CN109187129B - 一种适用于掺砾黏土的含中心裂缝试样制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供一种适用于掺砾黏土的含中心裂缝试样制备装置及其使用方法。该装置包括放置在水平面上的制样容器以及击实器。该装置的使用方法包括调整竖直板角度、安装制样容器、安装击实器、配置土料、击实锤对土料进行循环冲击等步骤。该装置可实现对掺砾黏土含裂缝试样的制备，能保证裂缝预制过程中碎石对试样的完整性不受影响。可根据不同试验要求，预制不同角度、不同缝宽比、不同宽度的含中心裂缝掺砾黏土试样。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程试验仪器领域，特别涉及一种适用于掺砾黏土的含中心裂缝试样制备装置。
背景技术
裂缝是各类土工构筑物中常见的隐患和引起破坏的主要原因之一。对高心墙堆石坝而言，裂缝更是威胁大坝安全的主要因素之一，因此倍受关注。由于心墙掺砾黏土的变形模量和坝壳堆石料相差较大，心墙很容易因不均匀变形、干缩等原因产生裂缝，进而威胁坝体安全。
掺砾黏土是指在天然黏土中掺入碎石后形成的土体。由于掺砾黏土具有良好的抗渗性、较高的强度和刚度，在高堆石坝建设中常被用作心墙填筑料。作为高堆石坝的防渗体，掺砾黏土心墙的抗裂性对坝体的安全具有极其重要的意义。
材料因裂缝扩展引起的破坏称为断裂，因此，掺砾黏土因裂缝扩展引起的破坏问题属于断裂问题。为解决掺砾黏土的开裂问题，需要对其断裂性能进行研究，室内断裂试验显然是最为有效的手段，在断裂试验中，含裂缝试样的制备至关重要，目前尚未有针对掺砾黏土含裂缝试样的制备方法。
与其它工程材料如混凝土、岩石类等材料不同，混凝土在浇筑过程中预埋金属片即可预制裂缝，岩石类材料可以用切割机进行裂缝的预制，而且以往的土体断裂试验(一般为可击实成样的黏性土) 的试样制备方法通常是，先制备一定尺寸的试样，再切割试样制作裂缝，实际上，以往采用切割的方式对纯黏土进行裂缝预制显然也是会扰动试样的。对于掺砾黏土此类含碎石颗粒的土体，以上方法均无法制备含裂缝的掺砾黏土试样，因此导致裂缝制作难度较大，试样质量不易控制，因此，亟需提出一种针对掺砾黏土的含裂缝试样的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种适用于掺砾黏土的含中心裂缝试样制备装置，包括放置在水平面上的制样容器以及击实器。
所述制样容器包括两块容器侧边挡板I、两块容器侧边挡板Ⅱ、中心裂缝预制垫块、容器底座和容器约束框架。所述容器底座包括底板以及设置在底板上表面的正方形框体凸缘。
所述底板的上表面中心处具有圆形凹槽。所述圆形凹槽的槽底设置有若干个销孔Ⅰ。所述正方形框体凸缘的侧壁上设置有若干个螺孔。
所述容器侧边挡板I整体为一块正方形板。所述容器侧边挡板I 的板边设置有半边通槽口。所述容器侧边挡板Ⅱ整体为一块正方形板。两块容器侧边挡板I平行布置。两块容器侧边挡板Ⅱ平行布置。所述容器侧边挡板Ⅱ的板边嵌入相邻容器侧边挡板I的半边通槽口中。所述容器侧边挡板I和容器侧边挡板Ⅱ合围出一个正方形框体 A。所述正方形框体A嵌坐在容器底座上。所述正方形框体A的下表面与底板上表面贴合。所述正方形框体A的外壁与正方形框体凸缘的内壁贴合。固定螺丝的螺丝杆穿过正方形框体凸缘侧壁上的螺孔后顶抵在正方形框体A的外壁上。所述正方形框体A与容器底座组成正方形箱体B。
所述中心裂缝预制垫块包块竖直板和水平板。所述竖直板布置在水平板上表面。所述竖直板的板边设置有尖端。所述水平板为圆形板。所述中心裂缝预制垫块布置在正方形箱体B的内腔中。所述水平板上设置于若干个与销孔Ⅰ相匹配的销孔Ⅱ。所述销孔Ⅱ贯穿水平板的上下板面。所述水平板嵌入圆形凹槽中。
