CN110567778B - 一种标准重塑土样双向压样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种标准重塑土样双向压样装置及方法，包括底座与上部固定平台，底座与上部固定平台之间由反力架连接。上部固定平台的中心处设置有竖直向下的上电动推杆，底座的中心处设置有竖直向上的下电动推杆，上下电动推杆与制样筒的中心在一条直线上，上部固定平台和底座上均设置有电动推杆所需的适配器和开关与速度控制器。反力架中间部位设置有与上部固定平台平行的制样筒固定平台，该平台上固定装有不锈钢制样筒，不锈钢制样筒的上部与下部设置限位堵头，对不锈钢制样筒内壁进行磨光处理，该装置可实现对土样的上下面同时进行压实，降低了不锈钢制样筒与土样之间摩擦的影响，可以压制出结构相同、密度均匀和脱模损失最小的标准重塑土样。

Description

一种标准重塑土样双向压样装置及方法

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，具体涉及一种标准重塑土样双向压样装置及方法。

背景技术

近些年，我国的基础设施建设进入了一个前所未有的新阶段，既有三峡大坝、纵横高速铁路网和港珠澳大桥等一批高难度技术的超级工程，也有各种市政建设中超大型深基坑开挖等基础工程。不论是高难度技术的超级工程还是错综复杂的地下空间工程都需要建立在岩土体上，这就是所谓的基础不牢地动山摇的道理。岩土体的受力特性及其极限强度是这些工程首要面临的问题，只有解决好岩土体地基基础的问题，才可以建造出各种安全稳定的基础设施。要研究地基基础的安全与稳定，必须对岩土体进行现场和室内试验研究，室内测试岩土的力学特性和强度试验最主要的实验设备是各种三轴试验仪器，比如，静三轴、动三轴和动单剪等仪器。由于土体本身所具有的多相性和不均匀性，加上原位测试试验的成本较高，有时候更需要排除土力学性质的其它影响因素，比如结构性和各向异性等，这就意味有必要将现场取回的岩土制成各向同性的重塑土样再进行试验，为保证试验数据的可比性，必须使制备的试样满足结构相同和密度均匀的要求，这在很大程度上将依赖于所采用的制样设备及方法。根据国家土工试验规程，制备重塑土样需要严格控制其密度，以保证平行试验数据可重复性的要求。传统重塑土样的制备方法采用分层击实法或分层压实法，这类方法存在各层土的实际击实能量差异较大，在精确控制土样均匀性方面有着较大的不足和难度。本文就如何制备满足三轴类仪器所需的高精度圆柱形重塑土样进行了制样工具的设计，更好的解决了试验土样结构统一和密度均匀的问题。

室内常见的制样方法包括击实法和压样法，但它们具有如下主要缺陷：(1)手动击实，击实计数容易出错，很难控制每层采用土样获得相同的能量进行击实；(2)每层土之间需要刮毛，刮毛的深度和位置的不均将引起层间衔接不均匀，由于击实能量不同，仍然出现层与层间的密度不同；综上所述，击实法和压样法很难保证一批试样具有相同的结构和均匀的密度。

又如中国专利公开号：CN207600815U，授权公开日：2018.07.10，发明名称为“双重压缩土样制备装置”，该申请案中公开的双重压缩土样制备装置虽然设置了上压件和下压件，但是实际上上压件只能通过调节上下位置限制土样向上移动，并不能对土样起到主动施压的作用。在实际操作中，如此制出的试样，由于试样与制样筒之间的摩擦力较大，导致下部的液压力在传到中上部时已经减小了很多，所压制出的试样在中上部的位置处存在很多气孔，导致制出的试样在中上部的密度不能满足测试的要求，而且上述专利在压制过程中是将土样按质量平均分成三份分三次进行压制，如此操作在对试样进行实际测试中，压制好的试样通常会在分层处表现出界面效应，从而不能体现出均匀试样的力学性能。

发明内容

本发明解决了现有技术存在的制备出的重塑土样结构不相同和密度不均匀的问题，提供一种标准重塑土样双向压样装置及方法，其应用时能够制备出结构相同、密度均匀的重塑土样的制作装置，以制备满足土工试验规程要求的结构相同、密度均匀且不受人为因素影响的高质量重塑土样。

