CN112067381B - 一种路基层位填料土的试样制样装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种路基层位填料土的试样制样装置及方法，特点是包括制样底座和位于制样底座上的台架，底座上纵横均布有若干个制样槽，槽的内壁设置有与槽形状相同的用于提供试样土体围压的双层密封橡皮膜，台架的中间横梁上设置有用于提供纵向加载力的液压加载器，加载器的底部有若干个与制样槽配合使用的压力传递杆，台架的侧梁上设置有可上下移动的装满水的水箱，水箱通过导管分别与各个双层密封橡皮膜的内腔相连通且各个双层密封橡皮膜相连通，当制样槽内填充有试样土体时双层密封橡皮膜内充满水，利用液压定律和连通器原理，依靠外部水箱高度的自动升降，可快速提供路基不同层位填土所受的试样围压值，优点是能精准反应路基层位的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种试样制样装置及方法，尤其是涉及一种路基不同层位填料土的试样制样装置及方法。
背景技术
公路与城市道路路基建设过程中，需要进行路基填料土的室内试验，用于确定路基填料的物理属性和力学指标，以便确定施工过程中的路基控制参数和施工质量控制指标；土的无侧限抗压强度试验、三轴压缩试验、抗剪切强度试验、水稳定性试验等都需要提前制备一定数量的土样，做几组的重复试验，取其代表值作为施工质量的控制参数，一般情况下试样所需数量为三组，一组三个试样，合计九个试样；特殊情况下，需要第三方评定和校核的时候，所需试样数量会更多；传统的土样试样制作方式为将土倒入击实桶内，通过击样法、击实法和压样法成型试样。不同土样在相同击实荷载和击实次数下，由于击实桶的侧壁属于刚性侧壁，制样时侧壁所提供围压的差异性，在传统的制样方式中没有得到体现。另外由于传统的击实桶每次制样只能成型一个试样，而同一工程项目的路基填土材料的物理属性和力学性能试验，至少需要三组九个试样，这样就需要用传统的击实桶制样九次，由于制样过程中的温度、湿度、风速都不能完全一致，导致同批次土试样之间的湿度差异导致的试样最佳含水量的状态出现波动和差异。填料土在路基不同填筑层为上所受的合外力（土自重和车辆荷载）随着路基填筑高度的变化也是动态变化的；某点路基土所受的约束力即围压，围压值的大小等于该点的合外力在水平向的分量。传统的土样试样制作方式过程中，并没有建立起来击实桶提供的约束围压力和路基层位合外力的水平分量之间的等效关系，这导致了室内土样的力学性能试验值和路基填土在现场的真实受力情况不同，室内实验值无法有效地对施工现场的质量起到指导和控制作用，最终导致路基建设的质量，差异性突出，道路运营中出现了很多病害，增加了运营养护的成本。因此，亟需有效建立路基不同层位填料土真实受力状态和室内土样试样测试所得力学指标和性能之间的准确对用关系，提高土样室内试验值对道路工程质量控制的精准度的路基层位填料土的试样制样装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能提高多个试样制样时精度和准确性的路基层位填料土的试样制样装置及方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种路基层位填料土的试样制样装置，包括制样底座和位于所述的制样底座上的台架，所述的制样底座上纵横均布有若干个圆柱形的制样槽，各个所述的制样槽的内壁设置有与所述的制样槽形状相同的用于提供试样土体围压的双层密封橡皮膜，所述台架的中间横梁上设置有用于提供纵向加载力的液压加载器，所述的液压加载器的底部设置有若干个与所述的制样槽配合使用的压力传递杆，所述的台架的至少一个侧梁上设置有可上下移动的装满水的水箱，所述的水箱通过导管分别与各个所述的双层密封橡皮膜的内腔相连通且各个所述的双层密封橡皮膜的内腔相连通，当所述的制样槽内填充有试样土体时，调整所述的水箱的高度直至所述的双层密封橡皮膜内的水压达到制样槽中试样土体所需的围压值。
