CN104374625A - 一种半自动多功能土工试验压样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半自动多功能土工试验压样装置，包括支架***、动力与控制***、成模***和压样***，支架***包括基座、侧柱和顶板，侧柱的下端固定于基座上，侧柱的上端固定有顶板，动力与控制***设置于基座上，成模***设置于动力与控制***上，压样***固定于顶板上，选取相应的成模及压样***安装到可移动压样平台及顶板上，按照相应的试验规范，将一定质量的土样分层放入内、外成模筒之间(或成模筒内)，继而，操作位移控制器控制液压***以使可移动压样平台上升到预定高度，与此同时，压样锤深入成模筒，将每层土颗粒按要求干密度分层压实，即得到重塑空心圆柱试样(或实心圆柱试样)。

Description

一种半自动多功能土工试验压样装置

技术领域

本发明属于室内土工试验设备技术领域，具体涉及一种半自动多功能土工试验压样装置。

背景技术

重塑试样的制备是室内土工试验的一大难点，特别是对于动态空心圆柱扭剪仪而言，该问题尤为突出：1)击实法在层高控制和击实做功时依靠人工控制，且击实作用对土体产生不可忽视的二次扰动，使得试样内部出现裂隙，极大的降低了后续试验的可信度；2)由于粘性土渗透系数很低，排水固结极慢，采用固结法制样时，需要在高负压下固结10天以上，使得制样机具造价昂贵且较为笨重，制样操作复杂，所制得的试样存在较大的不均匀性；3)制样时需要大量的人力劳动，自动化程度低，制样效率低下；4)各类室内土工试验的制样工具繁多，在一定程度上造成了重复配置的资源浪费。

由于现有方法存在诸多问题，导致已有研宄多局限于重塑砂土或原装粘土，严重制约了相关研究的发展，亟待研发新的应用范围广泛且能半自动制样的设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种半自动多功能土工试验压样装置，解决了现有技术中存在的制样设备功能单一、自动化程度低、制样精度差且无法制备空心圆柱试样的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种半自动多功能土工试验压样装置，包括支架***、动力与控制***、成模***和压样***，支架***包括基座、侧柱和顶板，侧柱的下端固定于基座上，侧柱的上端固定有顶板，动力与控制***设置于基座和侧柱上，成模***设置于动力与控制***上，压样***固定于顶板上。

本发明的特点还在于，

动力与控制***包括油箱、电机、液压泵、液压缸、控制机构和可移动压样平台，可移动压样平台通过支架固定于基座上，电机与液压泵连接，油箱与液压泵通过管道相连，油箱通过固定在支架上；液压缸安装在基座中央，其上部与可移动压样平台固定，可移动压样平台内置有用于测量可移动压样平台的轴向位移的位移计；控制机构固定在侧柱上，通过控制电机实时检测可移动制样平台的位置。

成模***包括中空的外成模筒机构，外成模筒机构固定设置于试样底座上，外成模筒机构包括外成膜筒，外成膜筒由三个瓣膜围成圆筒；外成膜筒的外层由外箍环固定，外成膜筒的外侧设置有外支撑杆，外支撑杆围成圆形；外成膜筒和外支撑杆的下端固定于试样底座上，外成膜筒和外支撑杆的上端设置有外成膜筒顶帽。

成模***还包括中空的内成膜筒机构，内成膜筒机构设置于外成模筒机构内，内成膜筒机构固定设置于试样底座上，内成膜筒机构包括内成模筒，内成模筒是由2个内成模筒大瓣膜和两个内成模筒小瓣膜围成的中空的圆筒；内成模筒的腔体内设置有竖直的内支撑杆，内支撑杆上设置有两组侧臂；内成模筒和内支撑杆的下端固定于试样底座上，内成模筒和内支撑杆的上端固定于内成膜筒顶帽上。

压样***呈圆筒状，包括压样顶盖、压样杆和环状压样锤，压样顶盖下方连接有三根压样杆，压样杆下端设有压样锤。

顶板通过螺纹与侧柱相固定。

压样***通过压样顶盖和螺栓固定于顶板上。

外箍环至少设置有2个。

外成膜筒的瓣膜为环形瓣膜；内成模筒大瓣膜为中心角为150°的环形瓣膜；内成模筒小瓣膜为中心角为30°的环形瓣膜。

压样锤的形状为底部放大的圆环状或圆形状。

本发明的有益效果是：制备重塑试样时，首先选取相应的成模***安装到可移动压样平台及顶板上，制备重塑空心圆柱试样(或实心圆柱试样)时，按照相应的试验规范，将一定质量的重塑土颗粒分层放入内外成模筒之间(或成模筒内)，继而，操作位移控制器控制液压***以使可移动压样平台上升到预定高度，与此同时，压样锤深入成模筒，将每层土颗粒按要求干密度分层压实。之后，将成模***由上及下、由内及外依次拆除，即得到重塑空心圆柱试样(或实心圆柱试样)。

