一种便携式三轴仪及三轴试验方法

摘要

本发明公开了一种便携式三轴仪及三轴试验方法，所述便携式三轴仪包括，试验砂装样机构，用于放置试验用的试验砂；试验砂护筒，其可拆卸的固定于试验砂装样机构外周；抽真空机构，其包括真空泵、真空表和导气管；所述试验砂装样机构和所述真空泵形成一个抽气通路；所述真空表连接于真空泵和试验砂装样机构之间；通过以上方案的实施，通过抽真空机构形成负压，此时外部大气压给试验砂施加了一个与负压大小相等的围压，巧妙借助大气压施加围压的方式操作更简便；通过抽真空机构而不再使用水压进行围压的施加，使得三轴仪体积变小，更方便教师携带。

说明书

技术领域

本发明属于物理测试的技术领域，具体涉及一种便携式三轴仪及三轴试验方法。

背景技术

土力学是一门研究土体的强度、变形和渗流的一门学科，而三轴压缩试验是测量土体强度和变形的关键试验之一。

传统的三轴压缩试验采用三轴仪进行，三轴仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统和孔隙水压力量测系统组成；该试验装置的工作原理是：将切好的圆柱体试样套在橡胶薄膜内，并放入密闭的压力室中，向压力室内压入液体，使试样受到周围压力，保持围压在试验过程中不变，这时试件各向的三个主应力都相等，因此试件内没有剪应力；然后在压力室上端的传力杆上施加垂直压力，这样竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力不变而竖向主应力逐渐增大时，试件不断受剪直至剪切破坏。

传统的土力学实验中三轴仪设备体积大，价格昂贵，操作步骤多，易损坏，学生试验操作非常困难，基于传统三轴仪的实验教学很难开展。因此迫切需要研发出一种操作简单、质量轻便、易于携带至课堂的小型化三轴仪，供教师在课堂教学中使用。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种便携式三轴仪及三轴试验方法，使用抽真空机构在试样内部形成负压，利用外部大气压给试验施加一个与内部负压大小相等的围压，从而使得仪器更便携，操作更简单。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式三轴仪，进一步的，包括，

试验砂装样机构，用于放置试验用的试验砂，其包括橡皮膜、底座和顶盖，其中橡皮膜与底座和顶座分别密封连接，形成一个容器，试验砂装入由橡皮膜、底座和顶盖构成的容器中；

试验砂护筒，其可拆卸的固定于试验砂装样机构外周；

抽真空机构，其包括真空泵、真空表和导气管；其中，所述真空泵通过导气管分别与所述底座和所述顶盖连接，所述导气管插入所述底座和所述顶盖；所述试验砂装样机构和所述真空泵形成一个抽气通路；所述真空表连接于真空泵和试验砂装样机构之间。

进一步的，所述试验砂护筒沿竖直方向平均分开的两个圆弧形的护筒板；所述两个护筒板相互扣合围装至试验砂装样机构外周后，使用护筒箍紧固。

进一步的，所述顶盖和底座中开设有L形气道，所述L形气道的第一孔口开设于顶盖和底座位于橡皮膜内的表面的中央，第二孔口开设于顶盖和底座的侧面；所述第二孔口与导气管连接。

进一步的，所述第一孔口表面安装有滤网。

进一步的，所述护筒板底部开设拱门形缺口，位于底座的第二孔口处，其直径大于第二孔口的直径。

进一步的，所述橡皮膜与底座和顶盖分别通过橡皮圈固定，所述橡皮圈的直径小于所述底座和所述顶盖的直径。

进一步的，所述试验砂护筒的内表面有内凹槽，所述内凹槽宽度大于所述橡皮圈的宽度。

一种三轴试验方法，进一步的，本方法基于权利要求1-7中任一权利要求所述的一种便携式三轴仪而进行，包括如下步骤：

S10、将底座的L形气道的第二孔口与导气管通过连接，将橡皮膜固定在底座上；

S20、将试验砂护筒的两个护筒板对扣拼接并由护筒箍紧固，将其外罩在橡皮膜和底座外侧；

S30、向橡皮膜中装适量试验砂并将顶部铺平，将顶盖的L形气道的第二孔口与导气管连接，将顶盖端正地放置于试验砂的顶面，将橡皮膜高于试验砂顶面的部分固定在顶盖上；

S40、将抽真空机构的真空泵和真空表通过导气管串联，将分别与底座和顶盖连接的导气管串联后再与真空表和真空泵串联；

S50、开启真空泵，待真空表显示的负压稳定后，试验砂试样在外界大气压挤压下即可保持自立，此时拆除试验砂护筒；

S60、保持抽真空机构持续运转以保持试验砂内部的负压，将试验砂放置在无侧限压缩仪中进行竖向加载剪切试验直至试验砂破坏。

有益效果：

第一、通过以上方案的实施，不需要将试验砂包裹在橡皮膜内后放置于水中，通过水压来施加围压，而是通过抽真空机构形成负压，此时外部大气压给试验砂施加了一个与负压大小相等的围压，巧妙借助大气压施加围压的方式操作更简便。

