CN118168894A - 一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，包括外制样筒，外制样筒筒体下部套设在三轴仪底座的圆柱平台外，外制样筒筒体底部外周设置外制样筒底座，外制样筒底座延伸至三轴仪围压腔顶部开口的外延平台上；外制样筒筒体顶部与漏斗筒筒体的底部可拆卸连接，漏斗筒筒体的顶部连接斗部口径较小的端口；外制样筒筒体内设置有可拆卸的内制样筒，内制样筒的外径根据预先设计的面积置换率而变化。本发明还提供了一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具使用方法。本发明制样精度高，所制试样稳定性好，制样方便，保护围压腔不受污染，同时在制样筒底部添加内减震环、外减震环，可确保在锤击密实砂样的过程中减小锤击对三轴仪加载杆件的损伤。

Description

一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具及使用方法

技术领域

本发明属于土工试验装置技术领域，具体涉及一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，还涉及一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具使用方法，应用于对不同密实范围的振冲密实砂土地基进行小型三轴模型试验。

技术背景

振冲密实法是一种应用广泛的地基处理方法，其处理后地基为以振冲点为中心由内向外密实度逐渐减小的沿水平方向不均匀地基，实践中常将振冲密实后地基简化为芯部密实砂样与外部松散砂样所组成的同心圆柱体，并采用面积置换率(As)来衡量加固范围。目前振冲密实复合地基的处理效果主要通过现场的平板载荷试验或室内大型模型试验获得，该方法虽较为准确但试验周期较长、检验成本偏高。

三轴试验是土工试验中一项重要的力学试验，它可以用于反映振冲密实模型试样受力至变形破坏的全过程，也可以得出模型试样的摩擦角、割线模量等强度参数，因而是研究振冲密实复合地基强度参数的一种重要方法。目前含黏粒土壤的振冲密实三轴模型试验的制样技术已较为成熟，但因砂土为散体材料，在制作不同面积置换率的振冲密实三轴模型试样时有以下难点：

1、振冲密实模型试样为芯部密实砂样与外层稍松砂样所组成的同心圆柱体，在制样时，根据面积置换率(As)的不同在三轴试样底部圆心处放置不同直径的内制样筒，但内制样筒的定位较为困难，难以确保内制样筒与三轴试样底部同心，同时内制样筒并未固定，在填装外层砂土试样时容易受到扰动，使其位置发生改变，或使其发生倾斜，制样难度较大。

2、在填充芯部密实砂样时需要向上提拉内制样筒，对于砂土等散体材料，由于颗粒间无黏结力，在向上提拉内制样筒的过程中外层砂土易发生坍塌，同时提拉过程中易对内制样筒周围砂土产生扰动，导致外层松散砂样不均匀，难以达到理想的制样效果。

3、当前砂土三轴试验均在围压室底座上直接制样，在装样时可能会有部分砂土颗粒散落进围压腔，对于本研究中的水平向分层试样，该现象更为显著，这不仅造成试样质量减小，同时散落在围压腔的砂土颗粒也容易污染围压腔，使得围压腔的密封性变差。

4、在制样的过程中，常需要对试样进行锤击密实，对于本研究所使用的英国GDS公司生产的伺服电机控制式静动三轴仪(DYNTTS)，其加载杆与试样底座相连，因而制样过程中反复的锤击可能会对下部加载杆件产生影响。

发明内容

针对砂土振冲密实三轴模型试验中存在的上述问题，本发明提出一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，还提出一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具使用方法。目的在于设计一种能将不同直径内制样筒精准固定在三轴仪底座形心处的制样模具，并确保在向上提拉内制样筒时外层松散砂土不会受到扰动或发生塌陷；同时保护三轴仪围压腔不受污染，并减小锤击对加载杆的损伤。该模具具有制样精度高、试样稳定性好、保护三轴仪、适应性强等特点，且在使用过程中安装灵活，易拆卸。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，包括三轴仪底座，三轴仪底座的底部支撑柱的顶部连接三轴仪底座平台，在三轴仪底座平台上的中心连接有向上凸起的圆柱平台，还包括外制样筒，外制样筒的外制样筒筒体上下开口且贯通，外制样筒筒体下部套设在圆柱平台外，三轴仪围压腔顶部开口，三轴仪底座位于三轴仪围压腔内，外制样筒筒体底部外周设置有外制样筒底座，外制样筒底座延伸至三轴仪围压腔顶部开口的外延平台上；

漏斗筒从下到上依次包括漏斗筒筒体、斗部和环状顶座，外制样筒筒体顶部与漏斗筒筒体的底部可拆卸连接，漏斗筒筒体的顶部连接斗部中口径较小的端口，斗部中口径较大的端口外周设置有环状顶座；

