一种三轴试验中钙质砂自立试样的制样装置及制样方法

摘要

本发明提供一种三轴试验中钙质砂自立试样的制样装置及制样方法，该装置包括制样系统、承样模具系统、辅助设备以及试样饱和系统；所述承样模具系统包括位于三轴仪上的相互固定的圆柱形下底座和上底座、一端套在上底座外壁并通过下橡皮圈固定的橡皮膜、包裹在橡皮膜外由三个通过水解保护胶粘结围合在一起的圆弧形板组成的三瓣膜、试样帽；所述试样饱和系统用于对试样进行二氧化碳饱和以及反压饱和。本发明制样的全过程都使用三瓣膜使试样直立，避免了对试样施加负压而导致试样体积改变，以及试样歪斜造成加载偏心产生的试验误差的问题，使得试样制备精度更高。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程的室内土工试验技术领域，具体为一种三轴试验中钙质砂自立试样的制样装置及制样方法。

背景技术

三轴试验是土工试验中对岩土材料力学特性测定的常用方法之一。现有技术中，对砂土制样主要采用以下两种方法：1.用对开膜采用击样法或砂雨法，在仪器外制样后，将试样转移到仪器上；2.采用冰冻法，将对开膜内制样完成的试样浸水后进行冰冻，然后将冰冻试样脱模后完成试样制备。但是对于易破碎砂，如钙质砂，是一种内孔隙丰富，颗粒强度低的岩土介质。采用击样法或砂雨法在仪器外制样，可能造成试样在移动过程中受到扰动从而对试验结果造成影响。同时，击样法还会造成钙质砂颗粒破碎，试验级配改变，使试验的初始条件发生变化，从而影响试验准确性。采用冰冻法冰冻过程中则会产生以下两个问题：1.冰冻过程中，试样体积会增大，影响制样初始孔隙比；2.钙质砂颗粒内孔隙的水冰冻过程中体积增大，也可能造成颗粒破碎，影响试样级配，这些都对试验结果有重要影响。

砂土由于没有黏聚力，试样制备过程中拆除对开膜后，试样往往无法保持垂直自立，特别是对于松砂试验。现有技术中，例如申请公布号为CN108663249A的中国发明专利申请公开了一种土工试验无粘性土试样的制备装置及其制备方法，该装置是利用对开模将试样成型，然后通过施加负压使试样保持直立，拆除开模，最后进行饱和处理；但是为保持试样直立而施加的负压往往会影响试样的初始体积，改变试验设定的初始条件，并且试样容易歪斜导致加载偏心而产生试验误差。

对于钙质砂这类易破碎砂，由于具有丰富内孔隙，采用传统水头饱和及反压饱和的单一方法一般难以达到规定的饱和度，通常采用二氧化碳与反压饱和联合饱和的方法，但是仪器管道中没有预留相应端口，现有技术多是通过不断拆卸管道接口来进行操作，较为繁琐。

因此，有必要对钙质砂这类易破碎、难自立的岩土材料的制样装置和制样方法进行研制，以保证其制样的精度和均匀性。

发明内容

为了解决钙质砂制样过程中砂样颗粒破碎、初始体积发生改变、实验中偏心受力、繁琐的设备操作等问题，本发明的目的在于提供一种无需外力击实试样、制样过程试样始终绝对直立、仪器操作简单的钙质砂制样装置及制样方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三轴试验中钙质砂自立试样的制样装置，包括制样系统、承样模具系统、辅助设备以及试样饱和系统；

所述制样系统用于盛放砂样，并使砂样落入承样模具系统中，进行装样；

所述承样模具系统包括位于三轴仪上的相互固定的圆柱形下底座和上底座、一端套在上底座外壁并通过下橡皮圈固定的橡皮膜、包裹在橡皮膜外的三瓣膜、试样帽，所述试样位于橡皮膜内，所述上底座顶部从下至上依次设置有透水石、滤纸、试样、滤纸、透水石、试样帽，所述橡皮膜上端套在试样帽上并通过上橡皮圈固定，所述三瓣膜由三个相同的通过水解保护胶粘结围合在一起的圆弧形板组成，所述三瓣膜设置有抽气孔，内壁设置有抽气槽并与抽气孔连通，用于抽取橡皮膜与三瓣膜之间的空气，使橡皮膜与三瓣膜紧贴；

