CN210923214U - 空心圆柱重塑土样双向压样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了空心圆柱重塑土样双向压样装置，包括底座与上部固定平台，底座和上部平台均设置有电动推杆、电源适配器、24V直流电机和开关与速度控制器。底座与上部平台之间设置有制样外筒由反力架上设置的支撑架固定，支撑架的上下设置有钢制垫块，制样外筒上下部均设置有环形压样模具。制样外筒内部设置有制样内筒，下限位压样模具的中心处设置有螺杆，制样内筒的下方中心处设置有与螺杆相匹配的螺孔，制样内筒可固定于下限位压样模具上。电动推杆、制样筒和压样模具的中心在一直线上。该装置可实现对土样的上下面同时进行压实，降低了制样筒与土样之间的摩擦，可以压制出结构相同、密度均匀和脱模损失最小的标准空心圆柱重塑土样。

Description

空心圆柱重塑土样双向压样装置

技术领域

本实用新型涉及土工试验技术领域，具体涉及空心圆柱重塑土样双向压样装置。

背景技术

本世纪以来，我国在基础设施建设领域迈入了一个全新的时代，既有闻名世界的白鹤滩水电站、中国高速铁路网和港珠澳大桥等超大建筑规模、空前施工难度和顶尖建造技术的大型工程，也有城市建设中各种复杂地质条件下的超大型深基坑开挖等基础工程。不论是高难度技术的水利或交通工程还是错综复杂的地下空间工程都离不开岩土体作为基础，都必须建立在牢固的地基上，才可以保证其安全运行，这就是所谓的基础不牢地动山摇的道理。地基基础的受力特性与极限强度是评价这些工程安全稳定的基本条件，只有把地基基础的问题处理妥当，才能建造出各种安全稳定的基础设施。要研究各种地基的强度和稳定性，必须对岩土体进行室内外试验研究。而室内测试岩土在地震荷载、交通荷载、波浪荷载和基坑开挖作用下的力学性质的岩土仪器主要是《空心圆柱扭剪仪》。目前能开展此类试验最常用的大型仪器基本是GDS、GCTS和诚岩社等少数国外品牌，试验前均需制备空心圆柱试样，但是仪器本身配备的制样工具往往效果较差，最大的问题是不能很好的控制空心圆柱重塑土样密度的均匀性，更适合制备原状黏土空心圆柱土样。根据国家土工试验规程，制备重塑土样需要严格控制其密度，以保证平行试验数据的重复性及有效性的要求。如何制备符合试验要求的空心圆柱重塑土样，在不考虑土体各向异性和结构性对土的力学性质的影响下，单纯制备高质量的空心圆柱重塑土样，为室内实验较好的模拟土体在地震荷载、交通荷载、波浪荷载和基坑开挖等复杂应力路径条件下的力学行为的研究提供了可能。目前国内外针对空心圆柱重塑土样制作的实验装置少之又少，实际操作中即使能制作出空心圆柱重塑土样，其性能也不能保证试样密度均匀这一要点。所以，如何能研制一种空心圆柱重塑土样压样装置来解决制备空心圆柱土样的问题，是目前高级土工试验中一项亟待解决的问题。本文就如何制备满足空心圆柱仪类仪器所需的高精度空心圆柱重塑土样进行了制样工具的设计，更好的解决了试验中空心圆柱土样结构统一和密度均匀的问题。

传统空心圆柱重塑土样的制备方法主要采用在击实仪中分层填土压出一个圆柱体，然后将内筒部分进行钻孔等方法进行掏空，这类方法主要存在两三问题：(1)各层土的实际击实能量差异较大，下层土往往更密实，在精确控制土样密度均匀性方面有着较大的不足。(2)每击实一层就需要刮毛处理，刮毛的深度和粗细的不均匀会引起层间衔接不良，由于击实能量不同，仍然出现层与层间的密度不同。(3)对于偏砂类实心圆柱体进行掏空操作时容易出现掉块等损伤土样的问题。

实用新型内容

本实用新型解决了现有技术存在的如何制备符合试验要求的空心圆柱土样，特别是在不考虑土体各向异性和结构性对土的力学性质的影响下，单纯的制备高质量的空心圆柱重塑土样，为实验室模拟土体在复杂应力路径条件下的受力状态、开展相关的性状研究提供可能，就成为当前亟待解决的棘手问题，目前国内外针对空心圆柱重塑土样制作的实验装置少之又少，实际操作中即使能制备出空心圆柱重塑土样，其性能也不能保证密度均匀这一要点。所以如何能研制一种空心圆柱重塑土样压样装置来解决制备空心圆柱土样的问题，是目前土工试验中急需解决的问题，本实用新型提供了空心圆柱重塑土样双向压样装置，其应用时通过所设计的特殊结构的空心圆柱重塑土样双向压样装置，通过上下限位压样模具的配合形成一个封闭的环状空间，将空间内填满的松散土样经过上下方双向等速率的压实，可以得到结构相同和密度均匀的空心土样，以满足土工试验的需求。

