一种基于土体应力历史的双向压入式三轴试样制备装置

摘要

本实用新型公开了一种基于土体应力历史的双向压入式三轴试样制备装置。反力顶板位于底座正上方，反力顶板通过若干固定杆和底座固定连接，通过若干固定杆与反力顶板连接，底座和反力顶板均安装有相配适的垫板，底座顶面中心设有下垫板，下垫板顶面与下部升降头底面进行刚性连接，反力顶板底面中心设有上垫板，上垫板下表面与上部升降头进行刚性连接，下垫板和上垫板之间安装为液压系统和制样模具。本实用新型保证了土样的均匀性和上下表面的平整性，控制了土样的密实度，模拟了土样在地基中所受的竖向应力和应力历史，解决了三轴土样脱模易于失败的难题，装置结构简单，操作便捷，准确性和成功率高。

说明书

技术领域

本实用新型属于土木工程试验技术领域的土样的制备装置，具体涉及一种基于土体应力历史的双向压入式三轴土样制备装置。

背景技术

常规三轴试验作为岩土工程领域十分重要的测试手段，能够有效测定土的力学性质。对于扰动土的三轴试验，土样制备质量对试验精度和数据的可靠性起到了决定性作用。三轴压缩试验的土样需制成直径3.91cm高8.0cm左右的圆柱体标准土样，通过不同制备手段得到的土样存在不同的问题。参照试验规程对于扰动土的制样要求，方法主要有击样法和压样法，二者分别通过击实和静压以控制压实密度。传统方法虽然设备简单、使用方便，但制样却存在许多问题：1)难以精确控制土样密度，均匀性不高，出现“上紧密下疏松”的现象；2)击样法的反复冲击荷载作用使土样的结构性受到影响，且击锤难以保证绝对垂直，从而产生人为制造的倾斜分层面，且膜板会发生相对错动；3)无法控制制样时土样上下端所受的反压和围压，难以模拟土样所受的真实应力路径；4)对于砂土、粉土等无粘性土，土样在制备完成后发生“掉底”或成形后易散落；5)由于非饱和粘性土存在基质吸力和粘聚力，尤其在添加桐油、糯米浆等土样改良材料后，改变了重塑土的含水率、孔隙比等，分开钢质对开膜或三瓣膜后极易造成土样脱模失败；考虑直接挤出的方法则会造成两端较大应力差而破坏土样均匀性，并且侧壁形成的摩擦力会拖拽损伤样品侧面。由于传统三轴土样制备方法存在上述诸多问题，导致制样成功率低下，严重影响了三轴试验的顺利进行，不利于开展重塑土的力学性质研究。因此，亟需研发能够适用于土工试验的三轴土样制备装置，并应用于相关领域。

实用新型内容

针对现有土样制备技术中所存在的缺陷，本实用新型旨在提供了一种双向压入式的三轴试验土样制备装置。该装置可以精确控制土样密度，保证了土样的均匀性和上下表面的平整，在制样时模拟了土样在地基中所受的竖向应力和应力历史，并克服了上述情况下脱模易于失败的问题，具有较好的工程适用及推广性。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

装置包括底座、反力顶板、液压系统和制样模具，反力顶板位于底座正上方，反力顶板通过若干固定杆和底座固定连接，通过若干固定杆与反力顶板连接，底座和反力顶板均安装有相配适的垫板，底座顶面中心设有下垫板，下垫板顶面与下部升降头底面进行刚性连接，反力顶板底面中心设有上垫板，上垫板下表面与上部升降头进行刚性连接，下垫板和上垫板之间安装为液压系统和制样模具。

所述的液压系统包括升降台、下部传力杆、下部施压圆盘、上部施压圆盘、上部传力杆和液压加载头，升降台固定安装在下部升降头上端的活动端，下部传力杆下端固定在升降台上，下部传力杆上端固定连接下部施压圆盘；液压加载头固定安装在上部升降头下端的活动端，上部传力杆上端固定在液压加载头上，上部传力杆下端固定连接上部施压圆盘；下部施压圆盘和上部施压圆盘之间设置土样。

所述的制样模具包括三瓣膜、套环、膜内滤纸、下部滤纸和上部滤纸，土样周围布置环形的三瓣膜，三瓣膜外套设有套环，套环通过定位卡扣定位安装于固定杆；三瓣膜内周面的中部和土样之间设有膜内滤纸，下部滤纸和上部滤纸分别设置在下部施压圆盘顶面和上部施压圆盘底面上。

所述的固定杆包括较细的上段和较粗的下段，每根固定杆上均设有定位卡扣，定位卡扣套在固定杆较细的上段上，且卡在较细的上段和较粗的下段之间的台阶处，三瓣膜外侧面设有定位突起，将三瓣膜的定位突起置于定位卡扣内，套环定位装于定位卡扣顶面形成的台阶上。