在外制样筒筒体内设置有可拆卸的内制样筒，内制样筒上下开口且贯通，内制样筒上部外壁与限位弧片相抵，限位弧片个数大于等于3，且限位弧片沿内制样筒的外壁周向依次排布，限位弧片与水平定位螺栓的一端连接，水平定位螺栓的另一端密封贯穿漏斗筒筒体侧壁，并套设有水平定位螺栓旋柄。

如上所述内制样筒外壁套设有筒状的糯米纸。

如上所述外制样筒内壁铺设有橡皮膜，橡皮膜向下延伸至圆柱平台侧壁，在橡皮膜对应的圆柱平台侧壁位置处套设有橡胶圈；橡皮膜的上部外翻至外制样筒筒体外，在橡皮膜对应外制样筒筒体位置处套设有橡胶圈。

如上所述圆柱平台的顶面上，从下至上依次铺设有透水石和滤纸，内制样筒的筒底放置在滤纸上。

如上所述外制样筒筒体设置有抽气管，制样时抽气管连接外部真空泵。

如上所述外制样筒筒体以及外制样筒底座沿周向划分为个数大于等于2的分瓣，分瓣顺次连接，合围后的分瓣的外周套设有可拆卸的紧箍环。

如上所述外制样筒筒体底部与三轴仪底座平台之间放置内减震环，在外制样筒底座和三轴仪围压腔的外延平台之间放置外减震环。

如上所述三轴仪围压腔的外延平台上设置有三轴仪底座螺孔，环状顶座以及外制样筒底座对应三轴仪底座螺孔的位置分别设置有螺孔；外减震环上与三轴仪底座螺孔对应位置设置有开口；垂直定位螺栓从上至下，依次穿过对应的环状顶座的螺孔、外制样筒底座的螺孔、外减震环的开孔至三轴仪底座螺孔内；每根垂直定位螺栓上套分别设有上部螺栓旋柄和下部螺栓旋柄，上部螺栓旋柄位于环状顶座上，下部螺栓旋柄位于外制样筒底座之上，通过上部螺栓旋柄和下部螺栓旋柄将垂直定位螺栓进行固定。

如上所述芯部密实砂样的高度与外层松散砂样的高度一致，记为h₁；透水石的高度记为h₂；滤纸的厚度记为h₃；则外制样筒的高度H，满足如下条件：H≥h₁+2*(h₂+h₃)。

一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具使用方法，利用如上所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，包括如下步骤：

步骤1：将透水石铺设在圆柱平台上，将橡皮膜下部套在圆柱平台外，并用橡胶圈固定橡皮膜的下部；

步骤2：将内减震环放置在三轴仪底座平台上，外减震环放置在三轴仪围压腔的外延平台上，并使用紧箍环将外制样筒环向固定，调整外制样筒和外减震环的位置，使得外制样筒底座的螺孔和外减震环的开孔均与对应的三轴仪底座螺孔对齐，将垂直定位螺栓依次穿过外制样筒底座的螺孔、外减震环的开孔并插入三轴仪底座螺孔中，并转动对应的下部螺栓旋柄，使外制样筒固定在三轴仪底座上；

步骤3：将橡皮膜上部外翻套至外制样筒外，并使用对应的橡胶圈将橡皮膜的上部固定，在抽气管处连接外部真空泵，用真空泵吸取外制样筒内壁与橡皮膜之间的多余空气，使橡皮膜紧贴在外制样筒的内壁上；

步骤4：将漏斗筒的环状顶座的螺孔套至垂直定位螺栓上，转动对应的上部螺栓旋柄将漏斗筒固定；

步骤5：将滤纸放至透水石上，并根据试验设定内制样筒的外径，将糯米纸制成内径大于内制样筒外径1～2mm的圆筒状；然后将圆筒状的糯米纸顶部点粘至内制样筒外壁上，使得糯米纸紧贴内制样筒，然后将内制样筒与糯米纸一同放置在滤纸中心处；

步骤6：调整限位弧片与对应的水平定位螺栓旋柄将内制样筒固定，然后测定水平定位螺栓位于外制样筒外的长度，通过水平定位螺栓的总长度减去水平定位螺栓位于外制样筒外的长度，得到水平定位螺栓位于外制样筒内的长度，通过对比各个水平定位螺栓位于外制样筒内的长度是否一致，来核查内制样筒是否在三轴仪底座的中轴上，若内制样筒不在三轴仪底座的中轴上，则继续微调内制样筒的水平位置，直至内制样筒位于三轴仪底座的中轴上；