本实用新型通过以下技术方案实现：

空心圆柱重塑土样双向压样装置，包括底座与上部固定平台，所述底座与上部固定平台之间由反力架连接。所述上部固定平台的中心处设置有竖直向下的上电动推杆，所述底座的中心处设置有竖直向上的下电动推杆，所述上电动推杆与下电动推杆上下正对，所述上部固定平台上设置有上电动推杆适配器、上电动推杆开关与速度控制器、上部24V直流电机，所述上电动推杆开关与速度控制器用于控制上电动推杆的启停与快慢，所述上电动推杆适配器用于匹配上电动推杆的直流电机的电压，所述上部24V直流电机为上电动推杆提供下行动力。所述底座上设置有下电动推杆适配器、下电动推杆开关与速度控制器、下部24V直流电机，所述下电动推杆开关与速度控制器用于控制下电动推杆的启停与快慢，所述下电动推杆适配器用于匹配下电动推杆直流电机的电压，所述下部24V直流电机为下电动推杆提供上行动力。所述上部固定平台与底座之间设置有不锈钢制样外筒，所述不锈钢制样外筒由反力架上所设置的支撑架固定，所述支撑架的上下设置有钢制垫块，进一步加强不锈钢制样外筒的强度，所述不锈钢制样外筒上部设置有上限位压样模具，所述不锈钢制样外筒下部设置有下限位压样模具，所述不锈钢制样外筒内部设置有不锈钢制样内筒，所述下限位压样模具的中心处设置有螺杆，所述不锈钢制样内筒的下方中心处设置有与螺杆相匹配的螺孔，所述不锈钢制样内筒可固定于下限位压样模具上。

进一步的，空心圆柱重塑土样双向压样装置，所述上限位压样模具的顶部设置有大于上限位压样模具外径的梯形限位圆柱，所述下限位压样模具的底部设置有大于下压模具外径的梯形限位圆柱，在实际压样的过程中，电动推杆将模具压到限位圆柱与制样外筒接触后，电动推杆自动停止，所述上限位压样模具上设置有排气孔，在土样压制的过程中由排气孔将内部的气体排出。

进一步的，空心圆柱重塑土样双向压样装置，所述上电动推杆、下电动推杆、不锈钢制样外筒、上限位压样模具、下限位压样模具的几何中心位于同一竖直线上。

进一步的，空心圆柱重塑土样双向压样装置，所述装置还包括土样脱模模具，所述土样脱模模具由上部空心圆柱与底部圆柱组成。

进一步的，空心圆柱重塑土样双向压样装置，所述装置还包括上部空心土样保护环，所述上部空心土样保护环的内径与上压模具的内径尺寸相同，上部空心土样保护环的外径与上压模具的外径尺寸也相同，在把压制好的土样从制样筒中顶出的过程中，上部空心土样保护环会保证顶出的土样不会出现脱模带来的二次损坏。

进一步的，空心圆柱重塑土样双向压样装置，所述上限位压样模具的尺寸为：外径：99.8mm，内径60.2mm和内深200mm，所述下限位压样模具的尺寸为：直径99.8mm、高度100mm。

进一步的，空心圆柱重塑土样双向压样装置，所述不锈钢制样筒内土样与上限位压样模具和下限位压样模具之间均设置有滤纸。

本装置制样步骤如下：

(1)将塑限含水率附近的黏土或粉土过1mm的筛子或干燥后进行粉碎处理，消除土壤的初始各向异性；

(2)使用烘干法测量土壤的含水率ω，之后根据ρ_d＝m/(V+Vω)根据所需要的干密度和含水率计算需要填装重塑土的质量m，其中，ρ_d是标准土样的干密度，m是土样的总质量，V是土样总体积；

(3)将不锈钢制样内筒固定在下限位压样模具上，调整下电动推杆使下限位压样模具(直径99.8mm，高度100mm)的顶部刚好进入不锈钢制样外筒中，在进入不锈钢制样外筒中时，在模具顶部放置外径100mm内径60mm的标准环形滤纸；