本发明通过以下技术方案实现：

一种标准重塑土样双向压样装置及方法，包括底座与上部固定平台，所述底座与上部固定平台之间由反力架连接。所述上部固定平台的中心处设置有竖直向下的上电动推杆，所述底座的中心处设置有竖直向上的下电动推杆。所述上电动推杆与下电动推杆上下正对，所述上部固定平台上设置有上电动推杆适配器、上电动推杆开关与速度控制器、上部24V直流电机，所述上电动推杆开关控制器用于控制上电动推杆的启停与快慢，所述上电动推杆适配器用于匹配上电动推杆直流电机的电压，所述上部24V直流电机为上电动推杆提供下行动力。所述底座上设置有下电动推杆适配器、下电动推杆开关与速度控制器、下部24V直流电机，所述下电动推杆开关控制器用于控制下电动推杆的启停与快慢，所述下电动推杆适配器用于匹配下电动推杆的直流电机的电压，所述下部24V直流电机为下电动推杆提供上行动力。所述反力架的中间部位设置有与上部固定平台平行的不锈钢制样筒固定平台，平台和反力架通过抱紧环固定，不锈钢制样筒固定平台可以通过抱紧环进行上下调节。所述不锈钢制样筒固定平台上固定装有不锈钢制样筒，所述不锈钢制样筒的上部设置有上限位梯形堵头，所述不锈钢制样筒的下部设置有下限位梯形堵头。

进一步的，一种标准重塑土样双向压样装置，所述不锈钢制样筒由上套筒与下套筒组合而成，所述下套筒的外径大于上套筒的外径，所述上套筒与下套筒设置有相同的内径，所述上套筒的下部设置有螺纹，所述不锈钢制样筒固定平台上开有与上套筒外径相同的圆孔，所述制样筒的上套筒由制样筒固定平台的下方穿过不锈钢制样筒固定平台上的圆孔，所述不锈钢制样筒的上套筒由与其上设置的螺纹相匹配的紧固螺母紧固在不锈钢制样筒固定平台上。

进一步的，一种标准重塑土样双向压样装置，所述上电动推杆、下电动推杆、制样筒、上限位梯形堵头、下限位梯形堵头的几何中心位于同一竖直线上，以保证在使用和压制土样的过程中，能使得土样上下面只承受压应力的作用，不产生任何偏心荷载，更不会因为电动推杆对土样的推力不均而发生土样压实不均匀。

进一步的，一种标准重塑土样双向压样装置，所述制样筒内土样与上限位梯形堵头、下限位梯形堵头之间设置有50mm滤纸，设置滤纸既可有效防止梯形限位堵头与土样直接接触而发生粘结。

进一步的，一种标准重塑土样双向压样装置，所述上限位梯形堵头、下限位梯形堵头由圆柱形底座和圆柱体组成，所述圆柱形底座的直径大于圆柱形筒体的直径，圆柱体的直径为：49.8mm，长度为：50mm，制样筒的高度为200mm，所压制出的土样的尺寸为标准尺寸：直径50mm，高度100mm，限位堵头上的圆柱形筒体的直径略小于制样筒的内径，如此设计的目的是为了使得土样内所包含的气体能在压制的过程中通过限位堵头与制样筒之间的缝隙排出不锈钢制样筒外，不再需要在不锈钢制样筒上设计排气孔。

进一步的，一种标准重塑土样双向压样装置，所述电动推杆开关速度控制器(8)与下电动推杆开关与速度控制器(10)可调节上电动推杆与下电动推杆的推动速度，空载速度的控制范围为：0.5mm-3m之间，一批试样制备过程中应保持相同的电动推杆运行速度，建议在空载速度为0.5mm/s的工况下进行土样制备，使得所压制的土样结构密实、密度均匀。

进一步的，一种标准重塑土样双向压样方法，包括以下步骤：

(1)将塑限含水率附近的黏土或粉土过1mm的筛子或干燥后进行粉碎处理，消除土壤的初始各向异性；

(2)使用烘干法测量土壤的含水率ω，之后根据ρ_d＝m/(V+Vω)根据所需要的干密度和含水率计算需要填装重塑土的质量m，其中，ρ_d是标准土样的干密度，m是土样的总质量，V是土样总体积；

(3)调整下电动推杆使下限位梯形堵头(内深50mm，直径49.8mm)的顶部刚好进入不锈钢制样筒中，在进入不锈钢制样筒中时，在堵头顶部放置标准50mm的滤纸；

(4)将称重质量为m的土样一次性装入直径50mm和高度200mm的不锈钢制样筒中，估算填土的初始体积和不锈钢制样筒的容积的差值，填装是根据实际情况在一次性填装不完时，可以使用细铁丝进行轻微密实，直到装平至成样筒上沿口；

