试样底帽上表面先后设置透水石及滤纸。

进一步地，制样室底座内部设有两个从上表面贯通至侧壁的L形孔隙通道，L形孔隙通道位于侧壁的开口各设有一个外牙密封堵头；制样室底座中间设有贯穿式孔洞，以供轴向传力杆穿过；

试样底帽设有两个直线型孔隙通道，分别与两个L形孔隙通道的顶部开口连通；试样底帽底部与轴向传力杆顶部连接。

进一步地，试样顶帽内部设有三通孔隙通道，三通孔隙通道的两个开口位于试样顶帽下表面；第三个开口位于试样顶帽上表面且设有一个可连通式密封堵头，试样顶帽材料为耐低温有机玻璃。

进一步地，制样室组件还包括低温润滑脂和保鲜膜；制样室支护筒内部涂覆低温润滑脂后覆盖保鲜膜。

进一步地，控温室底座由具有一定刚度的保温材料制成，控温室底座设有下排水孔，下排水孔下部设有一个可联通式密封堵头。

进一步地，控温室上盖包括控温室外环顶盖和控温室内环顶盖，均由具有一定刚度的保温材料制成；控温室外环顶盖上设有排气孔，排气孔上部与可联通式密封堵头连接，以供抽真空组件抽真空。

进一步地，冷媒通道嵌入式控温室筒为双层嵌套构造，外层为具有一定刚度的保温材料制成的空心保温筒，内层为具有冷媒循环通道的易导温材料层。

进一步地，冷媒循环通道为冷媒进出管路相邻并平行排布构成的双螺旋通道，上下端各设有两个冷媒通道入口和两个冷媒通道出口。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)该种新的冻结制样技术，可用于直接制备砾石，砂砾土，砂土，粉土等多种无粘性土的饱和重塑试样。

(2)可制备各种相对密度的试样，尤其是可制备相对密度低于30％的试样，且在不改变试样颗粒分布和密室状态的前提下，制备的试样具有一定的承载力。

(3)可制备多尺寸的实心试样，且制备出的试样可直接放置于GDS或GCTS的三轴试验平台上进行静力和动力试验，无需对试样进行其他额外的处理或修正。

(4)整个试样在制作过程都在同一个模具中进行中。没有受到移动，锤击和振动，扰动性很小。

(5)由于试样的制备在密封真空环境下进行，制备的试样的含水率和粒度分布较一致，试样具有良好的均匀性和可重复性。

(6)冷媒循环通道为双通道螺旋装通道，进出管路为相邻并平行排布，使流通中能量的损耗可以得以补偿，从而保证温度分布均匀，且可精确控制冻结制样过程中的冻结温度。

(7)制样过程简单易行，整个设备可操作性强，提高了制样效率，节约时间。

(8)制备的试样为完全饱和样，且每次冻结制样温度可精准控制，且没有拆模过程，整个操作过程对试样的二次扰动极少

附图说明

图1是本发明优选实施例的整体结构示意图；

图2是图1中制样室组件的结构示意图；

图3是图2的立体分解图；

图4是图1中控温室组件的立体分解图；

图5是图1中冷媒循环通道的双螺旋结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-制样室内环顶盖、2-内六角螺丝、3-上部球阀、4-上排气孔、5-内六角螺丝、6-制样室外环顶盖、7-低温润滑脂、8-保鲜膜、9-滤纸、10-透水石、11-试样底帽、12-制样室底座、13-控温室底座、14-下排水孔、15-内六角螺丝、16-轴向传力杆、17-轴向位移传感器、18-轴向力传感器、19-控温室承台、20-轴向驱动器、21-控温室内环顶盖、22-试样顶帽、23-控温室外环顶盖、24-控温室固定螺杆、25-冷媒循环通道入口、26-内六角螺丝、27-冷媒循环通道、28-制样室支护筒、29-试样、30-冷媒通道嵌入式控温室筒、31-制样室固定螺杆、32-外牙螺纹堵头、33-冷媒循环通道出口、34-冷媒进入管、35-冷媒排出管、36-温度传感器、37-调压阀、38-通气管、39-真空泵、40-信号采集线、41-低温循环浴及多通道信号采集监控系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参照图1，本发明的一种无粘性土冻结制样设备包括：制样室组件、控温室组件、轴向传动组件、低温循环浴及多通道信号采集监控组件以及辅助设备组件。

