CN202814770U

CN202814770U - 一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置

Info

Publication number: CN202814770U
Application number: CN 201220434357
Authority: CN
Inventors: 张先伟; 孔令伟
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2022-08-29

Abstract

本实用新型公开了一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，推样器上的连接杆分别连接承压板、挡板、定位板、推土板，推样器连接杆连接推样器顶板与推样器底板，制样筒放在底座内，与底座底板相连，加载装置放在制样筒内，定位板与推土板放在制样筒内，承压板上连接第一加载砝码，加载系统为第一加载砝码、第二加载砝码、第三加载砝码、第四加载砝码、第五加载砝码，推样器底板放在制样筒内。结构简单，使用方便，成本低廉，不易损坏，可多次使用，采用沉降法，即静载固结土样，可得到含水量均匀的重塑样，得到的数据结果真实可靠。可按预先设定含水率与密度制样，试样直接成型供三轴剪切试验所用，通过调整装置尺寸也可制备其他尺寸试样。

Description

一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置

技术领域

本实用新型涉及土木工程土工试验领域，更具体涉及一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，特别适用于三轴剪切试验的重塑土样制备。

背景技术

三轴剪切试验是测定土体抗剪强度的一种比较完善的室内试验方法，它可以准确获得土体工程设计所需的强度指标。其实验土样可分为天然原状样与室内重塑样，天然原状样可较真实反映土体原始结构状态，但受取样技术的限制和环境影响，原状样的实验结果离散性大，有时实验结果并不理想。如海洋沉积的软土，由于含水量大、触变性高、强度低等原因，获取理想原状样难度较大。因此，国外在室内土工实验中主要是用性质均匀、实验结果离散性小的重塑土样。

现行室内制样技术大致可分为两类。（1）击实法，即采用确定质量的击锤从确定的高度下落，一层或分层击实土样至所需尺寸。其优点是简单易行、制样周期短，缺点是制样过程中使用的是冲击力，击实土样受力不均匀，下层土样要比上层土样压的密实。此外，试验过程中容易将空气封装在样品内，使之内部形成较大孔隙，不利于后续试验开展，并可能导致试验结果的失真。（2）固结法，即将风干土加蒸馏水配成大于液限的稀泥浆，倒入制样筒，在顶部施加静载加速土样固结，这样采用单向或三维排水固结法获得饱和试样。其优点是可获得含水量均匀土样，制样效果优，缺点是步骤繁琐，制样设备要求较高，而且无法控制含水率。

鉴于以上方法的不足，一些研究者对制样方法和装置进行了改进。中国专利申请号：201020558288.1，发明名称：室内重塑软粘土真空抽吸固结筒。中国专利申请号：200920109190.5，发明名称：实验室重塑海洋地基软粘土制备装置。这两个实用新型专利都是利用真空抽吸固结软粘土进而达到制作出土样均匀的土样，但过程繁琐，设备复杂，制备的土样是大体积土体，进行后续试验时需对土样进行二次修剪，容易对试样造成损伤，影响试验结果准确度。

中国专利申请号：201120099311.X，发明名称：一种细长土梁重塑试样的成型模具。中国专利申请号：200710164847.3，发明名称：一种空心圆柱扭剪仪重塑样击实器。这两个发明专利分别提出了一套合理、适用于细长条土梁以及扭剪试验重塑土样的制备方法与装置，但即使将其改进，也无法制备适合常规三轴剪切试验用试样。

中国专利申请号：200920033221，发明名称：土工试样制备仪。中国专利申请号：200820150444，发明名称：饱和重塑土制样器。两者的优点是都可以制备不同尺寸的重塑土样，但前者由于制样压力采用千斤顶施加，压力不稳定容易使试样含水量分布不均。后者虽然可以通过控制固结压力的杠杆制作质地均匀的试样，但对杠杆尺寸以及制作工艺有严格要求。同时，两者材料都为钢铁，加工不方便，制样过程不可视。