所述容器约束框架包括上下叠放的内正方形框体和外正方形框体。所述内正方形框体搭设在正方形框体A的上表面。所述外正方形框体套设在正方形框体A上端的外壁上。所述外正方形框体的侧壁上设置有若干个螺孔。固定螺丝的螺丝杆穿过螺孔后顶抵在正方形框体A的外壁上。
所述击实器包括击实杆、击实锤和击实板。所述击实板包括上层底板、下层底板以及布置在上层底板和下层底板之间的若干传力支柱。所述上层底板为正方形板。所述下层底板整体为一块正方形板。这块正方形板的中心位置处设置有圆形通孔。所述圆形通孔中嵌合有中部活动圆盘。所述上层底板、下层底板和传力支柱焊接为一个整体。所述中部活动圆盘上具有矩形条槽。所述条槽贯穿中部活动圆盘的上下表面。所述击实杆下端与上层底板连接。所述击实锤上具有限位孔。所述限位孔贯穿击实锤的上下表面。所述击实锤套装在击实杆上，击实杆穿过限位孔。
试验时，调整竖直板的角度，使用销钉将水平板与容器底座固定连接。所述制样容器内放置土料。所述击实板伸入制样容器内。所述竖直板穿过条槽。所述击实锤沿击实杆上行或自由下落，对土料进行循环冲击。
进一步，所述上层底板上表面的中心处设置有螺纹孔。所述击实杆的下端具有外螺纹。所述击实杆的下端旋入螺纹孔中。
本发明还公开一种上述制备装置的使用方法，包括以下步骤：
1)根据试验要求裂缝角度调整竖直板的角度，使用销钉将水平板与容器底座固定连接。
2)安装2块容器侧边挡板I和容器侧边挡板Ⅱ。将容器约束框架安装在正方形框体A上端。
3)安装击实器。
4)根据试验需求配置土料，并将土料分为若干份。
5)将1份土料放入制样容器中。根据竖直板的角度旋转中部活动圆盘。将击实板伸入制样容器内。
6)使用击实锤对土料进行循环冲击，击实第1份土料。
8)取出击实器。旋开上部容器约束框架上的固定螺丝，拆卸上部容器约束框架。
9)旋开容器底座上的固定螺丝，逐步拆卸容器侧边挡板I和容器侧边挡板Ⅱ，将制备好的试样取出。
进一步，步骤4)中，土料至少分为3份。
进一步，步骤8)之后，还具有采用刮土刀整平试样上表面的相关步骤。
进一步，在步骤2)之后还具有在正方形箱体B的内壁和竖直板上均涂凡士林或润滑油的相关步骤。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可实现对掺砾黏土含裂缝试样的制备，能保证裂缝预制过程中碎石对试样的完整性不受影响；
B.可根据不同试验要求，预制不同角度、不同缝宽比、不同宽度的含中心裂缝掺砾黏土试样；
C.适用性强，不仅适用于掺砾黏土试样的制备，还可以制备其余黏性土体(可成型的土体)的含裂缝试样。
附图说明
图1为击实器结构示意图；
图2为击实锤结构示意图；
图3为击实板结构示意图；
图4为中部活动圆盘结构示意图；
图5为制样容器结构示意图；
图6为容器侧边挡板I结构示意图；
图7为容器侧边挡板Ⅱ结构示意图；
图8为正方形框体A结构示意图；
图9为容器底座结构示意图；
图10为中心裂缝预制垫块结构示意图；
图11为容器约束框架结构示意图；
图12为中心裂缝预制垫块安装示意图；
图13为销孔Ⅰ位置关系图；
图14为试样结构示意图。
图中：正方形框体A、正方形箱体B、击实杆1、击实锤2、限位孔201、击实板3、上层底板301、螺纹孔3011、下层底板302、圆形通孔3021、传力支柱303、中部活动圆盘4、矩形条槽401、容器侧边挡板I5、半边通槽口501、容器侧边挡板Ⅱ6、中心裂缝预制垫块7、竖直板701、尖端7011、水平板702、销孔Ⅱ7021、容器底座8、底板801、圆形凹槽8011、销孔Ⅰ 8012、正方形框体凸缘802、固定螺丝10、容器约束框架11、内正方形框体1101、外正方形框体 1102。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开一种适用于掺砾黏土的含中心裂缝试样制备装置，包括放置在水平面上的制样容器以及击实器。