本发明所依附的主体为一系列尖端的土工试验仪器，如空心圆柱扭剪仪、应力路径三轴仪等。然而重塑土试样的制备一直以来都是室内土工试验的难点，特别是对于重塑空心圆柱试样而言，现有的仪器在击实、控制、拆样等方面有所欠缺，以致所制试样二次扰动严重、均匀性差、制样及拆样复杂，使得制样的精度及后续试验的可靠性受到质疑。

本压样装置经过合理设计，针对各种试验的特点，特别考虑了颗粒大、强度高的重塑试样的制备，设计了最合理的方案：半自动控制设计、液压动力设计、可更换模具设计、瓣膜状成模筒设计、内成模筒固定设计以及试样一次成型设计。各设计环节合理而有效地利用了动力***、控制原理、力学准则以及材料特性，最大可能的模拟了原状土体形成的过程，为制备各种试样提供了有效的保证。在实际操作过程中，该压样装置自动化程度较高，不仅操作便捷、节约人力与时间，避免了不同制样器多个相同部件的重复配置，有效地节省了资源；更在制取扰动小、均匀度高的各类重塑试样上达到了良好的效果。从而，为空心圆柱扭剪试验、应力路径三轴试验、共振柱试验等提供了极大的帮助。

本发明采用了一种分层压实的制样方法，该方法通过外力将土样逐层压实成空心圆柱状或实心圆柱状试样，最大程度上模拟了天然土体沉积形成的过程。

附图说明

图1是安装有空心圆柱试样成模与压样***的压样装置示意图；

图2是空心圆柱试样底座示意图；

图3是外成模筒瓣膜构造和外箍环示意图；

图4是内成模筒瓣膜构造和内支撑杆示意图；

图5是实心圆柱试样压样***；

图6是实心圆柱试样成模***示意图；

图中：1.基座，2.侧柱，3.顶板，4.油箱，5.电机，6.液压泵，7.液压缸，8.控制机构，9.可移动压样平台，10.试样底座，11.外支撑杆，12.外箍环，13.外成模筒，14.内成模筒，15.内支撑杆，16.内成模筒顶帽，17.外成模筒顶帽，18.空心圆柱试样，19.压样顶盖，20.压样杆，21.环状压样锤，22.成模筒，23.实心试样，24.圆形压样锤，25.内成模筒大瓣膜，26.内成模筒小瓣膜，27.瓣膜，28.外成模筒固定槽，29.内成模筒固定槽，30.成模筒固定槽，31.外支撑杆固定孔，32.内支撑杆固定孔，33底座固定孔，34.卡槽，35.内支撑杆侧臂。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种半自动多功能土工试验压样装置，如图1所示，包括支架***、动力与控制***、成模***和压样***四大部分。支架***包括基座1、侧柱2、顶板3，侧柱下端固定在基座1上，顶板3通过螺纹固定在侧柱2上端。为动力与控制***设置于基座1和侧柱2上，成模***设置于动力与控制***上，压样***固定于顶板3上。顶板3通过螺纹与侧柱2相固定。

动力与控制***由油箱4、电机5、液压泵6、液压缸7、控制机构8和可移动压样平台9组成。可移动压样平台9通过支架固定于基座1上，电机5与液压泵6连接，油箱4与液压泵6通过管道相连，油箱4通过螺栓固定在支架上；液压缸7安装在基座1中央，其上部与可移动压样平台9固定，可移动压样平台9内置有位移计，用于测量可移动压样平台9的轴向位移；控制机构8固定在侧柱上，通过控制电机5实时检测可移动制样平台的位置，继而使控制机构8、可移动压样平台9内置的位移计与动力***形成一个伺服反馈***。

在制备不同的试样时，可选择相应的成模和压样***。成模***固定在可移动压样平台9上，压样顶盖19通过顶部固定螺栓固定在顶板3中心处，可移动压样平台9上通过螺栓固定有试样底座10。如图2所示，试样底座10上设有内、外成模筒固定槽29、28；实心试样为成模筒固定槽30(即外成模筒固定槽28)，外支撑杆固定孔31，内支撑杆固定孔32，底座固定孔33。