中国专利申请号：201010564744.8，发明名称：轻型重塑土制样装置。该实用新型本通过把由重塑土制备的稀泥浆倒入由有机玻璃制作的装置中，在顶部施加静载使土样固结得到含水量均匀的饱和重塑土试样。材料采用有机玻璃，制样可视操作，装置简单，操作方便。该装置虽然可以制作不同直径的重塑样，却无法按预先高度制样，也就是说制作的试样还需二次修剪才可以用于三轴剪切试验。同时，制样过程中采用排水措施，虽然缩短了制样时间，但无法保证按预先设计的含水量制样。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是在于提供了一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，结构简单，使用方便，成本低廉，制作方便，不易损坏，可多次使用，操作可视化，可按预先设定含水率与密度制作含水量均匀的直接成型的供三轴剪切试验用试样。通过调整装置尺寸也可制备其他尺寸试样。

为了实现上述的目的，本实用新型采用以下技术措施：

一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，该装置包括：加载装置、制样筒、底座、加载系统、推样器。除加载砝码为不锈钢制，装置的各部件皆为有机玻璃制。其连接关系是：推样器5上的连接杆7分别连接承压板、挡板、定位板、推土板。推样器连接杆连接推样器顶板与推样器底板。制样筒放在底座内，与底座底板相连，加载装置放在制样筒内。定位板与推土板放在制样筒内，承压板上连接加载砝码,加载系统为第一加载砝码、第二加载砝码、第三加载砝码、第四加载砝码、第五加载砝码并依次相连,推土时，推样器底板放在制样筒内。

所述的加载装置包括：承压板、连接杆、挡板、定位板、推土板。其连接关系是：通过连接杆由上向下依次连接承压板、挡板、定位板、推土板。其中，承压板尺寸与加载砝码的下部凹槽尺寸匹配；挡板、推土板尺寸与制样筒内径尺寸匹配；挡板尺寸大于制样筒外径尺寸。

所述的制样筒为空心圆柱形结构。制样筒外径尺寸与底座内部由有机玻璃围城的圆形凹槽的尺寸匹配。

所述的底座的内部由有机玻璃围城的圆形凹槽，其凹槽的高度不应小于制备试样高度的1/2。

所述的加载砝码的形状为上凸下凹，叠放时应紧密扣接。

所述的推样器包括：推样器顶板、推样器连接杆、推样器底板。其连接关系是：通过连接杆由上向下依次连接推样器顶板、推样器底板。其中推样器底板尺寸与制样筒内径尺寸匹配，推样器顶板尺寸应大于制样筒外径尺寸。

本实用新型的具体使用方法，包括以下步骤：

（1）土样风干过筛孔2mm的筛子，测定风干含水率。按照设定含水率与密度配比水土质量，混合搅拌后密封静置1天。

（2）用毛刷在制样筒内涂抹一层凡士林。底座底板平铺一张沾水的滤纸，将制样筒安装在底座内部，将土样缓慢注入制样筒底部，轻轻振荡。

（3）在推土板下部粘一张沾水的滤纸，将加载装置推进制样筒内，推土板与土样接触后，采用分级加载的方式每隔2~3小时将加载砝码放置在承压板上。

（4）当土样达到预定高度时，挡板会自动阻止加载装置下滑。卸除加载砝码与加载装置，将制样筒从底座中轻轻拔出，平放，通过推样器顶板施加推力将土样从制样筒中推出。

本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型装置除加载砝码外，均采用有机玻璃制，成本低廉，不易损坏，制作方便，可多次使用，操作可视化。

（2）采用沉降法，即静载固结土样，可得到含水量均匀的重塑样，得到的数据结果真实可靠。

（3）可按预先设定含水率与密度制样，试样直接成型供三轴剪切试验所用，通过调整装置尺寸也可制备其他尺寸试样。

附图说明

图1为一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置的结构示意图；

图2为一种加载装置的正视图；

图3为一种制样筒的正视图；

图4为一种底座的正视图；

图5为一种加载砝码的正视图；

其中：

1-加载装置；2-制样筒；3-底座；4-加载系统；5-推样器；6-承压板；7-连接杆；8-挡板；9-定位板；10-推土板；11-底座底板；12-推样器顶板；13-推样器连接杆；14-推样器底板；第一加载砝码15a、第二加载砝码15b、第三加载砝码15c、第四加载砝码15d、第五加载砝码15e；16-凸槽；17-凹槽。