所述三瓣膜内径均与下部施压圆盘、上部施压圆盘的直径保持一致，使得下部施压圆盘和上部施压圆盘能够在三瓣膜内竖向贯通往复运动。

所述的膜内滤纸尺寸与三瓣膜内径一致，在润湿滤纸后，水平圆周贴合于三瓣膜内壁，上部滤纸和下部滤纸尺寸与各自对应的上部施压圆盘、下部施压圆盘的施压圆盘表面尺寸一致，润湿后分别贴合于下部施压圆盘上表面和上部施压圆盘下表面。

所述的下部传力杆沿自身上下轴向方向作两条刻度线进行三等分，两条刻度线从上到下分别为第一刻度线和第二刻度线；且膜内滤纸的下缘和三瓣膜下缘之间的高度差为下部传力杆的轴向长度的加上下部施压圆盘的厚度；

所述的上部传力杆沿自身上下轴向方向作两条刻度线进行三等分，两条刻度线从下到上分别为第一刻度线和第二刻度线；且膜内滤纸的上缘和三瓣膜上缘之间的高度差为上部传力杆的轴向长度的加上上部施压圆盘的厚度。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型通过双向压实土样保证了土样的均匀性和上下表面的平整性，控制了土样的密实度，并在制样时模拟了土样在地基中所受的竖向应力和应力历史，在三瓣膜内壁设置了滤纸，解决了三轴土样脱模易于失败的难题。

综上所述，本实用新型满足了土工测试规范对土样的制备要求，装置结构简单，操作便捷，准确性和成功率高，能够较好的满足科研和工程对三轴土样的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中用于制备三轴土样的装置结构示意图；

图2为本实用新型中用于制备三轴土样的装置结构1/4剖视图；

图3为本实用新型三轴土样制备装置中三瓣膜及其相邻结构的拆分示意图；

图4为本实用新型三轴土样制备装置中三瓣膜及其内部结构的俯视图；

图5为本实用新型三轴土样制备装置中三瓣膜与施压圆盘内的滤纸示意图；

图6为本实用新型三轴土样制备过程中的压密过程示意图。

附图标记说明：1.底座；2.下垫板；3.下部升降头；4.升降台；5.下部传力杆；6.下部施压圆盘；7.下部滤纸；8.三瓣膜；9.套环；10.定位卡扣；11.膜内滤纸；12.土样；13.上部滤纸；14.上部施压圆盘；15.上部传力杆；16.液压加载头；17.上部升降头；18.上垫板；19.反力顶板；20.下垫片；21.固定杆；22.上垫片；23.螺帽；24.第一刻度线；25.第二刻度线。

具体实施方式

以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图2所示，本实施例的制备装置包括底座1、反力顶板19、液压系统和制样模具，反力顶板19位于底座1正上方，反力顶板19通过若干固定杆21和底座1固定连接，若干固定杆21沿圆周间隔均布，固定杆21下端和底座1连接处均安装有下垫片20，固定杆21上端和反力顶板19连接处均安装有上垫片22，通过若干固定杆21与反力顶板19连接，底座1和反力顶板19均安装有相配适的垫板，底座1顶面中心设有下垫板2，下垫板2顶面与下部升降头3底面进行刚性连接，反力顶板19底面中心设有上垫板18，上垫板18下表面与上部升降头17进行刚性连接，下垫板2和上垫板18之间安装为液压系统和制样模具。

如图1所示，底座1为圆盘形状，反力顶板19有若干通孔，固定杆21上细下粗，下端垂直底座1且互相平行地固定于底座1插槽中，上端穿透反力顶板19通孔后通过螺帽23在反力顶板19上下底面分别进行固定，反力顶板19上下表面均固定了螺帽23，螺帽23与反力顶板19表面之间安装有上垫片22。

下部升降头3和上部升降头17自身均带有升降运动功能，具体实施可以为加压结构或者其他机械结构。

液压系统包括升降台4、下部传力杆5、下部施压圆盘6、上部施压圆盘14、上部传力杆15和液压加载头16，升降台4固定安装在下部升降头3上端的活动端，下部传力杆5沿平行于固定杆21方向上下竖直布置，下部传力杆5下端固定在升降台4上，下部传力杆5上端固定连接下部施压圆盘6；液压加载头16固定安装在上部升降头17下端的活动端，上部传力杆15沿平行于固定杆21方向上下竖直布置，上部传力杆15上端固定在液压加载头16上，上部传力杆15下端固定连接上部施压圆盘14；下部施压圆盘6和上部施压圆盘14之间设置土样12；升降头在垂直垫板方向可上下移动，液压加载头16控制轴力大小，将轴力施加于传力杆，传力杆将轴力传递至施压圆盘，对土样12表面进行压密。

如图3所示，制样模具包括三瓣膜8、套环9、膜内滤纸11、下部滤纸7和上部滤纸13，土样12周围布置环形的三瓣膜8，三瓣膜8外套设有套环9，三瓣膜8通过套环9进行箍紧固定，套环9通过定位卡扣10定位安装于固定杆21；三瓣膜8内周面的中部和土样12之间设有膜内滤纸11，下部滤纸7和上部滤纸13分别设置在下部施压圆盘6顶面和上部施压圆盘14底面上，这样滤纸贴合于三瓣膜内壁和施压圆盘表面。

