CN109459290B - 一种测试压实黏土i型断裂韧度的nscb试样制备装置及其使用方法 - Google Patents
一种测试压实黏土i型断裂韧度的nscb试样制备装置及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
发明提供一种测试压实黏土I型断裂韧度的NSCB试样制备装置及其使用方法。该装置包括制样容器和击实器。所述制样容器包括容器侧边挡板I、容器侧边挡板Ⅱ、裂缝预制垫块、容器底座和容器约束框架。所述击实器包括击实杆、击实锤、击实板和裂缝垫块帽。试验时，所述制样容器内放置土料。所述击实板伸入制样容器内。该装置的使用方法包括选择裂缝预制垫块、安装制样容器、安装击实器、配置土料和循环冲击等步骤。该装置可实现对直槽半圆弯曲试样的制备，可以保证在对试样不产生扰动的情况下预制裂缝，既能保证试样的完整性又能使裂缝均匀。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程试验仪器领域，特别涉及测试压实黏土I型断裂韧度的NSCB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。如地下水开采引起的地裂缝、土石坝心墙的水力劈裂，以及黏土边坡在失稳前在坡顶产生的拉裂缝等，一旦裂缝扩展，将造成巨大的灾害，这些问题都与黏土的抗裂性能有关。断裂是指材料因裂缝扩展引起的破坏，黏土因裂缝扩展引起的破坏问题属于断裂问题。断裂力学理论和方法的应用使得与黏土断裂相关问题的研究取得了根本性的发展，它可以考虑黏土裂缝端部的应力奇异性和裂缝的扩展，而I型断裂韧度KIC值是研究黏土裂缝问题的重要参数。
目前测定压实黏土I型断裂韧度KIC的方法多为单侧开槽土梁试样的三点弯曲试验。在测定岩石类I型断裂韧度方面，国际岩石力学学会(ISRM)推荐了一种NSCB(notchedsemi-circular bend，直槽半圆弯曲)试样。NSCB试样试验方法已成功应用于沥青混合料、矿物混合料、大理石、混凝土、石灰岩等材料的断裂性能测试，然而针对压实黏土的I型断裂韧度测试，还未有学者采用过NSCB试样进行研究。以往压实黏土I型断裂试验常采用单侧开槽土梁试样，相比于单侧开槽土梁试样，NSCB试样更能够节省土料，而且其对荷载的响应程度更为敏感，更适合对压实黏土进行I型断裂测试。含裂缝试样的制备对压实黏土的I型断裂韧度测试至关重要，然而目前尚未有针对压实黏土的NSCB试样的制备装置及方法。
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。对于压实黏土断裂试验(为了使压实黏土成型，压实黏土的含水率一般控制在最优含水率附近)，以往的试样制备方法通常是，先采用击实的方法制备一定几何尺寸的试样(一般为长方体形)，然后用切土刀对试样进行切割。但是，由于压实黏土黏聚力较大且抗拉强度较低，采用切割的方式对压实黏土进行裂缝预制对试样的扰动较大，很容易破损试样，而且对于含有较硬颗粒的压实黏土，切割方法对试样的扰动更大。综上，以往的裂缝预制方法均无法制备完整的NSCB压实黏土试样，因此导致裂缝的预制难度较大，试样质量不易控制。
因此，亟需提出一种针对压实黏土NSCB试样的制备装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试压实黏土I型断裂韧度的NSCB试样制备装置及其使用方法，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，一种测试压实黏土I型断裂韧度的NSCB试样制备装置，包括制样容器和击实器。
所述制样容器包括容器侧边挡板I、容器侧边挡板Ⅱ、裂缝预制垫块、容器底座和容器约束框架。
所述裂缝预制垫块包块相互垂直的竖直板Ⅰ和竖直板Ⅱ。所述竖直板Ⅱ的板面上设置于若干个销孔Ⅱ。
所述容器底座包括底板以及设置在底板上表面的框体凸缘。所述底板为半圆形板。所述框体凸缘沿底板的边缘设置。所述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整体为一块圆弧板。所述容器侧边挡板I的水平投影积聚为半圆。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整体为一块距形板。所述容器侧边挡板Ⅱ的板面竖直。所述容器侧边挡板Ⅱ的上端板面上设置有供竖直板Ⅰ穿过的裂缝槽。所述容器侧边挡板Ⅱ的板边嵌入容器侧边挡板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合围出一个半圆形框体A。所述竖直板Ⅰ穿过裂缝槽后，伸入半圆形框体A的内腔中。所述半圆形框体A嵌坐在容器底座上。所述半圆形框体A的下表面与底板上表面贴合。所述半圆形框体A的外壁与框体凸缘的内壁贴合。固定螺丝的螺丝杆穿过框体凸缘侧壁上的螺孔后顶抵在半圆形框体A的外壁上。所述半圆形框体A的外壁上还设置有限位部。所述半圆形框体A与容器底座组成半圆形箱体。
