CN111474028B - 一种粗粒土试样干密度控制试验装置及刮平和压实方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粗粒土试样干密度控制试验装置及刮平和压实方法，包括连接于宽度可调水平支撑机构上可沿试验箱上端滑动以将试验箱内的粗粒土刮平的刮平机构，所述刮平机构具有刮拉宽度可调的刮平刀，于所述刮平机构与水平支撑机构之间构造有用于锁紧二者的锁紧件，于所述水平支撑机构上安装有水平调整单元。本发明具有快速刮平、精确控制粗粒土试样每层土样干密度的特点。本发明适用于土力学试验中粗粒土刮平及干密度控制技术领域。基于土工格栅拉拔试验的填料分层压实过程，对本发明进行了实测检验，压实数据显示，本发明刮平、压实效果良好，可有效控制粗粒土试样的干密度，误差小、精度高，具有很好的适用性。

Description

一种粗粒土试样干密度控制试验装置及刮平和压实方法
技术领域
本发明适用于土力学试验技术领域，具体地说，涉及一种粗粒土试样干密度控制试验装置及刮平和压实方法。
背景技术
目前，粗粒土试样在制样中多采用分层回填压实的方式，即逐层回填土样，每回填一层，便对土样进行刮平，直至制样完毕。实验室主要采用的刮平方式为人工手动刮平，增大了刮平的难度与工作量，同时刮平的效果也不尽理想，导致效率低下，影响测试效率与试验结果的准确性。
申请号为：201210089497.X，名称为：土工格栅拉拔试验土体表面刮平装置及刮平方法的发明专利中，存在的缺陷为：①刮平前需要将拉拔箱放在底座上的L型槽内，不适用于尺寸较大、质量较重的拉拔箱；②只可沿一个方向刮平，不可搭临边进行刮平；③仅可适用于深度较小的试验箱刮平，而不适用于深度较大的拉拔箱；④竖向滑杆两侧的定位螺栓与定位套在操作时不是同步调整，不可避免会出现操作误差，不能保证水平滑杆高度完全一致，进而使得刮平刀未能处于水平状态；⑤由于水平滑杆高度的不统一，在实际刮平中刮平刀滑轮在水平滑杆内运动时会出现刮平刀滑轮卡在水平滑杆内的现象。
现有的刮平装置只具有刮平功能，刮平效果无法评估，即没有相应的检测方法对刮平效果进行评估。基于以上分析，实验室亟需一个快速刮平，且能精确控制粗粒土试样每层土样干密度的试验装置。
发明内容
本发明提供一种快速精确刮平，且可以控制粗粒土试样每层土样干密度的试验装置。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种粗粒土试样干密度控制试验装置，包括连接于宽度可调的水平支撑机构上并可沿试验箱上端滑动以将试验箱内的粗粒土刮平的刮平机构，所述刮平机构具有刮拉宽度可调的刮平刀，于所述刮平机构与水平支撑机构之间构造有用于锁紧二者的锁紧件，于所述水平支撑机构上安装有水平调整单元。
进一步的，所述刮平机构包括具有竖向滑道的竖向滑杆，所述刮平刀安装于所述竖向滑杆下端并沿水平方向延伸。
进一步的，于所述刮平刀长度方向的两端分别滑动连接有延长刀，各所述延长刀通过设于刮平刀相对应侧的第一调节螺栓锁紧于所述刮平刀上。
进一步的，于所述竖向滑杆上沿其长度方向刻划有刻度。
进一步的，所述锁紧件包括穿过所述竖向滑道并与所述水平支撑机构螺纹连接的紧固螺栓，于紧固螺栓的螺帽上刻划有对准线。
进一步的，所述水平支撑机构包括横向设置的支撑杆，所述水平调整单元包括两滑动底座，两滑动底座分别安装于所述支撑杆两端的下表面。
进一步的，所述支撑杆具有两延伸杆，两所述延伸杆分别滑动连接于支撑杆的两端，并分别通过相对应的第二调节螺栓紧固于支撑杆上，且两所述滑动底座分别设于两延伸杆远离支撑杆末端。
进一步的，于所述支撑杆的中部位置处设有玻璃圆水准泡。
进一步的，所述滑动底座包括与所述支撑杆螺纹连接的竖直调节杆，于所述调节杆远离支撑杆的一端构造有安装块，于所述安装块远离支撑杆的一端安装有滚珠。
本发明还公开了一种粗粒土试样干密度控制试验装置的刮平和压实方法，包括如下步骤：
