CN113514292B - 一种用于三轴试验制样的小型土工离心机以及制样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，包括转盘、设于所述转盘上的试样盒、用于搁置所述转盘的保护仓以及驱使所述转盘旋转的伺服电机，所述试样盒中设有可装设试验土样的试样筒，所述保护仓以及所述转盘均与所述伺服电机的输出轴同轴设置。还提供一种制样方法，包括如下步骤：S1，配置试验土样；S2，将转盘放入到保护仓中，并将试验土样放入试样筒，然后将试样筒放到转盘上的试样盒中；S3，采用伺服电机驱使转盘转动，并调控所述伺服电机的转速，使所述试验土样处于高速旋转的离心加速场中；S4，待转盘停止转动后，将试样筒从试样盒中取出，制得满足目标压实度和含水率的均匀试验土样。本发明可以有效解决土工模型的缩尺模拟问题。

Description

一种用于三轴试验制样的小型土工离心机以及制样方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域中三轴试样制备技术领域，具体为一种用于三轴试验制样的小型土工离心机以及制样方法。

背景技术

在岩土工程中，研究土体性质常要进行常规三轴试验，对试样的质量、数量上都有较高的要求，而现场工作中原状样通常需要切削、包裹、运输、保存等，导致原状样采取成功率较低，鉴于此，室内试验多采用重塑试样进行相关研究。

目前针对扰动土采用的传统制样设备，存在以下缺陷：

(1)常规三轴试验制样通常采用击实法，该法在制备过程中需要分层，每层高度通常用肉眼凭经验判断，而且各层受到的击实功不同，层间存在结构面，余土高度也不易控制，以上因素会导致试样的含水率和密度各层间不均匀，不同试样间的差别也会比较大；对于稍高含水率试样的制备，击实时易形成弹簧土，上述不足也会更加明显；此外，该方法操作过程复杂，制备试样的含水率、密度不均匀，制备稍高含水率的试样较困难。

(2)采用压实制样法得到试样较分层击实法得到试样的均匀性有了一定的提升，避免了“层间薄弱带”的产生，但沿试样高度方向，试样顶部与底部的密度和含水率依旧存在较大差异，往往存在试样密度由一端向另一端逐渐变化。

(3)在认识到分层击实制样不均匀性缺陷后，又衍生出了两头压实法，该方法虽使单个试样的均匀性得到很大提升，但通常试样的中间密度较两端密度小，且无法批量制作相同试样，致使平行试验结果的离散性较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于三轴试验制样的小型土工离心机以及制样方法，通过利用土工离心机高速旋转产生的超重力场，可以有效解决土工模型的缩尺模拟问题，可利用模型真实再现土木工程的原型特性，为研究实际土木工程问题提供了有效的手段。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，包括转盘、设于所述转盘上的试样盒、用于搁置所述转盘的保护仓以及驱使所述转盘旋转的伺服电机，所述试样盒中设有可装设试验土样的试样筒，所述保护仓以及所述转盘均与所述伺服电机的输出轴同轴设置；将所述伺服电机的转速设置为n，

F＝ma，其中m为压力盖的质量，a为离心加速度，r为转盘半径。

进一步，还包括用于支撑所述保护仓的固定支架，所述固定支架包括均匀设于所述保护仓正下方的多根支撑杆，每一所述支撑杆均通过底座固定。

进一步，还包括用于调整和固定所述伺服电机的位置的固定环，所述固定环设于各所述支撑杆的中间且所述固定环通过多根连接杆与各所述支撑杆连接。

进一步，所述保护仓包括具有内腔的保护桶以及盖设于所述保护桶上的保护盖，所述转盘设于所述保护桶的内腔中。

进一步，所述保护盖包括固定保护盖以及与所述固定保护盖铰接的活动保护盖，所述保护桶的外缘上设有塔扣扣眼，所述活动保护盖上具有可与所述塔扣扣眼配合锁定的塔扣扣页。

进一步，所述活动保护盖和所述固定保护盖的连接处设有限位器。

进一步，所述试样盒包括用于盛放试验土样的试样筒以及可盖设于所述试样筒上的压力盖。

进一步，所述试样筒上设有用于检测所述压力盖和所述试样筒接触的压力传感器。

进一步，所述试样筒具有沿其高度方向延伸的孔隙，所述压力盖上设有可插至所述孔隙中的导杆。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种制样方法，包括如下步骤：