在制备空心圆柱试样时，如图1、图3和图4所示，成模***包括内成膜筒机构和外成膜筒机构，由两者共同完成制备空心圆柱试样的工作：

外成模筒机构固定设置于试样底座10上，外成模筒机构包括外成膜筒13，外成膜筒13由三个环形瓣膜27围成圆筒；试样底座10设有用于固定外成模筒的环形外成模筒固定槽28，成膜筒13的外层由外箍环12紧固，外箍环12至少设置有2个。外成膜筒13的外侧设置有外支撑杆11，4根外支撑杆11均匀分布且围成圆形；外成膜筒13和外支撑杆11的下端固定于试样底座10上，外成膜筒13和外支撑杆11的上端设置有外成膜筒顶帽17；

内成膜筒机构设置于外成模筒机构内，内成膜筒机构固定设置于试样底座10上，内成膜筒机构包括内成模筒14，内成模筒14由2个中心角为150°的环形内成模筒大瓣膜25和两个中心角为30°的环形内成模筒小瓣膜26组成，其中成模筒大、小瓣膜的四个接触面互相平行，以便于组装；实际操作时，先组装大瓣膜25，后放小瓣膜26，由于接触面是平行的，小瓣膜26可以直接扣进去，再由内支撑杆15撑起来；拆样时，按两个小瓣膜26，将两个小瓣膜26按出来，如果做成和外成模筒一样的三瓣膜，由于它在试样里面，组装时非常困难。内成模筒14的腔体内设置有竖直的内支撑杆15，内支撑杆15上设置有两组侧臂35；内成模筒14和内支撑杆15的下端固定于试样底座10上，内成模筒14和内支撑杆15的上端固定于内成膜筒顶帽16上。试样底座10中心设有试样内支撑杆固定孔32以及圆环状内、外成模筒固定槽29、28。内成模筒顶帽16通过螺栓固定在内支撑杆上端。

如图1所示，压样***包括压样顶盖19、压样杆20和环状压样锤21。压样***通过压样顶盖19和螺栓固定于顶板3上。三根中心角为30°的环形压样杆20两两间隔90°，呈圆形固定在压样顶盖19下方。压样杆20下端设有压样锤21；压样锤21的形状为底部放大的圆环状或圆形状。

在制备实心圆柱试样时，成模***如图6所示，仅包含外成模***，除底座需要更换为实心试样底座外，其余构造与空心试样相同；压样***如图5所示与制备空心圆柱试样时相同，仅把压样杆20下端的圆环状压样锤21换做圆形压样锤24。

本发明成模与压样***按所制试样分为4组，分别与空心圆柱试样(大试样尺寸：内径×外径×高/160×200×400mm；小试样尺寸：内径×外径×高/60×100×200mm)以及实心试样(直径×高/39.1×80mm；直径×高/100×200mm)相对应，此外，还可根据试样定制。这里介绍了空心圆柱小试样压样器的设计原理(其他试样制备与之相近)。

1)压样设计

在制备重塑三轴试样时，通常根据相关试验规范将试样分成若干层，继而采用分层击实法，击实时通过自重较大的击锤将试样击实。然而，由于击锤的冲击力较大，击实过程不可避免的对土体产生二次扰动，使重塑试样内部存在微裂隙，降低了后续试验的可信度。本发明采用分层压样法，消除了击实对土体二次扰动，减小了人为击实的误差，最大程度模拟天然土体沉积形成过程，提高了重塑试样的质量。

2)动力***设计

本发明采用液压动力***，大大降低了人力劳动的强度。传统的击实法在制备干密度较大、强度较高的试样时，不仅费时费力，而且试样质量较差，由于油压***具有压力大、稳定性好、易于控制等特点，使得该压样装置在制备此类试样时具有独特的优势，提高了制样机具的适用性。

3)动力与控制***设计

在制备重塑试样时通常需要人工目测试样高度，来控制试样的均匀性，这种方法无法可靠的保证试样的质量。本发明内置位移计和控制机构8，实时检测可移动制样平台的位置，并将控制机构、位移计与动力***形成一个伺服反馈***，通过控制机构输入目标位移，来控制可移动压样平台的位置，以严格控制每层试样的高度，不仅实现了试样制备的半自动化，而且最大可能的提高了试样的均匀程度。