参见图5，所述制样容器包括两块容器侧边挡板I5、两块容器侧边挡板Ⅱ6、中心裂缝预制垫块7、容器底座8和容器约束框架11。所述容器底座8包括底板801以及设置在底板801上表面的正方形框体凸缘802。
参见图9，所述底板801的上表面中心处具有圆形凹槽8011。所述圆形凹槽8011的槽底设置有8个销孔Ⅰ8012。所述8个销孔Ⅰ 8012的中线投影点位于同一圆上。各投影点按逆时针依次标记为O1、 O2、O3、O4、O5、O6、O7和O8。所述正方形框体凸缘802的侧壁上设置有螺孔。
参见图6、7和8，所述容器侧边挡板I5整体为一块正方形板。所述容器侧边挡板I5的板边设置有半边通槽口501。所述容器侧边挡板Ⅱ6整体为一块正方形板。两块容器侧边挡板I5平行布置。两块容器侧边挡板Ⅱ6平行布置。所述容器侧边挡板Ⅱ6的板边嵌入相邻容器侧边挡板I5的半边通槽口501中。所述容器侧边挡板I5和容器侧边挡板Ⅱ6合围出一个正方形框体A。所述正方形框体A横截面中，内侧正方形的边长为a，外侧正方形的边长为b。所述正方形框体A嵌坐在容器底座8上。所述正方形框体A的下表面与底板801 上表面贴合。所述正方形框体A的外壁与正方形框体凸缘802的内壁贴合。固定螺丝10的螺丝杆穿过正方形框体凸缘802侧壁上的螺孔后顶抵在正方形框体A的外壁上。所述正方形框体A与容器底座8 组成正方形箱体B。
参见图10，所述中心裂缝预制垫块7包块竖直板701和水平板 702。所述竖直板701布置在水平板702上表面。所述竖直板701的板边设置有尖端7011。所述水平板702为圆形板。所述中心裂缝预制垫块7布置在正方形箱体B的内腔中。所述水平板702上设置于8 个与销孔Ⅰ8012相匹配的销孔Ⅱ7021。所述销孔Ⅱ7021贯穿水平板 702的上下板面。参见图12，所述水平板702嵌入圆形凹槽8011中。通过调整竖直板701的角度，可预制不同角度的中心裂缝。通过改变竖直板701的长度、厚度和尖端7011的形状，可预制不同缝宽比、不同裂缝厚度和裂缝尖端形状的中心裂缝。
参见图11，所述容器约束框架11包括上下叠放的内正方形框体 1101和外正方形框体1102。所述内正方形框体1101横截面的内侧正方形的边长为a，外侧正方形的边长为b。所述外正方形框体1102 横截面的内侧正方形的边长为b。所述内正方形框体1101搭设在正方形框体A的上表面。所述内正方形框体1101的下表面与正方形框体A的上表面贴合。所述外正方形框体1102套设在正方形框体A上端的外壁上。所述外正方形框体1102的内壁与正方形框体A的外壁贴合。所述外正方形框体1102的侧壁上设置有若干个螺孔。固定螺丝10的螺丝杆穿过螺孔后顶抵在正方形框体A的外壁上。
参见图1，所述击实器包括击实杆1、击实锤2和击实板3。参见图3，所述击实板3包括上层底板301、下层底板302以及布置在上层底板301和下层底板302之间的传力支柱303。所述上层底板 301为正方形板。所述上层底板301上表面的中心处设置有螺纹孔 3011。所述传力支柱303上层底板301的四角处。所述下层底板302 整体为一块正方形板。这块正方形板的中心位置处设置有圆形通孔 3021。所述圆形通孔3021中嵌合有中部活动圆盘4。参见图4，所述中部活动圆盘4上具有矩形条槽401。所述条槽401贯穿中部活动圆盘4的上下表面。所述击实杆1的下端具有外螺纹。所述击实杆1 的下端旋入螺纹孔3011中。参见图2，所述击实锤2上具有限位孔 201。所述限位孔201贯穿击实锤2的上下表面。所述击实锤2套装在击实杆1上，击实杆1穿过限位孔201。