所述辅助设备包括与抽气孔依次连接的可调压过滤器和真空泵、固化所述水解保护胶的紫外线固化灯；

所述试样饱和系统用于对试样进行二氧化碳饱和以及反压饱和。

进一步地，所述三瓣膜外壁设置有下标注线和上标注线，所述下标注线和上标注线分别与试样的底部和顶部平齐。

进一步地，所述制样系统包括竖直设置的固定杆、通过十字夹水平固定在固定杆上的铁圈、出口端穿过铁圈并卡在铁圈内的漏斗、与漏斗出口端连接的竖直设置的圆柱形串桶，砂样依次通过漏斗、串桶进入承样模具系统形成试样，所述漏斗内还设置有将出口端封堵的木塞，所述木塞上固定一提升结构，可将木塞从漏斗内提出，装样完成前，所述固定杆固定在下底座上，所述串桶与橡皮膜的上部连接。

进一步地，装样完成前，所述橡皮膜上端翻转套入三瓣膜并用上橡皮圈固定。

进一步地，所述试样饱和系统包括固定于加载架上的密封压力室、穿过压力室顶部并压在试样帽上的带测力计的轴向加载杆，所述承样模具系统位于压力室内，所述压力室顶部中央设置有供轴向加载杆穿过的孔，所述压力室顶部还设置有排空阀，所述轴向加载杆上设置有位移计，所述试样饱和系统还包括位于压力室外部的用于测量试样孔压的孔压传感器、用于充入二氧化碳的充气口、水气瓶、用于施加围压的围压控制器、用于施加反压的反压控制器。

进一步地，所述下底座和上底座内开设有贯通的孔压测量孔和排水孔，所述孔压测量孔一端与试样连通、另一端与压力室外的三通阀一的第一端连通，所述三通阀一的第二端与孔压传感器连通，并在两者间设置有阀门一，所述三通阀一的第三端与三通阀二的第一端连通，所述三通阀二的第二端与充气口连通，并在两者间设置有阀门二，所述三通阀二的第三端与三通阀三的第一端连通，并在两者间设置有阀门三，所述三通阀三的第二端与围压控制器连通，所述三通阀三的第三端与压力室内部连通，并在两者间设置有阀门五，所述试样帽内开设有一端与试样连通、另一端与位于压力室内的硬管连通的通道，所述硬管将试样帽内部通道与排水孔连通，所述排水孔一端与硬管连通、另一端与位于压力室外的三通阀四的第一端连通，所述三通阀四的第二端与反压控制器连通，并在两者间设置有阀门四，所述三通阀四的第三端与水气瓶连通，并在两者间设置有阀门六。

一种三轴试验中钙质砂自立试样的制样方法，包括以下步骤：

S1：将三个圆弧形板通过涂抹水解保护胶围合粘结成三瓣膜，然后打开紫外线固化灯，将三瓣膜粘结处进行紫外线照射，关闭紫外线固化灯，抹干三瓣膜内外表面的水解保护胶，接着继续打开紫外线固化灯，对三瓣膜粘结处进行紫外线照射，待水解保护胶固化；

S2：将橡皮膜下端套入上底座，用下橡皮圈扎紧并嵌入上底座预留的圆形凹槽内，将三瓣膜插入上底座并套在橡皮膜外，将橡皮膜上端外翻套入三瓣膜，并用上橡皮圈扎紧；在三瓣膜的抽气孔套入气管，气管依次连接可调压过滤器、真空泵，用真空泵施加3kPa负压，使橡皮膜紧贴三瓣膜且不陷入三瓣膜的螺旋和纵向抽气槽内，形成承样模具，在上底座的顶部从下至上分别放置透水石和滤纸，滤纸正好位于三瓣膜外壁的下标注线处；