步骤7：根据试验设定的密实度对应分别称取外层松散砂样与芯部密实砂样；

步骤8：先在内制样筒内分层填装外层松散砂样至设定高度，之后松动限位弧片使得内制样筒能自由移动，然后将糯米纸上与内制样筒粘贴部分与未粘贴部分剪断使得内制样筒可以单独向上提拉，然后在填装芯部密实砂样的同时用千斤顶缓慢均匀向上提拉内制样筒并保持内制样筒底部距离芯部密实砂样上端面1～2cm的高度，直至装样完成；

步骤9：依次拆除内制样筒和漏斗筒，然后按照三轴制样步骤从下至上依次将滤纸、透水石、和三轴仪顶帽装至步骤8得到的试样顶部，拆除外制样筒上部的橡胶圈，然后将橡皮膜上翻至三轴仪顶帽上，使橡皮膜的上部包覆三轴仪顶帽，并用橡胶圈将固定橡皮膜的上部固定在三轴仪顶帽的阀门外周；

步骤10：使用外部真空泵连接三轴仪顶帽的阀门，对制样完成的试样给予负压，然后拆除外制样筒与真空泵。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、制样精度高：内制样筒通过水平定位螺栓和限位弧片固定在试样底座形心处，在装填与密实外层砂样时不易受到扰动；同时可根据加固范围调节内制样筒直径，制样模具的适用性广。

2、试样稳定性好：本发明在内制样筒外壁上附着一层糯米纸(厚度0.02～0.025mm)，糯米纸表面光滑，在干燥时具有一定的强度，可以在向上提拉内制样筒时保护外层砂样不发生坍塌，在饱和阶段糯米纸遇水即完全溶解，因而不会对试验结果造成影响；同时限位弧片可以减小向上提拉内制样筒时产生的晃动，保护外层砂样不发生扰动。

3、方便制样：本发明在外制样筒上端添加一个漏斗筒，这一方面确保在制样时漏斗的斜截面扩展了外层砂样上部的空间，砂样可以延漏斗筒斜截面滑入外制样筒；其次漏斗筒上部水平扩展至围压腔外端，部分散落砂样颗粒可以有效得回收利用，保护了围压腔不受污染。

4、保护三轴仪：本发明在制样筒底部添加了内减震环、外减震环以确保在锤击密实砂样的过程中减小锤击对三轴仪加载杆件的损伤。

附图说明

图1为本发明振冲密实三轴模型试验制样模具结构示意图；

图2为本发明制芯部密实砂样时的示意图；

图3为图1中A-A的剖视图；

图4为本发明减震环的结构示意图；

图5为本发明所制作振冲密实三轴模型试样的应力应变关系图；

图中：1-漏斗筒，101-漏斗筒筒体，102-斗部，103-环状顶座，2-垂直定位螺栓，3-水平定位螺栓，401-上部螺栓旋柄，402-下部螺栓旋柄，403-水平定位螺栓旋柄，5-限位弧片，6-橡胶圈，7-抽气管，8-外制样筒，801-外制样筒筒体，802-外制样筒底座，9-橡皮膜，10-糯米纸，11-内制样筒，12-滤纸，13-透水石，14-内减震环，15-外减震环，16-三轴仪底座螺孔，17-三轴仪围压腔，18-三轴仪底座，1801-底部支撑柱，1802-三轴仪底座平台，1803-圆柱平台，19-外层松散砂样，20-芯部密实砂样，21-紧箍环，22-环箍螺栓。

具体实施方式

下面将结合附图和实施示例对本发明专利的技术方案进行清楚完整地描述，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参照图1-图5，本实施例提供了一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，包括外制样筒8、内制样筒11、漏斗筒1、两组固定机构、以及两个减震环；其中固定机构包括：水平定位螺栓3和水平定位螺栓3上的水平定位螺栓旋柄403，以及垂直定位螺栓2和垂直定位螺栓2上的上部螺栓旋柄401和下部螺栓旋柄402；减震环包括内减震环14和外减震环15。

外制样筒8包括上下开口且贯通的外制样筒筒体801和外制样筒筒体801底部外周设置的外制样筒底座802，外制样筒筒体801套设在三轴仪底座18的上部，具体的：三轴仪底座18包括底部支撑柱1801、三轴仪底座平台1802和圆柱平台1803，三轴仪底座18的底部支撑柱1801的顶部连接三轴仪底座平台1802，在三轴仪底座平台1802上的中心处连接有向上凸起的圆柱平台1803，外制样筒筒体801下部套设在圆柱平台1803外；三轴仪围压腔17顶部开口，三轴仪底座18位于三轴仪围压腔17内，外制样筒底座802延伸至三轴仪围压腔17顶部开口的外延平台上；

