一种基于振动台的粗粒土大型三轴试验的制样装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于振动台的粗粒土大型三轴试验的制样装置及方法，本发明采用改进的振动台台面以固定试样底座和护臂，并方便其拆卸与起吊，基于振动台振动效应，分层振实试样，降低粗粒土试样在制样过程中的颗粒破碎率，通过竖向自由移动的游标卡尺实时监测每层试样高度以更好控制试样的密实度，借助小型吊机将制好的试样放置在GDS大型动三轴试验仪器上，整体上实现了大型三轴试样过程中的低破碎率、易控制性和高准确性，对于以后开展相关粗粒土大型三轴静动态试验具有极大的促进和推动作用。

说明书

技术领域

本发明属于土动力学室内试验技术领域，涉及一种粗粒土大型静动三轴试验的制样装置及方法，特别涉及一种基于振动台的粗粒土大型三轴试验的制样装置及方法。

背景技术

随着经济发展对交通运输需求的不断增长，我国交通设施建设进入高速发展阶段。高速公路与铁路路基一般由粗粒土组成，在高速化、重载化和大流量交通循环荷载作用下，路基颗粒间往往会发生滑动挤压而破碎，宏观表现出过大路基沉降，路基刚度弱化而使地基中应力大幅增加，甚至引发道路失稳。因此，有必要针对路基填料的力学变形特性进行研究，以提高路基填料层的服役性能。而路基填料由粗颗粒土组成，粒径范围为0.1mm-60mm，由于试样直径与最大颗粒材料直径比的限制，传统的小型三轴仪无法进行不同级配下大粒径粗粒土的动力特性。需采用大型静动三轴仪对粗粒土的动力特性进行研究，较常见粗粒土大型试样的直径为30cm，高为60cm，试样中颗粒土的最大粒径可达60mm。如何控制试样的密实度，降低制样过程中颗粒的破碎而不改变试样级配成为研究成功的关键。目前常用的试样压实方法分为击实法和振实法。击实法分为人工击实和电动击实，人工击实需要较大的人力成本，电动击实造价高，并且试样在击实过程中容易破碎，会导致级配的变化。减少填料破碎率为制作高质量大三轴试样的关键。有学者在试样表面放置振动器进行分层振实来控制破碎率，但表面振动器激振力有限，而且不能实时监测每层试样高度，无法很好控制试样的密实度。所以本发明目的在于探索一种新的粗粒土大型静动三轴试验的制样方法，更好的控制试样密实度，降低制样过程中颗粒破碎率，达到更好的制样质量，并能降低人力成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于振动台的粗粒土大型三轴试验的制样装置及方法，以提高粗粒土大型三轴试验精度和效率，更精确控制试样的密实度，降低试样的破碎率，减少制样误差对试验结果的影响。

本发明的目的是通过以下目的实现的：一种基于振动台的粗粒土大型三轴试验的制样装置；

该装置包括混凝土基础、振动台下部、调频电机、振动弹簧、振动台上部、试样底盘、试样底座、护壁、连接件、橡皮膜、透水石板、滤纸、垫块、砝码、十字板和游标卡尺，套筒；

振动台下部固定安装在混凝土基础上，调频电机安装在振动台下部内；四根振动弹簧下端固定安装在振动台下部上方，振动台上部固定安装在四根振动弹簧上端；所述振动台上部的上表面即为振动台面，在振动台面上涂了防锈油层；试样底盘固定安装在振动台面上，试样底盘侧壁上开有四个对称分布的底盘凹槽；

试样底座由上圆台和下圆台组成，下圆台安装试样底盘内，下圆台的高度与试样底盘的内高相等；下圆台开有四个对称分布的底座凹槽，四个底盘凹槽分别与四个底座凹槽相对；上圆台固定于下圆台上方，且上圆台直径小于下圆台的直径；护壁安装在上圆台外周，护壁上设置有两个把手；连接件一端与把手相连，另一端固定在振动台面上；橡皮膜套于护壁的内侧壁上；护臂内试样底座上依次放置透水石板和滤纸，护臂内放置试样，垫块置于试样上方，砝码置于垫块上方；十字板安装在护臂顶面上，十字板上开有长方形孔若干，游标卡尺插于长方形孔内；所述套筒由套筒上层和套筒下层组成，套筒上层内径等于护臂内径，套筒下层内径大于护臂外径，高度等于套筒顶面至把手高度。使用时，套筒下层套在护臂外侧，套筒底端放置在两个把手上。

一种基于振动台的粗粒土大型三轴试验的制样方法，该方法包括以下步骤：

（1）将试样底座放置于底盘内， 四个底盘凹槽分别与四个底座凹槽相对。在试样底座上放上透水石板和滤纸；

（2）在底座上套入橡皮膜，然后将护壁套在橡皮膜外侧，放置于下圆台与底盘上边缘构成平面上，并用连接件连接护臂把手和振动台面；

（3）分五层填装试样，每层试样高12cm，然后凿平试样顶面确保顶面平整。试样上放上垫块和砝码，然后在护臂顶面放上十字板，十字板中插入游标卡尺；

（4）打开调频电机；通过游标卡尺读数，实时监测试样高度，当达到既定高度时，关掉调频电机，卸下砝码，用同样的方法装下一层；

（5）填装最后一层时，将套筒套在护壁外侧，填装试样，然后凿平试样顶面确保顶面平整；试样上放上垫块和砝码，打开调频电机，振动直至试样顶面与护臂顶面齐平；

（6）将锚钉插入四个底盘凹槽直至底座凹槽，将试样连同试样底座和护壁吊起，放在大型三轴试样仪器上，完成制样。

本发明的有益效果在于，通过改进的振动台实现了试验的振动压实制样，减少了粗粒土在制样过程中的破碎率；通过竖向自由移动的游标卡卡尺，在分层振实中能很好的实时监测每层试样的高度，以更好的控制试样的密实度；改进的振动台面能方便试样及相应底座和护臂的安装、拆卸和起吊，通过小型吊机可以直接放置在GDS大型动三轴试验仪上进行后续试验。

