CN113607515B - 一种用于钙质砂试验的制样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于钙质砂试验的制样装置，筒形土体、胶结液添加机构、钙质砂筛分机构、上位机，筒形土体内部设置有原料腔，钙质砂颗粒输送机构包括挡板以及输送带，钙质砂筛分机构包括升降板、第一电动推杆、推料板以及第二电动推杆，输送带输送钙质砂颗粒升降板下方时，会穿过通过腔，通过调节升降板的高度，使通过腔的高度发生改变，从而可以将大颗粒的钙质砂进行拦截，防止大颗粒钙质砂进入到原料腔中，通过胶结液添加机构向钙质砂中添加微生物胶结液后，可以进行钙质砂试样的制作，由于将大颗粒钙质砂剔除，可以保证钙质砂试样在后续的力学性能测试时不会产生大偏差，减少试验误差，为钙质砂应用在南海海洋工程中提供理论依据。

Description

一种用于钙质砂试验的制样装置

技术领域

本发明涉及海洋岩土材料测试技术领域，特别涉及一种用于钙质砂试验的制样装置。

背景技术

南海海域以及岛屿附近为钙质砂分布区域，随着油气资源开发以及国防建设等需要，会在南海近海以及海中进行工程建设，而钙质砂毫无疑问成为了工程活动的载体，钙质砂是一种CaCO₃达50％以上的海洋生物成因的特殊土，从微观结构上看，粒间孔隙度大，有内孔隙，这些内孔隙或相互联通，或称为盲孔，特殊的沉积环境使钙质砂具有易破碎、高压缩性和强度低等特征，因此在以钙质砂为原料进行海洋工程建设时，需要对其进行加固，由于钙质砂与传统的施工材料不同，因此需要对加固后的钙质砂进行性能试验，以检验钙质砂的抗剪特性以及抗压特性等。

目前常用的新型钙质砂加固技术为生物诱导碳酸钙沉淀(microbially inducedcarbonate precipitation，简称MICP)，相比于传统的水泥加固和石膏加固而言，具有较好的耐久性，且能耗少、成本低，因此MICP受到广泛的应用，在对钙质砂进行力学性能试验前，需要进行样品的制作，目前钙质砂样品的制作基本都是将钙质砂倒入到模具中，并添加胶结液进行制作而成，然而由于不同尺寸的钙质砂其内部的孔隙深度以及数量不相同，将不同尺寸的钙质砂颗粒混合进行制样后进行试验所得到的数据会存在较大的差异，无法保证获取的数据用于实际指导，例如公开号为CN112683630A的一种钙质砂空心圆柱试样原位固化制样仪及制样方法以及公开号为CN209878442U的一种微生物固化砂土制样装置所示的制样过程，均没有考虑钙质砂颗粒的尺寸问题，所制得的钙质砂试样在进行力学性能测试时容易出现差异，从而无法为海洋工程建设提供理论依据。

发明内容

鉴以此，本发明提出一种用于钙质砂试验的制样装置，所设置的钙质砂筛分机构可以剔除颗粒较大的钙质砂，筛分出某一尺寸以下的钙质砂颗粒，防止后续进行力学性能测试时出现误差。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于钙质砂试验的制样装置，包括：

筒形土体，设有原料腔，用于将钙质砂颗粒倒入内部以制作试样；

钙质砂颗粒输送机构，用于向原料腔内添加钙质砂；

胶结液添加机构，用于向筒形土体内的钙质砂中添加胶结液；

钙质砂筛分机构，用于对输送到筒形土体内的钙质砂进行尺寸筛分；

上位机，用于对钙质砂颗粒输送机构、胶结液添加机构以及钙质砂筛分机构进行控制；

所述钙质砂颗粒输送机构包括挡板以及输送带，所述挡板设置在输送带上表面一侧，所述筒形土体位于输送带输送方向的前侧；所述钙质砂筛分机构包括升降板、第一电动推杆、推料板以及第二电动推杆，所述升降板位于输送带上方，并与输送带上表面形成输送腔，所述挡板靠近筒形土体一侧与升降板侧壁形成剔除腔，所述推料板设置在剔除腔对侧的输送带上方，所述第一电动推杆输出轴与升降板顶面连接，所述第二电动推杆输出轴与推料板侧壁连接；所述胶结液添加机构包括电控喷头以及存储箱，所述电控喷头通过管道与存储箱连接，并位于筒形土体上方；所述上位机分别与输送带、第一电动推杆、第二电动推杆以及电控喷头电连接。