外制样筒筒体801与漏斗筒1可拆卸连接，具体的：漏斗筒1从下到上依次包括漏斗筒筒体101、斗部102和环状顶座103，外制样筒筒体801顶部与漏斗筒筒体101的底部可拆卸连接，可以为：外制样筒筒体801的顶部以及漏斗筒筒体101的底部均设置为锥面，外制样筒筒体801顶部的锥面形状与漏斗筒筒体101的底部锥面的形状一致，外制样筒筒体801顶部的锥面的尺寸与漏斗筒筒体101的底部锥面的尺寸匹配，在本实施例中，外制样筒筒体801顶部的外周设置为外锥面，漏斗筒筒体101的底部内周设置为内锥面，安装外制样筒8和漏斗筒1时，外制样筒筒体801顶部的外锥面和漏斗筒筒体101底部的内锥面相对应；外制样筒筒体801顶部与漏斗筒筒体101的底部可拆卸连接也可为：外制样筒筒体801的顶部设置有突出条部，漏斗筒筒体101的底部设置有凹槽部，突出条部的尺寸和凹槽部的尺寸匹配，突出条部的位置和凹槽部的位置对应。漏斗筒筒体101的顶部连接斗部102口径较小的端口，斗部102中口径较大的端口外周设置有环状顶座103；

位于外制样筒筒体801内，设置有可拆卸的内制样筒11；内制样筒11上下开口且贯通；内制样筒11上部外壁与限位弧片5相抵，限位弧片5个数大于等于3，且限位弧片5沿内制样筒11的外壁周向依次排布，限位弧片5与水平定位螺栓3的一端连接，水平定位螺栓3的另一端密封贯穿漏斗筒筒体101侧壁，并套设有水平定位螺栓旋柄403，利用水平定位螺栓旋柄403固定水平定位螺栓3以及限位弧片5的水平位置。

利用本发明制作的试样，可以包括芯部密实砂样20和外层松散砂样19所组成的同心圆柱体砂样，内制样筒11用于填充芯部密实砂样20，外制样筒8用于填充外层松散砂样19；为在填充外层松散砂样19之后，保持外层松散砂样19的形状，且避免抬起内制样筒11时对外层松散砂样19形成扰动，在内制样筒11外壁套设有筒状的糯米纸10；

为在拆除外制样筒8后，保持外层松散砂样19的形状，以及便于在后期进行三轴试验时对试样施加围压和反压，在外制样筒8内壁铺设有橡皮膜9；参见图1、图2，为固定橡皮膜9，橡皮膜9向下延伸至圆柱平台1803侧壁，并通过底部的橡胶圈6套设在橡皮膜9对应的圆柱平台1803侧壁位置处，将橡皮膜9底部固定；同时橡皮膜9的上部外翻至外制样筒筒体801外，并通过橡胶圈6套设在橡皮膜9对应外制样筒筒体801位置处，将橡皮膜9上部固定；

参见图1、图2，在圆柱平台1803的顶面上，从下至上，依次铺设有透水石13和滤纸12；内制样筒11筒底放置在滤纸12上。在滤纸12之上，位于内制样筒11外壁以内(即糯米纸10以内)的空间，填充芯部密实砂样20；在滤纸12之上，内制样筒11外壁与橡皮膜9内壁之间的空间填充外层松散砂样19。

为确保橡皮膜9在制样时始终紧贴在外制样筒8内壁，避免橡皮膜9与外制样筒8内壁间存在空气，最终导致所制的外层松散砂样19形状不规则进而影响三轴试验结果，在外制样筒筒体801设置有抽气管7，制样时抽气管7连接外部真空泵；

为方便后续拆除外制样筒8，外制样筒筒体801以及外制样筒底座802沿周向划分为个数大于等于2的分瓣，本实施例设置为两个分瓣，多个分瓣顺次连接，合围后的分瓣的外周套设有两个可拆卸的紧箍环21，用于约束外制样筒8在制样时保持圆柱形。在本实施例中，参见图3，紧箍环21包括两个半圆箍，每个半圆箍的两端分别设置有垂直于半圆箍端部的半圆箍翼板，半圆箍翼板上预留紧箍环螺孔，两个半圆箍的两端通过环箍螺栓22穿设在紧箍环螺孔内连接固定，紧箍环21的位置可以固定在外制样筒筒体801任意部位，可根据需要设置紧箍环21的数量，例如可以设置1-3个紧箍环21，在制样完成后，拧出环箍螺栓22，紧箍环21与外制样筒8一同拆离试样。

进一步，外制样筒筒体801的底部与三轴仪底座平台1802之间放置内减震环14，在外制样筒底座802和三轴仪围压腔17的外延平台之间放置外减震环15，内减震环14和外减震环15为橡胶材质，延展性较好，一方面可以发挥密封的作用，保证在抽气管7工作时，橡皮膜9与外制样筒8内壁为密封状态；另一方面，内减震环14避免外制样筒8与三轴仪底座18直接接触，在锤击密实试样时减小对三轴仪底座18的扰动，同时也减小了直接接触所带来的噪声污染。