(4)将质量为m的土样一次性装入不锈钢制样外筒与不锈钢制样内筒所形成的外径100mm、内径60mm和高度400mm的环状成样筒中，根据实际情况，在一次性填装不完时，可以使用细铁丝进行轻微密实，直到装平至不锈钢制样外筒上沿口；

(5)装完重塑土后在其上表面放置外径100mm，内径60mm的标准环形滤纸，然后将上限位压样模具(外径99.8mm，内径60.2mm和内深200mm)放置在上面；

(6)调整上电动推杆，使其与上限位压样模具刚好接触，调整直流电机的开关与速度调速器，使得压缩土样前上下电动推杆的空载速率在0.5mm/s，并标记好此速度对应旋钮的位置；

(7)通过开关与速度控制器，其中开关也可以使用无线遥控开关，同时使上下电动推杆推动上下限位压样模具完全卡在标准成样筒沿口处，电机负荷突然增大，电机停止工作，使土样固结30分钟；

(8)调整上电动推杆使其回到原始状态，取下上限位压样模具，将上部空心土样保护环轻放入不锈钢制样外筒上部已经压制好的环形空间内，再调整上电动推杆，使其向下与不锈钢制样内筒接触后停止上电动推杆，向下压住不锈钢制样内筒使其不可以在后面的脱模过程中向上移动；

(9)调整下电动推杆，将下限位压样模具拧下，将外径99.8mm，内径60.2mm和高度410mm抛光土样脱模模具从下部放入不锈钢制样外筒与内筒之间的环形空间中，然后调整下电动推杆使其和土样脱模模具接触并一起向上运动，下电动推杆以0.5mm/s的速度从环形标准成样筒中推出空心土样，土样被全部推出不锈钢制样外筒时停止下电动推杆，取出土样，恢复设备至初始状态即可制备下一个土样，标准土样密度均匀，干扰极小。

综上所述，本实用新型的以下有益效果：

1、本实用新型空心圆柱重塑土样双向压样装置，土样的顶部受到上限位压样模具的作用和土样的底部受到下限位压样模具的作用，使得土样在不锈钢制样外筒内垂直压缩，这样，对土样的底面和顶面进行双重的压缩，降低了不锈钢制样外筒内壁和内筒外壁与土样之间摩擦的影响，从而压制出的土样结构相同且密度均匀。

2、本实用新型空心圆柱重塑土样双向压样装置，该装置在将土样压制成功后，再通过土样脱模模具与上部空心土样保护环使得最终取出的空心土样不会受到二次破坏，可以保证后续对土样进行力学测试的准确性。

3、本实用新型空心圆柱重塑土样双向压样装置，通过该装置和该方法可以一次性压制出空心标准土样，整个压制过程的压制和脱模速度完全可以做到统一，避免了制样带来的试验数据的误差，压制装置的结构比较简单，且占用空间较小，适于在室内制备土样。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型结构上限位压样模具示意图。

图3为本实用新型结构下限位压样模具及不锈钢制样内筒组合示意图。

图4为本实用新型结构土样脱模模具示意图。

图5为本实用新型结构上部空心土样保护环示意图。

图6为本实用新型工作时的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-上部固定平台，2-底座，3-反力架，4-不锈钢制样外筒，5-上电动推杆，6-下电动推杆，7-上电动推杆适配器，8-上电动推杆开关与速度控制器，9-下电动推杆适配器，10-下电动推杆开关与速度控制器，11-上部24V直流电机，12-下部24V直流电机，13-支撑架，14-钢制垫块，15-上限位压样模具，16-排气孔，17-不锈钢制样内筒，18-下限位压样模具，19-螺杆，20-土样脱模模具，21-上部空心土样保护环。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例