优选的，所述筒形土体内壁由上至下设置有若干个L型检测槽，所述筒形土体顶壁设置有柱形槽，所述柱形槽向下延伸，并与所有的L型检测槽连通；还包括深度检测机构，所述深度检测机构包括竖直杆、水平板、弧形板、红外发射管以及红外接收管，所述竖直杆从筒形土体顶部穿入到柱形槽以及L型检测槽中，所述水平板以及弧形板均位于L型检测槽内，并均与竖直杆连接，所述弧形板位于L型检测槽开口一侧，其底部与L型检测槽底面形成通过腔，所述水平板向L型检测槽开口的反方向延伸，所述红外接收管设置在水平板底面，所述红外发射管设置在L型检测槽底面，并位于红外接收管下方，所述上位机与红外接收管电连接。

优选的，还包括连接杆，所述连接杆连接升降板侧壁以及竖直杆顶端，所述连接杆跟随升降板升降，并带动竖直杆、水平板以及弧形板升降，使通过腔的高度改变。

优选的，还包括用于将柱形土体加工成筒形土体的加工机构，所述加工机构包括第一电动钻头、第二电动钻头、第三电动钻头、第四电动钻头以及驱动机构，所述第一电动钻头与第二电动钻头朝下设置，分别用于挖掘柱形槽以及原料腔，所述第三电动钻头朝向水平方向，用于挖掘L型检测槽的水平段，所述第四电动钻头朝上设置，用于挖掘L型检测槽的竖直段，所述驱动机构用于驱动第一电动钻头、第二电动钻头、第三电动钻头、第四电动钻头的旋转以及位移；所述第三电动钻头设置在第二电动钻头内部，所述第四电动钻头设置在第三钻头内部，所述上位机与驱动机构电连接。

优选的，所述驱动机构包括旋转电机以及液压缸，所述旋转电机用于带动第一电动钻头、第二电动钻头、第三电动钻头、第四电动钻头旋转，所述液压缸用于驱动旋转电机移动，所述上位机分别与旋转电机、液压缸电连接。

优选的，还包括电动转台，所述电动转台设置在筒形土体上方，所述加工机构以及电控喷头对称设置在电动转台底面，所述上位机与电动转台电连接。

优选的，还包括压力筒以及增压系统，所述筒形土体装满钙质砂后转移到压力筒中，所述增压系统向压力筒中注入高压水，所述上位机与增压系统电连接。

优选的，所述增压系统包括增压器、供液器以及供油器，所述增压器与压力筒连通，所述增压器与供液器、供油器连接，所述上位机分别与增压器、供液器以及供油器电连接。

优选的，所述升降板靠近挡板的侧面设置有压电陶瓷片，所述上位机与压电陶瓷片电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种用于钙质砂试验的制样装置，以筒形土体作为模具来制作钙质砂试样，通过输送带对钙质砂颗粒进行输送，在输送的过程中，钙质砂会通过升降板底部形成的输送腔，通过调节升降板的高度可以改变输送腔大小，从而尺寸较大的钙质砂会被升降板阻挡，通过推料板可以将尺寸较大的钙质砂从输送带上推出，正常尺寸以下的钙质砂则可以输送到筒形土体内部，然后通过所设置的电控喷头向筒形土体中的钙质砂喷洒胶结液，实现钙质砂样本的制作，保证钙质砂试样中不会存在较大尺寸的钙质砂颗粒，在后续进行力学性能测试时可以保证测试的准确性。

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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种用于钙质砂试验的制样装置的结构示意图；

