CN112014190A - 一种土工三轴试验击样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土工三轴试验击样装置及方法，土工三轴试验击样装置包括成型筒、限位机构和击打机构，限位机构包括限位环，限位环固定在成型筒的上方；击打机构包括击锤和锤杆，锤杆活动贯穿限位环，锤杆与限位环之间设有限位组件，限位组件用于容锤杆朝下向移动。将击打机构的锤杆贯穿限位环，击打锤杆的顶端，锤杆向下移动使击锤能击实土样，由于限位组件的限制，受到土样反作用力的击打机构不会向上回弹，极大地减少了击打机构与土样之间出现空隙的可能，保证样品内部结构更致密，有利于后续试验的开展。

Description

一种土工三轴试验击样装置及方法

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域中的一种土工三轴试验击样装置及方法。

背景技术

三轴试验是一种非常重要的土工试验方法。在室内土工三轴试验中，常常使用重塑土样来进行试验。重塑土试样的制备主要包括选取土样、烘干、碾散、过筛、配土、制样等步骤，其中制样步骤非常关键，而压样是制样中不可缺少的重要步骤，通过压样可以控制土样的湿度和密度。

现行的重塑土制备土样方法主要有固结法、分层压实法和击样法。传统的击样装置击锤导杆、击锤、击实板和土样成型筒组成，采用确定质量的击锤从确定的高度沿着击锤导杆下落，产生一定的冲击力，利用这个冲击力将能量传递给击实板再传至土样。自下往上将所需土样在土样成型筒内分层击实，击完最后一层后，将土样成型筒内土样两端整平即完成土样制备。

击样法简单易行、制样周期短的优点显而易见，但也存在不足：一、击样过程中，因为土样具备一定的弹性，当击锤碰撞击实板瞬间会发生能量的反弹，在击实板与土样之间容易出现空隙。这会导致在每次锤击时，容易将空气封装在样品中，致使样品内部形成较大孔隙，不利于后续试验的开展。另外，需通过观察直尺的刻度来判断每层土样的厚度是否达到要求，如不满足，需要二次锤击，这时会再次引入空气，导致试验偏差进一步加大。二、较难保证击锤导杆在击实过程中保持竖直。击锤沿着击锤导杆将冲击力传至击实板再传至土样时，传递不均匀，致使各层土样表面高低不水平，而需对土样端面进行整平处理，不仅效果欠缺，还会对土样造成一定扰动，使其端面表层的均匀性降低，在分层面形成倾斜的薄弱面。实际上，土样发生破坏时与土样内部密实度以及粘聚力有关，当土样制备较均匀时，则土样中任意斜截面上所能承受的最大剪应力将相同，土样破坏将随机发生在任意位置；如果制备的土样不均匀，则土样密实度较小部位的斜截面上所能承受的最大剪应力将小于密实度大的部位，土样也将沿该部位的某一斜截面发生破坏。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种土工三轴试验击样装置及方法，有效减少土样内孔隙的形成。

根据本发明的第一方面实施例，提供一种土工三轴试验击样装置，包括成型筒、限位机构和击打机构，限位机构包括限位环，限位环固定在成型筒的上方；击打机构包括击锤和锤杆，锤杆活动贯穿限位环，锤杆与限位环之间设有限位组件，限位组件用于容锤杆朝下向移动。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述限位组件包括摆杆和伸缩件，所述摆杆具有第一端和第二端，所述摆杆的中部铰接在所述限位环上，所述摆杆的第一端通过所述伸缩件与所述限位环的顶面连接，所述锤杆的侧面设有多个沿轴向间隔布置的环形的凸起，所述凸起的外径由下往上逐渐增大，所述凸起的外径最大处与所述限位环的内壁之间具有避让空间，所述摆杆的第二端能与所述凸起的外侧抵接。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述伸缩件包括托座和位于所述托座中的顶托，所述顶托可沿所述托座的长度方向活动，所述摆杆的第一端与所述顶托铰接。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述摆杆的第二端设有挡板，所述挡板远离所述摆杆的一端能与所述锤杆的外侧相抵接，所述挡板与所述锤杆外侧抵接时，所述凸起的顶面与所述挡板底面在所述凸起顶面所在的平面的投影重合。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述摆杆的中部通过扭簧铰接在所述限位环上，所述扭簧的一端脚与所述摆杆连接，所述扭簧的另一端脚与所述限位环连接。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述限位机构还包括至少一个定位结构，所述限位环通过所述定位结构固定在所述成型筒的上方，所述定位机构包括连杆和竖直布置的定位柱，所述连杆的第一端与所述限位环连接，所述连杆的第二端固定在所述定位柱上。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述定位结构的数量为三个，相邻的两个所述连杆之间形成的夹角为120°。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述定位柱的外侧设有环形的支撑平台，所述连杆的第二端通过套环套设在所述定位柱上，所述套环安装在所述支撑平台上。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述土工三轴试验击样装置还包括底板，所述定位柱和所述成型筒均安装在所述底板上。