(5)装完重塑土后在其上表面放置50mm滤纸，然后将上限位梯形堵头放置在上面；

(6)调整上电动推杆，使其和上限位梯形堵头刚好接触，调整上下电动推杆的开关速度控制器，使得压缩土样前上下电动推杆的空载速率控制在0.5mm/s，并标记此速度对应开关与速度控制器旋钮的位置；

(7)通过无线遥控开关和遥控接收器同时使上下电动推杆推动上下限位梯形堵头完全停在不锈钢制样筒沿口处，电机负荷突然增大，电机自动停止工作，使土样固结30分钟；

(8)调整上电动推杆使其回到原始状态，取下上部限位堵头，调整下电动推杆，取下下限位梯形堵头，将直径49.8mm和高度50mm的抛光圆柱体从下部放入不锈钢制样筒中，然后调整下电动推杆使其和圆柱体接触并一起向上运动，下电动推杆的速度控制在0.5mm/s，从制样筒中推出土样，看见土样底部时停止下电动推杆，取出土样，恢复设备至初始状态即可制备下一个土样，标准土样密度均匀，干扰极小。

综上所述，本发明的以下有益效果：

1、本发明一种标准重塑土样双向压样装置及方法，通过制样筒的两端分别设置电动推杆，并且电动推杆、不锈钢制样筒、限位堵头的几何中心位于同一竖直线，使得土样的顶部受到上限位梯形堵头的作用和土样的底部受到下限位梯形堵头的作用，使得土样在不锈钢制样筒内垂直压缩，这样，对土样的底面和顶面进行双重的压缩，降低了制样筒与土样之间摩擦的影响，从而压制出的土样结构相同、密度均匀。