在本实施例中，三轴仪围压腔17的外延平台上设置有三个三轴仪底座螺孔16，为固定外制样筒8和漏斗筒1，参见图1和图3，漏斗筒1的环状顶座103上以及外制样筒底座802对应三轴仪底座螺孔16的位置分别设置有螺孔，外减震环15上与三轴仪底座螺孔16对应位置设置有开口，本实施例设置有三组螺孔，垂直定位螺栓2分别从上至下依次穿过对应的环状顶座103的螺孔、外制样筒底座802的螺孔、外减震环15的开孔至三轴仪底座螺孔16内，每根垂直定位螺栓2上套分别设有上部螺栓旋柄401和下部螺栓旋柄402，上部螺栓旋柄401位于环状顶座103上，下部螺栓旋柄402位于外制样筒底座802之上，通过上部螺栓旋柄401和下部螺栓旋柄402将垂直定位螺栓2进行固定；

漏斗筒1的环状顶座103，一方面用于和外制样筒底座802配合，固定漏斗筒1的水平位置，另一方面与漏斗筒1的斗部102一起，避免填装外层松散砂样19时砂样颗粒散落至三轴仪围压腔17。

在本实施例中，水平定位螺栓3端部和限位弧片5焊接为一个整体，共设置三个水平定位螺栓3，三个水平定位螺栓3在同一水平面上，并沿外制样筒筒体801的周向依次排布。通过调节水平定位螺栓3位置来固定内制样筒11至三轴仪底座18的中心处。上述三个水平定位螺栓3和三个垂直定位螺栓2可同时固定内制样筒11、外制样筒8与漏斗筒1，提高制样效率并防止制样过程中对试样的扰动。

在本实施例中，芯部密实砂样20的高度与外层松散砂样19的高度一致，记为h₁；透水石13的高度记为h₂；滤纸12的厚度记为h₃；则外制样筒8的高度H，满足如下条件：H≥h₁+2*(h₂+h₃)，外制样筒筒体801侧壁上距外制样筒筒体801的筒壁顶部1/3高度处设置一抽气管7，在制样过程中将真空泵连接抽气管7，以确保橡皮膜9始终紧贴在外制样筒8内壁，外制样筒8外壁设置两个紧箍环21，用于约束外制样筒8在制样时保持圆柱形。

参见图1，橡皮膜9下部通过橡胶圈6固定在圆柱平台1803上，橡皮膜9上部外翻部分高出外制样筒8有3～5cm,并且外翻部分用上部的橡胶圈6固定在外制样筒筒体801-外壁上。

内制样筒11为不锈钢圆筒，具有强度高、质量轻、表面光滑等优点，方便在制芯部密实砂样20时向上提拉内制样筒11。内制样筒11高出外制样筒筒体801有4～6cm以方便在试样顶部对内制样筒11进行固定，内制样筒11的直径根据预设的振冲加固范围而改变。在固定时，确保内制样筒11的中轴、外制样筒8的中轴和三轴仪底座18的中轴在一条直线上。

内制样筒11外壁紧贴糯米纸10，糯米纸10主要成分为糯米粉，厚度0.02～0.025mm，干燥时具有一定强度，试样水头饱和阶段遇水即完全溶解，不影响后期三轴试验强度参数的测定。糯米纸10高出外制样筒11有1～2cm即可，制样完成后，可剪掉糯米纸10高出砂样部分。

需要说明的是，为确保糯米纸10可以紧贴内制样筒11外壁，可以根据内制样筒11外径将糯米纸10制成圆筒状，圆筒状糯米纸10成筒时侧边相叠处用强力胶点粘固定；为方便后期向上提拉内制样筒11时制样筒与糯米纸10分离，糯米纸10所制圆筒直径应大于内制样筒11外径1～2mm。将糯米纸10顶部用强力胶点粘至内制样筒11外壁上，在后期向上提拉内制样筒11时，用剪刀将糯米纸10与内制样筒11粘贴部分与未粘贴部分剪断，使得糯米纸10与内制样筒11外壁分离。

进一步需要说明的是，在制芯部密实砂样20时，糯米纸10外表面与外层松散砂样19接触，糯米纸10的内表面与内制样筒11接触，如前文所述内制样筒11为抛光不锈钢材质，外表面光滑；在向上提拉内制样筒11时，糯米纸10内侧所受内制样筒11所提供的向上的动摩擦力远小于糯米纸10与外层松散砂样19之间阻碍糯米纸10向上运动的静摩擦力，故而可以确保向上提拉内制样筒11时，糯米纸10不会跟随内制样筒11一起向上移动。