如图1-6所示，空心圆柱重塑土样双向压样装置，包括底座2与上部固定平台1，所述底座2与上部固定平台1之间由反力架3连接。所述上部固定平台1的中心处设置有竖直向下的上电动推杆5，所述底座2的中心处设置有竖直向上的下电动推杆6，所述上电动推杆5与下电动推杆6上下正对，所述上部固定平台1上设置有上电动推杆适配器7、上电动推杆开关与速度控制器8、上部24V直流电机11，所述上电动推杆开关与速度控制器8用于控制上电动推杆5的启停与快慢，所述上电动推杆适配器7用于匹配上电动推杆5直流电机的电压，所述上部24V直流电机11为上电动推杆5提供下行动力。所述底座2上设置有下电动推杆适配器9、下电动推杆开关与速度控制器10、下部24V直流电机12，所述下电动推杆开关与速度控制器10用于控制下电动推杆6的启停与快慢，所述下电动推杆适配器9用于匹配下电动推杆6直流电机的电压，所述下部24V直流电机12为下电动推杆6提供上行动力。所述上部固定平台1与底座2之间设置有不锈钢制样外筒4，所述不锈钢制样外筒4由反力架3上所设置的支撑架13固定，所述支撑架13的上下设置有钢制垫块14，进一步加强不锈钢制样外筒4的强度，所述不锈钢制样外筒4上部设置有上限位压样模具15，所述不锈钢制样外筒4下部设置有下限位压样模具18，所述不锈钢制样外筒4内部设置有不锈钢制样内筒17，所述下限位压样模具18的中心处设置有螺杆19，所述不锈钢制样内筒17的下方中心处设置有与螺杆19相匹配的螺孔，所述不锈钢制样内筒17可固定在限位压样模具18上。所述上限位压样模具15的顶部设置有大于上压模具15外径的梯形限位圆柱，所述下限位压样模具18的底部设置有大于下限位压样模具18外径的梯形限位圆柱，所述上限位压样模具15上设置有排气孔16。所述上电动推杆5、下电动推杆6、不锈钢制样外筒4、上限位压样模具15、下限位压样模具18的几何中心位于同一竖直线上，所述装置还包括土样脱模模具20，所述土样脱模模具20由空心圆柱体与底部圆柱组成。所述装置还包括上部空心土样保护环21，所述上部空心土样保护环21的内径与上限位压样模具15的内径尺寸相同，上部空心土样保护环21的外径与上限位压样模具15的外径尺寸也相同，所述上限位压样模具15的尺寸为：外径：99.8mm，内径60.2mm，内深200mm，所述下限位压样模具18的尺寸为：直径99.5mm、高度100mm，所述不锈钢制样外筒4内土样与上限位压样模具15、下限位压样模具18之间均设置有标准环形滤纸。

本装置的实施步骤是：

(1)将塑限含水率附近的黏土或粉土过1mm的筛子或干燥后进行粉碎处理，消除土壤的初始各向异性。

(2)使用烘干法测量土壤的含水率ω，之后根据ρ_d＝m/(V+Vω)根据所需要的干密度和含水率计算需要填装重塑土的质量m，其中，ρ_d是标准土样的干密度，m是土样的总质量，V是土样总体积。

(3)将不锈钢制样内筒17固定在下限位压样模具18上，调整下电动推杆6使下限位压样模具(直径99.8mm，内深100mm)的顶部刚好进入不锈钢制样外筒4中，在进入不锈钢制样外筒4中时，在模具顶部放置外径100mm内径60mm的标准环形滤纸。

(4)将质量为m的土样一次性装入不锈钢制样外筒4与不锈钢制样内筒17所形成的外径100mm、内径60mm和高度400mm环状成样筒中，填装是根据实际情况在一次性填装不完时，可以使用细铁丝进行轻微密实，直到装平至不锈钢制样外筒4上沿口。

(5)装完重塑土后在其上表面放置外径100mm，内径60mm的标准环形滤纸，然后将上限位压样模具15(外径99.8mm，内径60.2mm和内深200mm)放置在上面。

(6)调整上电动推杆5，使其与上限位压样模具15刚好接触；调整直流电机的开关与速度调速器(8)和(10)，使得压缩土样前上下电动推杆的空载速率在0.5mm/s，并标记好此速度对应旋钮的位置。

(7)通过开关与速度控制器(8)和(10)，其中开关也可以使用无线遥控开关，使上下电动推杆(5)和(6)同时推动上下限位压样模具(15)和(18)，并完全卡在标准成样筒上下沿口处，电机负荷突然增大，电机停止工作，使土样固结30分钟。

(8)调整上电动推杆5使其回到原始状态，取下限位压样模具15，将上部空心土样保护环21轻放入不锈钢制样外筒4和内筒17上部压制好的环形空间内，再调整上电动推杆5，使其向下与不锈钢制样内筒17接触后停止上电动推杆5，向下压住不锈钢制样内筒17使其不可以在后面的脱模过程中向上移动。