S3：安装制样系统；

S4：利用制样系统使得砂样落入所述承样模具中，完成装样；

S5：在试样上依次放置滤纸、透水石、试样帽，并将原来固定于三瓣膜上的橡皮膜上端翻转套在试样帽上，用上橡皮圈扎紧；

S6：拆除制样系统，关闭真空泵，拔掉三瓣膜抽气孔上的气管；

S7：安装试样饱和系统，并利用试样饱和系统对试样进行二氧化碳饱和和反压饱和，完成试样饱和。

进一步地，所述步骤S3具体为：将固定杆竖直安装在下底座上，将铁圈用十字夹水平固定在固定杆上，在铁圈内放置漏斗，在漏斗出口端塞入木塞，将串桶与漏斗的出口端连接，并使得串桶与承样模具相连。

进一步地，所述步骤S4具体为：按照预先选定的初始孔隙比和测定含水率的干砂，计算所需砂样的质量并称重，将称取的砂样分成n等份，调整漏斗与上底座上滤纸的高度，在漏斗中放置一份砂样，拔掉木塞，让砂样自由下落，使落入承样模具的砂样高度约为试样总高度的

进一步地，所述步骤S7具体为：安装压力室，打开围压控制器、反压控制器和加载架的电源开关，使承样模具上升，让带测力计的轴向加载杆与试样帽接触，在轴向加载杆上安装位移计；打开阀门二和阀门六，从充气口以3kPa压力充入二氧化碳，置换承样模具内的空气，待水汽瓶内冒气20分钟，停止充入二氧化碳，关闭阀门二和阀门六；接着打开阀门三和阀门六，用围压控制器施加3kPa的压力，充水3倍以上试样体积的水量，观察水汽瓶，直到水汽瓶无气泡时，卸载围压控制器施加的3kPa压力，关闭阀门三和阀门六；打开排空阀，往压力室内注满80度温水后扭紧排空阀，打开阀门四和阀门五，通过围压控制器施加15kPa围压，通过反压控制器施加10kPa反压，保持压力不变，用温水浸泡三瓣膜约10分钟，三瓣膜连接处的水解保护胶将自动水解，三瓣膜自动展开，试样解除三瓣膜保护作用，并留在压力室内，用红外测温计测量水温，待水温下降到常温，打开阀门一测量孔压，进行反压饱和，即得到标准饱和试样。

本发明的有益效果：

1.本发明仅需在制样最后一步拆三瓣膜，使得制样全过程中试样均被三瓣膜包裹而保持直立状态，避免了加负压而导致的试样体积改变，以及试样歪斜造成加载偏心产生试验误差的问题，使得试样精度更高；