S1，配置试验土样；

S2，将转盘放入到保护仓中，并将试验土样放入试样筒，然后将试样筒放到转盘上的试样盒中；

S3，采用伺服电机驱使转盘转动，并调控所述伺服电机的转速，使所述试验土样处于高速旋转的离心加速场中，将所述伺服电机的转速设置为n，

F＝ma，其中m为压力盖的质量，a为离心加速度，r为转盘半径；

S4，待转盘停止转动后，将试样筒从试样盒中取出，制得满足目标压实度和含水率的均匀试验土样。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了一次快速制作多数量、土体分布均匀、标准尺寸的重塑土三轴试样，避免了试样的二次切削、扰动和浪费，简化了土工实验重塑土三轴试样的制作流程，同时保证了试样的含水率、压实度、均匀性与准确性，有效地提高了重塑土三轴试验的研究效率与实验结果的可靠性；整个制样过程操作简单、自动化程度高、可批量制样、速度快，设计合理，有效保证同批次试样的压实度、含水率与密度分布的均匀性，同时提高土样制取成功率；通过利用土工离心机高速旋转产生的超重力场，可以有效解决土工模型的缩尺模拟问题，可利用模型真实再现土木工程的原型特性，为研究实际土木工程问题提供了有效的手段；将离心机用于三轴试验试样的制备，不仅有外力给土体施加压力，还巧妙的使自重应力也参与土体的压缩固结，更加接近于原状土的形成过程，同时避免了传统方法仅靠外力制样，存在的“层间薄弱带”、试样密度和含水率分布不均等问题；采用小型土工离心机制样，由于所有的外界参数与条件相同，故同一批次可以制作多个相同试样，实现试样的批量制作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机的立体图；

图2为本发明实施例提供的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机的爆炸图；

图3为本发明实施例提供的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机的固定支架的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机的保护仓的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机的保护盖的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机的转盘的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机的试样盒的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机的试样筒和压力盖的分离示意图；

图9为本发明实施例提供的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机的控制平台的示意图；

附图标记中：1、伺服电机，2、固定支架，3、保护仓，4、转盘，5、试样盒，6、控制平台，2-1、底座，2-2、支撑杆，2-3、连接杆，2-4、固定环，3-1、保护桶，3-2、固定保护盖，3-3、活动保护盖，3-1-1、塔扣扣眼，3-1-2、传动轴，3-1-3、轴承，3-2-1、合页，3-2-2、限位器，3-3-1、塔扣扣页，4-1、固定盒，4-2、圆盘，5-1、试样筒，5-2、压力传感器，5-3、压力盖，5-1-1、导孔，5-1-2、压力传感器安装孔，5-3-1、导杆，6-1、显示器，6-2、操作键盘，6-3、USB接口，6-4、电源接口，6-5、关键控制按钮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图9，本发明实施例提供一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，包括转盘4、设于所述转盘4上的试样盒5、用于搁置所述转盘4的保护仓3以及驱使所述转盘4旋转的伺服电机1，所述试样盒5中设有可装设试验土样的试样筒5-1，所述保护仓3以及所述转盘4均与所述伺服电机1的输出轴同轴设置。优选的，本离心机还包括用于支撑所述保护仓3的固定支架2，所述固定支架2包括均匀设于所述保护仓3正下方的多根支撑杆2-2，每一所述支撑杆2-2均通过底座2-1固定。优选的，本离心机还包括用于调整和固定所述伺服电机1的位置的固定环2-4，所述固定环2-4设于各所述支撑杆2-2的中间且所述固定环2-4通过多根连接杆2-3与各所述支撑杆2-2连接。优选的，所述保护仓3包括具有内腔的保护桶3-1以及盖设于所述保护桶3-1上的保护盖，所述转盘4设于所述保护桶3-1的内腔中。优选的，所述保护盖包括固定保护盖3-2以及与所述固定保护盖3-2铰接的活动保护盖3-3，所述保护桶3-1的外缘上设有塔扣扣眼3-1-1，所述活动保护盖3-3上具有可与所述塔扣扣眼3-1-1配合锁定的塔扣扣页3-3-1。所述活动保护盖3-3和所述固定保护盖3-2的连接处设有限位器3-2-2。所述转盘4上具有用于固定所述试样盒5的固定盒4-1。所述试样盒5包括用于盛放试验土样的试样筒5-1以及可盖设于所述试样筒5-1上的压力盖5-3。所述试样筒5-1上设有用于检测所述压力盖5-3和所述试样筒5-1接触的压力传感器5-2。所述试样筒5-1具有沿其高度方向延伸的孔隙，所述压力盖5-3上设有可插至所述孔隙中的导杆5-3-1。

