CN109187119A - 一种在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置，该装置包括对开模、真空泵和乳胶膜。对开模为两片弧形模片组成的圆筒，这两个弧形模片通过螺丝连接。乳胶膜布置在对开模内，其下端撑开套在底座上，通过橡胶圈固定紧贴底座，其上端从对开模内翻出并反向套在对开模上并用橡胶圈固定，在对开模和乳胶膜之间形成密闭的空间。对开模内部有竖向排气槽和横向排气槽，可用于排气。两个对开模上各有一个吸气孔，竖向排气槽和横向排气槽中间正好通过吸气孔，吸气孔和外界真空泵相连。本装置的优点是能够直接在三轴试验平台上制备定制尺寸的砂土试样，无需在别处制备好后再在三轴试验平台上装样，从而避免砂样的结构因为移动而发生破坏。
Description
技术领域
本发明涉及砂土试样的制作，具体为一种在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置。
背景技术
实际工程中，很多地层中都存在砂土层，由于砂土不具有粘着性和塑性，因此其与粉土和黏土有所区别。由于砂土粘聚性小，透水性强的特点，容易发生管涌和渗蚀等现象，引起施工过程中的地基与基础的不稳定，导致严重的工程破坏，从而造成巨大损失，有必要对砂土的性质进行研究。
目前对于渗蚀机理的研究大都采用有限元数值模拟，但是数值模拟不能很好的考虑水土的相互作用，因此无法全面解释渗流的发生机理，现场试验也由于工作量大，工作条件复杂而导致结果可靠性较差。
利用三轴仪对土单元试样进行试验研究，方便快捷，准确性高，这一手段在室内试验中被普遍使用。然而砂样与黏土和粉土不同，不能利用切土器切割成所需要的三轴试样尺寸(尤其是干砂)。因此当需要制作干砂试样时，要利用专门的仪器提前进行制作。
传统的砂样制作方式是利用普通对开模将砂样放入对开模中击实，制作好后再取出，放置在三轴仪上，再套上乳胶膜。但是这种方法制作出来的试样在移动过程中或在重新装样过程中都会使得土样受到一定的影响，严重的会导致土样直接崩塌或者坍缩，对试样的强度和结构性会有很大影响，影响试验结果的准确性。
发明内容
为了克服上述现有三轴砂样制备方法存在的缺陷，本发明提供一种在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置，包括三轴试验平台和制备试样的装置；
所述三轴试验平台包括底座和顶帽，所述底座内设有排水通道(29)，该排水通道(29)由底座(9)的顶部延伸到底座的侧壁，并通过管道与外部设备连通；
所述制备试样的装置包括对开模(21)、乳胶膜和真空泵；
所述的对开模(21)包括两瓣的弧形模片，通过螺丝连接固定；
所述的弧形模片上布置有脚架(27)、横向排气槽(25)、竖向排气槽(26)、抽气孔(23)和密封圈凹槽(24)；其中，
所述脚架(27)布置在对开模(21)下方作为支撑；
所述横向排气槽(25)和竖向排气槽(26)呈交叉的网格状，布置在弧形模片内壁；
所述抽气孔(23)设于弧形模片的侧壁，并与横向排气槽(25)、竖向排气槽(26)的交叉处连通，该抽气孔(23)与真空泵连接；
所述密封圈凹槽(24)布置在弧形模片和脚架(27)之间的连接处用来容纳后续将乳胶膜箍在底座(9)上的橡胶圈；
所述的乳胶膜设在对开模(21)内用于装填试样，乳胶膜下端套在底座(9)上并用橡胶圈固定，该橡胶圈刚好与密封圈凹槽(24)配合将对开模(21)底部密封；乳胶膜上端从对开模内翻出并反向套在对开模(21)上，通过橡胶圈固定密封；此时对开模(21)与乳胶膜之间形成密闭空间；