图2为本发明的一种用于钙质砂试验的制样装置的筒形土体与深度检测机构的连接结构示意图；

图3为图2中A处的放大图；

图4为本发明的一种用于钙质砂试验的制样装置的加工机构的结构示意图；

图5为本发明的一种用于钙质砂试验的制样装置的筒形土体设置在压力筒内的结构示意图；

图中，1为筒形土体，2为原料腔，3为上位机，4为挡板，5为输送带，6为升降板，7为第一电动推杆，8为推料板，9为第二电动推杆，10为输送腔，11为剔除腔，12为电控喷头，13为存储箱，14为L型检测槽，15为柱形槽，16为竖直杆，17为水平板，18为弧形板，19为红外发射管，20为红外接收管，21为通过腔，22为连接杆，23为加工机构，24为第一电动钻头，25为第二电动钻头，26为第三电动钻头，27为第四电动钻头，28为旋转电机，29为液压缸，30为电动转台，31为压力筒，32为增压器，33为供液器，34为供油器，35为压电陶瓷片。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1至图5，本发明提供的一种用于钙质砂试验的制样装置，包括：筒形土体1，设有原料腔2，用于将钙质砂颗粒倒入内部以制作试样；钙质砂颗粒输送机构，用于向原料腔2内添加钙质砂；胶结液添加机构，用于向筒形土体1内的钙质砂中添加胶结液；钙质砂筛分机构，用于对输送到筒形土体1内的钙质砂进行尺寸筛分；上位机3，用于对钙质砂颗粒输送机构、胶结液添加机构以及钙质砂筛分机构进行控制；所述钙质砂颗粒输送机构包括挡板4以及输送带5，所述挡板4设置在输送带5上表面一侧，所述筒形土体1位于输送带5输送方向的前侧；所述钙质砂筛分机构包括升降板6、第一电动推杆7、推料板8以及第二电动推杆9，所述升降板6位于输送带5上方，并与输送带5上表面形成输送腔10，所述挡板4靠近筒形土体1一侧与升降板6侧壁形成剔除腔11，所述推料板8设置在剔除腔11对侧的输送带5上方，所述第一电动推杆7输出轴与升降板6顶面连接，所述第二电动推杆9输出轴与推料板8侧壁连接；所述胶结液添加机构包括电控喷头12以及存储箱13，所述电控喷头12通过管道与存储箱13连接，并位于筒形土体1上方；所述上位机3分别与输送带5、第一电动推杆7、第二电动推杆9以及电控喷头12电连接。

本发明的一种用于钙质砂试验的制样装置，用于制作钙质砂力学性能测试用的试样，其中筒形土体1为经过压实后的土体，用以模拟海上工程时的地基面，而筒形土体1中的原料腔2即为在地基上挖掘或打下的桩基孔，钙质砂颗粒输送机构将收集的钙质砂颗粒输送到原料腔2中，所设置的胶结液添加机构可以向原料腔2中添加含有微生物的胶结液，在微生物的作用下，钙质砂会被固化，最终形成圆柱状的试样，由于在筒形土体1内进行试样的制作，制作的环境与海上地基的环境类似，可以保证制得的试样与实际环境基本相同，从而在后续进行力学性能测试时，测试的结果可以准确的反应实际使用下的钙质砂状态，为海洋岩土工程提供理论依据。

由于收集的钙质砂颗粒会存在颗粒大小不同的情况，部分尺寸较大的钙质砂颗粒若用于进行制样，将会对力学性能试验的结果产生影响，为此，本发明设置了钙质砂筛分机构，将收集的钙质砂颗粒置于输送带5上，输送带5将钙质砂输送到升降板6处，升降板6与输送带5上表面形成输送腔10，在输送腔10高度以下的钙质砂颗粒可以顺利的通过输送腔10，而大颗粒的钙质砂会被升降板6所阻拦，并位于升降板6与挡板4形成的剔除腔11一侧，最终输送到原料腔2内的钙质砂颗粒均为同一尺寸以下，且颗粒较小，在大颗粒钙质砂被升降板6阻拦后，通过设置的第二电动推杆9可以带动推料板8向剔除腔11方向移动，从而可以将大颗粒钙质砂从剔除腔11推出，防止大颗粒钙质砂影响到其他钙质砂的输送。