(1)制样室组件主要包括：制样室外环顶盖，制样室内环顶盖1，制样室底座12，制样室支护筒28，制样室固定螺杆31，试样顶帽22，试样底帽11，外牙螺纹堵头32，透水石10，滤纸9，低温润滑脂7，保鲜膜8，M3内六角螺丝5，M6内六角螺丝26，0型圈。

制样室底座通过M10内六角螺丝与温控室底座拼装，在温控室底座凹槽中放置0型圈用以密封，试样底帽通过旋钮方式与轴向传力杆相连，制样室支护筒放置于制样室底座上部，制样室顶盖通过M6内六角螺丝与制样室支护筒拼装，利用制样室固定螺杆将三者固定，制样室底座和制样室支护筒的凹槽中都放置0型圈用以密封，在制样室支护筒内壁均匀涂抹低温润滑脂，然后贴保鲜膜，透水石放置于试样底帽上部，滤纸放置于透水石上部，制样室内环顶盖通过M3内六角螺丝与制样室外环顶盖拼接，制样室外环顶盖的凹槽放置0型圈用以密封。

(2)控温室组件主要包括：控温室外环顶盖23，控温室内环顶盖21，控温室底座13，冷媒通道嵌入式控温室筒30，控温室固定螺杆24，M10内六角螺丝15，下部球阀(未标号)，上部球阀3，温度传感器36，0型圈，防冻液体。

冷媒通道嵌入式控温室筒放置于控温室底座上部，控温室外环顶盖放置于冷媒通道嵌入式控温室筒上部，利用控温室固定螺杆将三者固定，控温室底座和冷媒通道嵌入式控温室筒的凹槽中都放置0型圈用以密封，控温室内环顶盖通过M6内六角螺丝与控温室外环顶盖拼接，控温室外环顶盖的凹槽放置0型圈用以密封，下部球阀与控温室底座下排水孔下部连接，上部球阀与控温室外环顶盖的上排气孔上部连接。

(3)轴向传动组件主要包括：温控室承台19，轴向驱动器20，轴向力传感器18，轴向位移传感器17，轴向传力杆16。轴向驱动器与轴向传力杆连接，轴向力传感器组装在轴向传力杆中下部，轴向位移传感器通过支架固定在轴向传力杆上，装配完成轴向传动组件。

(4)低温循环浴及信号采集监控组件主要包括：多通道信号采集口，冷媒循环通道出口33，冷媒循环通道入口22，冷媒进入管34，冷媒排出管35，信号采集线40，低温循环浴及多通道信号采集监控系统41。冷媒进入管接冷媒出口，冷媒排出管冷媒进口，各信号采集线接多通道信号采集口。低温循环浴及多通道信号采集监控系统41集成了控温室内温度显示器，温度调节阀，轴向应力显示器，轴向应力调节阀，轴向位移显示器，轴向位移调节阀。

(5)辅助设备组件主要包括：真空泵39，通气管38，调压阀37。

请参照图2～5，作为本实施例的优选，所述的制样室底座有两个L形孔隙通道，顶部的孔隙通道外侧有凹槽，可放置O型圈，两侧的孔隙通道出口与外牙密封堵头连接，且底座中间有一个贯穿式孔洞，用以穿过轴向传力杆。

作为本实施例的优选，所述的试样底帽有两个直线型孔隙通道，与制样室底座的孔隙通道相连，且底部有内牙螺纹，与轴向传力杆顶部连接。所述的制样室支护筒为一个空心筒，内径略大于试样底帽直径，且由易导温材料构成。所述的试样顶帽底部带有两个孔隙通道，且都连接到一个带有可联通式密封堵头的顶部通道，其材料为耐低温有机玻璃。所述的可联通式密封堵头由双向外牙联通与内牙密封盖组成。所述的控温室底座由具有一定刚度的保温材料制成，与控温室承台直接链接，不可分离，底座包括一个下排水孔、四个M10内六角螺丝预留孔和一个嵌入式温度传感器，排水孔下部连接一个可联通式密封堵头，四个M10内六角螺丝穿过控温室底座与制样室底座连接。