具体实施方式

实施例1：

下面对本实用新型的实施例作详细说明。

如图1和图5所示，一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，该装置包括：加载装置1、制样筒2、底座3、加载系统4、推样器5。除加载系统4为不锈钢制外，装置材料皆为有机玻璃。

其连接关系是：推样器5上的连接杆7分别连接承压板6、挡板8、定位板9、推土板10。推样器连接杆13连接推样器顶板12与推样器底板14。制样筒2放在底座3内，与底座底板11相连，加载装置1放在制样筒2内。定位板9与推土板10放在制样筒2内，承压板6上连接第一加载砝码15a,加载系统4为第一加载砝码15a、第二加载砝码15b、第三加载砝码15c、第四加载砝码15d、第五加载砝码15e并依次相连。推土时，推样器底板14放在制样筒2内。

如所述的加载装置1包括：承压板6、连接杆7、挡板8、定位板9、推土板10。其中，承压板6尺寸与第五加载砝码15e的下部凹槽17尺寸匹配，承压板6直径80mm，厚10mm；挡板8、推土板10尺寸与制样筒2内径尺寸匹配，挡板8与推土板10的直径都为39.1mm，厚10mm；挡板8尺寸大于制样筒2外径尺寸，挡板8的直径为59.1mm，厚10mm。其连接关系是：通过连接杆7由上向下依次连接承压板6、挡板8、定位板9、推土板10，连接杆7长160mm，直径为20mm。加载装置1如图2所示。其中承压板6上放置加载系统4，推土板10与土样接触，连接杆7与推土板10用来传递加载砝码施加的压力压缩土样。挡板8作用是，当土样达到三轴剪切试验所需试样高度时，阻止加载装置1继续下移。定位板9可调整第一加载砝码15a、第二加载砝码15b、第三加载砝码15c、第四加载砝码15d、第五加载砝码15e以及加载系统4的整体的重心，防止整个装置倾倒。

如所述的制样筒2如图3所示，制样筒2为内径39.1mm，壁厚10mm的有机玻璃制的空心圆柱体。制样筒2外径尺寸与底座3内部由有机玻璃围城的圆形凹槽的尺寸匹配。

如所述的底座3如图4所示，底座3底部有直径49.1mm，高40mm的底座底板11。所述的底座3的内部由有机玻璃围城的圆形凹槽，其凹槽的高度不应小于制备试样高度的1/2。

如所述的加载系统4如图5所示，加载系统4上分别为第一加载砝码15a、第二加载砝码15b、第三加载砝码15c、第四加载砝码15d、第五加载砝码15e，材料为不锈钢材，共5个，每个重1.2kg。其连接关系是：第一加载砝码15a放在承压板6上，第一加载砝码15a上部依次放置第二加载砝码15b、第三加载砝码15c、第四加载砝码15d、第五加载砝码15e。加载系统4上部有凸槽16，下部有凹槽17，叠放时可紧密连接，目的是使各个砝码重心处于同一竖直线上，防治施加压力使装置倾倒。

所述的推样器5包括：推样器顶板12、推样器连接杆13、推样器底板14。其中推样器底板14尺寸与制样筒2内径尺寸匹配，推样器底板14直径39.1mm，厚10mm。推样器顶板12直径为60mm，厚10mm。推样器连接杆13高160mm，直径为20mm。其连接关系是：通过连接杆7由上向下依次连接推样器顶板12、推样器连接杆13、推样器底板14。推样器5用处是将制备好的土样从制样筒2中推出。

