CN114002029A - 一种仪器外砂土制样装置及制样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仪器外砂土制样装置及制样方法，属于岩土工程试验技术领域，包括制样底座、制样架、第一对开圆模、第二对开圆模、试样帽和抽气组件；第一对开圆膜和第二对开圆模设置于制样架；第一对开圆模和第二对开圆模扣合形成制样仓，制样底座和试样帽分别设置于制样仓的两端；制样底座设有第一导流槽，内部设有用于使第一导流槽与制样底座外部连通的底座通道；试样帽设有第二导流槽，试样帽内部设有用于使第二导流槽与试样帽外部连通的试样帽通道；抽气组件用于抽取制样仓内空气以使制样仓内形成负压，从而完成砂土制样。本发明能够在仪器外制备出密实度均匀，扰动小的砂土试样用于三轴试验，并能同时满足干砂和饱和砂试验的需求。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程试验技术领域，更具体地，涉及一种仪器外砂土制样装置及制样方法。
背景技术
三轴试验是测定砂土力学特性最常用的方法之一，其可以模拟不同的工况，也可很好地控制排水条件，并且可以进行一些不同应力路径的试验。三轴试验砂土试样设备的常规方法为在三轴仪压力室上使用对开模制样，但是三轴仪的位置往往是固定的且操作空间有限，不仅使得制样不便且无法满足一些对操控空间要求大的成样方法(如砂雨法等)的需求。
但由于砂土没有黏聚力，无法像黏土一样轻易的完成仪器外制样，现有的砂土仪器外制样方法多为冰冻法，将在对开模或三瓣膜内制备完成的砂土试样浸水冰冻，再使用承膜筒将冰冻成块的试样放在围压室上完成制样。但冰冻再解冻势必会对砂土力学性质产生影响，使得试验结果不准确，且制备的试样一定含水，无法满足干砂制样及测试的需求。因此，需要开发新的仪器外砂土制样设备及方法以确保能制备出良好的砂土试样用于三轴试验。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种仪器外砂土制样装置及制样方法，由此解决现有技术中难以在仪器外制备出密实度均匀、扰动小的砂土试样的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种仪器外砂土制样装置，该装置包括压力室底座、制样底座、制样架、第一对开圆模、第二对开圆模、试样帽和抽气组件；
所述压力室底座可升降设置于三轴仪围压室，所述制样底座可拆卸设置于所述压力室底座上；所述压力室底座的外侧设有制样架，所述第一对开圆膜和所述第二对开圆模设置于所述制样架；
所述第一对开圆模和所述第二对开圆模扣合形成制样仓，所述第一对开圆模设有与所述制样仓连通的抽气口，所述制样底座和所述试样帽分别设置于所述制样仓的两端；
所述制样底座面向所述制样仓的一面设有第一导流槽，所述制样底座内部设有用于连通所述第一导流槽与所述制样底座外部的底座通道；
所述试样帽面向所述制样仓的一面设有第二导流槽，所述试样帽内部设有用于连通所述第二导流槽与所述试样帽外部的试样帽通道；
所述抽气组件与所述试样帽通道连通，用于抽取所述制样仓内空气以使所述制样仓内形成负压，从而完成砂土制样。
优选地，所述第一导流槽为米字型导流槽，所述底座通道为L型通道；所述米字型导流槽的中心设有与所述底座通道一端连通的槽口；在所述制样底座的侧面设有底座插口，所述底座插口与所述底座通道的另一端连通；
所述第二导流槽为米字型导流槽，所述试样帽通道为L型通道；所述米字型导流槽的中心设有与所述试样帽通道一端连通的槽口；在所述试样帽的侧面设有试样帽插口，所述试样帽插口与所述试样帽通道的另一端连通。
优选地，所述制样底座的一端设有外螺纹，所述压力室底座设有与之相适配的内螺纹，所述制样底座可拆卸装配于所述压力室底座中。
优选地，所述第一对开圆模的拼接处设有凹槽，所述第二对开圆模的拼接处设有与凹槽匹配的凸槽；所述第一对开圆模与所述第二对开圆模对齐安装后，通过箍环将所述第一对开圆模与所述第二对开圆模固定。
优选地，所述抽气组件包括抽气泵和抽气泵气管，所述抽气泵设有抽气泵插口，所述抽气泵气管与所述抽气泵插口连接。
优选地，所述三轴仪围压室的外部设有第一排水孔、第一围压孔、第一反压孔，所述三轴仪围压室的内部设有第二排水孔、第二围压孔、第二反压孔；
