CN112747982A - 一种空心圆柱试样击实装置及击实方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及属于土工室内试验设备领域，提供一种空心圆柱试样击实装置及击实方法，所述击实装置包括模具和击实器，所述模具包括底座、内模具、外模具；所述内模具和外模具设置于底座上方；内模具的上方架设有内延伸模具，外模具上方架设有外延伸模具；所述击实器包括整平环、整平环导杆、击实锤、击实锤导杆；整平环放置于试样上，所述击实锤放置于整平环上方；整平环导杆与整平环之间通过凹槽固定相连；所述击实锤上设有贯穿的孔洞，用于使整平环导杆穿过；所述击实锤导杆位于击实锤上方。本发明可以制备相对密实度较大的空心圆柱试样，使用方便、便于操作，又提高了制备重塑样的精确度和效率。

Description

一种空心圆柱试样击实装置及击实方法
技术领域
本发明属于土工室内试验设备领域，特别是一种空心圆柱试样击实装置及击实方法。
背景技术
空心圆柱扭剪仪是进行空心扭剪三轴试验的高级土工试验仪器，具有测试精度高、功能齐全、无噪音等特点，通过自主设定轴力、扭矩及内(外)压，可以使得试样径向主应力为中主应力，大小主应力以径向为轴进行平面主应力轴旋转，满足不同应力路径的需求。
试样的相对密实度是影响试验的重要指标之一。在普通三轴试验中，其击实器为实心圆柱，制作简易，但在空心圆柱扭剪试验中，试样横截面为圆环形，重塑样的制备步骤更为繁琐，其相对密实度是否达标、均匀，是确保试验成功、结果可信的前提条件，然而仪器制造商GDS公司仅提供了一根金属振捣棒作为击实工具，这显然无法满足试验需求，引发了几处操作难点：①无法制备相对密实度大于0.5的试样；②分层装样时各层不均匀；③击实时难以控制各层厚度的变化；④各层层面需要刮毛来控制平整度。
发明内容
本发明提供一种空心圆柱试样击实装置及击实方法，可以制备不同相对密实度的均匀试样，提高了制备重塑样的精确度和效率。
一种空心圆柱试样击实装置，包括模具和击实器，所述模具包括底座、内模具、外模具；所述内模具和外模具设置于底座上方；内模具的上方架设有内延伸模具，外模具上方架设有外延伸模具；所述击实器包括整平环、整平环导杆、击实锤、击实锤导杆；整平环放置于试样上，所述击实锤放置于整平环上方；整平环导杆与整平环之间通过凹槽固定相连；所述击实锤上设有贯穿的孔洞，用于使整平环导杆穿过；所述击实锤导杆位于击实锤上方。
进一步的，击实锤导杆与击实锤之间通过凹槽固定相连。
进一步的，整平环导杆的顶部设有限位器。
进一步的，所述整平环导杆上标有刻度，所述整平环导杆的高度为220mm。
进一步的，所述击实锤为不锈钢材质，密度为7.8g/cm3。
进一步的，所述击实锤的高度为65mm，内径为62mm，外径为98mm。
进一步的，所述整平环的高度为10mm，内径为62mm；外径为98mm。
进一步的，所述底座上设置有固定槽，用于固定内模具和外模具。
进一步的，所述内延伸模具和外延伸模具的高度为50mm；所述内模具的外径为60mm；所述外模具的内径为100mm，所述内模具和外模具的高度均为220mm。
一种空心圆柱试样击实装置击实方法，包括以下步骤：
1)测得试样用土样的相对密实度，根据空心圆柱试样体积求出所需土样质量，并将其平均分为N份；
相对密实度计算公式如下：
Figure BDA0002860000270000021
其中，Dγ为相对密实度，ρmax为最大干密度，ρmax为最小干密度，ρ为重塑土密度；2)底座上安装好内、外模具，并在内模具外壁和外模具内壁套上橡胶模；在确认橡胶模已经紧密贴合于模具之后，采用砂雨法装样，使用长颈漏斗将均分后的第一份土样缓慢、均匀、连续地落入圆环形的空腔内，过程中要时刻保持长颈漏斗在圆环形空腔内匀速转动，且长颈漏斗底部始终要高于土样上表面；
3)将第一份土样装入后，用金属棒加以捣平，同时用橡胶锤连续轻敲外模具加以配合；将击实锤套入整平环导杆内，完成击实装置的组合，再提着导杆将其缓慢放入圆环形腔内，平整压于土样之上，记下此时整平环导杆上的刻度，并与预期值进行对比；根据所需要的相对密实度大小，将击实锤提高至较适合的高度，松手让击实锤沿整平环导杆下落，反复多次，直至刻度达到预期值，完成改分层的击实；
4)将击实后的上表面刮毛，以达到较好的平整度，再进行第2～N-1层的击实，重复第3)步的过程；在装入最后一次的土样前，将内、外延伸模具安装完成，再进行击实，击实后再将内、外延伸模具拆除。