所述真空泵连接在对开模(21)上的抽气孔(23)用于将乳胶膜与对开模(21)之间的密闭空间内的空气抽离。
所述脚架(27)有多个支撑，支撑之间间隔布置用于让管路穿过。
进一步，对开模(21)接口(16)处由螺丝固定，对开模(21)接缝处有密封橡胶圈，用于保证对开模(21)接缝处不会漏气。
进一步，所述的对开模(21)内部的横向排气槽(25)和竖向排气槽(26)，彼此垂直交叉、均匀分布。
本装置的使用方法为：
在三轴仪的底座(9)上面放上透水石(14)和滤纸条，然后将乳胶膜用橡皮圈套在底座(9)上；
将两瓣弧形模片合并在底座(9)上，将乳胶膜合在对开模(21)里面，此时套在底座上的橡胶圈正好落在密封圈凹槽(24)内，拧上固定螺丝(22)；
将前面套在底座上的乳胶膜从对开模(21)里面翻转出来，并套在对开模(21)顶部，保证乳胶膜上下没有扭曲，再用橡胶圈将乳胶膜箍在对开模(21)上；
将真空泵接在抽气孔(23)上，外界接通电源，以15kPa的负压进行持续抽气，由于横向排气槽(25)和竖向排气槽(26)的作用，此时乳胶膜紧紧贴在对开模(21)上；
装样：采用分层击实的方法，一般分五层击实，将砂样利用漏斗慢慢放入制样器中，填平后，利用击实锤击实，击实结束后，测量土层的高度，以最终土样高度的1/5为准，后面再继续按照上述方法进行装样；
装样结束后：在砂样最上面向上依次放上滤纸条，透水石(14)和顶帽，将翻转到对开模(21)的乳胶膜再翻转回顶帽上，套上橡皮圈密封；此时拆下真空泵，将真空泵与三轴仪底座的排水通道(29)连接，保持5kPa负压抽气；
拆下对开模(21)，由于土样此时有5kPa负压，因此土样能够保持在对开模(21)里时的状态；
装样完成。
本发明的有益效果为：
和现有技术相比，本装置能够直接在三轴试验平台上制备定制尺寸的砂土试样，无需在别处制备好后再在三轴试验平台上装样，从而避免砂样的结构因为移动而发生破坏可保证砂样的结构完整。该装置设置了对开模固定螺丝，对开模竖向拼接橡胶圈，以及底座上密封橡胶圈凹槽三道密封程序，如此可以保证在制样过程中，乳胶膜紧紧贴着对开模，制作出来的试样尺寸精准，而且制样结束后，砂样便已经直接安装在了三轴试验平台上，如此可保证砂样结构完好，做试验时精确度高。
附图说明
图1为实施例1中装置的正视图；
图2为实施例1中装置的俯视图；
图3为实施例1中装置的左视图；
图4为实施例1中装置的细部图；
图5为实施例2中的对开模放在三轴仪上的剖视图；
图6为实施例2中对开模的主视图；
图7为实施例2中对开模的俯视图；
图8为实施例2中对开模的剖视图。附图标记：竖向加载设备1、刚性侧壁2、加载杆3、加载承托4、试验试样5、通水阀门6、轴力传感器7、加载支架8、仪器底座9、仪器顶帽10、刚性侧壁固定螺丝11、砂粒12、可溶性晶体材料13、透水石14、水头输入输出通道15、接口16、对开模21、固定螺丝22、抽气孔23、密封圈凹槽24、横向排气槽25、竖向排气槽26、脚架27、对开模接缝28、排水通道29。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种利用可溶性晶体材料模拟渗蚀过程的试验装置，该装置所使用的试验试样5由砂样和可溶性晶体按一定配比混合制成，用乳胶膜将其侧壁包裹。该装置包括竖向加载设备1、刚性侧壁2、加载杆3、加载承托4、通水阀门6、轴力传感器7、加载支架8、仪器底座9、仪器顶帽10、刚性侧壁固定螺丝11、砂粒12、可溶性晶体材料13、透水石14、水头输入输出通道15、接口16、水泵和3个压力控制盒。