所述的台架的侧梁凹槽内设置有第一丝杠，所述的第一丝杠与所述的水箱上的螺母活动连接，所述的第一丝杠的顶部连接有第一伺服电机。
所述的制样槽的内径为155mm且高为150mm，所述的双层密封橡皮膜在充水状态下的厚度达5mm。
还包括用于横向刮除所述的制样底座的上表面多余土体且带动所述的制样底座前后移动的刮板底座联动机构。使装置整体自动化程度高，在清除多余土体的同时自动移动底座，省去人为推动力。
刮板底座联动机构包括位于所述的制样底座上方的刮板、第二丝杆和导向轴以及位于所述的制样底座下方的蜗杆、涡轮和第三丝杆，所述的第二丝杆和所述的导向轴分别垂直穿过所述的刮板，所述的导向轴横向固定在所述的台架的底部两侧边梁上，所述的第二丝杆位于所述的导向轴的正前方且所述的第二丝杆横向贯穿所述的台架的底部两侧边梁，所述的第二丝杆的一端连接有第二伺服电机且其另一端通过皮带传动系统与所述的蜗杆连接，所述的蜗杆与所述的涡轮活动连接，所述的涡轮与所述的第三丝杆的一端固定连接，所述的第三丝杆与所述的制样底座底部的螺母活动连接。
所述的皮带传动系统包括主动轮、从动轮以及张紧连接在所述的主动轮和所述的从动轮外周的皮带，所述的主动轮的中心与所述的第二丝杆固定连接，所述的从动轮的中心与所述的蜗杆固定连接。
所述的第三丝杆与所述的第二丝杆垂直设置。
一种路基层位填料土的试样制样方法，采用上述路基层位填料土的试样制样装置，其步骤如下，
步骤一：首先通过分析，确定路基某层位点A处所受土体合外力Gv，即自重和车辆荷载之和，计算公式如下：
；其中hi为路基填土层的厚度，单位为米；GD为车辆荷载；进一步计算上述路基某层位点A处合外力水平向的分量GH，即该处土体所受的围压，计算公式如下：
，其中K0为水平分量系数；
步骤二：根据液压连通器原理，水箱中液面受到的压力P等于制样槽中试样受到的围压 GH，利用液压定律
，调整外部水箱的高度直至各个双层密封橡皮膜内的水压达到制样槽中试样土体所需的围压值，通过设定的围压给制样槽内试样提供柔性侧压壁，其中h为从水箱液面到试样底部的竖直距离，
为液体密度，
为重力加速度；
步骤三：设定台架的中间横梁上用于提供纵向加载力的液压加载器的竖向压力值F，通过竖向压力传递杆对制样槽内的试样土体施加荷载，完成试样的快速制作。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、一次在相同边界条件下成型多个试样，避免了重复制样时（温度、湿度、轴压、围压）波动引起的偏差，提高同批次制样时的精度和准确度。
2、利用液压定律
，依靠外部水箱高度的自动升降，快速实现路基不同层位填土所受的试样围压值，通过液压连通器原理，将该围压值提供给多个制样槽内的柔性侧压壁，使得本发明制样的土样力学指标能精准反应路基层位的工作状态，提高了试样室内试验值对工程现场的质量控制精度，建立起来了试验结果和真实工程工作状态的直接关系。
附图说明
图1为本发明路基层位填料土的试样制样装置的立体结构示意图；
图2为本发明路基层位填料土的试样制样装置的正视图；
图3为本发明的制样槽的内部结构示意图；
图4为本发明的刮板底座联动机构的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例一
一种路基层位填料土的试样制样装置，如图1、图2和图3所示，包括制样底座1和位于制样底座1上的台架2，制样底座1上纵横均布有若干个制样槽3，各个制样槽3的内壁设置有与制样槽3形状相同的用于提供试样土体围压的双层密封橡皮膜4，台架2的中间横梁上设置有用于提供纵向加载力的液压加载器5，液压加载器5的底部设置有若干个与制样槽3配合使用的压力传递杆6，台架2的至少一个侧梁上设置有可上下移动的装满水的水箱7，水箱7通过导管8分别与各个双层密封橡皮膜4的内腔相连通且各个双层密封橡皮膜4的内腔相连通，当制样槽3内填充有试样土体时，调整水箱7的高度直至双层密封橡皮膜4内的水压达到制样槽3中试样土体所需的围压值。