2、本发明一种标准重塑土样双向压样装置及方法，通过该装置和该方法可以一次性压制出标准土样，整个压制过程的压制时间、压制速度可完全可以做到统一，避免了制样带来的试验数据的误差，压制装置的结构比较简单，且占用空间较小，适于在室内制备土样。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明结构制样筒示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-上部固定平台，2-底座，3-反力架，4-制样筒，5-上电动推杆，6-下电动推杆，7-上电动推杆适配器，8-上电动推杆开关与速度控制器，9-下电动推杆适配器，10-下电动推杆开关与速度控制器，11-上部24V直流电机，12-下部24V直流电机，13-紧固螺母，14-上限位梯形堵头，15-制样筒固定平台，16-下限位梯形堵头，41-上套筒，42-下套筒，43-螺纹。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1-2所示，一种标准重塑土样双向压样装置及方法，包括底座2与上部固定平台1，其特征在于，所述底座2与上部固定平台1之间由反力架3连接。所述上部固定平台1的中心处设置有竖直向下的上电动推杆5，所述底座2的中心处设置有竖直向上的下电动推杆6，所述上电动推杆5与下电动推杆6上下正对。所述上部固定平台1上设置有上电动推杆适配器7、上电动推杆开关与速度控制器8、上部24V直流电机11，所述上电动推杆开关与速度控制器8用于控制上电动推杆5的启停与快慢，所述上电动推杆适配器7用于匹配上电动推杆5直流电机的电压，所述上部24V直流电机11为上电动推杆5提供下行动力。所述底座2上设置有下电动推杆适配器9、下电动推杆开关与速度控制器10、下部24V直流电机12，所述下电动推杆开关与速度控制器10用于控制下电动推杆6的启停与快慢，所述下电动推杆适配器9用于匹配下电动推杆6直流电机的电压，所述下部24V直流电机12为下电动推杆6提供上行动力。所述反力架3的中间部位设置有与上部固定平台1平行的不锈钢制样筒固定平台15，所述制样筒固定平台15上固定装有不锈钢制样筒4，所述不锈钢制样筒4的上部设置有上限位梯形堵头14，所述不锈钢制样筒4的下部设置有下限位梯形堵头16。所述制样筒4由上套筒41与下套筒42组合而成，所述下套筒42的外径大于上套筒41的外径，所述上套筒41与下套筒42设置有相同的内径，所述上套筒41的下部设置有螺纹43，所述不锈钢制样筒固定平台15上开有与上套筒41外径相同的圆孔，所述不锈钢制样筒4的上套筒41由不锈钢制样筒固定平台15的下方穿过不锈钢制样筒固定平台15上的圆孔，之后不锈钢制样筒4的上套筒41由与螺纹43相匹配的螺母13紧固在不锈钢制样筒固定平台15上。所述上电动推杆5、下电动推杆6、制样筒4、上限位梯形堵头14、下限位梯形堵头16的几何中心位于同一竖直线上。所述不锈钢制样筒4内土样与上限位梯形堵头14、下限位梯形堵头16之间均设置有滤纸，所述滤纸的尺寸直径为：50mm。所述上限位梯形堵头14、下限位梯形堵头16由圆柱形底座和圆柱体组成，所述圆柱形底座的直径大于圆柱形筒体的直径3mm，圆柱体的直径为：49.8mm，长度为：50mm。所述上电动推杆开关速度控制器(8)与下电动推杆开关与速度控制器(10)可调节上电动推杆5与下电动推杆6的推动速度，速度的控制范围为：0.5mm-3mm之间。包括以下步骤：将塑限含水率附近的黏土或粉土过1mm的筛子或干燥后进行粉碎处理，消除土壤的初始各向异性；使用烘干法测量土壤的含水率ω，之后根据ρ_d＝m/(V+Vω)根据所需要的干密度和含水率计算需要填装重塑土的质量m，其中，ρ_d是标准土样的干密度，m是土样的总质量，V是土样总体积；调整下电动推杆6使下限位梯形堵头16(内深50mm，直径49.8mm)的顶部刚好进入不锈钢制样筒4中，在进入不锈钢制样筒4中时，在下限位梯形堵头16顶部放置直径50mm的滤纸；将称重质量为m的土样一次性装入直径50mm和高度200mm的制样筒4中，估算填土的初始体积和不锈钢制样筒(4)的容积的差值，根据实际情况在一次性填装不完时，可以使用细铁丝进行轻微密实，直到装平至不锈钢制样筒4上沿口；装完重塑土后在其上表面放置50mm滤纸，然后将上限位梯形堵头14放置在上面；调整上电动推杆5，使其和上限位梯形堵头14刚好接触，调整上下电动推杆的开关与速度控制器，使得压缩土样前电动推杆的空载速率应控制在0.5mm/s；通过调整电动推杆开关与速度控制器使上下电动推杆同时推动上下限位梯形堵头，并完全停在制样筒4沿口处，电机负荷突然增大，电机自动停止工作，使土样固结30分钟；调整上电动推杆5使其回到原始状态，取下上限位梯形堵头14；调整下电动推杆，取下下限位梯形堵头16，将直径49.8mm和高度50mm的抛光圆柱体从下部放入不锈钢制样筒4中，然后调整下电动推杆6使其和圆柱体接触并一起向上运动，从不锈钢制样筒4中推出土样，看见土样底部时停止下电动推杆6，取出土样，恢复设备至初始状态即可制备下一个土样，标准土样密度均匀，干扰极小。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种标准重塑土样双向压样装置，包括底座(2)与上部固定平台(1)，其特征在于，所述底座(2)与上部固定平台(1)之间由反力架(3)连接，所述上部固定平台(1)的中心处设置有竖直向下的上电动推杆(5)，所述底座(2)的中心处设置有竖直向上的下电动推杆(6)，所述上电动推杆(5)与下电动推杆(6)上下正对，所述上部固定平台(1)上设置有上电动推杆适配器(7)、上电动推杆开关与速度控制器(8)、上部24V直流电机(11)，所述上电动推杆开关与速度控制器(8)用于控制上电动推杆(5)的启停与快慢，所述上电动推杆适配器(7)用于匹配上电动推杆(5)上部24V直流电机(11)的电压，所述上部24V直流电机(11)为上电动推杆(5)提供下行动力，所述底座(2)上设置有下电动推杆适配器(9)、下电动推杆开关与速度控制器(10)、下部24V直流电机(12)，所述下电动推杆开关与速度控制器(10)用于控制下电动推杆(6)的启停与快慢，所述下电动推杆适配器(9)用于匹配下电动推杆(6)下部24V直流电机(12)的电压，所述下部24V直流电机(12)为下电动推杆(6)提供上行动力，所述反力架(3)的中间部位设置有与上部固定平台(1)平行的制样筒固定平台(15)，所述制样筒固定平台(15)上固定装有不锈钢制样筒(4)，所述不锈钢制样筒(4)的上部设置有上限位梯形堵头(14)，所述不锈钢制样筒(4)的下部设置有下限位梯形堵头(16)；