所述第一排水孔与所述第二排水孔、所述第一围压孔与所述第二围压孔、所述第一反压孔与所述第二反压孔均通过所述三轴仪围压室内部的孔隙通道相连通。
优选地，还包括反压测控组件，所述反压测控组件包括反压测控装置、反压气管和反压阀门；所述反压测控装置通过所述反压气管与所述第一反压孔连通，所述反压阀门设置于所述反压气管。
优选地，还包括围压测控组件，所述围压测控组件包括围压测控装置、围压气管和围压阀门；所述围压测控装置通过所述围压气管与所述第一围压孔连通，所述围压阀门设置于所述围压气管。
优选地，还包括体变形及孔压测量组件，所述体变形及孔压测量组件包括体变形及孔压测量装置、排水气管和排水阀门；所述体变形及孔压测量装置通过排水气管与所述第一排水孔连通，所述排水阀门设置于所述排水气管。
按照本发明的另一方面，提供了一种仪器外砂土制样方法，该方法包括以下步骤：
将制样架与制样底座置于水平面，在所述制样底座上依次放置透水石及滤纸，并将橡胶膜固定于制样底座上；
将第一对开圆模和第二对开圆模安装并放置于制样架，将固定于制样底座的橡胶膜外翻至第一对开圆模和第二对开圆模，使用抽气组件从抽气口抽气以使橡胶膜紧贴第一对开圆模和第二对开圆模壁面，从而形成制样仓；
将称重好的砂土试样装入制样仓内，在砂土试样顶面依次放置滤纸、透水石和试样帽，并将橡胶膜顶部固定于试样帽；
关闭底座通道，打开试样帽通道，使用抽气组件通过试样帽通道抽取负压；拆除第一对开圆模和第二对开圆模并移开制样架，即可得到干砂试样。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过对制样装置结构的改进，即可在仪器外制备密实度均匀，扰动小的砂土试样；其突破了仪器操作空间的限制，使得砂土制样获得了更大的操作空间，也便于在制样过程中使用一些对操作空间要求大的成样方法(如砂雨法等)。此外，本发明的制样方法可以同时满足干砂及饱和砂制样及测试的需求，制备完成的砂土试样为干燥状态，既可以在后续试验中对试样进行饱和完成饱和砂土试验，也可以直接进行干砂试验。通过改变模具的几何尺寸，也可以满足不同尺寸的三轴试验试样的制样需求。
附图说明
图1是本发明中仪器外砂土制样装置的结构示意图；
图2是本发明中仪器外砂土制样装置中压力室底座的结构示意图；
图3是本发明中仪器外砂土制样装置中制样底座的结构示意图；
图4是本发明中仪器外砂土制样装置中试样帽的结构示意图；
图5是本发明中仪器外砂土制样方法中制样仓形成过程的结构示意图；
图6是本发明中仪器外砂土制样方法中砂土制样过程时的结构示意图；
图7是本发明中仪器外砂土制样方法中砂土制样完成时的结构示意图；
图8是本发明干砂实验过程中的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-三轴仪围压室；2-体变形及孔压测量装置；3-排水气管；4-排水阀门；5-第一排水孔；6-围压测控装置；7-围压气管；8-围压阀门；9-第一围压孔；10-反压测控装置；11-反压气管；12-反压阀门；13-第一反压孔；14-第二反压孔；15-第二围压孔；16-第二排水孔；17-压力室底座；17-1-内螺纹；18-制样架；19-第一阀门；20-第一气管；21-制样底座；21-1-外螺纹；21-2-底座插口；21-3-底座通道；21-4-第一导流槽；22-抽气口；23-第一对开圆模；24-第二对开圆模；25-箍环；26-试样帽；26-1-试样帽通道；26-2-试样帽插口；26-3-第二导流槽；27-第二气管；28-第二阀门；29-抽气泵；30-抽气泵插口；31-抽气泵气管；32-橡胶膜；33-第一橡胶圈；34-第二橡胶圈；35-第三气管；36-第四气管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-8所示，本发明提出一种仪器外砂土制样装置，包括制样架18、制样底座21、试样帽26、第一对开圆模23、第二对开圆模24、多个气管以及抽气组件。