有益效果：
(1)本发明可以制备相对密实度较大的空心圆柱试样，且能达到较好的准确度、均匀度。
(2)本发明可根据整平环导杆刻度来实时控制击实过程，使用方便、便于操作。
(3)本发明对整平环和击实锤的内外径进行了调整，有效降低了对两侧橡胶模的磨损，保证了试验的可靠性。
附图说明
图1是空心圆柱试样击实装置总结构图。
图2是空心圆柱试样击实装置各构件结构图。
图3是空心圆柱试样击实装置左视图。
图4是空心圆柱试样击实装置左视图。
图5是空心圆柱试样模具结构图。
图6是空心圆柱试样模具结构图。
图7是空心圆柱试样模具左视图。
图8是空心圆柱试样模具左视图。
图中：1、底座；2、内模具；3、外模具；4、内延伸模具；5、外延伸模具；6、整平环；7、整平环导杆；8、击实锤；9、击实锤导杆；10、限位器。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍：
本空心圆柱试样击实装置与GDS公司生产的圆心圆柱扭剪仪(试样尺寸内径×外径×高为60mm×100mm×200mm)相匹配，可以制备不同相对密实度的均匀试样。
一种空心圆柱试样击实装置，包括模具和击实器，模具包括：底座1、内模具2、外模具3。所述底座1上设置有固定槽，用于固定内模具2和外模具3；所述内模具2和外模具3设置于底座1上方；内模具2的上方架设有内延伸模具4，外模具3上方架设有外延伸模具5；所述内延伸模具4和外延伸模具5的高度为50mm；所述内模具2的外径为60mm；所述外模具3的内径为100mm；所述内外模具的高度均为220mm。
击实器包括：整平环6、整平环导杆7、击实锤8、击实锤导杆9。整平环5放置于试样上，整平环导杆7与整平环6之间通过凹槽固定相连。击实锤8上设有贯穿的孔洞，用于使整平环导杆7穿过，所述击实锤8放置于整平环6上方，所述击实锤导杆位于击实锤上方；击实锤导杆9与击实锤8之间通过凹槽固定相连。整平环导杆7的顶部设有限位器10。所述整平环导杆7上标有刻度。所述击实锤8为不锈钢材质，密度为7.8g/cm3。所述击实锤8的高度为65mm；所述击实锤8的内径为62mm；所述击实锤8的外径为98mm；所述整平环6的内径为62mm；所述整平环6的外径为98mm；所述整平环6高度为10mm；所述整平环导杆6高度为220mm；所述击实锤导杆9高度为180mm；
(1)整平环及整平环导杆的设计
空心圆柱试样是以60mm为内径，100mm为外径所形成的环形部分，即环宽为20mm。又考虑到在制样过程中，内模具外侧、外模具内侧均套有橡胶模，因而整平环的环宽需要减去两侧橡胶模的厚度，各留出1mm的空余，从而避免整平环与橡胶模的摩擦，减小磨破橡胶模的风险。此外，在实际操作中，外模具内侧的橡胶模不易紧密贴合于外模具，可将整平环的外径再留有2mm的间隙便于操作。
整平环导杆作为整个击实装置的骨架，主要有三个作用：①控制并调整整平环的水平和竖向位置；②作为击实锤的运动轨道；③导杆上标有刻度，可在击实过程中实时观察到重塑样的压缩量和均匀程度，已满足预期的相对密实度。
(2)击实部分的设计
击实锤为不锈钢材质(密度为7.8g/cm3)，设计为圆环形以贴合整平环的尺寸。为了避免击实时可能与橡胶模产生的摩擦，将其内径扩大2mm、外径缩小2mm。高度设计为65mm。
击实锤沿平整环导杆下落，即由重力势能转化为动能，再将能量传递给平整环，再传递到试样，击实锤可以根据试验需求进行替换不同质量的击实锤，并且可以控制限位器的位置来调整击实锤下落高度，从而控制击实功，以满足试样不同的相对密实度要求。
(3)内、外延伸模具
原有内、外模具的高度与试样高度一致，导致在进行最后一次分层击实时，装样、击实的空间不足，因而需要将内、外模具延长，分别对应设计了内、外延伸模具，高度均取为50mm，且延伸模具的内外径与原模具保持一致，以保证较好的击实效果。
本发明的详细操作步骤如下：
1)测得试样用土样的相对密实度，通过公式
Figure BDA0002860000270000051
计算得出重塑土密度ρ(Dγ为相对密实度，ρmax为最大干密度，ρmax为最小干密度，ρ为重塑土密度)，根据空心圆柱试样体积求出所需土样质量，并将其平均分为若干份(以五份为例)。