所述的冷媒通道嵌入式控温室筒两种材料嵌套而成，外层为具有一定刚度的保温材料制成的空心保温筒，内层为嵌入冷媒通道的易导温材料构成。上下组件别包括两个冷媒通道入口和冷媒通道出口。所述的冷媒循环通道为双通道螺旋装通道，进出管路为相邻并平行排布，使流通中能量的损耗可以得以补偿，从而保证温度的平衡。所述的控温室外环顶盖和控温室内环顶盖都由具有一定刚度的保温材料制成，控温室外环顶盖有一个排气孔，排气孔上部与可联通式密封堵头连接。所述的制样室固定螺杆与控温室固定螺杆构造相同，仅尺寸不同。

本发明冻结制样设备的使用方法，主要技术步骤如下：

(1)在温控室底座内凹槽中放置0型圈，将四个M10内六角螺丝穿过制样室底座的M10内六角螺丝预留孔与温控室底座连接。

(2)在制样室底座表面的两个孔隙通道外侧凹槽放置0型圈，将试样底帽拧到轴向传力杆顶部，在试样底帽上方透水石，在透水石上放滤纸。

(3)在制样室支护筒内壁先均匀涂抹低温润滑脂，然后在润滑脂上贴保鲜膜，在制样室底座上表面凹槽中放置0型圈，将贴完保鲜膜的制样室支护筒套在试样底帽外侧，使得制样室支护筒下表面与制样室底座上表面贴合。

(4)打开制样室内环顶盖，将指定质量的非塑性土分层倒入制样室支护筒内，达到指定高度，在试样顶部放置滤纸，在滤纸上部放置透水石，盖好试样顶帽及制样室内环顶盖。

(5)在制样室支护筒内壁的凹槽中放置0型圈，将四个M6内六角螺丝穿过制样室外环顶盖的M6内六角螺丝预留孔与制样室支护筒。将制样室固定螺杆穿过样室外环顶盖与制样室底座连接。

(6)在控温室底座上表面的外凹槽中放置O型圈，将冷媒通道嵌入式控温室筒放置于控温室底座上，在冷媒通道嵌入式控温室筒上表面凹槽中放置O型圈，将控温室外环顶盖放置于冷媒通道嵌入式控温室筒上，将控温室固定螺杆穿过控温室外环顶盖与控温室底座连接，

(7)在控温室外环顶盖的上表面凹槽中放置O型圈，将四个M6内六角螺丝穿过控温室内环顶盖与控温室外环顶盖连接。

(8)将下部球阀与控温室底座的下排水孔连接，通过球阀向控温室内注水直至水面漫过制样室固定螺杆顶部，关闭下部球阀阀门，将上部球阀与控温室顶盖上排气孔相连，真空泵、调压阀与球阀上部通过通气管连接。

(9)打开真空泵，调整调压阀到-100kPa,打开上部球阀阀门，持续一个小时以上，排出试样、制样室以及控温室中所有的空气，关闭上部球阀阀门，将试样在真空环境下静止，直至试样完全饱和。

(10)将控温室内环顶盖上的四个M6内六角螺丝拧下，取下控温室内环顶盖，在保持水面不下降的情况下，在制样室外环顶盖的凹槽中放置0型圈，将四个M3内六角螺丝穿过制样室内环顶盖与制样室外环顶盖相连，将外牙螺纹堵头与制样室底座两侧的孔隙通道出口连接。调节轴向应力调节阀使得轴向应力为-10kPa，此时，整个制样室形成完全密封状态。

(11)再次将四个M6内六角螺丝穿过控温室内环顶盖与控温室外环顶盖连接，打开下排水孔和上排气孔，将控温室内的水排出，注入防冻液体，直至液面漫过制样室固定螺杆顶部，再次打开真空泵，调整调压阀到-100kPa，持续10分钟，排出控温室内气体，关闭球阀阀门，关闭真空泵。

(12)调节温度调节阀至-4℃，冷媒从冷媒循环浴中通过冷媒进入管进入冷媒循环通道中，控温室内温度逐步下降至-4℃，试样在真空环境下冻结成样。

(13)当冻结制样完成后，将温控室内环顶盖与制样室内环顶盖依次取下，调节轴向位移调节阀逐渐增大，从而将冻结完成的试样推出，整个冻结制样过程完成。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无粘性土冻结制样设备，其特征在于，包括：制样室组件、控温室组件、轴向传动组件、低温循环浴及信号采集监控组件，以及抽真空组件；