根据实践经验，在添加内制样筒11后，外制样筒8内的外层空腔变小，从而造成制样困难；以及在制样时砂样(包括芯部密实砂样20与外层松散砂样19)易洒落在设备三轴仪围压腔17内，造成三轴仪围压腔17污染与易发生泄露的问题。本发明的漏斗筒1的斗部102斜面方便外层松散砂样19滑落进外制样筒8内壁与内制样筒11外壁之间的空腔；同时环状顶座103向外延伸至三轴仪围压腔17外，填装外层松散砂样19时散落至环状顶座103的砂颗粒可用毛刷扫至试样内，因而本发明可以提高制样精度并可以有效避免三轴仪围压腔17被污染。

实施例2

一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具及制样方法利用实施例1所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，包括以下步骤：

步骤1：将透水石13铺设在圆柱平台1803上，将橡皮膜9下部套在圆柱平台1803外，并用橡胶圈6固定橡皮膜9的下部。

步骤2：将内减震环14放置在三轴仪底座平台1802上，外减震环15放置在三轴仪围压腔17的外延平台上，如照图1所示位，并使用紧箍环21和环箍螺栓22将外制样筒8环向固定，调整外制样筒8和外减震环15的位置，使外制样筒底座802的螺孔和外减震环15的开孔均与对应的三轴仪底座螺孔16对齐，将垂直定位螺栓2依次穿过对应的外制样筒底座802的螺孔、外减震环15的开孔并插入三轴仪底座螺孔16中，并转动下部螺栓旋柄402使外制样筒8固定在三轴仪底座18上。

步骤3：将橡皮膜9上部外翻套至外制样筒8外，并使用橡胶圈6将橡皮膜9的上部固定，在抽气管7处连接外部真空泵，用真空泵吸取外制样筒8内壁与橡皮膜9之间的多余空气，使橡皮膜9紧贴在外制样筒8的内壁上。

步骤4：将漏斗筒1的环状顶座103的螺孔套至垂直定位螺栓2上，转动对应的上部螺栓旋柄401将漏斗筒1固定。

步骤5：将滤纸12放至透水石13上，并根据试验设定内制样筒11的外径，将糯米纸10制成内径大于内制样筒11外径1～2mm的圆筒状，筒状糯米纸10成筒时侧边相叠处用强力胶点粘固定形状；然后将圆筒状的糯米纸10顶部用强力胶点粘至内制样筒11外壁上，使得糯米纸10紧贴内制样筒11，然后将内制样筒11与糯米纸10一同放置在滤纸12中心处。

步骤6：调整限位弧片5与对应的水平定位螺栓旋柄403将内制样筒11固定，然后测定水平定位螺栓3位于外制样筒8外的长度，通过水平定位螺栓3的总长度减去水平定位螺栓3位于外制样筒8外的长度，得到水平定位螺栓3位于外制样筒8内的长度，通过对比各个水平定位螺栓3位于外制样筒8内的长度是否一致来核查内制样筒11是否在三轴仪底座18的中轴上，若内制样筒11不在三轴仪底座18的中轴上，则继续微调内制样筒11的水平位置，直至内制样筒11位于三轴仪底座18的中轴上。

步骤7：根据试验设定的密实度对应分别称取外层松散砂样19与芯部密实砂样20。因糯米纸10厚度较薄，约为0.02～0.025mm，在三轴试样水头饱和时完全溶解，故而为简化试验操作流程，计算试样体积时不考虑糯米纸10。因而所述外层松散砂样19的体积应为一定高度下内制样筒11外壁至橡皮膜9内壁之间空心圆柱体的体积，芯部密实砂样20的体积应为一定高度下直径为内制样筒11外壁的实心圆柱体的体积。

步骤8：先在内制样筒11内分层填装外层松散砂样19至设定高度，之后稍稍松动限位弧片5使得内制样筒11能自由移动，然后用剪刀将糯米纸10上与内制样筒11粘贴部分与未粘贴部分剪断使得内制样筒11可以单独向上提拉。然后在填装芯部密实砂样20的同时用千斤顶缓慢均匀向上提拉内制样筒11至装样完成，该过程中始终保持内制样筒11底部距离芯部密实砂样20上端面1～2cm的高度。因糯米纸10在干燥时具有一定的强度，在小范围提升内制样筒11时可以确保已装样完成的外层松散砂样19侧壁的稳定性。

步骤9：制样完成后，依次拆除内制样筒11和漏斗筒1，然后按照现有的三轴制样步骤从下至上依次将滤纸12、透水石13、和三轴仪顶帽(三轴仪顶帽为本发明选用的GDS三轴仪原有构件，非本发明专利的创新部分，此处列入本发明模具制样步骤中仅为保证制样流程的完整性)装至试样顶部，拆除外制样筒8上部的橡胶圈6，然后将橡皮膜9上翻至三轴仪顶帽上，使橡皮膜9的上部包覆三轴仪顶帽，并用橡胶圈6将固定橡皮膜9的上部固定在三轴仪顶帽的阀门外周。

