CN110631859A - 一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置及制备方法，包括竖直螺杆、不动横梁、可动横梁、竖向支架、L型连接杆、箍圈、转接头、环切筒、取样筒、磁力座、圆台、底座。两个竖向支架固定安装在底座两侧，不动横梁两端分别固定在两个竖向支架上，可动横梁两端分别与两个竖向支架装配，且能沿竖向支架上、下移动。竖直螺杆依次穿过不动横梁、可动横梁并与不动横梁、可动横梁装配，竖直螺杆底部设有转接头，转接头连接环切筒。可动横梁安装有L型连接杆，L型连接杆连接有箍圈，箍圈设有取样筒。底座上设有磁力座。本发明涉及一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置及制备方法，以解决传统方法中采用钢丝锯或切土刀切削过程中，对土样扰动较大、试样尺寸不规整、成样困难、套膜不方便等问题。

Description

一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置及制备方法

技术领域

本发明属于土工试验仪器开发领域，具体涉及一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置及制备方法。

背景技术

三轴压缩试验是土木工程与水利工程中测定土体抗剪强度参数的试验方法之一。为了能够准确的反映土体的物理力学性质，试验应尽量采用扰动较小的原状土样。但长期以来，三轴压缩试验原状试样制备所采用的方法大多是先将土样从取样筒中取出，然后用钢丝锯或切土刀细心切削至规定尺寸，最后套上土工乳胶膜。然而，在整个试样制备的过程中，土样从取样筒中取出时周围压力的释放，切削和套膜对土样的扰动，均会导致试样尺寸不规整，有时甚至出现无法成样的情况。因此，如何在周围压力未释放的前提下制备扰动较小、尺寸标准的三轴原状试样，一直是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置及制备方法，以解决传统方法中采用钢丝锯或切土刀切削过程中，对土样扰动较大、试样尺寸不规整、成样困难、套膜不方便等问题。

本发明采取的技术方案为：

一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，包括竖直螺杆、不动横梁、可动横梁、竖向支架、L型连接杆、箍圈、转接头、环切筒、取样筒、磁力座、圆台、底座；

两个竖向支架固定安装在底座两侧，不动横梁两端分别固定在两个竖向支架上，可动横梁两端分别与两个竖向支架装配，且能沿竖向支架上、下移动。

竖直螺杆依次穿过不动横梁、可动横梁并与不动横梁、可动横梁装配，竖直螺杆底部设有转接头，转接头连接环切筒。

可动横梁安装有L型连接杆，L型连接杆连接有箍圈，箍圈设有取样筒。

底座上设有圆台，磁力座吸附于圆台上，且位于取样筒的正下方。

所述竖直螺杆顶部设有十字把手，方便转动；竖直螺杆分为三段：上部上较长螺纹段，与不动横梁的中间螺纹孔螺纹连接；中部光滑段，与可动横梁上的轴承相装配；下部较短螺纹段，与转接头连接。

所述不动横梁两端开孔，通过第二蝶形螺母将其两端分别与两个竖向支架连接，形成约束竖直螺杆与可动横梁的框架结构；竖直螺杆的上部上较长螺纹段与中间螺纹孔螺纹连接，竖直螺杆通过中间螺纹孔旋转上升或下降。

所述可动横梁两端开有直径比竖向支架大的圆孔，使得可动横梁能够沿着竖向支架上下移动；可动横梁中间设有轴承，使得竖直螺杆在可动横梁上能够自由旋转，且不影响可动横梁的上下移动；可动横梁上设有关于轴承对称的两段滑槽，用于调节左、右L型连接杆的相对距离。

所述L型连接杆通过第一蝶形螺母固定在可动横梁上，能够随可动横梁上下移动；所述L型连接杆下端设有螺纹孔，通过螺栓将其与箍圈的两端固定在一起。

所述转接头顶部设有螺纹孔，与竖直螺杆的下部较短螺纹段紧密连接并随之转动，转接头下部与环切筒螺纹连接。

所述环切筒下端沿圆周设置均匀分布的锯齿，以减小其在下切过程中的环向阻力，减小对土样的扰动。

所述箍圈两端设有螺纹孔，能够通过螺栓调节松紧；箍圈箍紧取样筒并与L型连接杆通过螺栓连接，以保证取样筒与L型连接杆一起运动。

所述取样筒上端通过箍圈与L型连接杆连接，取样筒下端设有刃口，以减小现场取样时的下切阻力。

所述磁力座上端设有两层可移除的圆形铁质垫块，上层是厚度为2cm、直径与取样筒内径相同的第一垫块；下层是厚度为2cm、直径与环切筒内径相同的第二垫块；两层垫块通过磁力座的吸引力固定在一起。