在此具体实施例中，台架2的侧梁凹槽内设置有第一丝杠9，第一丝杠9与水箱7上的螺母活动连接，第一丝杠9的顶部连接有第一伺服电机10。制样槽3的内径为155mm且高为150mm，双层密封橡皮膜4在充水状态下的厚度达5mm。
在此具体实施例中，如图4所示，还包括用于横向刮除制样底座1的上表面多余土体且带动制样底座1前后移动的刮板底座联动机构。刮板底座联动机构包括位于制样底座1上方的刮板11、第二丝杆12和导向轴13以及位于制样底座1下方的蜗杆14、涡轮15和第三丝杆16，第二丝杆12和导向轴13分别垂直穿过刮板11，导向轴13横向固定在台架2的底部两侧边梁上，第二丝杆12位于导向轴13的正前方且第二丝杆12横向贯穿台架2的底部两侧边梁，第二丝杆12的一端连接有第二伺服电机17且其另一端通过皮带传动系统与蜗杆14连接，蜗杆15与涡轮15活动连接，涡轮15与第三丝杆16的一端固定连接，第三丝杆16与制样底座1底部的螺母活动连接；皮带传动系统包括主动轮18、从动轮19以及张紧连接在主动轮18和从动轮19外周的皮带20，主动轮18的中心与第二丝杆12固定连接，从动轮19的中心与蜗杆固定连接；第三丝杆16与第二丝杆12垂直设置。
具体实施例二
一种路基不同层位填料土的试样制样方法，采用上述具体实施例一中的试样制样装置，其步骤如下，
步骤一：首先通过分析，确定路基某层位点A处所受土体合外力Gv，即自重和车辆荷载之和，计算公式如下：
；其中hi为路基填土层的厚度，单位为米；GD为车辆荷载；进一步计算上述路基某层位点A处合外力水平向的分量GH，即该处土体所受的围压，计算公式如下：
，其中K0为水平分量系数；（K0是和该点层位的泊松比相关的系数，具体数字可参考相应的技术规范）；
步骤二：根据液压连通器原理，水箱中液面受到的压力P等于制样槽3中试样受到的围压 GH，利用液压定律
，调整外部水箱7的高度直至各个双层密封橡皮膜4内的水压达到制样槽3中试样土体所需的围压值，通过设定的围压给制样槽3内试样提供柔性侧压壁，其中h为从水箱3液面到试样底部的竖直距离（调节水箱高度为试样土体提供1~10MPa的围压值），
为液体密度，
为重力加速度；
步骤三：设定台架2的中间横梁上用于提供纵向加载力的液压加载器5的竖向压力值F，通过竖向压力传递杆6对制样槽3内的试样土体施加荷载，完成试样的快速制作。
多个试件同一工况下的测量数据，避免了单个试件多次检测时，温度、时间、风速等工况差异带来的系统误差及操作误差，检测结果准确高效。
表1. 本发明方案及传统土试样制样试验效果对比
其中传统制样方法如下：通过竖向压力传感器采集传统击实桶多次重复试验击实土成型试验中的压力值，通过统计分析选取其特征代表值（即平均值）。
在上述实施例中以30个试件，每一批3个，分批次进行重复试验，测试力学性能参数，同一批次取平均值，测试结果均满足前述技术规范的要求。
本发明方案经过与现有的传统击实桶击实试样试验结果的精度相比，所有产品和方案效果均满足：效率提升750%以上，批次间检测精度维持在98%以上的稳定性，并且样品的关联性R2＞99%，说明采用本发明的装置和方法制备试样的过程中，对试样检测结果产生影响的客观条件保持高度一致。