所述容器约束框架整体为半圆形框体。所述容器约束框架搭设在半圆形框体A外壁上的限位部上。所述容器约束框架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半圆形框体A的外壁上。
所述击实器包括击实杆、击实锤、击实板和裂缝垫块帽。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。所述上层底板为半圆形板。所述下层底板整体为一块半圆形板。这块半圆形板的板面上设置有矩形缺口。
所述下层底板的板面上在矩形缺口的两侧还设置有卡槽。所述卡槽的槽底设置有若干个螺孔。所述裂缝垫块帽包括垫块帽矩形板。所述垫块帽矩形板的板面上设置有条形滑槽。所述垫块帽矩形板的两侧设置有与卡槽相匹配的卡和扣件。所述卡和扣件上设置有若干个螺孔。所述垫块帽矩形板嵌合在矩形缺口中。所述卡和扣件嵌合在卡槽中。固定螺丝的螺丝杆依次穿过卡和扣件和卡槽槽底的螺孔。所述上层底板、下层底板和传力支柱焊接为一个整体。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，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Ⅰ穿过条形滑槽。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。
本发明还公开一种关于上述制备装置的使用方法，包括以下步骤：
1)根据试样开缝长度要求，选择对应的裂缝预制垫块。
2)安装制样容器。
3)根据竖直板Ⅰ的尺寸选择裂缝垫块帽，并安装击实器。
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。将击实板伸入制样容器内。所述竖直板Ⅰ穿过条形滑槽。
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)之后还具有在半圆形箱体的内壁和竖直板Ⅰ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.可实现对直槽半圆弯曲试样的制备，可以保证在对试样不产生扰动的情况下预制裂缝，既能保证试样的完整性又能使裂缝均匀；
B.可根据试验要求，预制不同长度裂缝的直槽半圆弯曲试样；适合于测试压实黏土I型断裂韧度试验；
C.不仅适用于纯黏土试样的制备，也可以制备含砾黏土的直槽半圆弯曲试样。
附图说明
图1为直槽半圆弯曲试样示意图；
图2为击实器结构示意图；
图3为击实锤结构示意图；
图4为击实板结构示意图；
图5为裂缝垫块帽结构示意图；
图6为试样容器结构示意图；
图7为容器侧边挡板Ⅰ结构示意图；
图8为容器侧边挡板Ⅱ结构示意图；
图9为容器底座结构示意图；
图10为裂缝预制垫块结构示意图。
图中：半圆形框体A、击实杆1、击实锤2、击实板3、上层底板301、螺纹孔3011、下层底板302、矩形缺口3021、卡槽3022、传力支柱303、裂缝垫块帽4、垫块帽矩形板401、条形滑槽4011、卡和扣件402、容器侧边挡板I5、半边通槽口501、容器侧边挡板Ⅱ6、裂缝槽601、销孔Ⅰ602、裂缝预制垫块7、竖直板Ⅰ701、竖直板Ⅱ702、销孔Ⅱ7021、容器底座8、底板801、框体凸缘802、销钉9、固定螺丝10、容器约束框架11。
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：
本实施例公开一种测试压实黏土I型断裂韧度的NSCB试样制备装置，包括制样容器和击实器。
参见图6，所述制样容器包括容器侧边挡板I5、容器侧边挡板Ⅱ6、裂缝预制垫块7、容器底座8和容器约束框架11。
参见图10，所述裂缝预制垫块7包块相互垂直的竖直板Ⅰ701和竖直板Ⅱ702。所述竖直板Ⅰ701的尺寸根据实验所需试样的开缝长度选择。所述竖直板Ⅱ702的板面上设置有4个销孔Ⅱ7021。所述销孔Ⅱ7021贯穿竖直板Ⅱ702的板面。