本发明通过设置上位机3来实现各部件之间的控制，对于升降板6而言，其通过第一电动推杆7进行高度的控制，使用者可以通过上位机3调节升降板6的高度，从而使输送腔10的高度发生改变，进而实现进入到原料腔2中的钙质砂的尺寸的调节，钙质砂原料在输送到原料腔2内后，电控喷头12可以将存储箱13中存储的胶结液喷出到钙质砂原料中，以进行钙质砂试样的制作。

优选的，所述筒形土体1内壁由上至下设置有若干个L型检测槽14，所述筒形土体1顶壁设置有柱形槽15，所述柱形槽15向下延伸，并与所有的L型检测槽14连通；还包括深度检测机构，所述深度检测机构包括竖直杆16、水平板17、弧形板18、红外发射管19以及红外接收管20，所述竖直杆16从筒形土体1顶部穿入到柱形槽15以及L型检测槽14中，所述水平板17以及弧形板18均位于L型检测槽14内，并均与竖直杆16连接，所述弧形板18位于L型检测槽14开口一侧，其底部与L型检测槽14底面形成通过腔21，所述水平板17向L型检测槽14开口的反方向延伸，所述红外接收管20设置在水平板17底面，所述红外发射管19设置在L型检测槽14底面，并位于红外接收管20下方，所述上位机3与红外接收管20电连接。

在钙质砂试样的制作过程中，需要保证胶结液与钙质砂颗粒充分的接触以及混合，为此，本发明设置了钙质砂颗粒的深度检测功能，钙质砂颗粒在落入到原料腔2内时，会掉入到L型检测槽14中，在L型检测槽14内设置了红外发射管19和红外接收管20，正常情况下，红外接收管20可以接收到红外发射管19发出的红外光，并产生电信号给上位机3，当钙质砂进入到L型检测槽14中时，会使红外光路被切断，此时红外接收管20失去红外光后，上位机3失去红外接收管20产生的电信号，从而判断为钙质砂已经到达该L型检测槽14处，此时上位机3控制电控喷头12喷出胶结液到钙质砂上，由于L型检测槽14的数量为多个，因此可以检测不同的高度信息，在高度到达每个L型检测槽14处时，可以喷出胶结液，从而实现钙质砂与胶结液的均匀混合。

而由于输送腔10的高度可以调节，因此进入到钙质砂内的颗粒大小也会发生改变，为了避免增大输送腔10时大颗粒的钙质砂堵住L型检测槽14的开口导致无法检测高度现象，本发明将L型检测槽14的开口也设置为可以调节的，所有的L型检测槽14通过一个竖直的柱形槽15连通，柱形槽15内设置了竖直杆16，在每个L型检测槽14内均设置了水平板17和弧形板18，弧形板18和水平板17均设置在竖直杆16侧壁上，且朝向两个方向，弧形板18则靠近L型检测槽14的开口，其与L型检测槽14底部形成通过腔21，用于供钙质砂颗粒进入到L型检测槽14中，将红外接收管20设置的水平板17上，在调节升降板6的高度后，可以调节竖直杆16的高度，使竖直杆16带动所有的水平板17和弧形板18升降，弧形板18在进行升降时，会使通过腔21大小发生变化，从而适应于不同大小的钙质砂颗粒使用。

优选的，还包括连接杆22，所述连接杆22连接升降板6侧壁以及竖直杆16顶端，所述连接杆22跟随升降板6升降，并带动竖直杆16、水平板17以及弧形板18升降，使通过腔21的高度改变。

所设置的连接杆22用于连接升降板6和竖直杆16，当第一电动推杆7调节升降板6的高度时，连接杆22会带动竖直杆16同步移动，从而使通过腔21和输送腔10同步进行调节。