具体的，所述压力室底座17可升降设置于三轴仪围压室1，所述制样底座21可拆卸设置于所述压力室底座17上；所述压力室底座17的外侧设有制样架18，所述第一对开圆膜23和所述第二对开圆模24设置于所述制样架18；所述第一对开圆模23和所述第二对开圆模24扣合形成制样仓，所述第一对开圆模23设有与所述制样仓连通的抽气口22，所述制样底座21和所述试样帽26分别设置于所述制样仓的两端；所述制样底座21面向所述制样仓的一面设有第一导流槽21-4，所述制样底座21内部设有用于使所述第一导流槽21-4与所述制样底座21外部连通的底座通道21-3；所述试样帽26面向所述制样仓的一面设有第二导流槽26-3，所述试样帽26内部设有用于使所述第二导流槽26-3与所述试样帽26外部连通的试样帽通道26-1。
请参阅图1-图4，三轴仪围压室1固定在试验台上无法移动，第一排水孔5、第一围压孔9、第一反压孔13位于三轴仪围压室1外部，第二排水孔16、第二围压孔15、第二反压孔14位于三轴仪围压室1内部，所述第一排水孔5与所述第二排水孔16、所述第一围压孔9与第二围压孔15、所述第一反压孔13与第二反压孔14均通过围压室内部的空隙通道相连通。
作为本发明的一个实施例，所述压力室底座17的直径为39.1mm，固定在所述三轴仪围压室1上，仅能上下移动，且其内部刻有内螺纹17-1，用于与所述制样底座21拆卸连接。
作为本发明的一个实施例，所述制样底座21的直径为39.1mm，其顶面刻有米字型第一导流槽21-4，便于空气及水流通；所述制样底座21的底面设有外螺纹21-1，用于与所述压力室底座17拆卸连接。制样底座21的侧面设有一个快接插口21-2，便于连接拆卸气管；制样底座21内部设有L型底座通道21-3，用于连接顶面开口与侧面快接插口21-2。
作为本发明的一个实施例，所述制样架18为侧面带有一个缺口的四脚圆形支架。
作为本发明的一个实施例，对开圆模由所述第一对开圆模23、第二对开圆模24以及箍环25组成。所述第一对开圆模23带有凹槽，所述第二对开圆模24带有与之匹配的凸槽便于对其；所述箍环25用于固定第一对开圆模23与第二对开圆模24。所述第一对开圆模23侧面设有一个抽气口22，用于保证制样时橡胶膜32能贴紧模具避免。
作为本发明的一个实施例，所述试样帽26底面的直径为39.1mm并刻有米字型第二导流槽26-3，便于空气及水流通；试样帽26内部设有L型试样帽通道26-1，用于连接顶面开口与侧面的试样帽插口26-2。
作为本发明的一个实施例，所述底座插口21-2连接有第一气管20，所述第一气管20上设有第一阀门19；所述试样帽插口26-2连接有第二气管27，所述第二气管27上设有第二阀门28；第三气管35用于将所述第一气管20与所述第二反压孔14连通；第四气管36用于将所述第二气管27与所述第二排水孔16连通。
作为本发明的优选实施例，所有阀门均为双通阀门，两侧设有快接插口，开关与阀门平行为开启状态，垂直为关闭状态。所有气管均为PU气管，所有PU气管内径均一致为2mm，用于连接各个设备部件。所有快接插口型号及插口直径均一致，且插口直径与PU气管外径一致。
请参阅图5，抽气组件包括抽气泵29和抽气泵气管31，所述抽气泵29设有抽气泵插口30，可以使用PU气管与其他插口相连，且所述抽气泵29能够控制负压的大小并能保证负压稳定。
作为本发明的一个实施例，所述橡胶膜32的内径为39.1mm，第一橡胶圈33及第二橡胶圈34内径略小于试样帽26的直径。制样底座21、制样架18、橡胶膜32及第一对开圆模23与第二对开圆模24组成的制样仓自下而上组合，再通过抽气泵29从抽气口22抽取负压，使橡胶膜32紧贴模具壁面，即可形成圆柱状的制样仓。
请参阅图6-图8，橡胶膜32可以通过第一橡胶圈33及第二橡胶圈34与制样底座21和试样帽26紧紧贴合在一起。砂土试样与制样底座21和试样帽26之间均放置有滤纸和透水石。关闭第一阀门19及第二阀门28后，制样底座21、试样帽26与橡胶膜32之间就可以形成一个密闭空间。第一阀门19及第二阀门28与第二反压孔14及第二排水孔16可以通过PU气管简单快捷的连接在一起。
本发明的一个实施例还提出一种仪器外砂土制样方法，该方法包括以下步骤：
S100，将制样架与制样底座置于水平面，在所述制样底座上依次放置透水石及滤纸，并将橡胶膜固定于制样底座上；