加载支架高300mm，宽为60mm，采用不锈钢制成。竖向加载设备1由加载支架8支撑，其伸出端向下竖向穿过加载支架，所述轴力传感器7安装在竖向加载设备1的伸出端上。
所述的加载承托4为可控制的升降台，其设置在竖向加载设备的下方。所述的刚性侧壁2为底部开口的筒状，高为130mm，厚为3mm，由有机玻璃制成，里面适用于高度为80mm，直径39.1mm的圆柱体土样；刚性侧壁2套设在加载承托4上，通过固定螺丝11和加载承托4密封相连。刚性侧壁2的侧壁有注水孔，通过相关管路与外界的泵入系统连接，用于向刚性侧壁2内注水。
所述加载杆3长度为55mm，穿设在刚性侧壁2顶部，并能够在刚性侧壁2的顶部上下移动，加载杆3和刚性侧壁2之间利用密封橡胶圈接触，防止漏水。加载杆3的顶部可以随加载承托4上升而与竖向加载设备1对接。所述的通水阀门6设在刚性侧壁2顶部。
所述的仪器底座9和仪器顶帽10呈上下布置。仪器底座9设置在加载承托4上侧，其内部设有水头输入输出通道15。水头输入输出通道15在仪器底座9的顶部有四个端口，在仪器底座9的侧壁也设有端口用于连接外界的水流渗透控制设备。
仪器顶帽10的顶部有能够与加载杆3底部相接的接口16。所述试验试样5装载在仪器底座9和仪器顶帽10之间，且试验试样5和仪器底座9之间、试验试样5和仪器顶帽10之间垫有透水石14。
三个压力控制盒分别为轴压控制盒、围压控制盒和注水压力控制盒。
如图5所示，所述轴压传感器7与轴压控制盒的输入端连接，轴力传感器7布置在竖向加载设备1的伸出端上用于检测竖向压力并提供给轴压控制盒；所述轴压控制盒输出端与加载承托4连接用于输出不同的轴压。
围压控制盒和注水压力控制盒内置有压力传感器。
围压控制盒布置在泵入系统的管路上，通过压力传感器检测管路内的水压，由于管路是连通到刚性侧壁2内的，用于控制注水量从而实现输出不同的围压；
注水压力控制盒安装在水流渗透控制设备上用于于控制注水压力。
模拟渗蚀作用的试验过程为：
可以利用围压控制盒通过砂样和刚性侧壁之间的注水孔往刚性侧壁2里注水，当水满的时候，拧紧通水阀门，此时再通过围压控制盒往刚性侧壁里面注水，就可以起到控制围压的作用。刚性侧壁2和加载杆3通过密封橡胶圈相连，加载杆3可以在刚性侧壁2里面上下移动，但是不会漏水。加载承托4将土样升高，使之接触到加载杆3，然后加载杆3和竖向加载设备1接触，竖向加载设备1上面有轴力传感器7，可以测轴向应力的大小，利用轴压控制盒抬高加载承托4从而实现控制轴压的目的。
如图2～4所示，其中图2为俯视图、图3为侧视图、图4为细部图。
将砂样和一定配比的可溶性晶体(如盐或者葡萄糖)混合均匀，制作成试验试样5，装在加载承托4上的底座9上，将注水压力控制盒与水头输入输出通道接好。
然后将底部开口的刚性侧壁2套在加载承托4上使试验试样5在刚性侧壁2内，安装的时候注意不要把试样5碰歪。调整加载杆3，使加载杆3和仪器顶帽10的接口16对接，稳定试样5在水平方向的位置。然后拧紧刚性侧壁2固定螺丝11，保证刚性侧壁2底部与加载承托4之间密封。保持通水阀门6为打开状态。
往刚性侧壁2里面注水，直到水从通水阀门6流出，停止注水，关闭通水阀门6。利用控制盒控制加载承托4上升，利用加载承托4将刚性侧壁2和试样5一起抬高，直到加载杆3和竖向加载设备1接触对接，当轴力传感器7显示轴力在0.05kN时，停止升高加载承托。利用围压控制盒和轴压控制盒控制围压和轴力的大小，设定轴力和围压分别为15kPa和10kPa，稳定试样。
然后通过注水压力控制盒控制水流渗透控制设备向底座9的四个孔往试样里面打水，打水压力稳定在5kPa左右，直到可溶性晶体材料完全溶于水，然后再进行后续的饱和，固结和剪切试验。