优选的，还包括用于将柱形土体加工成筒形土体1的加工机构23，所述加工机构23包括第一电动钻头24、第二电动钻头25、第三电动钻头26、第四电动钻头27以及驱动机构，所述第一电动钻头24与第二电动钻头25朝下设置，分别用于挖掘柱形槽15以及原料腔2，所述第三电动钻头26朝向水平方向，用于挖掘L型检测槽14的水平段，所述第四电动钻头27朝上设置，用于挖掘L型检测槽14的竖直段，所述驱动机构用于驱动第一电动钻头24、第二电动钻头25、第三电动钻头26、第四电动钻头27的旋转以及位移；所述第三电动钻头26设置在第二电动钻头25内部，所述第四电动钻头27设置在第三钻头内部，所述上位机3与驱动机构电连接。

在进行试样的加工前，需要制作筒形土体1，本发明所设置的加工机构23可以对柱形土体加工成筒形土体1，柱形土体为经压实后的圆柱体，在进行加工时，第一电动钻头24和第二电动钻头25分别用于加工柱形槽15和原料腔2，驱动机构带动第一电动钻头24和第二电动钻头25向下移动，并对柱形土体进行钻孔，以形成柱形槽15和原料腔2，在完成原料腔2和柱形槽15的挖掘后，可以依次控制第三电动钻头26和第四电动钻头27进行钻孔，第三电动钻头26会在筒形土体1内壁挖掘处L型检测槽14的水平段，然后第四电动钻头27会向上挖掘处L型检测槽14的竖直段，挖掘完成后，可以将竖直杆16、水平板17、弧形板18、红外发射管19以及红外接收管20安装到对应的位置，为此，本实施例的水平板17以及弧形板18设置为可拆卸的形式，方便进行安装。

优选的，所述驱动机构包括旋转电机28以及液压缸29，所述旋转电机28用于带动第一电动钻头24、第二电动钻头25、第三电动钻头26、第四电动钻头27旋转，所述液压缸29用于驱动旋转电机28移动，所述上位机3分别与旋转电机28、液压缸29电连接。

通过旋转电机28来带动电动钻头的转动，而所设置的液压缸29可以实现旋转电机28和电动钻头的移动。

优选的，还包括电动转台30，所述电动转台30设置在筒形土体1上方，所述加工机构23以及电控喷头12对称设置在电动转台30底面，所述上位机3与电动转台30电连接。

在对柱形土体进行加工时，电动转台30带动加工机构23转动到柱形土体上方，柱形土体加工成筒形土体1后，电动转台30可以带动电控喷头12旋转到筒形土体1上方，从而可以进行钙质砂试样的制作。

优选的，还包括压力筒31以及增压系统，所述筒形土体1装满钙质砂后转移到压力筒31中，所述增压系统向压力筒31中注入高压水，所述上位机3与增压系统电连接，所述增压系统包括增压器32、供液器33以及供油器34，所述增压器32与压力筒31连通，所述增压器32与供液器33、供油器34连接，所述上位机3分别与增压器32、供液器33以及供油器34电连接。

为了进一步模拟钙质砂地基的真实情况，本发明设置了压力筒31，钙质砂输送到原料腔2内完成后，将钙质砂试样以及筒形土体1整个移动到压力筒31内，并进行密封，通过所设置的供液器33和供油器34为增压器32提供动力，由增压器32向压力筒31内注水加压，从而营造地基位于海水中的围压环境，在设定的水压下，由胶结液中的微生物进行生物反应，从而最终实现钙质砂试样的制作，可以保证制作的试样过程与实际海洋环境中的制作过程接近。

优选的，所述升降板6靠近挡板4的侧面设置有压电陶瓷片35，所述上位机3与压电陶瓷片35电连接。

当大颗粒钙质砂被升降板6所阻挡时，会与压电陶瓷片35接触，使压电陶瓷片35产生电能，上位机3接收到压电陶瓷片35产生的电能时，可以驱动第二电动推杆9带动推料板8向剔除腔11方向移动，使大颗粒钙质砂从剔除腔11处被推出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于钙质砂试验的制样装置，其特征在于，包括：