根据本发明的第二方面实施例，提供一种土工三轴试验击样方法，其使用上述的土工三轴试验击样装置，包括以下步骤：

S10.将试样放入成型筒中，将击打机构的击锤放入成型筒内；

S20.安装限位环在成型筒上方，打开限位组件，限位环套设在锤杆上；

S30.击打锤杆直至试样达到目标厚度；

S40.再次打开限位组件，向上提升击打机构，取出成型筒中的试样，将待击实的土样放入成型筒中；

S50.击打锤杆直至土样达到目标厚度。

本发明的有益效果是：将击打机构的锤杆贯穿限位环，击打锤杆的顶端，锤杆向下移动使击锤能击实土样，由于限位组件的限制，受到土样反作用力的击打机构不会向上回弹，极大地减少了击打机构与土样之间出现空隙的可能，保证样品内部结构更致密，有利于后续试验的开展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明的结构示意图(待击打状态)；

图2是本发明的结构示意图(击打机构提起状态)；

图3是本发明中限位组件处于抵挡状态的示意图；

图4是本发明中限位组件处于打开状态的示意图；

图5是本发明中限位组件的俯视图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1～图2，本发明第一方面实施例中的土工三轴试验击样装置，包括成型筒40、限位机构和击打机构。在本发明中，向下指的是靠近成型筒40的方向。

限位机构包括限位环20和至少一个定位结构，限位环20通过定位结构固定在成型筒40的上方。击打机构包括击锤12和锤杆11，锤杆11与击锤12的顶面连接，在某些实施例中，击锤12的底面设有击实板13，以更好地将冲击力均匀传递至土样。锤杆11活动贯穿限位环20，锤杆11与限位环20之间设有限位组件，限位组件用于容锤杆11朝下向移动，从而避免击锤12反弹而导致大量空气被压入土样中，可选地，限位组件的数量为一个以上。

在某些实施例中，锤杆11与限位环20之间设有三个限位组件，三个限位组件等距间隔并周向布置在限位环20上。参照图3～图4，限位组件包括摆杆30和伸缩件，摆杆30具有第一端和第二端，摆杆30的中部铰接在限位环20上，摆杆30的中部位于第一端和第二端之间。摆杆30的第一端通过伸缩件与限位环20的顶面连接，锤杆11的侧面设有多个沿轴向间隔布置的环形的凸起110，凸起110的外径由下往上逐渐增大，凸起110的外径最大处与限位环20的内壁之间具有避让空间，摆杆30的第二端能与凸起110的外侧抵接。由于摆杆30的第二端与凸起110的外侧面相抵接，当锤杆11被击打而向下运动时，凸起110推动摆杆30的第二端向限位环20的内壁贴近，以及被逐渐压入避让空间中，相应地，摆杆30的第一端向上提起，带动伸缩件伸长；当摆杆30的第二端与凸起110的外径最大处抵接时，摆杆30的第二端位于避让空间中，以容凸起110通过；当摆杆30的第二端经过该凸起110的外径最大处后，伸缩件自然回缩，摆杆30的第二端位于该凸起110的上方。若此时向上提起锤杆11，凸起110的顶面与摆杆30的第二端抵接，摆杆30的第一端有下降并压紧伸缩件的趋势，由于伸缩件难以再被压缩，因此摆杆30无法反向摆动，从而限制锤杆11不能向上提升，防止击打机构因受力回弹而使土样中被压入大量空气。进一步地，锤杆11侧面的凸起110等距间隔，通过数出经过限位组件的凸起110的数目，即可得知是否已将土样锤击至目标厚度；或预先标记某个凸起110，当被标记的凸起110到达限位组件时代表土样已被锤击至目标厚度，从而免去用尺子测量的步骤，减少工作量的同时避免更多气体的引入。