S1、依据试验拟采用的试样干密度，测量待盛放粗粒土的试验箱尺寸，确定试样的总体质量，再根据填筑层数以及压实度，从而计算出粗粒土分层填筑的质量；
S2、称取每层回填粗粒土的质量；
S3、将粗粒土填入试验箱内，将水平支撑机构放置在试验箱的上端面，使其沿水平方向滑动，对填入试验箱内的粗粒土进行刮平，刮平过程中根据刮平刀前端土料的多少调整竖向滑杆的高低；
S4、待刮平完毕后，将压实板放置在已刮平的粗粒土上表面，采用深度尺测量试样在不同位置的高度，至少测量两个位置，并分别记录深度值d1、d2，通过对比d1、d2与目标压实高度值，控制压实时锤击的力度；
S5、用橡胶锤均匀的锤击压实板，锤击过程中不断使用深度尺测量试样不同位置的高度，至少测量六个位置，分别为试验箱四个边角点以及试验箱中间部分的两个点，直至压实到目标高度值；
S6、重复S3-S5步骤，分层回填粗粒土，并分别对每层土样进行刮平和压实，以使回填粗粒土试样高度达到理论高度值。
本发明由于采用了上述装置与方法，与现有技术相比，所取得的技术进步在于：所述刮平机构的刮平刀刮拉宽度可调，从而使刮平刀的刮平范围可随时进行调整；且由于水平支撑机构宽度可调，在水平支撑机构在试验箱上滑动时，水平支撑机构带动刮平机构，从而使水平支撑机构适应不同的试验箱尺寸或同一试验箱不同滑动方向，通过调整水平支撑机构上的水平调整单元，有效避免当试验箱两侧高度不一致时，设备无法保持水平的困境，确保刮平过程中刮平刀的下端保持水平状态，同时确保填料表面刮平，实现均匀压实。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例水平支撑机构的侧视图；
图3为本发明实施例水平支撑机构的俯视图。
标注部件：1-刮平刀，11-延长刀，12-第一调节螺栓，13-固定螺钉，2-竖向滑杆，21-竖向滑道，22-刻度，3-紧固螺栓，31-对准线，4-支撑杆，41-延伸杆，42-第二调节螺栓，43-安装块，44-滚珠，45-玻璃圆水准泡。
实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种粗粒土试样干密度控制试验装置，如图1所示，包括水平支撑机构、刮平机构及锁紧件。其中，水平支撑机构滑动设置在试验箱上端，且水平支撑机构的宽度可调，以适应在不同尺寸的试验箱上端面上滑动，或者在同一试验箱不同方向上滑动，即沿试验箱的长度或宽度方向滑动；在水平支撑机构上安装有水平调整单元，水平调整单元放置在试验箱相对侧壁的上端面，并在外力推拉下带动水平支撑机构与试验箱相对滑动。刮平机构竖直滑动连接在水平支撑机构上，且刮平机构随水平支撑机构滑动以将试验箱内的粗粒土刮平，刮平机构具有刮拉宽度可调的刮平刀1，通过调节刮平刀1的宽度，使刮平刀1的刮平范围可调以适应不同尺寸的试验箱。锁紧件构造在刮平机构与水平支撑机构之间用于二者锁紧。本发明的工作原理为：首先，根据试验箱的尺寸调整刮平刀1的刮拉范围；之后，调整水平支撑机构的宽度和水平调整单元的高度，以使刮平刀1处于水平状态的同时水平调整单元与试验箱的两相对侧壁的上端面滑动连接；然后，沿竖直方向滑动刮平机构，以使刮平刀1的高度达到预定位置，操作锁紧件将调整后的刮平机构和水平支撑机构锁紧；再推拉水平支撑机构在试验箱上端端部滑动，进而实现采用刮平刀1对粗粒土进行刮平。由此可知，本发明可有效避免当试验箱两侧高度不一致时，设备无法保持水平的困境，确保刮平过程中刮平刀1的下端保持水平状态，同时确保填料表面刮平，实现均匀压实。
作为本发明刮平机构优选的实施例，刮平机构包括竖向滑杆2、刮平刀1及两个延长刀11。其中，竖向滑杆2具有竖向滑道21，竖向滑杆2的长度为待刮平试验箱的高度，宽度不低于50mm，竖向滑杆2内侧竖向滑道21宽度为竖向滑杆2宽度的1/4～1/2。刮平刀1的中部通过固定螺钉13固定安装在竖向滑杆2下端，刮平刀1的两端沿水平方向延伸，两个延长刀11分别安装在刮平刀1的两端，且均与刮平刀1滑动连接，每个延长刀11通过设置在刮平刀1相对应侧的第一调节螺栓12锁紧在刮平刀1上，刮平刀1与延长刀11的高度不小于50mm，以防止在对土样的刮平过程中土样由刮平刀1或延长刀11的上端翻过，刮平刀1与延长刀11均为马氏体不锈钢材质。本实施例为了精确刮平刀1沿竖直方向滑动的位移，以便于调节高度，在竖向滑杆2上沿其长度方向刻划有刻度22，根据刻度22数值可读出填料倒入与压实后竖向滑杆2上下滑动的有关数值，数值可精确至1mm。