制样室组件为密封腔体构造，内部为制样室，制样室内设有过滤试样水分的透水石(10)及滤纸(9)；

控温室组件包括防冻液体、控温室上盖、控温室底座(13)以及位于控温室上盖、控温室底座(13)之间、互相密封连接的冷媒通道嵌入式控温室筒(30)；制样室组件位于控温室组件内部且固定于控温室底座(13)上；防冻液体用于试样真空排水后填充控温室组件的内部空间；

轴向传动组件包括温控室承台(19)、轴向驱动器(20)以及轴向传力杆(16)；控温室底座(13)固定于温控室承台(19)上；轴向传力杆(16)下端与轴向驱动器(20)连接，上端穿过控温室底座(13)插入制样室中，用于在轴向驱动器(20)带动下顶起试样；

低温循环浴及信号采集监控组件包括：冷媒循环通道(27)、冷媒进入管(34)、冷媒排出管(35)、温度传感器(36)、轴向力传感器(18)以及轴向位移传感器(17)；冷媒循环通道(27)嵌入于冷媒通道嵌入式控温室筒(30)的侧壁内，两端分别连接冷媒进入管(34)和冷媒排出管(35)；温度传感器(36)用于监测控温室组件的内腔温度；轴向力传感器(18)、轴向位移传感器(17)分别用于测量轴向传力杆(16)的轴向力及轴向位移；

抽真空组件用于对控温室组件内部抽真空。

2.如权利要求1所述的一种无粘性土冻结制样设备，其特征在于，制样室组件还包括：制样室外环顶盖(6)、制样室内环顶盖(1)、制样室底座(12)、制样室支护筒(28)、试样顶帽(22)，试样底帽(11)；

制样室支护筒(28)为易导温材料制成的空心筒，密封连接于制样室外环顶盖(6)和制样室底座(12)之间，构成制样室；制样室内环顶盖(1)密封固定于制样室外环顶盖(6)中部；试样顶帽(22)、试样底帽(11)分别设于制样室上下两端，试样顶帽(22)下表面先后设置透水石(10)及滤纸(9)，试样底帽(11)上表面先后设置透水石(10)及滤纸(9)。

3.如权利要求2所述的一种无粘性土冻结制样设备，其特征在于，制样室底座(12)内部设有两个从上表面贯通至侧壁的L形孔隙通道，L形孔隙通道位于侧壁的开口各设有一个外牙密封堵头(32)；制样室底座(12)中间设有贯穿式孔洞，以供轴向传力杆(16)穿过；

试样底帽(11)设有两个直线型孔隙通道，分别与两个L形孔隙通道的顶部开口连通；试样底帽(11)底部与轴向传力杆(16)顶部连接。

4.如权利要求3所述的一种无粘性土冻结制样设备，其特征在于，试样顶帽(22)内部设有三通孔隙通道，三通孔隙通道的两个开口位于试样顶帽(22)下表面；第三个开口位于试样顶帽(22)上表面且设有一个可连通式密封堵头，试样顶帽(22)材料为耐低温有机玻璃。

5.如权利要求2～4任意一项所述的一种无粘性土冻结制样设备，其特征在于，制样室组件还包括低温润滑脂(7)和保鲜膜(8)；制样室支护筒(28)内部涂覆低温润滑脂(7)后覆盖保鲜膜(8)。

6.如权利要求2～4任意一项所述的一种无粘性土冻结制样设备，其特征在于，控温室底座(13)由具有一定刚度的保温材料制成，控温室底座(13)设有下排水孔(14)，下排水孔(14)下部设有一个可联通式密封堵头。

7.如权利要求1～4任意一项所述的一种无粘性土冻结制样设备，其特征在于，控温室上盖包括控温室外环顶盖(23)和控温室内环顶盖(21)，均由具有一定刚度的保温材料制成；控温室外环顶盖(23)上设有排气孔(4)，排气孔(4)上部与可联通式密封堵头连接，以供抽真空组件抽真空。

8.如权利要求1～4任意一项所述的一种无粘性土冻结制样设备，其特征在于，冷媒通道嵌入式控温室筒(30)为双层嵌套构造，外层为具有一定刚度的保温材料制成的空心保温筒，内层为具有冷媒循环通道(27)的易导温材料层。

9.如权利要求1～4任意一项所述的一种无粘性土冻结制样设备，其特征在于，冷媒循环通道(27)为冷媒进出管路相邻并平行排布构成的双螺旋通道，上下端各设有两个冷媒通道入口和两个冷媒通道出口。

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