在上述实施例中，固定支架2包括底座2-1支撑杆2-2、连接杆2-3和固定环2-4，所述固定环2-4用于调整和固定伺服电机1的位置；保护仓3由保护桶3-1和防护盖3-2、3-3组成，所述保护桶3-1底部中心位置用于放置轴承3-1-3与传动轴3-1-2，使伺服电机1与转盘4很好的连接与传动，保护桶3-1壁外焊有塔扣扣眼3-1-1，所述防护盖由两个半圆组成，一半焊接在保护桶顶端，为固定保护盖3-2，另一半通过合页3-2-1与固定保护盖铰接，为活动保护盖3-3，在固定保护盖3-2直边上焊有限位器3-2-2，用于固定活动保护盖3-3打开之后的位置，便于取放试样，活动保护盖3-3圆边顶端焊有塔扣扣页3-3-1，固定活动保护盖3-3，使保护仓3处于封闭状态。所述小型土工离心机通过底座2-4固定，可以拆卸，使设备可以任意挪动位置，提高了设备的可用性。

另外，所述转盘4由圆盘4-2与固定盒4-1组成，固定盒4-1焊接在圆盘4-2上用于固定试样盒5，考虑到试验时通常需要3组试样进行平行试验，兼顾伺服电机的负荷能力，将转盘上固定盒的数量设置为6个；所述试样盒5由试样筒5-1和压力盖5-3组成，所述试样筒5-1上有两个导孔5-1-1和两个压力传感器5-2，在试样筒5-1上还设有供压力传感器安置的压力传感器安装孔5-1-2，用于检测压力盖5-3是否与试样筒5-1接触以及接触后压力盖5-3提供的压力大小，并将信号传递给控制平台实现伺服电机1的自动停机。所述压力盖5-3上有两个导杆5-3-1，导杆5-3-1穿过导孔5-1-1可以控制压力盖5-3垂直加压试样，并保证压力盖5-3在高速旋转过程中不会飞出；所述控制平台6为该装置的专用电脑，用于控制装置的加速度大小、启动、急停等操作，其具有后显示器6-1，电源接口6-4，有关键控制按钮6-5、操作键盘6-2和USB接口6-3等。所述伺服电机1可以通过控制平台6自动调节转速，提供不同大小的离心加速度。

请参阅图1至图9，本发明实施例提供一种制样方法，制样方法，包括如下步骤：S1，配置试验土样；S2，将转盘4放入到保护仓3中，并将试验土样放入试样筒5-1，然后将试样筒5-1放到转盘4上的试样盒5中；S3，采用伺服电机1驱使转盘4转动，并调控所述伺服电机1的转速，使所述试验土样处于高速旋转的离心加速场中；S4，待转盘4停止转动后，将试样筒5-1从试样盒5中取出，制得满足目标压实度和含水率的均匀试验土样。具体地，将原状土样烘干、碾碎和过筛，得到试验土样；向试验土样加蒸馏水，配置得到目标含水率为ω的湿润土样；对试验土样进行标准击实试验，得到试验土样的标准干密度值ρ_dm。

根据目标压实度，计算并称取每个试样所需步骤一得到湿润土样的质量，其具体计算公式如下：

m_样＝压实度×ρ_dm×(1+ω/100)×V_模

式中：m_样—试样质量，单位为g；

ρ_dm—标准干密度值，单位为g/cm³；

ω—目标含水率，单位为％；

V_模—模具体积，单位为cm³。

计算离心加速度，将重塑土放置在高速旋转的离心加速场中，通过对模型施加N倍的离心加速度，增加重塑土的重度，来补偿重塑土因缩尺到原来的1/N所造成的自重损失，使重塑土试样各处所受到应力δ_m与原位深度土体所受的应力δ_p相等。重塑土试样所需施加的离心加速度大小计算公式如下：