S200，将第一对开圆模和第二对开圆模安装并放置于制样架，将固定于制样底座的橡胶膜外翻至第一对开圆模和第二对开圆模，使用抽气组件从抽气口抽气以使橡胶膜紧贴第一对开圆模和第二对开圆模壁面，从而形成制样仓；
S300，使用击实法或砂雨法将称重好的砂土试样装入制样仓内，在砂土试样顶面依次放置滤纸、透水石和试样帽，并将橡胶膜顶部固定于试样帽；
S400，关闭底座通道，打开试样帽通道，使用抽气组件通过试样帽通道抽取负压；拆除第一对开圆模和第二对开圆模并移开制样架，即可得到干砂试样。
请参阅图5，所述步骤S100和S200具体步骤为，首先将制样架18与制样底座21置于水平面上；再在制样底座21上依次放上透水石及滤纸，并将橡胶膜32用第二橡胶圈34绑在制样底座21上；之后将对开圆模置于制样架18上，并将橡胶膜32外翻至对开圆模上；最后利用抽气泵29从抽气口22抽气使橡胶膜32紧贴对开圆模的壁面，最终形成制样仓，此时第一阀门19处于开启状态。
请参阅图6，所述步骤S300和S400具体步骤为，使用击实法或砂雨法等成样方法将称重好的砂土试样装入制样仓内；在试样顶面依次放好滤纸、透水石及试样帽26，并将橡胶膜32顶部用第一橡胶圈33绑在试样帽26上；关闭第一阀门19，开启第二阀门28，使用抽气泵气管31接上抽气泵29，利用抽气泵29抽取5～10kPa负压，拆除对开圆模，一开制样架18。此时，砂土试样由于受5～10kPa负压，在拆除对开圆模后试样仍可保持圆柱形状。
进一步地，请参阅图7，关闭第二阀门28，移开抽气泵29，即可得到密实度均匀，扰动小的干砂试样。由于制样底座21、试样帽26与橡胶膜32之间密封，且第一阀门19与第二阀门28关闭，干砂试样处于一个密封空间，内部5～10kPa负压能长时间保持恒定，干砂试样能在5～10kPa负压下长时间保持圆柱形状。
进一步地，将制样底座21与压力室底座17用螺纹连接固定，使用第三气管35连接第二反压孔14与第一阀门19，使用第四气管36连接第二排水孔16与第二阀门28。关闭反压阀门12，打开围压阀门8及排水阀门4。利用抽气泵气管31接上抽气泵29，抽取5～10kPa负压，并打开第一阀门19与第二阀门28。此时，试样仍处于一个具有5～10kPa负压的密闭空间内，即使砂土试样无粘聚力，其也可以长时间处于稳定状态。
进一步地，安装好三轴仪其他部件，向三轴仪围压室1内注满无气水，打开围压阀门8，利用围压测控装置6向三轴仪围压室1内施加10kPa左右围压，移除抽气泵气管31及抽气泵29，使用排水气管3接上体变形及孔压测量装置2，同时打开反压阀门12。此时，砂土试样内部负压全部消散，但由于其受到了10kPa的围压，故其仍可处于稳定状态。
进一步地，利用围压测控装置6施加预定围压，若要进行干砂试验，可跳过饱和阶段直接按标准方法进入固结和剪切阶段，完成干砂力学性能测定。若要进行饱和砂试验，则要按标准方法利用反压测控装置10进行反压饱和，再按标准方法进入固结和剪切阶段，完成饱和砂力学性能测定。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种仪器外砂土制样装置，其特征在于，该装置包括压力室底座(17)、制样底座(21)、制样架(18)、第一对开圆模(23)、第二对开圆模(24)、试样帽(26)和抽气组件；
所述压力室底座(17)可升降设置于三轴仪围压室(1)，所述制样底座(21)可拆卸设置于所述压力室底座(17)上；所述压力室底座(17)的外侧设有制样架(18)，所述第一对开圆膜(23)和所述第二对开圆模(24)设置于所述制样架(18)；
所述第一对开圆模(23)和所述第二对开圆模(24)扣合形成制样仓，所述第一对开圆模(23)设有与所述制样仓连通的抽气口(22)，所述制样底座(21)和所述试样帽(26)分别设置于所述制样仓的两端；
所述制样底座(21)面向所述制样仓的一面设有第一导流槽(21-4)，所述制样底座(21)内部设有用于连通所述第一导流槽(21-4)与所述制样底座(21)外部的底座通道(21-3)；
所述试样帽(26)面向所述制样仓的一面设有第二导流槽(26-3)，所述试样帽(26)内部设有用于连通所述第二导流槽(26-3)与所述试样帽(26)外部的试样帽通道(26-1)；