在某些实施例中，伸缩件包括托座32和位于托座32中的顶托31，顶托31可沿托座32的长度方向活动，摆杆30的第一端与顶托31铰接。可选地，顶托31为刚性件，当顶托31的底面与托座32相接触时，摆杆30的第一端处于原始位置。顶托31可从托座32中伸出，因此摆杆30的第一端能被提起，另外，当摆杆30的第一端被提起时，在顶托31的重力作用下，摆杆30的第一端始终有回复至原始位置的趋势，亦即此时，摆杆30的第二端有脱离避让空间的趋势。刚性的顶托31难以被压缩，有效地防止凸起110推动摆杆30的第一端下降至低于原始位置。

进一步地，摆杆30的中部通过扭簧铰接在限位环20上，可选地，摆杆30的中部通过铰接轴铰接在限位环20的内侧，扭簧套设在铰接轴上，扭簧的一端脚与摆杆30连接，扭簧的另一端脚与限位环20连接。当摆杆30的第一端脱离原始位置时，扭簧具有弹性势能，从而能驱动摆杆30往回转动的趋势，使摆杆30的第二端经过凸起110后，摆杆30的第一端能快速自动回复到原始位置。

在某些实施例中，参照图5，各限位组件中摆杆30的数量为两根，两根摆杆30之间的间距从第一端至第二端依次减小，摆杆30的第二端设有挡板33，挡板33连接两根摆杆30的第二端。当摆杆30的第一端处于原始位置时，挡板33远离摆杆30的一端能与锤杆11的外侧相抵接，由于锤杆11的侧面与多个限位组件的挡板33抵接，因此锤杆11在纵向移动的过程中不会发生水平偏移，保证土样的击打效果。挡板33与锤杆11外侧抵接时，凸起110的顶面与挡板33底面在凸起110顶面所在的平面的投影重合，凸起110的顶面与挡板33的投影部分重合或完全重叠。锤杆11被回弹上升时，挡板33的底面即能与凸起110的顶面接触，从而限制锤杆11继续向上。

限位机构的定位机构包括连杆21和竖直布置的定位柱50，连杆21的第一端与限位环20连接，连杆21的第二端固定在定位柱50上。进一步地，定位结构的数量为三个，相邻的两个连杆21之间形成的夹角为120°。限位环20与三个定位机构连接，形成固定的结构，从而限位环20的受力均匀，具有较强的稳定性，限位环20不会发生水平移动，相应地，被限位环20限位的锤杆11也不易发生水平移动，以保证击打机构每次击打时移动方向均能保持竖直。

进一步地，定位柱50的外侧设有环形的支撑平台，支撑平台焊接在定位柱50上。连杆21的第二端通过套环22套设在定位柱50上，套环22安装在支撑平台上，支撑平台避免在击打过程中套环22沿定位柱50向下移动，保证了通过标记凸起110或数凸起110而确定的击打厚度的准确。

进一步地，套环22与连杆21可拆卸连接，以便维护。套环22上设有螺孔，将套环22套在定位柱50后，螺栓拧入螺孔中是螺栓顶紧定位柱50，即可固定套环22在定位柱50上，避免套环22通过连杆21带动限位环20水平移动。

在某些实施例中，土工三轴试验击样装置还包括底板60，定位柱50和成型筒40均安装在底板60上。可选地，底板60由钢材支撑，呈三角形状。底板60上设有螺孔，定位柱50的底部外侧设有外螺纹，定位柱50与底板60螺纹连接，方便拆卸。底板60顶面还设有围绕底板60中心的圆形准线，改准线与成型筒40底面的形状、尺寸相匹配，以便于成型筒40的定位安装。

本发明第二方面实施例中的土工三轴试验击样方法，使用上述的土工三轴试验击样装置，在使用土工三轴试验击样装置前，先将定位柱50及成型筒40安装在底板60上。

土工三轴试验击样方法包括以下步骤：

S10.将试样放入成型筒40中，将击打机构的击锤12放入成型筒40内。确保击锤12底面的击实板13与试样相接触，且击锤12位于底座的中心。

S20.安装限位环20在成型筒40上方，打开限位组件，限位环20套设在锤杆11上。

将限位环20、连杆21及套环22组装，组装完成后，将限位环20套入锤杆11中，同时将各套环22分别套入各定位柱50中，向下移动限位环20，当限位环20要穿过锤杆11的凸起110时，共同提升所有摆杆30的第一端，使摆杆30的第二端均伸入避让空间中，以令锤杆11的凸起110可顺利通过限位环20。当套环22达到定位柱50的支撑平台时，停止向下移动限位环20，并通过螺栓将套环22锁定在定位柱50上。