试验时，调整竖直板701的角度，使用2个销钉9将水平板702 与容器底座8固定连接。所述销钉9依次穿过销孔Ⅱ7021和对应销孔Ⅰ8012。参见图13，分别选择O1O5、O2O6、O3O7和O4O8可实现试样中心裂缝角度0°、15°、30°、45°等4种情况。由于立方体是中心对称图形，只需要这四种角度就可以实现0°、15°、30°、45°、 60°、75°、90°等几种常规角度的中心裂缝的预制。所述制样容器内放置土料。所述击实板3伸入制样容器内。所述竖直板701穿过条槽401。所述击实锤2沿击实杆1上行或自由下落，对土料进行循环冲击。
本实施例针对中心裂缝试样，设计了安装于制样容器内部的预制裂缝模具，并分别对制样容器和击实器进行特制，最后只需采用分层击实方法制备含中心裂缝的掺砾黏土试样，不需要再通过切割试样来制作裂缝，可以确保试样质量，且制样成功率高。
实施例2：
本实施例公开一种关于实施例1所述制备装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将容器底座8放置于水平地面，根据试验要求裂缝角度调整竖直板701的角度，使用销钉9将水平板702与容器底座8固定连接。
2)安装2块容器侧边挡板I5和容器侧边挡板Ⅱ6。将容器约束框架11安装在正方形框体A上端以约束正方形框体A。在正方形箱体B的内壁和竖直板701上涂凡士林或润滑油，以防止试样拆卸过程中土样黏于装置上。
3)安装击实器。特制击实板上存在1个螺丝孔，将击实杆1的下端旋入螺纹孔3011。在击实杆1杆体上穿设击实锤2。
4)根据试验需求配置土料，并将土料分为至少3份。
5)将1份土料放入制样容器中。根据竖直板701的角度旋转中部活动圆盘4。将击实板3顺着竖直板701伸入制样容器内。
6)使用击实锤2对土料进行循环冲击，击实第1份土料。通过提起击实锤2然后让其自由下落，利用其重力势能即可完成整个击实过程。
8)取出击实器。旋开上部容器约束框架11上的固定螺丝10，拆卸上部容器约束框架11。用刮土刀将试样上表面整平。
9)旋开容器底座8上的固定螺丝10，逐步拆卸容器侧边挡板I5 和容器侧边挡板Ⅱ6，将制备好的试样取出。
通过本实施例制备的试样如图14所示，适合于压剪和拉剪试验。
Claims (6)
1.一种适用于掺砾黏土的含中心裂缝试样制备装置，其特征在于：包括放置在水平面上的制样容器以及击实器；
所述制样容器包括两块容器侧边挡板I(5)、两块容器侧边挡板Ⅱ(6)、中心裂缝预制垫块(7)、容器底座(8)和容器约束框架(11)；所述容器底座(8)包括底板(801)以及设置在底板(801)上表面的正方形框体凸缘(802)；
所述底板(801)的上表面中心处具有圆形凹槽(8011)；所述圆形凹槽(8011)的槽底设置有若干个销孔Ⅰ(8012)；所述正方形框体凸缘(802)的侧壁上设置有若干个螺孔；
所述容器侧边挡板I(5)整体为一块正方形板；所述容器侧边挡板I(5)的板边设置有半边通槽口(501)；所述容器侧边挡板Ⅱ(6)整体为一块正方形板；两块容器侧边挡板I(5)平行布置；两块容器侧边挡板Ⅱ(6)平行布置；所述容器侧边挡板Ⅱ(6)的板边嵌入相邻容器侧边挡板I(5)的半边通槽口(501)中；所述容器侧边挡板I(5)和容器侧边挡板Ⅱ(6)合围出一个正方形框体A；所述正方形框体A嵌坐在容器底座(8)上；所述正方形框体A的下表面与底板(801)上表面贴合；所述正方形框体A的外壁与正方形框体凸缘(802)的内壁贴合；固定螺丝(10)的螺丝杆穿过正方形框体凸缘(802)侧壁上的螺孔后顶抵在正方形框体A的外壁上；所述正方形框体A与容器底座(8)组成正方形箱体B；