第二、通过抽真空机构而不再使用水压进行围压的施加，使得三轴仪体积变小，更方便教师携带。

第三、使用可拆卸的试验砂护筒，可以保证在抽真空初期试验砂的形状保持。

第四、在L形气道的第一孔上覆盖有滤网，防止土颗粒进入L型气道中。

附图说明

图1是一种便携式三轴仪去掉抽真空机构后的爆炸图的示意图；

图2是图1中A部分的放大图；

图3是一种便携式三轴仪的立体图的示意图；

图4是本发明中实施例S10步骤的装置连接图的示意图；

图5是本发明中实施例S20步骤的装置连接图的示意图；

图6是本发明中实施例S30步骤的装置连接图的示意图；

图7是本发明中实施例S40步骤的装置连接图的示意图；

图8是本发明中实施例S50步骤的装置连接图的示意图；

图9是本发明中实施例S60步骤的装置连接图的示意图；

符号说明：

1.抽真空机构、1-1.电源、1-2.真空泵、1-3.真空表、2.底座、3.顶盖、4.第一护筒板、4-1.拱门形缺口、4-2.内凹槽、5.护筒箍、6-1.第一三通接头、6-2.第二三通接头、7.圆柱形橡皮膜、8.橡皮圈、9.试验砂、10. L形气道、10-1.滤网、10-2.第二孔口、11.导气管、11-1.第一导气管、11-2.第二导气管、11-3.第三导气管、11-4.第四导气管、12.无侧限压缩仪、13.第二护筒板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式限制。

如图1-3所示，一种便携式三轴仪，包括试验砂装样机构、试验砂护筒和抽真空机构1；其中所述试验砂装样机构包括底座2、顶盖3和橡皮膜7，所述橡皮膜通过橡皮圈8与底座2和顶盖3密封连接，形成一个容器，优选的，所述橡皮膜为圆柱形橡皮膜7，内装有试验砂9；优选的，其中所述底座2、顶盖3直径均为39mm，厚度均为10mm；圆柱形橡皮膜7高度100mm，厚度0.3mm；橡皮圈8直径略小于底座2和顶座3，为37mm；所述试验砂护筒，分为沿竖直方向平均分开的两个圆弧形的护筒板，分别为第一护筒板4和第二护筒板13,可拆卸的固定于试验砂装样机构外周；所述两个护筒板相互扣合围装至试验砂装样机构外周后，护筒箍5紧固以维持圆柱形橡皮膜7的圆柱形状；优选的，第一护筒板4和第二护筒板13均为内径39mm，壁厚5mm，外径49mm；优选的，护筒箍5内径49mm，壁厚5mm，外径59mm。

优选的，所述底座2、顶盖3为圆饼状；其内部有L形气道10，优选的，直径为5mm；L形气道的第一孔口开设于顶盖3和底座2位于圆柱形橡皮膜7内的表面的中央，第二孔口10-2开设于顶盖3和底座2的侧面；所述第一孔口附有滤网10-1；防止土颗粒进入L形气道10；所述第二孔口用于与导气管连接；其中第一导气管11-1与底座2的第二孔口10-2相连接；第二导气管11-2与顶盖3第二孔口10-2相连接。

所述第一护筒板4底部有一拱门形缺口4-1，位于第一导气管11-1与底座2连接处；第一护筒板4和第二护筒板13在的内表面有一圈内凹槽4-2，优选的，位于底部；用于容纳橡皮圈8；第一护筒板4底部的拱门形缺口4-1。

所述抽真空机构1由电源1-1、真空泵1-2、真空表1-3和导气管组成；其中，第一导气管11-1和第二导气管11-2通过第一三通接头6-1与第三导气管11-3接通；第三导气管11-3通过第二三通接头6-2与真空表1-3和第四导气管11-4连通；所述第四导气管11-4与真空泵1-2连通，进而将所述试验砂装样机构和所述真空泵形成一个抽气通路；优选的，导气管与三通接头之间、导气管与第二孔口10-2之间、导气管与真空泵1-2之间通过螺纹丝口连接；所述真空泵1-2的功率可以调节。

一种三轴试验方法，使用所述的一种便携式三轴仪而进行，如图4-9所示，具体步骤如下：

S10、将底座2的L形气道第二孔口10-2与第一导气管11-1通过螺纹丝口连接，将圆柱形橡皮膜7用橡皮圈8固定在底座2上；

S20、将第一护筒板4和第二护筒板13拼装成圆柱形的试验砂护筒并由护筒箍5紧固，将其外罩在圆柱形橡皮膜7和底座2外侧；

S30、向圆柱形橡皮膜7中装适量试验砂9并将顶部铺平，试验砂的高度为80mm，其松密程度可通过轻轻拍打试验砂护筒来控制；当需制备较为密实的试验砂9时，用手持续拍打将试验砂护筒直到试验砂9顶部不再下沉，然后再添加试验砂9至预定高度，重复上述过程直至试验砂9高度不再变化；将顶盖3的L形气道的第二孔口10-2与第二导气管11-2通过螺纹丝口连接，将顶盖3端正的放置于试验砂9的顶面，将圆柱形橡皮膜7高于试验砂9顶面的部分用橡皮圈8固定在顶盖3上；

S40、将抽真空机构1的电源1-1、真空泵1-2、导气管和三通接头依次串联，其中，第一导气管11-1和第二导气管11-2通过第一三通接头6-1与第三导气管11-3接通；第三导气管11-3通过第二三通接头6-2与真空表1-3和第四导气管11-4连通；所述第四导气管11-4与真空泵1-2连通；

S50、开启真空泵1-2并调节其功率，待真空表1-3显示的负压稳定在-15kPa后，此时外部大气压给试样施加了一个15kPa的围压，圆柱形试验砂9在外界大气压的挤压下保持自立，此时拆除试验砂护筒；

S60、保持抽真空机构1持续运转以保持圆柱形试验砂9试样内部的负压，将圆柱形试验砂9试样放置在无侧限压缩仪12中进行竖向加载剪切试验直至试样破坏；

S70、试验砂装样机构，重复步骤S10—S60，每轮试验调节真空泵1-2的功率以在圆柱形试验砂试样内部形成不同的负压，分别取-15kPa、-30kPa、-45kPa、-60kPa，以实现不同围压下的三轴剪切试验。

上述实施例仅说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明,任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。