步骤10：使用外部真空泵连接三轴仪顶帽的阀门，对制样完成的试样给予大约5kPa的负压使试样具有一定的强度以避免在拆除外制样筒8时试样坍塌或变形，然后拆除外制样筒8与真空泵。此后可按照已有的三轴仪的操作步骤测定试样尺寸、安装三轴仪围压室并开始试验。

采用本发明专利制备出的珊瑚砂振冲密实三轴模型试样在三轴试验设备上进行固结排水试验，测出不同加固面积的应力应变关系，如图5所示，可以看出，采用本模具制备出的试样应力应变曲线规律性良好，可以对砂土不同加固范围振冲密实三轴模型试样进行更进一步的力学性质的相关研究。

以上所述的实施示例仅是对本发明专利进行描述，并非对本发明专利的范围进行限定，在不脱离本发明专利设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明专利的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明专利权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，包括三轴仪底座(18)，三轴仪底座(18)的底部支撑柱(1801)的顶部连接三轴仪底座平台(1802)，在三轴仪底座平台(1802)上的中心连接有向上凸起的圆柱平台(1803)，其特征在于，还包括外制样筒(8)，外制样筒(8)的外制样筒筒体(801)上下开口且贯通，外制样筒筒体(801)下部套设在圆柱平台(1803)外，三轴仪围压腔(17)顶部开口，三轴仪底座(18)位于三轴仪围压腔(17)内，外制样筒筒体(801)底部外周设置有外制样筒底座(802)，外制样筒底座(802)延伸至三轴仪围压腔(17)顶部开口的外延平台上；

漏斗筒(1)从下到上依次包括漏斗筒筒体(101)、斗部(102)和环状顶座(103)，外制样筒筒体(801)顶部与漏斗筒筒体(101)的底部可拆卸连接，漏斗筒筒体(101)的顶部连接斗部(102)中口径较小的端口，斗部(102)中口径较大的端口外周设置有环状顶座(103)；

在外制样筒筒体(801)内设置有可拆卸的内制样筒(11)，内制样筒(11)上下开口且贯通，内制样筒(11)上部外壁与限位弧片(5)相抵，限位弧片(5)个数大于等于3，且限位弧片(5)沿内制样筒(11)的外壁周向依次排布，限位弧片(5)与水平定位螺栓(3)的一端连接，水平定位螺栓(3)的另一端密封贯穿漏斗筒筒体(101)侧壁，并套设有水平定位螺栓旋柄(403)。

2.根据权利要求1所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，其特征在于，所述内制样筒(11)外壁套设有筒状的糯米纸(10)。

3.根据权利要求2所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，其特征在于，所述外制样筒(8)内壁铺设有橡皮膜(9)，橡皮膜(9)向下延伸至圆柱平台(1803)侧壁，在橡皮膜(9)对应的圆柱平台(1803)侧壁位置处套设有橡胶圈(6)；橡皮膜(9)的上部外翻至外制样筒筒体(801)外，在橡皮膜(9)对应外制样筒筒体(801)位置处套设有橡胶圈(6)。

4.根据权利要求3所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，其特征在于，所述圆柱平台(1803)的顶面上，从下至上依次铺设有透水石(13)和滤纸(12)，内制样筒(11)的筒底放置在滤纸(12)上。

5.根据权利要求4所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，其特征在于，所述外制样筒筒体(801)设置有抽气管(7)，制样时抽气管(7)连接外部真空泵。

6.根据权利要求5所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，其特征在于，所述外制样筒筒体(801)以及外制样筒底座(802)沿周向划分为个数大于等于2的分瓣，分瓣顺次连接，合围后的分瓣的外周套设有可拆卸的紧箍环(21)。

7.根据权利要求6所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，其特征在于，所述外制样筒筒体(801)底部与三轴仪底座平台(1802)之间放置内减震环(14)，在外制样筒底座(802)和三轴仪围压腔(17)的外延平台之间放置外减震环(15)。

8.根据权利要求7所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，其特征在于，所述三轴仪围压腔(17)的外延平台上设置有三轴仪底座螺孔(16)，环状顶座(103)以及外制样筒底座(802)对应三轴仪底座螺孔(16)的位置分别设置有螺孔；外减震环(15)上与三轴仪底座螺孔(16)对应位置设置有开口；垂直定位螺栓(2)从上至下，依次穿过对应的环状顶座(103)的螺孔、外制样筒底座(802)的螺孔、外减震环(15)的开孔至三轴仪底座螺孔(16)内；每根垂直定位螺栓(2)上套分别设有上部螺栓旋柄(401)和下部螺栓旋柄(402)，上部螺栓旋柄(401)位于环状顶座(103)上，下部螺栓旋柄(402)位于外制样筒底座(802)之上，通过上部螺栓旋柄(401)和下部螺栓旋柄(402)将垂直定位螺栓(2)进行固定。