所述竖向支架上设有刻度，方便读取可动横梁的下降距离，用于准确控制试样的被切高度。

本发明一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置及制备方法，技术效果如下：

1：取样筒的尺寸比试样尺寸稍大，而环切筒的尺寸与标准试样相同，制样过程中，土样一边被环切筒切削，一边被磁力座上的上层垫块从取样筒顶推进环切筒里。这个过程中土体周围压力没有进一步释放，极大地减少了传统制样方法中采用钢丝锯或切土刀切削对土体的扰动。

2：通过磁力座上的下层垫块将切好的土样从带齿薄筒中顶推出来，土工乳胶膜在土样出来的过程中同时套上，极大的方便了套膜的过程，避免了人工套膜对土样的扰动和乳胶膜的破裂。

附图说明

图1为本发明切样时整体结构示意图。

图2为本发明的竖直螺杆正视结构示意图。

图3为本发明的不动横梁俯视结构示意图。

图4为本发明的可动横梁俯视结构示意图。

图5为本发明的L型连接杆正视结构示意图。

图6为本发明的箍圈俯视结构示意图。

图7为本发明的转接头与环切筒正视结构示意图。

图8为本发明的磁力座及圆台正视结构示意图。

图9为本发明套膜时整体结构示意图。

具体实施方式

参见图1所示，一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，包括竖直螺杆1、不动横梁2、可动横梁3、竖向支架12、L型连接杆4、箍圈7、转接头5、环切筒6、取样筒8、磁力座9、圆台20、底座13。竖向支架12固定在底座13两端，用于支撑整个结构；不动横梁2固定在竖向支架12上；可动横梁3水平受限于竖向支架12，但可沿竖向支架12上下移动；竖直螺杆1连接不动横梁2、可动横梁3与转接头5；L型连接杆4用于连接可动横梁3和箍圈7；磁力座9吸附于固定在底座13中央的圆台20上。

参见图2所示，所述竖直螺杆1顶部设有十字把手19，方便转动；竖直螺杆1分为三段：

上部上较长螺纹段，与不动横梁2的中间螺纹孔18螺纹连接；中部光滑段，与可动横梁3上的轴承15相装配；下部较短螺纹段，与转接头5连接。

参见图3所示，所述不动横梁2两端开孔，用第二蝶形螺母17将两端与固定在底座13上的竖向支架12连接，形成约束竖直螺杆1与可动横梁3的框架结构；不动横梁2中间设有螺纹孔18，竖直螺杆1上部的长段螺纹与不动横梁2上的螺纹孔18紧密连接，并可通过螺纹孔18旋转上升和下降。

参见图4所示，所述可动横梁3两端开有直径比竖向支架12稍大的圆孔，保证可动横梁3能沿着竖向支架12上下移动；可动横梁3中间设有轴承15，以确保竖直螺杆1在可动横梁3上能够自由旋转，且不影响可动横梁3的上下移动；可动横梁3上设有关于轴承15对称的两段滑槽14，方便调节左、右L型连接杆4的相对距离。

所述竖向支架上12设有刻度，方便读取可动横梁3的下降距离，用于准确控制试样的被切高度。

参见图5所示，所述L型连接杆4上端采用第一蝶形螺母16固定在可动横梁3上的滑槽中，可以随可动横梁3上下移动，左右L型连接杆的相对距离能够通过滑槽14进行调节；所述L型连接杆4下端设有螺纹孔，通过螺栓将其与箍圈7的两端固定在一起。

参见图6所示，所述箍圈7两端设有螺纹孔，可以通过螺栓调节松紧。箍圈7内径有20cm和15cm两种，参见图1所示，大箍圈在切样过程中起连接取样筒8与L型连接杆4的作用；参见图9所示，小箍圈在套膜过程中起连接环切筒6与L型连接杆4的作用。

参见图7所示，所述转接头5顶部设有螺纹孔，与竖直螺杆1底部螺纹紧密连接并随之转动，下部与环切筒6以螺纹连接。

参见图7所示，所述环切筒6下端沿圆周设置均匀分布的锯齿，以减小其在下切过程中的环向阻力，减小对土样的扰动。

所述取样筒8上端通过箍圈7与L型连接杆4连接，下端设有刃口，以便减小现场取毛样时的下切阻力。

参见图8所示，所述磁力座9吸附于圆台20上，圆台20通过螺纹固定于底座13上。磁力座9上端设有两层可移除的圆形铁质垫块，上层是厚度为2cm、直径与取样筒7内径相同的第一垫块10；下层是厚度为2cm、直径与环切筒5内径相同的第二垫块11，两层垫块通过磁力座9的吸引力固定在一起。