参见图9，所述容器底座8包括底板801以及设置在底板801上表面的框体凸缘802。所述底板801为半圆形板。所述框体凸缘802沿底板801的边缘设置。所述框体凸缘802的水平投影积聚为半圆和半圆对应的直径。所述框体凸缘802的侧壁上设置有螺孔。
参见图7，所述容器侧边挡板I5整体为一块圆弧板。所述容器侧边挡板I5的水平投影积聚为半圆。所述容器侧边挡板I5的板边设置有半边通槽口501。参见图8，所述容器侧边挡板Ⅱ6整体为一块距形板。所述容器侧边挡板Ⅱ6的板面竖直。所述容器侧边挡板Ⅱ6的板面上设置有与销孔Ⅱ7021相对应的销孔Ⅰ602。所述容器侧边挡板Ⅱ6的板面上还设置有供竖直板Ⅰ701穿过的裂缝槽601。所述裂缝槽601的尺寸根据实验所需试样的开缝长度选择。所述容器侧边挡板Ⅱ6的板边嵌入容器侧边挡板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合围出一个半圆形框体A。所述半圆形框体A的外壁上设置有限位部。所述竖直板Ⅰ701穿过裂缝槽601后，伸入半圆形框体A的内腔中。销钉9依次穿过销孔Ⅱ7021和销孔Ⅰ602，将裂缝预制垫块7与半圆形框体A固定连接在一起。所述半圆形框体A嵌坐在容器底座8上。所述半圆形框体A的下表面与底板801上表面贴合。所述半圆形框体A的外壁与框体凸缘802的内壁贴合。固定螺丝10的螺丝杆穿过框体凸缘802侧壁上的螺孔后顶抵在半圆形框体A的外壁上。所述半圆形框体A与容器底座8组成半圆形箱体。
所述容器约束框架11整体为半圆形框体。所述容器约束框架11的侧壁上设置有若干个螺孔。所述容器约束框架11套箍在半圆形框体A的上端。所述容器约束框架11搭设在半圆形框体A外壁上的限位部上。固定螺丝10的螺丝杆穿过螺孔后顶抵在半圆形框体A的外壁上。
参见图2，所述击实器包括击实杆1、击实锤2、击实板3和裂缝垫块帽4。参见图3和图4，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。所述上层底板301为半圆形板。所述下层底板302整体为一块半圆形板。这块半圆形板的板面上设置有矩形缺口3021。所述矩形缺口3021设置在半圆形的直径对应位置处。
所述下层底板302的板面上在矩形缺口3021的两侧还设置有卡槽3022。所述卡槽3022的槽底设置有4个螺孔。参见图5，所述裂缝垫块帽4包括垫块帽矩形板401。所述垫块帽矩形板401的板面上设置有条形滑槽4011。所述垫块帽矩形板401的两侧设置有与卡槽3022相匹配的卡和扣件402。所述卡和扣件402上设置有螺孔。所述垫块帽矩形板401嵌合在矩形缺口3021中。所述卡和扣件402嵌合在卡槽3022中。固定螺丝10的螺丝杆依次穿过卡和扣件402和卡槽3022槽底的螺孔。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，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Ⅰ701穿过条形滑槽4011。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。形成如图1所示的试样，试样的开缝长度为a。
值得说明的是，本实施例提出了一套新型测试压实黏土I型断裂韧度的直槽半圆弯曲试样(NSCB)制备装置。针对直槽裂缝，设计了可固定在与半圆形框体A侧壁的裂缝预制垫块7，并分别对试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)根据试样开缝长度要求，选择对应的裂缝预制垫块7。
2)在半圆形箱体的内壁和竖直板Ⅰ701上均涂凡士林或润滑油，防止试样拆卸过程中土样黏于装置上。安装制样容器。
3)根据竖直板Ⅰ701的尺寸选择裂缝垫块帽4，并安装击实器。
4)根据试验需求配置土料，并将土料至少分为3份。
5)将1份土料放入制样容器中。将击实板3伸入制样容器内。所述竖直板Ⅰ701穿过条形滑槽4011。
6)使用击实锤2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11上的固定螺丝10，拆卸容器约束框架11。采用刮土刀整平试样上表面的相关步骤。
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。
Claims (6)
1.一种测试压实黏土I型断裂韧度的NSCB试样制备装置，其特征在于：包括制样容器和击实器；
所述制样容器包括容器侧边挡板I(5)、容器侧边挡板Ⅱ(6)、裂缝预制垫块(7)、容器底座(8)和容器约束框架(11)；