9.根据权利要求8所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，其特征在于，所述芯部密实砂样(20)的高度与外层松散砂样(19)的高度一致，记为h₁；透水石(13)的高度记为h₂；滤纸(12)的厚度记为h₃；则外制样筒(8)的高度H，满足如下条件：H≥h₁+2*(h₂+h₃)。

10.一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具使用方法，利用权利要求9所述一种砂土振冲密实三轴模型试验的制样模具，包括如下步骤：

步骤1：将透水石(13)铺设在圆柱平台(1803)上，将橡皮膜(9)下部套在圆柱平台(1803)外，并用橡胶圈(6)固定橡皮膜(9)的下部；

步骤2：将内减震环(14)放置在三轴仪底座平台(1802)上，外减震环(15)放置在三轴仪围压腔(17)的外延平台上，并使用紧箍环(21)将外制样筒(8)环向固定，调整外制样筒(8)和外减震环(15)的位置，使得外制样筒底座(802)的螺孔和外减震环(15)的开孔均与对应的三轴仪底座螺孔(16)对齐，将垂直定位螺栓(2)依次穿过外制样筒底座(802)的螺孔、外减震环(15)的开孔并插入三轴仪底座螺孔(16)中，并转动对应的下部螺栓旋柄(402)，使外制样筒(8)固定在三轴仪底座(18)上；

步骤3：将橡皮膜(9)上部外翻套至外制样筒(8)外，并使用对应的橡胶圈(6)将橡皮膜(9)的上部固定，在抽气管(7)处连接外部真空泵，用真空泵吸取外制样筒(8)内壁与橡皮膜(9)之间的多余空气，使橡皮膜(9)紧贴在外制样筒(8)的内壁上；

步骤4：将漏斗筒(1)的环状顶座(103)的螺孔套至垂直定位螺栓(2)上，转动对应的上部螺栓旋柄(401)将漏斗筒(1)固定；

步骤5：将滤纸(12)放至透水石(13)上，并根据试验设定内制样筒(11)的外径，将糯米纸(10)制成内径大于内制样筒(11)外径1～2mm的圆筒状；然后将圆筒状的糯米纸(10)顶部点粘至内制样筒(11)外壁上，使得糯米纸(10)紧贴内制样筒(11)，然后将内制样筒(11)与糯米纸(10)一同放置在滤纸(12)中心处；

步骤6：调整限位弧片(5)与对应的水平定位螺栓旋柄(403)将内制样筒(11)固定，然后测定水平定位螺栓(3)位于外制样筒(8)外的长度，通过水平定位螺栓(3)的总长度减去水平定位螺栓(3)位于外制样筒(8)外的长度，得到水平定位螺栓(3)位于外制样筒(8)内的长度，通过对比各个水平定位螺栓(3)位于外制样筒(8)内的长度是否一致，来核查内制样筒(11)是否在三轴仪底座(18)的中轴上，若内制样筒(11)不在三轴仪底座(18)的中轴上，则继续微调内制样筒(11)的水平位置，直至内制样筒(11)位于三轴仪底座(18)的中轴上；

步骤7：根据试验设定的密实度对应分别称取外层松散砂样(19)与芯部密实砂样(20)；

步骤8：先在内制样筒(11)内分层填装外层松散砂样(19)至设定高度，之后松动限位弧片(5)使得内制样筒(11)能自由移动，然后将糯米纸(10)上与内制样筒(11)粘贴部分与未粘贴部分剪断使得内制样筒(11)可以单独向上提拉，然后在填装芯部密实砂样(20)的同时用千斤顶缓慢均匀向上提拉内制样筒(11)并保持内制样筒(11)底部距离芯部密实砂样(20)上端面1～2cm的高度，直至装样完成；

步骤9：依次拆除内制样筒(11)和漏斗筒(1)，然后按照三轴制样步骤从下至上依次将滤纸(12)、透水石(13)、和三轴仪顶帽装至步骤8得到的试样顶部，拆除外制样筒(8)上部的橡胶圈(6)，然后将橡皮膜(9)上翻至三轴仪顶帽上，使橡皮膜(9)的上部包覆三轴仪顶帽，并用橡胶圈(6)将固定橡皮膜(9)的上部固定在三轴仪顶帽的阀门外周；

步骤10：使用外部真空泵连接三轴仪顶帽的阀门，对制样完成的试样给予负压，然后拆除外制样筒(8)与真空泵。