一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，其操作方法包括以下步骤：

切样步骤，如图1所示：

步骤1：用刀具将取样筒8中土样两端扰动的部分削去，使筒内剩余土样的高度不小于直径的二倍，并保证两端平整。

步骤2：将第一垫块10、第二垫块11按图1中顺序居中叠放在磁力座9上，打开磁力座9固定第一垫块10、第二垫块11。将包含原状土的取样筒8水平居中放置在第一垫块10上，通过旋转竖直螺杆1顶部的十字把手19，调节环切筒6的高度，使得其下端的锯齿刚好与土样上表面接触。

步骤3：将直径20cm的大箍圈7套在取样筒8上，通过可动横梁3上的滑槽14调节左、右L型连接杆4的相对位置，使其下端的螺纹孔与大箍圈7两端的螺纹孔重合，然后拧紧L型连接杆4上端的第一蝶形螺母16将其固定，并用扳手调紧大箍圈两端的螺栓，使得L型连接杆4和取样筒8牢固连接。

步骤4：匀速旋转竖直螺杆1顶部的十字把手19，带动环切筒6下切土样，该过程中土样在取样筒8内完成切削，周围压力未被释放，因此减少了对土样的扰动，保证了土样尺寸的规整性。通过竖向支架12上的刻度观察环切筒6的下降距离，避免由于下切过度引起的环切筒6下端锯齿与垫块10之间的摩擦。

步骤5：切削完成后，拧下L型连接杆4上端的蝶形螺母16并用扳手调松大箍圈7，卸下L型连接杆4和大箍圈7。反向旋转竖直螺杆1的十字把手19，将转接头5从环切筒6上卸下，然后将转接头5从竖直螺杆1上螺下。

套膜步骤，如图9所示：

S1：将直径15cm的小箍圈7套进环切筒6。调节L型连接杆4在可动横梁滑槽14中的位置，使其下端的螺纹孔与小箍圈7两端的螺纹孔对齐，然后拧紧第一蝶形螺母16将L型连接杆4的位置固定，并用扳手调紧小箍圈7两端的螺栓，使得L型连接杆4、小箍圈7与环切筒6之间牢固连接。

S2：关闭磁力座9，抽出磁力座9上端直径与取样筒8内径相近的第一垫块10。用直径与环切筒6内径相近、厚度为2cm的第二垫块21将土工乳胶膜22一端撑开，并用小箍圈23箍紧，将土工乳胶膜22剩余部分全部套进环切筒6上端。

S3：缓慢旋转竖直螺杆1上的十字把手19，将环切筒6与土样分离的同时，土工乳胶膜22也缓缓套上，该过程中土工乳胶膜22从环切筒6上平滑的转移到土样上，既保证了土工乳胶膜22不会破裂，又减小了对土样的摩擦扰动。卸掉小箍圈23及第二垫块21，即可得到套上土工乳胶膜的标准试样。

Claims (10)

1.一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，包括竖直螺杆（1）、不动横梁（2）、可动横梁（3）、竖向支架（12）、L型连接杆（4）、箍圈（7）、转接头（5）、环切筒（6）、取样筒（8）、磁力座（9）、圆台（20）、底座（13）；其特征在于：

两个竖向支架（12）固定安装在底座（13）两侧，不动横梁（2）两端分别固定在两个竖向支架（12）上，可动横梁（3）两端分别与两个竖向支架（12）装配，且能沿竖向支架（12）上、下移动；

竖直螺杆（1）依次穿过不动横梁（2）、可动横梁（3）并与不动横梁（2）、可动横梁（3）装配，竖直螺杆（1）底部设有转接头（5），转接头（5）连接环切筒（6）；

可动横梁（3）安装有L型连接杆（4），L型连接杆（4）连接有箍圈（7），箍圈（7）设有取样筒（8）；

底座（13）上设有圆台（20），磁力座（9）吸附在圆台（20）上，且位于取样筒（8）的下方。

2.根据权利要求1所述一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，其特征在于：所述竖直螺杆（1）顶部设有十字把手（19），竖直螺杆（1）分为三段：

上部较长螺纹段，与不动横梁（2）的中间螺纹孔（18）螺纹连接；

中部光滑段，与可动横梁（3）上的轴承（15）相装配；

下部较短螺纹段，与转接头（5）连接。

3.根据权利要求2所述一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，其特征在于：所述不动横梁（2）两端开孔，通过第二蝶形螺母（17）将其两端分别与两个竖向支架（12）连接，形成约束竖直螺杆（1）与可动横梁（3）的框架结构；竖直螺杆（1）的上部上较长螺纹段与中间螺纹孔（18）螺纹连接，竖直螺杆（1）通过中间螺纹孔（18）旋转上升或下降。