所述裂缝预制垫块(7)包块相互垂直的竖直板Ⅰ(701)和竖直板Ⅱ(702)；所述竖直板Ⅱ(702)的板面上设置于若干个销孔Ⅱ(7021)；
所述容器底座(8)包括底板(801)以及设置在底板(801)上表面的框体凸缘(802)；所述底板(801)为半圆形板；所述框体凸缘(802)沿底板(801)的边缘设置；所述框体凸缘(802)的侧壁上设置有若干个螺孔；
所述容器侧边挡板I(5)整体为一块圆弧板；所述容器侧边挡板I(5)的水平投影积聚为半圆；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)整体为一块矩形板；所述容器侧边挡板Ⅱ(6)的板面竖直；所述容器侧边挡板Ⅱ(6)的板面上设置有若干个与销孔Ⅱ(7021)相对应的销孔Ⅰ(602)；所述容器侧边挡板Ⅱ(6)的板面上还设置有供竖直板Ⅰ(701)穿过的裂缝槽(601)；所述容器侧边挡板Ⅱ(6)的板边嵌入容器侧边挡板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)合围出一个半圆形框体A；所述半圆形框体A的外壁上设置有限位部；所述竖直板Ⅰ(701)穿过裂缝槽(601)后，伸入半圆形框体A的内腔中；销钉(9)依次穿过销孔Ⅱ(7021)和销孔Ⅰ(602)，将裂缝预制垫块(7)与半圆形框体A固定连接在一起；所述半圆形框体A嵌坐在容器底座(8)上；所述半圆形框体A的下表面与底板(801)上表面贴合；所述半圆形框体A的外壁与框体凸缘(802)的内壁贴合；固定螺丝(10)的螺丝杆穿过框体凸缘(802)侧壁上的螺孔后顶抵在半圆形框体A的外壁上；所述半圆形框体A与容器底座(8)组成半圆形箱体；
所述容器约束框架(11)整体为半圆形框体；所述容器约束框架(11)的侧壁上设置有若干个螺孔；所述容器约束框架(11)套箍在半圆形框体A的上端；所述容器约束框架(11)搭设在半圆形框体A外壁上的限位部上；固定螺丝(10)的螺丝杆穿过螺孔后顶抵在半圆形框体A的外壁上；
所述击实器包括击实杆(1)、击实锤(2)、击实板(3)和裂缝垫块帽(4)；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)为半圆形板；所述下层底板(302)整体为一块半圆形板；所述下层底板(302)的板面上设置有矩形缺口(3021)；
所述下层底板(302)的板面上在矩形缺口(3021)的两侧还设置有卡槽(3022)；所述卡槽(3022)的槽底设置有若干个螺孔；所述裂缝垫块帽(4)包括垫块帽矩形板(401)；所述垫块帽矩形板(401)的板面上设置有条形滑槽(4011)；所述垫块帽矩形板(401)的两侧设置有与卡槽(3022)相匹配的卡和扣件(402)；所述卡和扣件(402)上设置有若干个螺孔；所述垫块帽矩形板(401)嵌合在矩形缺口(3021)中；所述卡和扣件(402)嵌合在卡槽(3022)中；固定螺丝(10)的螺丝杆依次穿过卡和扣件(402)和卡槽(3022)槽底的螺孔；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，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Ⅰ(701)穿过条形滑槽(4011)；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所述的一种测试压实黏土Ⅰ型断裂韧度的NSCB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)根据试样开缝长度要求，选择对应的裂缝预制垫块(7)；
2)安装制样容器；
3)根据竖直板Ⅰ(701)的尺寸选择裂缝垫块帽(4)，并安装击实器；
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；将击实板(3)伸入制样容器内；所述竖直板Ⅰ(701)穿过条形滑槽(4011)；
6)使用击实锤(2)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(11)上的固定螺丝(10)，拆卸容器约束框架(11)；
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)之后还具有在半圆形箱体的内壁和竖直板Ⅰ(701)上均涂凡士林或润滑油的相关步骤。
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