4)压样杆与压样锤设计

本发明采用压样杆而非压样筒来传递竖向压力，减小了压样***与内、外成模筒之间的摩擦，而且，通过杆间的空隙，可以实时观测内外成模筒位置、压样锤与乳胶膜有无刮擦、土样颗粒是否挤出等情况。压样杆20为三根扇形杆，采用厚5mm、宽20mm的不锈钢板弯制而成，其长度与内、外成模筒相同。压样杆20下端连接有圆环状压样锤21，压样锤底部内外两侧均做放大设计，以使压样时试样上表面受力均匀。此外，为了避免压样锤与内、外乳胶膜之间相互摩擦，乳胶膜受压样锤拉扯变形造成试样局部缺陷，压样锤伸入内、外成模筒间空腔后，需与内、外乳胶膜之间保留1mm的间隙以便操作。内、外乳胶膜是制备空心圆柱试样时所必要的辅助耗材，在土工领域现已广泛的应用。

5)成模筒瓣膜设计

内、外成模筒均采用瓣膜设计，综合考虑成模筒整体性与拆卸的便捷性，外成模筒13由三个完全相同的瓣膜组成；内成模筒14由两个大瓣膜25与两个小瓣膜26组成，其内侧有固定内支撑杆侧臂的卡槽34。内支撑杆15、外箍环12与试样底座内、外成模筒固定槽29、28共同支撑和固定内、外成模***，防止压样时试样侧向膨胀过大而使成模***变形。

6)成模筒顶帽设计

试样制备时，土颗粒会落入内外成模筒下端与试样底座之间的缝隙处，随着压样压力的增大，土颗粒被不断地挤入缝隙中，致使内、外成模筒倾斜。因而，在内、外成模筒顶端，通过内、外支撑杆固定内、外成模筒顶帽，二者分别与内、外成模筒接合连续、紧密。内成模筒顶帽套箍在内成模筒顶端，其外侧与内成模筒外侧直径相同；外成模筒顶帽套箍在外成模筒顶端，其内侧与外成模筒内侧直径相同。继而，内、外成模筒在竖向压力作用下，与试样底座紧密连接，以防止土颗粒被挤出。在扣除嵌入试样底座部分和嵌入内、外成模筒顶帽部分后，成模筒与试样接触段高度应与试样等高。由于最后几层土样在击实前为松散状，因而，内、外成模筒顶帽还起到将成模筒延长的作用，内、外成模筒顶帽的高度以刚好能容纳最后一层土为标准，根据经验80、100、200mm高的试样顶帽高度为25mm，400mm高的试样顶帽高度为50mm。

7)试样一次成型设计

在制备空心圆柱试样时，通常采用先制备高度和外径满足要求的实心圆柱试样，继而，将实心试样取芯，得到空心圆柱试样。然而，取芯操作对试样扰动较大，而且对于强度较高、颗粒较大的土，试样取芯变得异常困难。本发明在制备空心圆柱试样时，采用压实法，将空心圆柱试样一次制成，避免了取芯时对试样的二次扰动，提高了该压样装置的适用性。

8)适用性设计

为了制备高度不同的试样，压样装置的顶板可通过与侧杆上的螺纹升降，使得可移动平台的升降范围可以满足制备不同试样的要求。成模和压样***均可拆卸，根据所制备的试样更换相应的装置，此外，还可根据实际情况，定制成模与压样***。一次成型制样、液压动力***、伺服反馈***均在一定程度上提高了试样制备的适用性，使得该压样装置可以满足多种土工试验的制样要求。

本发明的操作步骤如下：

1)***组装：

根据所制备的试样，选取相应的成模和压样***(这里以空心圆柱试样为例，其他试样制备与之相近)。将试样底座10固定在可移动压样平台9上，在底座内外成模筒(13、14)间放好环形滤纸。套在外成模筒13上并箍紧，将内成模筒14外侧和外成模筒13内侧套上乳胶膜，并将两端翻卷压入试样底座与内成模筒顶帽16和外成模筒顶帽17。将内支撑杆15固定在试样底座中心内支撑杆固定孔32内，内支撑杆侧臂嵌入内成模筒小瓣膜内侧卡槽34内，外箍环12内、外成模筒顶帽固定在内支撑杆15与外支撑杆11上。将压样顶盖19、压样杆20、压样锤21组装到顶板3上。