所述不锈钢制样筒(4)由上套筒(41)与下套筒(42)组合而成，所述下套筒(42)的外径大于上套筒(41)的外径，所述上套筒(41)与下套筒(42)设置有相同的内径，所述上套筒(41)的下部设置有螺纹(43)，所述制样筒固定平台(15)上开有与上套筒(41)外径相同的圆孔，所述不锈钢制样筒(4)的上套筒(41)由制样筒固定平台(15)的下方穿过制样筒固定平台(15)上的圆孔，之后不锈钢制样筒(4)的上套筒(41)由与螺纹(43)相匹配的螺母(13)紧固在制样筒固定平台(15)上；

所述上电动推杆(5)、下电动推杆(6)、不锈钢制样筒(4)、上限位梯形堵头(14)、下限位梯形堵头(16)的几何中心位于同一竖直线上；

所述不锈钢制样筒(4)内土样与上限位梯形堵头(14)、下限位梯形堵头(16)之间均设置有滤纸，滤纸的直径为：50mm；

所述上限位梯形堵头(14)、下限位梯形堵头(16)由实心圆柱形底座和圆柱体组成，所述圆柱形底座的直径大于圆柱体的直径3mm，圆柱体的直径为49.8mm，长度为50mm；所述不锈钢制样筒的高度为200mm；

所述上电动推杆开关与速度控制器(8)和下电动推杆开关与速度控制器(10)调节上电动推杆(5)与下电动推杆(6)的推动速度，速度的控制范围为：0.5mm-3mm/s之间。

2.根据权利要求1所述的一种标准重塑土样双向压样装置，其特征在于，所述不锈钢制样筒(4)内壁在磨床上进行磨光处理。

3.一种标准重塑土样双向压样方法，采用权利要求1所述的一种标准重塑土样双向压样装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将塑限含水率附近的黏土或粉土过1mm的筛子或干燥后进行粉碎处理，消除土壤的初始各向异性；

(2)使用烘干法测量土壤的含水率ω，之后根据公式ρ_d＝m/(V+Vω)所需要的干密度和含水率计算需要填装重塑土的质量m，其中，ρ_d是标准土样的干密度，m是土样的总质量，V是土样总体积；

(3)调整下电动推杆(6)使下限位梯形堵头(16)的顶部刚好进入不锈钢制样筒(4)中，在进入不锈钢制样筒(4)中时，在下限位梯形堵头(16)顶部放置直径50mm的滤纸；

(4)将称重质量为m的土样一次性装入直径50mm和高度200mm的不锈钢制样筒(4)中，估算填土的初始体积与不锈钢制样筒(4)的容积的差值，根据实际情况在一次性填装不完时，使用细铁丝进行轻微密实，直到装平至不锈钢制样筒(4)上沿口；

(5)装完重塑土后在其上表面放置直径50mm滤纸，然后将上限位梯形堵头(14)放置在上面；

(6)调整上电动推杆(5)，使其和上限位梯形堵头(14)刚好接触，调整上电动推杆开关与速度控制器(8)和下电动推杆开关与速度控制器(10)，使得压缩土样前上电动推杆(5)和下电动推杆(6)的空载速率为0.5mm/s，并标记此速度对应开关与速度控制器旋钮的位置；

(7)上电动推杆(5)和下电动推杆(6)以相同的速度推动上限位梯形堵头和下限位梯形堵头，直到完全卡在不锈钢制样筒(4)沿口处，电机负荷突然增大，电机自动停止工作，使土样固结30分钟；

(8)调整上电动推杆(5)使其回到原始状态，取下上限位梯形堵头(14)，调整下电动推杆，取下下限位梯形堵头(16)，将直径49.8mm和高度50mm的抛光圆柱体从下部放入不锈钢制样筒(4)中，然后调整下电动推杆(6)使其和圆柱体接触并一起向上运动，下电动推杆(6)的速度控制在0.5mm/s，从不锈钢制样筒(4)中推出土样，看见土样底部时停止下电动推杆(6)，取出土样，恢复设备至初始状态即可制备下一个土样，标准土样密度均匀，干扰极小。

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