(9)调整下电动推杆6，将下限位压样模具18拧下，将外径99.8mm，内径60.2mm和高度410mm抛光土样脱模模具20从下部放入不锈钢制样外筒4与内筒17之间的环形空间中，然后调整下电动推杆6使其和土样脱模模具20接触并一起向上运动，下电动推杆(6)的速度控制在0.5mm/s从环形标准成样筒中推出土样，土样被全部推出不锈钢制样外筒4时停止下电动推杆6。取出土样，恢复设备至初始状态即可制备下一个土样，标准土样密度均匀，干扰极小。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.空心圆柱重塑土样双向压样装置，包括底座(2)与上部固定平台(1)，其特征在于，所述底座(2)与上部固定平台(1)之间由反力架(3)连接，所述上部固定平台(1)的中心处设置有竖直向下的上电动推杆(5)，所述底座(2)的中心处设置有竖直向上的下电动推杆(6)，所述上电动推杆(5)与下电动推杆(6)上下正对，所述上部固定平台(1)上设置有上电动推杆适配器(7)、上电动推杆开关与速度控制器(8)、上部24V直流电机(11)，所述上电动推杆开关与速度控制器(8)用于控制上电动推杆(5)的启停与快慢，所述上电动推杆适配器(7)用于匹配上电动推杆(5)的上部24V直流电机(11)的电压，所述上部24V直流电机(11)为上电动推杆(5)提供下行动力，所述底座(2)上设置有下电动推杆适配器(9)、下电动推杆开关与速度控制器(10)、下部24V直流电机(12)，所述下电动推杆开关与速度控制器(10)用于控制下电动推杆(6)的启停与快慢，所述下电动推杆适配器(9)用于匹配下电动推杆(6)的下部24V直流电机(12)的电压，所述下部24V直流电机(12)为下电动推杆(6)提供上行动力，所述上部固定平台(1)与底座(2)之间设置有不锈钢制样外筒(4)，所述不锈钢制样外筒(4)由反力架(3)上所设置的支撑架(13)固定，支撑架通过抱紧环固定在反力架(3)上，所述支撑架(13)的上下设置有钢制垫块(14)，进一步加强不锈钢制样外筒(4)的强度，所述不锈钢制样外筒(4)上部设置有上限位压样模具(15)，所述不锈钢制样外筒(4)下部设置有下限位压样模具(18)，所述不锈钢制样外筒(4)内部设置有不锈钢制样内筒(17)，所述下限位压样模具(18)的中心处设置有螺杆(19)，所述不锈钢制样内筒(17)的下方中心处设置有与螺杆(19)相匹配的螺孔，所述不锈钢制样内筒(17)可固定在下限位压样模具(18)上。

2.根据权利要求1所述的空心圆柱重塑土样双向压样装置，其特征在于，所述上限位压样模具(15)的顶部设置有大于上限位压样模具(15)外径的限位顶环，所述下限位压样模具(18)的底部设置有大于下限位压样模具(18)外径的限位底环，所述上限位压样模具(15)上设置有排气孔(16)。

3.根据权利要求1所述的空心圆柱重塑土样双向压样装置，其特征在于，所述上电动推杆(5)、下电动推杆(6)、不锈钢制样外筒(4)、上限位压样模具(15)、下限位压样模具(18)的几何中心位于同一竖直线上。

4.根据权利要求1所述的空心圆柱重塑土样双向压样装置，其特征在于，所述装置还包括土样脱模模具(20)，所述土样脱模模具(20)由空心圆柱体与底部圆柱组成。

5.根据权利要求1所述的空心圆柱重塑土样双向压样装置，其特征在于，所述装置还包括上部空心土样保护环(21)，所述上部空心土样保护环(21)的内径与上限位压样模具(15)的内径尺寸相同，上部空心土样保护环(21)的外径与上限位压样模具(15)的外径尺寸也相同。

6.根据权利要求1所述的空心圆柱重塑土样双向压样装置，其特征在于，所述上限位压样模具(15)的尺寸为：外径99.8mm，内径60.2mm，内深200mm，下限位压样模具(18)的尺寸为：直径99.8mm和高度100mm。

7.根据权利要求1所述的空心圆柱重塑土样双向压样装置，其特征在于，所述不锈钢制样外筒(4)内土样与上限位压样模具(15)、下限位压样模具(18)之间均设置有环形滤纸。

8.根据权利要求1所述的空心圆柱重塑土样双向压样装置，其特征在于，所述上电动推杆开关与速度控制器(8)与下电动推杆开关与速度控制器(10)可调节上电动推杆(5)与下电动推杆(6)的推动速度，速度的控制范围为：0.5mm-3mm/s之间。

9.根据权利要求1所述的空心圆柱重塑土样双向压样装置，其特征在于，所述不锈钢制样外筒(4)内壁和内筒外壁在磨床上进行磨光处理。

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