通过控制可溶性晶体材料和砂的配比，可以实现渗蚀强度大小控制，通过选择不同的可溶性晶体材料，也可以实现模拟可溶性晶体大小对土体强度的影响。通过控制渗蚀时水压的大小，则可以研究渗蚀快慢对于土体强度的影响。
实施例2
实施例1中提到的试验试样5需要利用专门的仪器提前制作。
传统的砂样制作方式是利用普通对开模将砂样放入对开模中击实，制作好后再取出，放置在三轴仪上，再套上乳胶膜。但是这种方法制作出来的试样在移动过程中或在重新装样过程中都会使得土样受到一定的影响，严重的会导致土样直接崩塌或者坍缩，对试样的强度和结构性会有很大影响，影响试验结果的准确性。
而本实施例中的装置正是专用于实施例1中的试验试样的制作，本装置能够直接在三轴试验平台上制备定制尺寸的砂土试样。具体方案如下：
一种在三轴仪上直接进行装样的实验装置，所述的三轴仪包括底座9和顶帽10，底座9和顶帽10上有排水通道。该实验装置包括对开模21、乳胶膜和真空泵。
所述乳胶膜设在对开模内用于包裹试样。
所述对开模为管状，分为两个能够对接的弧形模片，两个弧形模片通过固定螺丝2固定。
所述的弧形模片上布置有抽气孔23、密封圈凹槽24、横向排气槽25、竖向排气槽26和脚架27。
如图5～8所示，对开模21由铝制成，高度为90mm，厚度为3mm，内直径为39.1mm。所述的固定螺丝位于对开模顶端40mm距离处，在两个对开模接缝28处各有一对用于将两块弧形模片固定，使对开模拼接紧密不漏气，螺丝孔径为1.6mm。弧形模片下面是用来支撑的脚架27，高度为20mm，厚度为2mm，内直径为41.1mm。横向排气槽和25、竖向排气槽26宽度为2mm，深度为0.5mm，横向排气槽25一共有6条，竖向排气槽26一共有6条，横向排气槽25和竖向排气槽26正交相接、布置在对开模内侧壁上。抽气孔23布置在弧形模片侧壁上，并与横向排气槽25和竖向排气槽26相连通用于连接接外面的真空泵。通过真空泵可以调节抽气压力的大小。密封圈凹槽24布置在对开模与脚架27的相接处用于容纳固定在底座9上的橡胶圈。
本装置的工作过程：在装样前，在三轴仪的底座9上面放上透水石和滤纸条，然后将乳胶膜用橡皮圈套在底座9上，将两瓣对开模21的模片合并在底座9上。将乳胶膜合在对开模里面，此时套在底座9上的橡胶圈正好落在密封圈凹槽24内。拧上固定螺丝22。将前面套在底座9上的乳胶膜从对开模21里面翻转出来，并套在对开模顶部，保证乳胶膜上下没有扭曲，再用橡胶圈将乳胶膜箍在对开模21上。将真空泵接在抽气孔23上，外界接通电源，以15kPa的负压进行持续抽气，由于横向排气槽25和竖向排气槽26的作用，此时乳胶膜紧紧贴在对开模21上。
此时开始装样，采用分层击实的方法，一般分五层击实。将砂样利用漏斗慢慢放入制样器中，填平后，利用击实锤击实，击实结束后，测量土层的高度，应该以最终土样高度的1/5为准，后面再继续按照上述方法进行装样。
装样结束后，在砂样最上面向上依次放上滤纸条，透水石和三轴仪顶帽，将翻转到对开模的乳胶膜再翻转回顶帽上，套上橡皮圈密封。此时拆下真空泵，将真空泵与三轴仪底座的排水通道29连接，封住顶帽上的排水通道，两个排水通道主要用于砂样饱和固结的时候往砂样里面注水和排水用的。然后保持5kPa负压抽气，此时拆下对开模，由于土样此时有5kPa负压，因此土样能够保持在对开模里时的状态。此时装样完成。
Claims (5)
1.一种在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置，其特征在于，包括三轴试验平台和制备试样的装置；