2.本发明利用水解保护胶粘结三瓣膜，并使用温水对水解保护胶进行溶解，将三瓣膜解除，无需人工拆卸，减少了对试样的扰动，进一步提高了试样的精度；

3.本发明无需外力击实试样，减少了砂样产生的颗粒破碎；另外分多次重复让试样最终达到设定的试样体积，使制备的试样均匀性和初始孔隙比满足试验要求；

4.本发明通过阀门和三通阀增加砂样二氧化碳充气通道和排气通道，简化拆装接头的操作步骤。

5.本发明全程均在三轴仪上进行，减少了仪器外制样试样移动造成的扰动。

附图说明

图1为本发明试样饱和系统和承样模具系统的结构示意图；

图2为本发明制样系统的结构示意图；

图3为装样完成后承样模具系统的结构示意图；

图4为上底座和下底座的正视图；

图5为三瓣膜的俯视图；

图6为三瓣膜内壁的结构示意图；

附图标记：1.固定杆、2.十字夹、3.漏斗、4.铁圈、5.木塞、6.串桶、7.上橡皮圈、8.试样、9.三瓣膜、10.橡皮膜、11.透水石、12.下橡皮圈、13.上底座、14.下底座、15.滤纸、16.抽气孔、17.可调压过滤器、18.真空泵、19.圆形凹槽、20.水解保护胶、21.抽气槽、22.试样帽、23.孔压传感器、24.加载架、25.围压控制器、26.反压控制器、27.阀门一、28.阀门二、29.阀门三、30.阀门四、31.阀门五、32.阀门六、33.充气口、34.水气瓶、35.位移计、36.轴向加载杆、37.排空阀、38.压力室、39.连接螺栓、40.下标注线、41.上标注线、42.三通阀一、43.三通阀二、44.三通阀三、45.三通阀四、46.孔压测量孔、47.硬管、48.排水孔。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的技术方案如下：一种三轴试验中钙质砂自立试样的制样装置，包括制样系统、承样模具系统、辅助设备以及试样饱和系统；

如图2所示，所述制样系统包括竖直设置的固定杆1、通过十字夹2水平固定在固定杆1上的铁圈4、出口端穿过铁圈4并卡在铁圈4内的漏斗3、与漏斗3出口端连接的竖直设置的圆柱形串桶6，砂样依次通过漏斗3、串桶6进入承样模具系统形成试样8，所述串桶6是内径为48mm的纸筒，通过胶水粘贴在漏斗3外侧，能防止砂样颗粒下落过程中飞溅，造成试样8质量减小，所述铁圈4能够通过十字夹2调整高度，使得砂样落下的高度不同，以得到不同孔隙比的试样8，所述漏斗3内还设置有将出口端封堵的木塞5，所述木塞5上固定一根铁丝向上伸出漏斗3，可将木塞5从漏斗3内提出，试样8形成前，所述固定杆1拧在下底座14上的螺丝孔中，所述串桶6与橡皮膜10的上部连接，砂样依次通过漏斗3、串桶6进入橡皮膜10形成的空间内，完成装样，装样完成后，则拆除固定杆1、十字夹2、铁圈4、漏斗3以及串桶6，然后进行下一步操作。

所述承样模具系统包括位于三轴仪上的相互固定的圆柱形下底座14和上底座13、一端套在上底座13外壁并通过下橡皮圈12固定的橡皮膜10、包裹在橡皮膜10外的三瓣膜9以及试样帽22，所述下橡皮圈12固定在上底座13外壁的两个圆形凹槽19内，上底座13橡皮圈的圆形凹槽19宽和深均为2mm，所述试样8位于橡皮膜10内，上底座13直径及橡皮膜10内径均为50mm，膜厚1mm，所述上底座13顶部从下至上依次设置有透水石11、滤纸15、试样8、滤纸15、透水石11、试样帽22，所述试样帽22与试样8同轴，所述橡皮膜10上端套在试样帽22上并通过上橡皮圈7固定，所述上橡皮圈7固定在试样帽22外壁的橡皮膜10外侧，使试样形成独立封闭体系；装样完成前，试样帽22还未放置，所述橡皮膜10上端翻转套在三瓣膜9并用上橡皮圈7固定；所述三瓣膜9由三个相同的通过水解保护胶20粘结围合在一起的圆弧形板组成，该圆弧形板为亚克力板，三瓣膜9厚度上宽下窄，高度150mm，上口厚度10mm，下口厚5mm，内直径51mm，所述三瓣膜9外壁设置有三个抽气孔16，每个圆弧形板有一个抽气孔16，抽气孔直径2mm，三瓣膜9内壁底部40mm内为光滑面，40mm以上开始设置有螺旋和纵向抽气槽21，其中螺旋抽气槽共10圈，纵向抽气槽每个圆弧形板1条，所述螺旋抽气槽和纵向抽气槽宽度和深度均为1mm，抽气孔16与螺旋抽气槽和纵向抽气槽的交点处连通。用于抽取橡皮膜10与三瓣膜9之间的空气，使橡皮膜10与三瓣膜9紧贴，所述三瓣膜9外壁设置有下标注线40和上标注线41，所述下标注线40和上标注线41用以表示试样8高度范围，并用以检测三瓣膜9拼接是否整齐，所述下标注线40和上标注线41分别与试样8的底部和顶部平齐则表示试样8符合要求；