本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例（即一种可行性方案），而各个参数之间并不存在严格的配合与限定关系，其中各参数在不违背公理以及本发明诉求时可以相互替换，特别声明的除外。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种路基层位填料土的试样制样装置，其特征在于：包括制样底座和位于所述的制样底座上的台架，所述的制样底座上纵横均布有若干个圆柱形的制样槽，各个所述的制样槽的内壁设置有与所述的制样槽形状相同的用于提供试样土体围压的双层密封橡皮膜，所述台架的中间横梁上设置有用于提供纵向加载力的液压加载器，所述的液压加载器的底部设置有若干个与所述的制样槽配合使用的压力传递杆，所述的台架的至少一个侧梁上设置有可上下移动的装满水的水箱，所述的水箱通过导管分别与各个所述的双层密封橡皮膜的内腔相连通且各个所述的双层密封橡皮膜的内腔相连通，当所述的制样槽内填充有试样土体时，调整所述的水箱的高度直至所述的双层密封橡皮膜内的水压达到制样槽中试样土体所需的围压值，还包括用于横向刮除所述的制样底座的上表面多余土体且带动所述的制样底座前后移动的刮板底座联动机构，所述的刮板底座联动机构包括位于所述的制样底座上方的刮板、第二丝杆和导向轴以及位于所述的制样底座下方的蜗杆、涡轮和第三丝杆，所述的第二丝杆和所述的导向轴分别垂直穿过所述的刮板，所述的导向轴横向固定在所述的台架的底部两侧边梁上，所述的第二丝杆位于所述的导向轴的正前方且所述的第二丝杆横向贯穿所述的台架的底部两侧边梁，所述的第二丝杆的一端连接有第二伺服电机且其另一端通过皮带传动系统与所述的蜗杆连接，所述的蜗杆与所述的涡轮活动连接，所述的涡轮与所述的第三丝杆的一端固定连接，所述的第三丝杆与所述的制样底座底部的螺母活动连接。
2.根据权利要求1所述的一种路基层位填料土的试样制样装置，其特征在于：所述的台架的侧梁凹槽内设置有第一丝杠，所述的第一丝杠与所述的水箱上的螺母活动连接，所述的第一丝杠的顶部连接有第一伺服电机。
3.根据权利要求1所述的一种路基层位填料土的试样制样装置，其特征在于：所述的制样槽的内径为155mm且高为150mm，所述的双层密封橡皮膜在充水状态下的厚度达5mm。
4.根据权利要求1所述的一种路基层位填料土的试样制样装置，其特征在于：所述的皮带传动系统包括主动轮、从动轮以及张紧连接在所述的主动轮和所述的从动轮外周的皮带，所述的主动轮的中心与所述的第二丝杆固定连接，所述的从动轮的中心与所述的蜗杆固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种路基层位填料土的试样制样装置，其特征在于：所述的第三丝杆与所述的第二丝杆垂直设置。
6.一种路基层位填料土的试样制样方法，其特征在于采用如权利要求1-5中任一权项所述的路基层位填料土的试样制样装置，其步骤如下：
步骤一：首先通过分析，确定路基某层位点A处所受土体合外力Gv，即自重和车辆荷载之和，计算公式如下：
其中hi为路基填土层的厚度，单位为米，ρ′为路基填土层中填料土的密度；GD为车辆荷载；进一步计算上述路基某层位点A处合外力水平向的分量GH，即该处土体所受的围压，计算公式如下：
其中K0为水平分量系数；
步骤二：根据液压连通器原理，水箱中液面受到的压力P等于制样槽中试样受到的围压GH，利用液压定律p＝ρhg，调整外部水箱的高度直至各个双层密封橡皮膜内的水压达到制样槽中试样土体所需的围压值，通过设定的围压给制样槽内试样提供柔性侧压壁，其中h为从水箱液面到试样底部的竖直距离，ρ为液体密度，g为重力加速度；
步骤三：设定台架的中间横梁上用于提供纵向加载力的液压加载器的竖向压力值F，通过竖向压力传递杆对制样槽内的试样土体施加荷载，完成试样的快速制作。
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- 2020-08-07 CN CN202010787258.6A patent/CN112067381B/zh active Active
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| CN112067381A (zh) | 2020-12-11 |
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