筒形土体，设有原料腔，用于将钙质砂颗粒倒入内部以制作试样；

钙质砂颗粒输送机构，用于向原料腔内添加钙质砂；

胶结液添加机构，用于向筒形土体内的钙质砂中添加胶结液；

钙质砂筛分机构，用于对输送到筒形土体内的钙质砂进行尺寸筛分；

上位机，用于对钙质砂颗粒输送机构、胶结液添加机构以及钙质砂筛分机构进行控制；

所述钙质砂颗粒输送机构包括挡板以及输送带，所述挡板设置在输送带上表面一侧，所述筒形土体位于输送带输送方向的前侧；所述钙质砂筛分机构包括升降板、第一电动推杆、推料板以及第二电动推杆，所述升降板位于输送带上方，并与输送带上表面形成输送腔，所述挡板靠近筒形土体一侧与升降板侧壁形成剔除腔，所述推料板设置在剔除腔对侧的输送带上方，所述第一电动推杆输出轴与升降板顶面连接，所述第二电动推杆输出轴与推料板侧壁连接；所述胶结液添加机构包括电控喷头以及存储箱，所述电控喷头通过管道与存储箱连接，并位于筒形土体上方；所述上位机分别与输送带、第一电动推杆、第二电动推杆以及电控喷头电连接；所述升降板靠近挡板的侧面设置有压电陶瓷片，所述上位机与压电陶瓷片电连接；所述筒形土体内壁由上至下设置有若干个L型检测槽，所述筒形土体顶壁设置有柱形槽，所述柱形槽向下延伸，并与所有的L型检测槽连通；还包括深度检测机构，所述深度检测机构包括竖直杆、水平板、弧形板、红外发射管以及红外接收管，所述竖直杆从筒形土体顶部穿入到柱形槽以及L型检测槽中，所述水平板以及弧形板均位于L型检测槽内，并均与竖直杆连接，所述弧形板位于L型检测槽开口一侧，其底部与L型检测槽底面形成通过腔，所述水平板向L型检测槽开口的反方向延伸，所述红外接收管设置在水平板底面，所述红外发射管设置在L型检测槽底面，并位于红外接收管下方，所述上位机与红外接收管电连接；还包括连接杆，所述连接杆连接升降板侧壁以及竖直杆顶端，所述连接杆跟随升降板升降，并带动竖直杆、水平板以及弧形板升降，使通过腔的高度改变。

2.根据权利要求1所述的一种用于钙质砂试验的制样装置，其特征在于，还包括用于将柱形土体加工成筒形土体的加工机构，所述加工机构包括第一电动钻头、第二电动钻头、第三电动钻头、第四电动钻头以及驱动机构，所述第一电动钻头与第二电动钻头朝下设置，分别用于挖掘柱形槽以及原料腔，所述第三电动钻头朝向水平方向，用于挖掘L型检测槽的水平段，所述第四电动钻头朝上设置，用于挖掘L型检测槽的竖直段，所述驱动机构用于驱动第一电动钻头、第二电动钻头、第三电动钻头、第四电动钻头的旋转以及位移；所述第三电动钻头设置在第二电动钻头内部，所述第四电动钻头设置在第三钻头内部，所述上位机与驱动机构电连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于钙质砂试验的制样装置，其特征在于，所述驱动机构包括旋转电机以及液压缸，所述旋转电机用于带动第一电动钻头、第二电动钻头、第三电动钻头、第四电动钻头旋转，所述液压缸用于驱动旋转电机移动，所述上位机分别与旋转电机、液压缸电连接。

4.根据权利要求2所述的一种用于钙质砂试验的制样装置，其特征在于，还包括电动转台，所述电动转台设置在筒形土体上方，所述加工机构以及电控喷头对称设置在电动转台底面，所述上位机与电动转台电连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于钙质砂试验的制样装置，其特征在于，还包括压力筒以及增压系统，所述筒形土体装满钙质砂后转移到压力筒中，所述增压系统向压力筒中注入高压水，所述上位机与增压系统电连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于钙质砂试验的制样装置，其特征在于，所述增压系统包括增压器、供液器以及供油器，所述增压器与压力筒连通，所述增压器与供液器、供油器连接，所述上位机分别与增压器、供液器以及供油器电连接。

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