所述辅助设备包括与抽气孔16依次连接的可调压过滤器17和真空泵18、固化所述水解保护胶20的紫外线固化灯，其中真空泵18采用达尔拓VP100型可调压抽气真空机，电压220v，功率100w，可调压过滤器17用于调节真空泵的压力，水解保护胶20采用固乐邦可丝印型水解保护胶G98313型，紫外线固化灯采用蓝盾uvled固化灯，电压220v，50HZ，通过紫外线固化灯可以将水解保护胶20固化，使得三块亚克力板粘结形成三瓣膜9；

所述试样饱和系统用于对试样8进行二氧化碳饱和以及反压饱和，所述试样饱和系统包括固定于加载架24上的密封压力室38、穿过压力室38顶部并压在试样帽22上的带测力计的轴向加载杆36，所述承样模具系统位于压力室38内，所述压力室38通过连接螺栓39固定在加载架24上，所述压力室38顶部中央设置有供轴向加载杆36穿过的孔，所述压力室38顶部还设置有排空阀37，用于加入温水以溶解水解保护胶20，所述轴向加载杆36上设置有位移计35，所述试样饱和系统还包括位于压力室38外部的用于测量试样8孔压的孔压传感器23、用于充入二氧化碳的充气口33、水气瓶34、用于施加围压的围压控制器25、用于施加反压的反压控制器26，所述下底座14和上底座13内开设有贯通的孔压测量孔46和排水孔48，所述孔压测量孔46一端与试样8连通、另一端与压力室38外的三通阀一42的第一端连通，所述三通阀一42的第二端与孔压传感器23连通，并在两者间设置有阀门一27，所述三通阀一42的第三端与三通阀二43的第一端连通，所述三通阀二43的第二端与充气口33连通，并在两者间设置有阀门二28，所述三通阀二43的第三端与三通阀三44的第一端连通，并在两者间设置有阀门三29，所述三通阀三44的第二端与围压控制器25连通，所述三通阀三44的第三端与压力室38内部连通，并在两者间设置有阀门五31，所述试样帽22内开设有一端与试样8连通、另一端与位于压力室38内的硬管47连通的通道，所述硬管47将试样帽22内部通道与排水孔48连通，所述排水孔48一端与硬管47连通、另一端与位于压力室38外的三通阀四45的第一端连通，所述三通阀四45的第二端与反压控制器26连通，并在两者间设置有阀门四30，所述三通阀四45的第三端与水气瓶34连通，并在两者间设置有阀门六32。

该制样装置的制样方法包括以下步骤：

S1：将三瓣膜9的三个圆弧形板的连接处通过涂抹水解保护胶20进行粘合，然后打开紫外线固化灯，将三瓣膜9粘结处进行紫外线照射5至6秒后，关闭紫外线固化灯，抹干三瓣膜9内外表面的水解保护胶20，接着继续打开紫外线固化灯，对三瓣膜9粘结处进行紫外线照射1min左右，待水解保护胶20固化；

S2：将橡皮膜10下端套入上底座13，用下橡皮圈12扎紧并嵌入上底座13预留的圆形凹槽19内，将三瓣膜9插入上底座13并套在橡皮膜10外，将橡皮膜10上端外翻套入三瓣膜9，并用上橡皮圈7扎紧；在三瓣膜9的抽气孔16套入气管，气管依次连接可调压过滤器17、真空泵18，用真空泵施加3kPa负压，使橡皮膜10紧贴三瓣膜9且不陷入三瓣膜9的螺旋和纵向抽气槽21内，形成承样模具，在上底座13的顶部从下至上分别放置透水石11和滤纸15，滤纸15正好位于三瓣膜9外壁的下标注线40处，以保证试样8的底部与下标注线40平齐。