所述三轴试验平台包括底座和顶帽，所述底座内设有排水通道(29)，该排水通道(29)由底座(9)的顶部延伸到底座的侧壁，并通过管道与外部设备连通；
所述制备试样的装置包括对开模(21)、乳胶膜和真空泵；
所述的对开模(21)包括两瓣的弧形模片，通过螺丝连接固定；
所述的弧形模片上布置有脚架(27)、横向排气槽(25)、竖向排气槽(26)、抽气孔(23)和密封圈凹槽(24)；其中，
所述脚架(27)布置在对开模(21)下方作为支撑；
所述横向排气槽(25)和竖向排气槽(26)呈交叉的网格状，布置在弧形模片内壁；
所述抽气孔(23)设于弧形模片的侧壁，并与横向排气槽(25)、竖向排气槽(26)的交叉处连通，该抽气孔(23)与真空泵连接；
所述密封圈凹槽(24)布置在弧形模片和脚架(27)之间的连接处用来容纳后续将乳胶膜箍在底座(9)上的橡胶圈；
所述的乳胶膜设在对开模(21)内用于装填试样，乳胶膜下端套在底座(9)上并用橡胶圈固定，该橡胶圈刚好与密封圈凹槽(24)配合将对开模(21)底部密封；乳胶膜上端从对开模内翻出并反向套在对开模(21)上，通过橡胶圈固定密封；此时对开模(21)与乳胶膜之间形成密闭空间；
所述真空泵连接在对开模(21)上的抽气孔(23)用于将乳胶膜与对开模(21)之间的密闭空间内的空气抽离。
2.根据权利要求1所述的在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置，其特征在于：所述脚架(27)有多个支撑，支撑之间间隔布置用于让管路穿过。
3.根据权利要求1所述的在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置，其特征在于：对开模(21)接口(16)处由螺丝固定，对开模(21)接缝处有密封橡胶圈，用于保证对开模(21)接缝处不会漏气。
4.根据权利要求1所述的在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置，其特征在于：所述的对开模(21)内部的横向排气槽(25)和竖向排气槽(26)，彼此垂直交叉、均匀分布。
5.根据权利1-4任一项所述的在三轴试验平台上直接制备定制尺寸砂土试样的装置的使用方法，其特征在于：
在三轴仪的底座(9)上面放上透水石(14)和滤纸条，然后将乳胶膜用橡皮圈套在底座(9)上；
将两瓣弧形模片合并在底座(9)上，将乳胶膜合在对开模(21)里面，此时套在底座上的橡胶圈正好落在密封圈凹槽(24)内，拧上固定螺丝(22)；
将前面套在底座上的乳胶膜从对开模(21)里面翻转出来，并套在对开模(21)顶部，保证乳胶膜上下没有扭曲，再用橡胶圈将乳胶膜箍在对开模(21)上；
将真空泵接在抽气孔(23)上，外界接通电源，以15kPa的负压进行持续抽气，由于横向排气槽(25)和竖向排气槽(26)的作用，此时乳胶膜紧紧贴在对开模(21)上；
装样：采用分层击实的方法，一般分五层击实，将砂样利用漏斗慢慢放入制样器中，填平后，利用击实锤击实，击实结束后，测量土层的高度，以最终土样高度的1/5为准，后面再继续按照上述方法进行装样；
装样结束后：在砂样最上面向上依次放上滤纸条，透水石(14)和顶帽，将翻转到对开模(21)的乳胶膜再翻转回顶帽上，套上橡皮圈密封；此时拆下真空泵，将真空泵与三轴仪底座的排水通道(29)连接，保持5kPa负压抽气；
拆下对开模(21)，由于土样此时有5kPa负压，因此土样能够保持在对开模(21)里时的状态；
装样完成。
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