2)底座上安装好内、外模具，并在内模具外壁和外模具内壁套上橡胶模。在确认橡胶模已经紧密贴合于模具之后，采用砂雨法装样，使用长颈漏斗将均分后的第一份土样缓慢、均匀、连续地落入圆环形的空腔内，过程中要时刻保持长颈漏斗在圆环形空腔内匀速转动，且长颈漏斗底部始终要高于土样上表面。
3)将第一份土样装入后，可用金属棒加以捣平，同时用橡胶锤连续轻敲外模具加以配合。将击实锤套入整平环导杆内，完成击实装置的组合，再提着导杆将其缓慢放入圆环形腔内，平整压于土样之上，记下此时整平环导杆上的刻度，并与预期值进行对比(试样总高200mm，分成五次装样，则每一层装样的预期值即为40mm)。根据所需要的相对密实度大小，将击实锤提高至较适合的高度，松手让击实锤沿整平环导杆下落，反复多次，直至刻度达到预期值，完成改分层的击实。
4)将击实后的上表面刮毛，以达到较好的平整度，再进行第2～4层的击实，重复第3)步的过程即可。在装入第五次的土样前，将内、外延伸模具安装完成，再进行击实，击实后再将内、外延伸模具拆除。
本发明可以制备相对密实度较大的空心圆柱试样，使用方便、便于操作，又提高了制备重塑样的精确度和效率。

Claims (10)

1.一种空心圆柱试样击实装置，其特征在于，包括模具和击实器，所述模具包括底座、内模具、外模具；所述内模具和外模具设置于底座上方；内模具的上方架设有内延伸模具，外模具上方架设有外延伸模具；所述击实器包括整平环、整平环导杆、击实锤、击实锤导杆；整平环放置于试样上，所述击实锤放置于整平环上方；整平环导杆与整平环之间通过凹槽固定相连；所述击实锤上设有贯穿的孔洞，用于使整平环导杆穿过；所述击实锤导杆位于击实锤上方。
2.根据权利要求1所述的空心圆柱试样击实装置，其特征在于，击实锤导杆与击实锤之间通过凹槽固定相连。
3.根据权利要求1所述的空心圆柱试样击实装置，其特征在于，整平环导杆的顶部设有限位器。
4.根据权利要求1所述的空心圆柱试样击实装置，其特征在于，所述整平环导杆上标有刻度，所述整平环导杆的高度为220mm。
5.根据权利要求1所述的空心圆柱试样击实装置，其特征在于，所述击实锤为不锈钢材质，密度为7.8g/cm3。
6.根据权利要求1所述的空心圆柱试样击实装置，其特征在于，所述击实锤的高度为65mm，内径为62mm，外径为98mm。
7.根据权利要求1所述的空心圆柱试样击实装置，其特征在于，所述整平环的高度为10mm，内径为62mm，外径为98mm。
8.根据权利要求1所述的空心圆柱试样击实装置，其特征在于，所述底座上设置有固定槽，用于固定内模具和外模具。
9.根据权利要求1所述的空心圆柱试样击实装置，其特征在于，所述内延伸模具和外延伸模具的高度为50mm；所述内模具的外径为60mm；所述外模具的内径为100mm，所述内模具和外模具的高度均为220mm。
10.根据权利要求1～9任一项所述的空心圆柱试样击实装置击实方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)测得试样用土样的相对密实度，根据空心圆柱试样体积求出所需土样质量，并将其平均分为N份；
相对密实度计算公式如下：
Figure FDA0002860000260000021
其中，Dγ为相对密实度，ρmax为最大干密度，ρmax为最小干密度，ρ为重塑土密度；
2)底座上安装好内、外模具，并在内模具外壁和外模具内壁套上橡胶模；在确认橡胶模已经紧密贴合于模具之后，采用砂雨法装样，使用长颈漏斗将均分后的第一份土样缓慢、均匀、连续地落入圆环形的空腔内，过程中要时刻保持长颈漏斗在圆环形空腔内匀速转动，且长颈漏斗底部始终要高于土样上表面；
3)将第一份土样装入后，用金属棒加以捣平，同时用橡胶锤连续轻敲外模具加以配合；将击实锤套入整平环导杆内，完成击实装置的组合，再提着导杆将其缓慢放入圆环形腔内，平整压于土样之上，记下此时整平环导杆上的刻度，并与预期值进行对比；根据所需要的相对密实度大小，将击实锤提高至较适合的高度，松手让击实锤沿整平环导杆下落，反复多次，直至刻度达到预期值，完成改分层的击实；
4)将击实后的上表面刮毛，以达到较好的平整度，再进行第2～N-1层的击实，重复第3)步的过程；在装入最后一次的土样前，将内、外延伸模具安装完成，再进行击实，击实后再将内、外延伸模具拆除。
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