S3：将固定杆1竖直安装在下底座14上，将铁圈4用十字夹2水平固定在固定杆1上，在铁圈4内放置漏斗3，在漏斗3出口端塞入木塞5，将串桶6与漏斗3的出口端连接，并使得串桶6与承样模具相连；

S4：按照预先选定的初始孔隙比和测定含水率的干砂，计算所需砂样的质量并称重，将称取的砂样分成5等份，调整漏斗3与上底座13上滤纸15的高度，在漏斗3中放置一份砂样，拔掉木塞5，让砂样自由下落，使落入承样模具的砂样高度约为总高度的

S5：在试样8上依次放置滤纸15、透水石11、试样帽22，并将原来固定于三瓣膜9上的橡皮膜10上端翻转套在试样帽22上，用上橡皮圈7扎紧，此时，试样8的各个方向均被限制，不会发生变形；

S6：拆除制样系统，关闭真空泵18，拔掉三瓣膜9抽气孔16上的气管；

S7：安装压力室38，打开围压控制器25、反压控制器26和加载架24的电源开关，使承样模具上升，让带测力计的轴向加载杆36与试样帽22接触，在轴向加载杆36上安装位移计35；打开阀门二28和阀门六32，从充气口33以3kPa压力充入二氧化碳，二氧化碳通过三通阀二43、三通阀一42、孔压测量孔46进入试样8，置换承样模具内的空气，空气以及多余的二氧化碳会从试样帽22的内部通道、硬管47、排水孔48以及三通阀四45排到水气瓶34中，待水汽瓶34内冒气20分钟，停止充入二氧化碳，关闭阀门二28和阀门六32；接着打开阀门三29和阀门六32，用围压控制器25施加3kPa的压力，充水3倍以上试样8体积的水量，水会通过三通阀三44、三通阀二43、三通阀一42、孔压测量孔46进入试样8，二氧化碳和多余的水同样会通过试样帽22的内部通道、硬管47、排水孔48以及三通阀四45排到水气瓶34中，观察水汽瓶34，直到水汽瓶34无气泡时，卸载围压控制器25施加的3kPa压力，关闭阀门三29和阀门六32；打开排空阀37，往压力室38内注满80度温水后扭紧排空阀37，打开阀门四30和阀门五31，通过围压控制器25施加15kPa围压，通过反压控制器26施加10kPa反压，保持压力不变，用温水浸泡三瓣膜9约10分钟，三瓣膜9连接处的水解保护胶20将自动水解，三瓣膜9自动展开，试样8解除三瓣膜9保护作用，并留在压力室38内，用红外测温计测量水温，待水温下降到常温，打开阀门一27测量孔压，进行反压饱和，即得到标准饱和试样8。该制样方法中通过温水溶解水解保护胶20使得三瓣膜9自动解除脱落，无需人工拆除，减小了对试样8的扰动，且在整个制样过程中，解除三瓣膜9为最后的步骤，使得试样8制样完成前，一直处于直立状态，不会产生歪斜，而造成加载偏心产生的试验误差，同时也不会因为对试样8施加负压改变试样8的体积；此外，通过阀门、三通阀增加了二氧化碳的充气通道和排气通道，简化了传统制作过程中拆装接头的操作步骤。

以上整个制样过程均在三轴仪上进行，得到标准饱和试样8后可以直接在三轴仪上进行三轴实验，无需对试样8进行转移，避免了仪器外制样试样8移动造成的扰动影响。

采用本发明对粒径1.0-0.5mm的单一粒径钙质砂，制备初始孔隙比为0.9的三轴试样。采用Hardin提出的相对破碎率，计算试验制备过程产生的颗粒破碎，结果为0.2％。该过程的颗粒破碎量与固结剪切过程中的破碎量相比，相差了十倍以上，因此制样产生的颗粒破碎量基本可以忽略。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。