作为锁紧件优选的实施例，锁紧件为紧固螺栓3，紧固螺栓3的螺纹直径8.0mm～12.0mm，螺纹半牙长度6.0mm～8.0mm，螺纹长度2.0～4.0mm，通过调节紧固螺栓3的松紧可实现竖向滑杆2的在某一高度处的固定与上下滑动；在紧固螺栓3的螺帽上刻划有对准线31，便于在竖向滑杆2在某一高度处读取对应数值，通过紧固螺栓3可以确定刮平刀1的位置高度，提高移动和读数的精确性。
作为水平支撑机构优选的实施例，如图1-3所示，水平支撑机构包括横向设置的支撑杆4，水平调整单元包括两滑动底座，两滑动底座分别安装在支撑杆4的两端的下端。水平支撑机构的宽度调节功能有支撑杆4来实现，其具体的结构为：支撑杆4具有两个延伸杆41，两个延伸杆41分别滑动连接在支撑杆4的两端，延伸杆41通过相对应的第二调节螺栓42紧固在支撑杆4上，且两个滑动底座分别设置在两个延伸杆41远离支撑杆4的一端，以使支撑杆4长度调节后与试验箱上端滑动连接。其中，滑动底座优选的结构为：滑动底座包括调节杆、安装块43及滚珠44，调节杆竖直设置且一端与支撑杆4螺纹连接，安装块43固定安装在调节杆远离支撑杆4的一端，滚珠44安装在安装块43远离支撑杆4的一端，滚珠44直径5mm～9mm，添加滚珠44的作用是保证在刮平过程中支撑杆4保持平滑的滑动，以提高刮平刀1的刮平精度。本实施例通过旋转调节杆，使调节杆旋进支撑杆4的长度不同而实现高度的调节，调节杆可调的范围不小于5mm。本实施例在支撑杆4的中部位置处装配有玻璃圆水准泡45，玻璃圆水准泡45高度6mm～9mm，直径10mm～18mm，精度20' 2mm～60' 2mm。本实施例通过调节调节杆并观察玻璃圆水准泡45，至水泡处于正中间为止，以确定刮平刀1处于水平状态。
本发明还公开了上述一种粗粒土试样干密度控制试验装置的刮平和压实方法，包括如下步骤：
S1、依据试验拟采用的试样干密度，测量待盛放粗粒土的试验箱尺寸，确定试样的总体质量，再根据填筑层数以及压实度，从而计算出粗粒土分层填筑的质量；
S2、称取每层回填粗粒土的质量；
S3、将粗粒土填入试验箱内，将水平支撑机构放置在试验箱的上端面，通过调节调节杆并观察玻璃圆水准泡45，至水泡处于正中间为止，调节竖向滑杆2上的紧固螺栓3，将竖向滑杆2带动的刮平刀1缓慢下落，初步确定刮平高度，刮平刀1下缘高度取1.1倍的目标压实高度值，拧紧紧固螺栓3，并驱动水平支撑机构在试验箱上端滑动，根据刮平刀前端土料的多少调整竖向滑杆的高低，直至填充入试验箱内的土样刮平；
S4、待刮平完毕后，将压实板放置在已刮平的粗粒土上表面，采用深度尺测量试样在不同位置的高度，至少测量两个位置，并分别记录深度值d1、d2，通过对比d1、d2与目标压实高度值，控制压实时锤击的力度；
S5、用橡胶锤均匀的锤击压实板，锤击过程中不断使用深度尺测量试样不同位置的高度，至少测量六个位置，分别为试验箱四个边角点以及试验箱中间部分的两个点，直至压实到目标高度值；
S6、重复S3-S5步骤，分层回填粗粒土，并分别对每层土样进行刮平和压实，以使回填粗粒土试样高度达到理论高度值。
上述压实板的长度、宽度取待刮平试验箱内部尺寸对应数值减去5mm，压实板的厚度不小于20mm，深度尺为无沟平头深度尺，其量程不小于待刮平试验箱的深度，分辨率不小于0.1mm。
基于土工格栅拉拔试验的填料分层压实过程，对本发明进行了实测检验，详述如下：
（1）试验箱尺寸
试验箱内部尺寸：长×宽×高＝600mm×400mm×500mm。
（2）试验工具