所述抽气组件与所述试样帽通道连通，用于抽取所述制样仓内空气以使所述制样仓内形成负压，从而完成砂土制样。
2.根据权利要求1所述的一种仪器外砂土制样装置，其特征在于，所述第一导流槽(21-4)为米字型导流槽，所述底座通道(21-3)为L型通道；所述米字型导流槽的中心设有与所述底座通道(21-3)一端连通的槽口；在所述制样底座(21)的侧面设有底座插口(21-2)，所述底座插口(21-2)与所述底座通道(21-3)的另一端连通；
所述第二导流槽(26-3)为米字型导流槽，所述试样帽通道(26-1)为L型通道；所述米字型导流槽的中心设有与所述试样帽通道(26-1)一端连通的槽口；在所述试样帽(26)的侧面设有试样帽插口(26-2)，所述试样帽插口(26-2)与所述试样帽通道(26-1)的另一端连通。
3.根据权利要求1所述的一种仪器外砂土制样装置，其特征在于，所述制样底座(21)的一端设有外螺纹(21-1)，所述压力室底座(17)设有与之相适配的内螺纹(17-1)，所述制样底座(21)可拆卸装配于所述压力室底座(17)中。
4.根据权利要求1所述的一种仪器外砂土制样装置，其特征在于，所述第一对开圆模(23)的拼接处设有凹槽，所述第二对开圆模(24)的拼接处设有与凹槽匹配的凸槽；所述第一对开圆模(23)与所述第二对开圆模(24)对齐安装后，通过箍环(25)将所述第一对开圆模(23)与所述第二对开圆模(24)固定。
5.根据权利要求1所述的一种仪器外砂土制样装置，其特征在于，所述抽气组件包括抽气泵(29)和抽气泵气管(31)，所述抽气泵(29)设有抽气泵插口(30)，所述抽气泵气管(31)与所述抽气泵插口(30)连接。
6.根据权利要求1所述的一种仪器外砂土制样装置，其特征在于，所述三轴仪围压室(1)的外部设有第一排水孔(5)、第一围压孔(9)、第一反压孔(13)，所述三轴仪围压室(1)的内部设有第二排水孔(16)、第二围压孔(15)、第二反压孔(14)；
所述第一排水孔(5)与所述第二排水孔(16)、所述第一围压孔(9)与所述第二围压孔(15)、所述第一反压孔(13)与所述第二反压孔(14)均通过所述三轴仪围压室(1)内部的孔隙通道相连通。
7.根据权利要求6所述的一种仪器外砂土制样装置，其特征在于，还包括反压测控组件，所述反压测控组件包括反压测控装置(10)、反压气管(11)和反压阀门(12)；所述反压测控装置(10)通过所述反压气管(11)与所述第一反压孔(13)连通，所述反压阀门(12)设置于所述反压气管(11)。
8.根据权利要求6所述的一种仪器外砂土制样装置，其特征在于，还包括围压测控组件，所述围压测控组件包括围压测控装置(6)、围压气管(7)和围压阀门(8)；所述围压测控装置(6)通过所述围压气管(7)与所述第一围压孔(9)连通，所述围压阀门(8)设置于所述围压气管(7)。
9.根据权利要求6所述的一种仪器外砂土制样装置，其特征在于，还包括体变形及孔压测量组件，所述体变形及孔压测量组件包括体变形及孔压测量装置(2)、排水气管(3)和排水阀门(4)；所述体变形及孔压测量装置(2)通过排水气管(3)与所述第一排水孔(5)连通，所述排水阀门(4)设置于所述排水气管(3)。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的仪器外砂土制样装置的制样方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将制样架与制样底座置于水平面，在所述制样底座上依次放置透水石及滤纸，并将橡胶膜固定于制样底座上；
将第一对开圆模和第二对开圆模安装并放置于制样架，将固定于制样底座的橡胶膜外翻至第一对开圆模和第二对开圆模，使用抽气组件从抽气口抽气以使橡胶膜紧贴第一对开圆模和第二对开圆模壁面，从而形成制样仓；
将称重好的砂土试样装入制样仓内，在砂土试样顶面依次放置滤纸、透水石和试样帽，并将橡胶膜顶部固定于试样帽；
关闭底座通道，打开试样帽通道，使用抽气组件通过试样帽通道抽取负压；拆除第一对开圆模和第二对开圆模并移开制样架，即可得到干砂试样。
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