2)***调节：

通过操作控制机构8，将可移动压样平台升至最高点，通过旋转顶板两侧螺栓来调节顶板3高度，以压样锤完全接触试样底座为准，将顶板固定，并将控制机构的位移置零。

3)计算与称样：按照计算所得称取相应质量的土样，并分成若干份(这里以五份为例)，试样总高度为200mm，每层高度为40mm。

4)压样：

将可移动压样平台9降至最低点，装入一层土样，用塑料棍棒将土样稍加捣平击实，将压样锤21内外沿涂好滑石粉。通过控制机构控制液压***，使可移动平台上升至试样底座距压样锤底面40mm处，压实过程中注意观察内、外乳胶膜是否被拉扯、土样是否从压样锤21两侧挤出。将可移动平台降至最低点，将该层土表面抛毛，以增加层间连接和试样的完整性，防止内部存在分层现象，继而，以相同的方法压实第二至第五层。制样完成后，将成模***按照由上至下、由内而外的顺序依次将各组件拆除。

Claims (10)

1.一种半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，包括支架***、动力与控制***、成模***和压样***，所述支架***包括基座(1)、侧柱(2)和顶板(3)，所述侧柱(2)的下端固定于基座(1)上，所述侧柱(2)的上端固定有顶板(3)，所述动力与控制***设置于基座(1)和侧柱(2)上，所述成模***设置于动力与控制***上，所述压样***固定于顶板(3)上。

2.根据权利要求1所述的半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，所述动力与控制***包括油箱(4)、电机(5)、液压泵(6)、液压缸(7)、控制机构(8)和可移动压样平台(9)，可移动压样平台(9)通过支架固定于基座(1)上，电机(5)与液压泵(6)连接，油箱(4)与液压泵(6)通过管道相连，油箱(4)通过固定在支架上；液压缸(7)安装在基座(1)中央，其上部与可移动压样平台(9)固定，可移动压样平台(9)内置有用于测量可移动压样平台(9)的轴向位移的位移计；控制机构(8)固定在侧柱上，通过控制电机(5)实时检测可移动制样平台(9)的位置。

3.根据权利要求1所述的半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，所述成模***包括中空的外成模筒机构，所述外成模筒机构固定设置于试样底座(10)上，所述外成模筒机构包括外成膜筒(13)，所述外成膜筒(13)由三个瓣膜(27)围成圆筒；所述外成膜筒(13)的外层由外箍环(12)固定，所述外成膜筒(13)的外侧设置有外支撑杆(11)，所述外支撑杆(11)围成圆形；所述外成膜筒(13)和外支撑杆(11)的下端固定于试样底座(10)上，所述外成膜筒(13)和外支撑杆(11)的上端设置有外成膜筒顶帽(17)。

4.根据权利要求3所述的半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，所述成模***还包括中空的内成膜筒机构，所述内成膜筒机构设置于外成模筒机构内，所述内成膜筒机构固定设置于试样底座(10)上，所述内成膜筒机构包括内成模筒(14)，所述内成模筒(14)是由2个内成模筒大瓣膜(25)和两个内成模筒小瓣膜(26)围成的中空的圆筒；所述内成模筒(14)的腔体内设置有竖直的内支撑杆(15)，所述内支撑杆(15)上设置有两组侧臂(35)；所述内成模筒(14)和内支撑杆(15)的下端固定于试样底座(10)上，所述内成模筒(14)和内支撑杆(15)的上端固定于内成膜筒顶帽(16)上。

5.根据权利要求1所述的半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，所述压样***呈圆筒状，包括压样顶盖(19)、压样杆(20)和环状压样锤(21)，压样顶盖(19)下方连接有三根压样杆(20)，压样杆(20)下端设有压样锤(21)。

6.根据权利要求1-5任意权利要求所述的半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，所述顶板(3)通过螺纹与侧柱(2)相固定。

7.根据权利要求1-5任意权利要求所述的半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，所述压样***通过压样顶盖(19)和螺栓固定于顶板(3)上。

8.根据权利要求3所述的半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，所述外箍环(12)至少设置有2个。

9.根据权利要求4所述的半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，所述外成膜筒(13)的瓣膜(27)为环形瓣膜；所述内成模筒大瓣膜(25)为中心角为150°的环形瓣膜；所述内成模筒小瓣膜(26)为中心角为30°的环形瓣膜。

10.根据权利要求4所述的半自动多功能土工试验压样装置，其特征在于，所述压样锤(21)的形状为底部放大的圆环状或圆形状。