压实板（长×宽×高＝595mm×395mm×20mm）、深度游标卡尺（精度为0.05mm，主尺长度为500mm）、橡胶锤、电子称（精度0.01kg）。
（3）试验土料
粒径2-8mm的砾粒土。
（4）分层压实数据
试验箱根据高度分为上箱与下箱，上箱与下箱高度各为250mm。将上箱与下箱每50mm分为一压实层，下箱填料5层，上箱填料4层，试样总高度450mm。经击实试样，砾粒土的最大干密度为1.962g/cm3，按压实度0.95，试样干密度取值为1.86g/cm3。
计算出每层填料质量为1.86g/cm3×60cm×40cm×5cm/1000=22.32 kg。下箱第1层填料理论高度50mm，即距顶部深度450mm，第2层填料累计理论高度100mm，即距顶部深度400mm，以此类推，计算出各层填料累计理论高度和距顶部深度。
（5）装样过程
装样、刮平、压实过程严格按照所述方法进行，每层试样按照所计算的质量进行填装，在刮平过程保证试样沿高度水平面分布均匀，计算初始高度与目标高度的差值，有效控制压实过程中的锤击力度。
经压实试验数据记录（见表1），测得每层土样干密度与目标干密度误差值不超过0.003 g/cm3，表明本发明可有效控制粗粒土试样的干密度，误差小、精度高。
表1 压实数据记录
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (1)

1.一种粗粒土试样干密度控制试验装置的刮平和压实方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、依据试验拟采用的试样干密度，测量待盛放粗粒土的试验箱尺寸，确定试样的总体质量，再根据填筑层数以及压实度，从而计算出粗粒土分层填筑的质量；
S2、称取每层回填粗粒土的质量；
S3、将粗粒土填入试验箱内，将水平支撑机构放置在试验箱的上端面，使其沿水平方向滑动，对填入试验箱内的粗粒土进行刮平，刮平过程中根据刮平刀前端土料的多少调整竖向滑杆的高低；
S4、待刮平完毕后，将压实板放置在已刮平的粗粒土上表面，采用深度尺测量试样在不同位置的高度，至少测量两个位置，并分别记录深度值d1、d2，通过对比d1、d2与目标压实高度值，控制压实时锤击的力度；
S5、用橡胶锤均匀的锤击压实板，锤击过程中不断使用深度尺测量试样不同位置的高度，至少测量六个位置，分别为试验箱四个边角点以及试验箱中间部分的两个点，直至压实到目标高度值；
S6、重复S3-S5步骤，分层回填粗粒土，并分别对每层土样进行刮平和压实，以使回填粗粒土试样高度达到理论高度值；
粗粒土试样干密度控制试验装置包括连接于宽度可调的水平支撑机构上并可沿试验箱上端滑动以将试验箱内的粗粒土刮平的刮平机构，所述刮平机构具有刮拉宽度可调的刮平刀，于所述刮平机构与水平支撑机构之间构造有用于锁紧二者的锁紧件，于所述水平支撑机构上安装有水平调整单元；所述刮平机构包括具有竖向滑道的竖向滑杆，于所述竖向滑杆上沿其长度方向刻划有刻度，所述刮平刀安装于所述竖向滑杆下端并沿水平方向延伸；于所述刮平刀长度方向的两端分别滑动连接有延长刀，各所述延长刀通过设于刮平刀相对应侧的第一调节螺栓锁紧于所述刮平刀上；刮平刀与延长刀的高度不小于50mm；所述水平支撑机构包括横向设置的支撑杆，所述水平调整单元包括两滑动底座，两滑动底座分别安装于所述支撑杆的两端的下表面上；所述支撑杆具有两延伸杆，两所述延伸杆分别滑动连接于支撑杆的两端，并分别通过相对应的第二调节螺栓紧固于支撑杆上，且两所述滑动底座分别设于两延伸杆远离支撑杆的一端；于所述支撑杆的中部位置处设有玻璃圆水准泡；所述滑动底座包括与所述支撑杆螺纹连接的竖直调节杆，于所述调节杆远离支撑杆的一端构造有安装块，于所述安装块远离支撑杆的一端安装有滚珠；所述锁紧件包括穿过所述竖向滑道并与所述水平支撑机构螺纹连接的紧固螺栓，于紧固螺栓的螺帽上刻划有对准线。
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