附图说明

图1是本发明改进振动台制样系统示意图；

图2是本发明装前四层试样示意图；

图3是本发明装第五层试样示意图；

图4是底盘的结构示意图；

图5是试样底座的结构示意图；

图6是套筒剖面的结构示意图；

图中，混凝土基础1、振动台下部2、振动弹簧3、振动台上部4、振动台面5、试样底盘6、底盘凹槽6a、试样底座7、上圆台7a、下圆台7b、底座凹槽7c、护壁8、连接件9、橡皮膜10、透水石板11、滤纸12、试样13、垫块14、砝码15、十字板16和游标卡尺17，套筒18，套筒上层18a，套筒下层18b。

具体实施方式

如图1~6所示，整个改进振动台都用膨胀螺栓固定在混凝土基础1上，以避免振动台振动过程中振碎瓷砖，导致振动台底不平产生偏心力，影响制样效果。振动台下部2内装有专用调频电机，可控制振动频率和幅值，噪音小。四根振动弹簧3下端固定安装在振动台下部顶面，振动台上部4固定安装在四根振动弹簧3上端；振动台面5上涂上了防锈油层，并用透明塑料护面。振动台面正中固定了如图4所示的试样底盘6，用于约束试样底座7。试样底盘6壁上开有四个对称分布的底盘凹槽6a，以便装完样后起吊试样所用。如图5所示，试样底座7有上圆台7a和下圆台7b组成，下圆台7b直径较大，刚好放于试样底盘6内（其直径略小于试样底盘6内径），下圆台7b的高度与试样底盘6的内高相等，当放于试样底盘6内时，下台面7b的顶面与试样底盘6上边缘等高，用于共同支撑护壁8，防止护壁8在装样过程中从下圆台7b滑下。下圆台7b的底部也开有四个对称分布的底座凹槽7c，分别与试样底盘6壁上的底盘凹槽6a对齐，以便在起吊过程中插入加长锚钉起吊试样。上圆台7a直径较小，用于放置试样。护壁8放置于上圆台7a的外围，且位于下圆台7b与底盘6上边缘构成平面上。护臂8上设置有左右把手；连接件9一端与把手相连，另一端锚在振动台面5上；连接件9一般由花篮、弹扣、吊环螺丝、吊环螺母组装而成，以防止护臂8在振动过程中晃动偏移。护臂8内套有橡皮膜10，护臂8内底座7上依次放置透水石板11和滤纸12。试样13分五层装于护臂内部。试样上放有垫块14和砝码15（100kg），垫块14可以防止砝码15与试样13直接接触，避免粗粒土试样在振动过程中与砝码15发生摩擦以磨损砝码15，砝码15直径略小于护臂8内径。护臂8顶面放上十字板16，十字板16上有若干长方形孔，以便插入游标卡尺17读取不同位置的试样高度，并且保证游标卡纸垂直放置。当填装第五层试样时，将套筒18套在护臂8上部的外围，套筒18如图6所示，由套筒上层和套筒下层组成，套筒上层内径等于护臂内径，用于约束垫块14和砝码15，套筒下层内径大于护臂外径，高度等于套筒顶面至把手高度。整个套筒18由护臂把手承重。整个改进的振动台系统中，部件1至6分别为长期固定部分，一旦安装完成后，在后续的试验中固定不变，部件7至18为每次试验中需要重复装和拆的部分。

制样包括如下步骤：

（1）将试样底座7放置于底盘6内， 四个底盘凹槽6a分别与四个底座凹槽7c相对。在试样底座7上放上透水石板11和滤纸12；

（2）在底座7上套入橡皮膜10，然后将护壁8套在橡皮膜10外侧，放置于下圆台7b与底盘6上边缘构成平面上，并用连接件9连接护臂把手和振动台台面5；

（3）分五层填装试样13，每层试样高12cm，然后凿平试样顶面确保顶面平整。试样上放上垫块14和砝码15，然后在护臂8顶面放上十字板16，十字板16中插入游标卡尺17；

（4）打开调频电机；通过游标卡尺读数，实时监测试样高度，当达到既定高度时，关掉调频电机，卸下砝码15，用同样的方法装下一层；

（5）填装最后一层时，将套筒18套在护壁8外侧，填装试样13，然后凿平试样顶面确保顶面平整；试样上放上垫块14和砝码15，打开调频电机，振动直至试样顶面与护臂顶面齐平；

（6）从四个底盘凹槽6a分别插入锚钉直至底座凹槽7c内一定距离，将试样连同试样底座7和护壁8吊起，放在大型三轴试验仪器上，完成制样。