所述中心裂缝预制垫块(7)包括竖直板(701)和水平板(702)；所述竖直板(701)布置在水平板(702)上表面；所述竖直板(701)的板边设置有尖端(7011)；所述水平板(702)为圆形板；所述中心裂缝预制垫块(7)布置在正方形箱体B的内腔中；所述水平板(702)上设置有若干个与销孔Ⅰ(8012)相匹配的销孔Ⅱ(7021)；所述销孔Ⅱ(7021)贯穿水平板(702)的上下板面；所述水平板(702)嵌入圆形凹槽(8011)中；
所述容器约束框架(11)包括上下叠放的内正方形框体(1101)和外正方形框体(1102)；所述内正方形框体(1101)搭设在正方形框体A的上表面；所述外正方形框体(1102)套设在正方形框体A上端的外壁上；所述外正方形框体(1102)的侧壁上设置有若干个螺孔；固定螺丝(10)的螺丝杆穿过螺孔后顶抵在正方形框体A的外壁上；
所述击实器包括击实杆(1)、击实锤(2)和击实板(3)；所述击实板(3)包括上层底板(301)、下层底板(302)以及布置在上层底板(301)和下层底板(302)之间的若干传力支柱(303)；所述上层底板(301)为正方形板；所述下层底板(302)整体为一块正方形板；这块正方形板的中心位置处设置有圆形通孔(3021)；所述圆形通孔(3021)中嵌合有中部活动圆盘(4)；所述上层底板(301)、下层底板(302)和传力支柱(303)焊接为一个整体；所述中部活动圆盘(4)上具有矩形条槽(401)；所述击实杆(1)下端与上层底板(301)连接；所述击实锤(2)上具有限位孔(201)；所述限位孔(201)贯穿击实锤(2)的上下表面；所述击实锤(2)套装在击实杆(1)上，击实杆(1)穿过限位孔(201)；
试验时，调整竖直板(701)的角度，使用销钉(9)将水平板(702)与容器底座(8)固定连接；所述制样容器内放置土料；所述击实板(3)伸入制样容器内；所述竖直板(701)穿过条槽(401)；所述击实锤(2)沿击实杆(1)上行或自由下落，对土料进行循环冲击。
2.根据权利要求1所述的一种适用于掺砾黏土的含中心裂缝试样制备装置，其特征在于：所述上层底板(301)上表面的中心处设置有螺纹孔(3011)；所述击实杆(1)的下端具有外螺纹；所述击实杆(1)的下端旋入螺纹孔(3011)中。
3.一种关于权利要求1所述制备装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据试验要求裂缝角度调整竖直板(701)的角度，使用销钉(9)将水平板(702)与容器底座(8)固定连接；
2)安装2块容器侧边挡板I(5)和容器侧边挡板Ⅱ(6)；将容器约束框架(11)安装在正方形框体A上端；
3)安装击实器；
4)根据试验需求配置土料，并将土料分为若干份；
5)将1份土料放入制样容器中；根据竖直板(701)的角度旋转中部活动圆盘(4)；将击实板(3)伸入制样容器内；
6)使用击实锤(2)对土料进行循环冲击，击实第1份土料；
7 )取出击实器；旋开上部容器约束框架(11)上的固定螺丝(10)，拆卸上部容器约束框架(11)；
8 )旋开容器底座(8)上的固定螺丝(10)，逐步拆卸容器侧边挡板I(5)和容器侧边挡板Ⅱ(6)，将制备好的试样取出。
4.根据权利要求3所述的一种制备装置的使用方法，其特征在于：步骤4)中，土料至少分为3份。
5.根据权利要求3所述的一种制备装置的使用方法，其特征在于：步骤8)之后，还具有采用刮土刀整平试样上表面的相关步骤。
6.根据权利要求3所述的一种制备装置的使用方法，其特征在于：在步骤2)之后还具有在正方形箱体B的内壁和竖直板(701)上均涂凡士林或润滑油的相关步骤。
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