下面介绍利用本实用新型的实施例：

参考土工试验方法标准（GBT50123-1999），预制备三轴剪切试验试样尺寸为直径39.1mm，高80mm。设计试样密度1.7g/cm³，含水率50%。

a.重塑样制备的计算依据以下公式，

（1）按下式计算干土质量：

m_{s} = \frac{m}{1 + 0.01 w_{h}}

式中：m_s—干土质量（g）；

w_h—风干含水率（%）；

m—风干土质量（g）。

（2）按下式计算土样所需加水量：

m_{w} = \frac{m}{1 + 0.01 w_{h}} \times 0.01 (w - w_{h})

式中：m_w—制备试样所需要的加水量；

w—制样要求的含水率。

b.制样步骤：

（1）将土风干过2mm的筛子。测量风干含水率为4%，则称量水为50g，风干土113.2g，混合，充分搅拌后密封静置1天。

（2）用毛刷在制样筒2内涂抹一层凡士林，其目的是防治土样粘结制样筒2内壁，方便推样器5将土样推出。将底座3放在水平面上，将直径为49.1mm的滤纸在水中沾一下后平铺在底座底板11上，将制样筒2安装在底座3内部，将配好的土样缓慢注入制样筒2的底部，轻轻振荡排出空气。

（3）将直径为39.1mm的滤纸在水中沾一下后粘在推土板10下部，将加载系统1推进制样筒2内，当推土板10与土样接触后，采用分级加载的方式每隔2~3小时将加载砝码4放置在承压板6上。

（4）当土样达到预定高度（80mm）时，挡板8会自动阻止加载系统1下滑。卸除加载砝码4与加载系统1，将制样筒2从底座2中轻轻拔出，平放，将推样器5放入制样筒2中，通过推样器顶板12施加推力将土样从制样筒2中推出，制备好的试样可饱和或直接供三轴剪切试验使用。

本实用新型所示的装置尺寸是用来制作尺寸为直径39.1mm，高80mm的试样，更改装置各部件尺寸即可制作其他尺寸试样。

经测试，利用本实用新型装置制备细粒土的三轴剪切试验试样一般在2天左右，制备含水率较大的淤泥约3天左右。

Claims

1.一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，该装置包括：加载装置(1)、制样筒(2)、底座(3)、加载系统(4)、推样器(5)，其特征在于：推样器(5)上的连接杆(7)分别连接连接承压板(6)、挡板(8)、定位板(9)、推土板(10) ，推样器连接杆(13)连接推样器顶板(12)与推样器底板(14)，制样筒(2)放在底座(3)内，与底座底板(11)相连，加载装置(1)放在制样筒(2)内，定位板(9)与推土板(10)放在制样筒(2)内，承压板(6)上连接第一加载砝码(15a)，加载系统(4)为第一加载砝码(15a)、第二加载砝码(15b)、第三加载砝码(15c)、第四加载砝码(15d)、第五加载砝码(15e)并依次相连,推样器底板(14)放在制样筒(2)内。

2.根据权利要求1所述的一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，其特征在于：所述的承压板(6)上放置加载系统(4)，推土板(10)与土样接触。

3.根据权利要求1所述的一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，其特征在于：所述的制样筒(2)为内径39.1mm，壁厚10mm的有机玻璃制的空心圆柱体。

4.根据权利要求1所述的一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，其特征在于：所述的底座(3)底部有直径49.1mm，高40mm的底座底板(11)。

5.根据权利要求1所述的一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，其特征在于：所述的第一加载砝码(15a)放在承压板(6)上，第一加载砝码(15a)上部依次放置第二加载砝码(15b)、第三加载砝码(15c)、第四加载砝码(15d)、第五加载砝码(15e)。

6.根据权利要求1所述的一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，其特征在于：所述的加载系统(4)上部有凸槽(16)，下部有凹槽(17)。

7.根据权利要求1所述的一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，其特征在于：所述的推样器(5)包括：推样器顶板(12)、推样器连接杆(13)、推样器底板(14)，通过连接杆(7)由上向下依次连接推样器顶板(12)、推样器连接杆(13)、推样器底板(14)。