4.根据权利要求1所述一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，其特征在于：所述可动横梁（3）两端开有直径比竖向支架（12）大的圆孔，使得可动横梁（3）能够沿着竖向支架（12）上下移动；

可动横梁（3）中间设有轴承（15），使得竖直螺杆（1）在可动横梁（3）上能够自由旋转，且不影响可动横梁（3）的上下移动；

可动横梁（3）上设有关于轴承（15）对称的两段滑槽（14），用于调节左、右L型连接杆的相对距离。

5.根据权利要求1所述一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，其特征在于：所述转接头（5）顶部设有螺纹孔，与竖直螺杆（1）的下部较短螺纹段紧密连接并随之转动，转接头（5）下部与环切筒（6）螺纹连接。

6.根据权利要求1所述一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，其特征在于：所述取样筒（8）上端通过箍圈（7）与L型连接杆（4）连接，取样筒（8）下端设有刃口，以减小现场取样时的下切阻力。

7.根据权利要求1所述一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，其特征在于：所述磁力座（9）上端设有两层可移除的圆形铁质垫块，上层是第一垫块（10）；下层是第二垫块（11）；两层垫块通过磁力座（9）的吸引力固定在一起。

8.根据权利要求1所述一种用于三轴压缩试验的原状土样制备装置，其特征在于：所述竖向支架（12）上设有刻度，方便读取可动横梁（3）的下降距离，用于准确控制试样的被切高度。

9.一种用于三轴压缩试验的原状土样制备方法，其特征在于，包括切样步骤：

步骤1：将取样筒（8）中土样两端扰动的部分削去，使筒内剩余土样的高度不小于直径的二倍，并保证两端平整；

步骤2：将第一垫块（10）、第二垫块（11）叠放在磁力座（9）上，打开磁力座（9）固定两个垫块，将包含原状土的取样筒（8）水平居中放置在第一垫块（10）上，通过旋转竖直螺杆（1）顶部的十字把手（19），调节环切筒（6）的高度，使得其下端的锯齿刚好与土样上表面接触；

步骤3：将直径较大的箍圈（7）套在取样筒（8）上，通过可动横梁（3）上的滑槽（14）调节左、右L型连接杆（4）的相对位置，使其下端的螺纹孔与直径较大的箍圈（7）两端的螺纹孔重合，然后拧紧L型连接杆（4）上端的第一蝶形螺母（16）将其固定，并调紧直径较大的箍圈（7）两端的螺栓，使得L型连接杆（4）和取样筒（8）牢固连接；

步骤4：匀速旋转竖直螺杆（1）顶部的十字把手（19），带动环切筒（6）下切土样，该过程中土样在取样筒（8）内完成切削，周围压力未被释放；通过竖向支架（12）上的刻度，观察环切筒（6）的下降距离，避免由于下切过度引起的环切筒（6）下端锯齿与第一垫块（10）之间的摩擦；

步骤5：切削完成后，拧下L型连接杆（4）上端的第一蝶形螺母（16），并用调松直径较大的箍圈（7），卸下L型连接杆（4）和直径较大的箍圈（7），反向旋转竖直螺杆（1）的十字把手（19），将转接头（6）从环切筒（6）上卸下，然后将转接头（5）从竖直螺杆（1）上取下。

10.一种用于三轴压缩试验的原状土样制备方法，其特征在于，包括套膜步骤：

S1：将直径较小的箍圈（7）套进环切筒（6），调节L型连接杆（4）在可动横梁（3）的滑槽（14）中的位置，使其下端的螺纹孔与直径较小的箍圈（7）两端的螺纹孔对齐，然后拧紧第一蝶形螺母（16）将L型连接杆（4）的位置固定，并调紧直径较小的箍圈（7）两端的螺栓，使得L型连接杆（4）、直径较小的箍圈（7）与环切筒（6）之间牢固连接；

S2：关闭磁力座（9），抽出磁力座（9）上端直径与取样筒（8）内径相近的第一垫块（10），用第二垫块（11）将土工乳胶膜（22）一端撑开，并用小箍圈（23）箍紧，将土工乳胶膜（22）剩余部分全部套进环切筒（6）上端；

S3：缓慢旋转竖直螺杆（1）上的十字把手（19），将环切筒（6）与土样分离的同时，土工乳胶膜（22）也缓缓套上，该过程中土工乳胶膜（22）从环切筒（6）上平滑的转移到土样上，卸掉小箍圈（23）以及第二垫块（11），即可得到套上土工乳胶膜的标准试样。

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