ρh_ma＝ρh_pg

式中：δ_m—重塑土试样应力；

δ_m—原位试样应力；

h_m—重塑土试样高度；

ρ—试样密度；

g—重力加速度；

a—离心加速度；

N—缩尺倍数。

计算外加压力与伺服电机转速，离心机在高速旋转过程中除土体自重固结外，压力盖也给土体施加压力进而加速试样固结成型。提供的外力大小及所需的转速大小计算公式如下：

F＝ma

式中：m—压力盖质量；

a—离心加速度；

n—伺服电机转速；

r—转盘半径；

装样，将步骤二所称土样揉捏成柱状，然后放入涂有凡士林的试样筒5-1中，加上压力盖5-3(为确保安全，压力盖5-3应尽可能与试样筒5-1端口接触，必要时可以适当按压压力盖5-3)，再一起放到转盘4-2上的固定盒4-1中，关上活动保护盖3-3，扣上塔扣扣页3-3-1；在控制平台6中将伺服电机1转速设置到步骤四算出的速度n，开始离心制样，当压力盖5-3与试样筒5-1上的压力传感器5-2接触后，压力会由0开始逐渐增大，为减少土体高度的回弹，保持伺服电机1多旋转一段时间，可以根据实际自由设置当压力传感器5-2上的压力达到某一数值(如10N)时，控制平台6收到信息自动关闭伺服电机1，停止转动。

脱模，待转盘4-2停止旋转后，打开塔扣扣页3-3-1与活动保护盖3-3，依次取出试样盒5，然后取出压力盖5-3，将试样筒5-1倒转，敲击底部使试样慢慢退出，直至试样与试样筒5-1完全分离。

最终制得满足目标压实度和含水率的均匀试验土样。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，其特征在于：包括转盘、设于所述转盘上的试样盒、用于搁置所述转盘的保护仓以及驱使所述转盘旋转的伺服电机，所述伺服电机通过控制平台自动调节转速，所述控制平台为离心机的专用电脑，所述试样盒包括用于盛放试验土样的试样筒以及可盖设于所述试样筒上的压力盖，所述保护仓以及所述转盘均与所述伺服电机的输出轴同轴设置。

2.如权利要求1所述的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，其特征在于：还包括用于支撑所述保护仓的固定支架，所述固定支架包括均匀设于所述保护仓正下方的多根支撑杆，每一所述支撑杆均通过底座固定。

3.如权利要求2所述的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，其特征在于：还包括用于调整和固定所述伺服电机的位置的固定环，所述固定环设于各所述支撑杆的中间且所述固定环通过多根连接杆与各所述支撑杆连接。

4.如权利要求1所述的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，其特征在于：所述保护仓包括具有内腔的保护桶以及盖设于所述保护桶上的保护盖，所述转盘设于所述保护桶的内腔中。

5.如权利要求4所述的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，其特征在于：所述保护盖包括固定保护盖以及与所述固定保护盖铰接的活动保护盖，所述保护桶的外缘上设有塔扣扣眼，所述活动保护盖上具有可与所述塔扣扣眼配合锁定的塔扣扣页。

6.如权利要求5所述的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，其特征在于：所述活动保护盖和所述固定保护盖的连接处设有限位器。

7.如权利要求1所述的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，其特征在于：所述试样筒上设有用于检测所述压力盖和所述试样筒接触的压力传感器。

8.如权利要求1所述的一种用于三轴试验制样的小型土工离心机，其特征在于：所述试样筒具有沿其高度方向延伸的孔隙，所述压力盖上设有可插至所述孔隙中的导杆。

9.一种使用权利要求1所述的用于三轴试验制样的小型土工离心机的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，配置试验土样；

S2，将转盘放入到保护仓中，并将试验土样放入试样筒，然后将试样筒放到转盘上的试样盒中；

S3，采用伺服电机驱使转盘转动，并调控所述伺服电机的转速，使所述试验土样处于高速旋转的离心加速场中；

S4，待转盘停止转动后，将试样筒从试样盒中取出，制得满足目标压实度和含水率的均匀试验土样。

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