S30.击打锤杆11直至试样达到目标厚度，计算并记录锤杆11上下降了多少个凸起110的高度以达到目标厚度。

S40.再次打开限位组件，向上提升击打机构，取出成型筒40中的试样，将待击实的土样放入成型筒40中。具体地，再次提升所有摆杆30的第一端，使摆杆30的第二端均伸入避让空间中，提起锤杆11，当击实板13高于成型筒40时，从侧面取出成型筒40中的试样，然后将待击实的土样放入成型筒40中。

S50.将击打机构再次下降到击实板13与土样顶面相接触的高度，然后击打锤杆11直至土样达到目标厚度。根据步骤S30中记录的下降的凸起110数，以判断塌秧是否已达到目标厚度。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种土工三轴试验击样装置，其特征在于，包括：

成型筒；

限位机构，所述限位机构包括限位环，所述限位环固定在所述成型筒的上方；

击打机构，所述击打机构包括击锤和锤杆，所述锤杆活动贯穿所述限位环，所述锤杆与所述限位环之间设有限位组件，所述限位组件用于容所述锤杆朝下向移动。

2.根据权利要求1所述的土工三轴试验击样装置，其特征在于：所述限位组件包括摆杆和伸缩件，所述摆杆具有第一端和第二端，所述摆杆的中部铰接在所述限位环上，所述摆杆的第一端通过所述伸缩件与所述限位环的顶面连接，所述锤杆的侧面设有多个沿轴向间隔布置的环形的凸起，所述凸起的外径由下往上逐渐增大，所述凸起的外径最大处与所述限位环的内壁之间具有避让空间，所述摆杆的第二端能与所述凸起的外侧抵接。

3.根据权利要求2所述的土工三轴试验击样装置，其特征在于：所述伸缩件包括托座和位于所述托座中的顶托，所述顶托可沿所述托座的长度方向活动，所述摆杆的第一端与所述顶托铰接。

4.根据权利要求2所述的土工三轴试验击样装置，其特征在于：所述摆杆的第二端设有挡板，所述挡板远离所述摆杆的一端能与所述锤杆的外侧相抵接，所述挡板与所述锤杆外侧抵接时，所述凸起的顶面与所述挡板底面在所述凸起顶面所在的平面的投影重合。

5.根据权利要求2所述的土工三轴试验击样装置，其特征在于：所述摆杆的中部通过扭簧铰接在所述限位环上，所述扭簧的一端脚与所述摆杆连接，所述扭簧的另一端脚与所述限位环连接。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的土工三轴试验击样装置，其特征在于：所述限位机构还包括至少一个定位结构，所述限位环通过所述定位结构固定在所述成型筒的上方，所述定位机构包括连杆和竖直布置的定位柱，所述连杆的第一端与所述限位环连接，所述连杆的第二端固定在所述定位柱上。

7.根据权利要求6所述的土工三轴试验击样装置，其特征在于：所述定位结构的数量为三个，相邻的两个所述连杆之间形成的夹角为120°。

8.根据权利要求6所述的土工三轴试验击样装置，其特征在于：所述定位柱的外侧设有环形的支撑平台，所述连杆的第二端通过套环套设在所述定位柱上，所述套环安装在所述支撑平台上。

9.根据权利要求6所述的土工三轴试验击样装置，其特征在于：所述土工三轴试验击样装置还包括底板，所述定位柱和所述成型筒均安装在所述底板上。

10.一种土工三轴试验击样方法，其特征在于，使用权利要求1～9中任一项所述的土工三轴试验击样装置，包括以下步骤：

S10.将试样放入成型筒中，将击打机构的击锤放入成型筒内；

S20.安装限位环在成型筒上方，打开限位组件，限位环套设在锤杆上；

S30.击打锤杆直至试样达到目标厚度；

S40.再次打开限位组件，向上提升击打机构，取出成型筒中的试样，将待击实的土样放入成型筒中；

S50.击打锤杆直至土样达到目标厚度。

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