如图4所示，固定杆21包括较细的上段和较粗的下段，每根固定杆21上均设有定位卡扣10，如图1所示，定位卡扣10套在固定杆21较细的上段上，且卡在较细的上段和较粗的下段之间的台阶处，三瓣膜8外侧面设有定位突起，在三瓣膜8合并后，将三瓣膜8的定位突起置于定位卡扣10内，使得定位卡扣10与固定杆21水平连接，三瓣膜8保持在固定高度位置，套环9定位装于定位卡扣10顶面形成的台阶上。

如图2、图4所示，三瓣膜8内径均与下部施压圆盘6、上部施压圆盘14的直径保持一致，使得下部施压圆盘6和上部施压圆盘14能够在三瓣膜8内竖向贯通往复运动。

如图4、图5所示，膜内滤纸11尺寸与三瓣膜8内径一致，在润湿滤纸后，以圆周卷绕后水平圆周贴合于三瓣膜8内壁，上部滤纸13和下部滤纸7尺寸与各自对应的上部施压圆盘14、下部施压圆盘6的施压圆盘表面尺寸一致，润湿后分别贴合于下部施压圆盘6上表面和上部施压圆盘14下表面。

如图5所示，膜内滤纸11、上部滤纸13和下部滤纸7分别布置在土样12的圆周面、顶面和底面，围成圆柱形，使得土样被完整包裹。

下部传力杆5沿自身上下轴向方向作两条刻度线进行三等分，两条刻度线从上到下分别为第一刻度线24和第二刻度线25；且膜内滤纸11的下缘和三瓣膜8下缘之间的高度差为下部传力杆5的轴向长度的2/3加上下部施压圆盘6的厚度；上部传力杆15沿自身上下轴向方向作两条刻度线进行三等分，两条刻度线从下到上分别为第一刻度线24和第二刻度线25；且膜内滤纸11的上缘和三瓣膜8上缘之间的高度差为上部传力杆15的轴向长度的2/3加上上部施压圆盘14的厚度。

液压加载头16提供竖向轴力，上部升降头17和液压加载头16刚性连接，下部升降头3和升降台4刚性连接，制样时下部升降头3和上部升降头17同时移动，位移方向均为指垂直施压圆盘指向土样12的几何中心。

本实用新型通过反力顶板19、上下升降头的位移控制带来了三轴制样过程中的同步控制且位移相等的效果，实现了制备土样的竖向均匀性和表面平整性。

本实用新型通过液压加载头16进行土样制备过程中轴力的控制，带来了能够自由控制制样所受轴力和加压、卸压时间的效果，实现了模拟土体在地基中所受到的真实竖向应力，解决了因土体所受不同应力历史而产生的土样制备中应考虑逐级加压制备的问题。

本实用新型通过滤纸的设置使得在土样12在制备完成后被滤纸包裹，滤纸纸质疏松，具有较强透气性，消除了三瓣膜8、下部施压圆盘6、上部施压圆盘14分别和土样12之间直接接触而产生的真空负压和基质吸力，让土样12顺利脱模，创新性情况在于：滤纸此前被用于分离溶液与固体，未曾应用于土样制备中以消除负压。

本实用新型的制备过程如下：

步骤一：通过下部升降头3驱动升降台4下降高度，将下部滤纸7在润湿后贴于下部施压圆盘6上表面，通过上部升降头17驱动液压加载头上升高度，将上部滤纸在13润湿后贴于上部施压圆盘14下表面，保证下部施压圆盘6高度足够低，能让三瓣膜8套装在上面；

步骤二：将三瓣膜8合并并在内壁贴上膜内滤纸11，使得膜内滤纸11的下缘和三瓣膜8下缘之间的高度差为下部传力杆5的轴向长度的2/3加上下部施压圆盘6的厚度，且膜内滤纸11的上缘和三瓣膜8上缘之间的高度差为上部传力杆15的轴向长度的2/3加上上部施压圆盘14的厚度；使用套环9在三瓣膜8外侧进行箍紧，将三瓣膜8置于下部施压圆盘6上，使得下部施压圆盘6进入三瓣膜8内部；此时三瓣膜8不套装于上部施压圆盘14外。

步骤三：根据土样12在地基中所受应力历史，计算出土体前期固结压力和压密所需时间，根据所制备土样12的密度及尺寸，计算所需土样12的质量并称取后一次性倒入三瓣膜8内部；

步骤四：抬升三瓣膜8并固定在定位卡扣10上，使得上部施压圆盘14进入三瓣膜8内部，同时通过下部升降头3调整升降台4下降高度和通过上部升降头17调整液压加载头上升高度，使得三瓣膜8下边缘与下部传力杆5的第一刻度线24处平齐，且三瓣膜8上边缘与上部传力杆15的第一刻度线24处平齐；见图6(a)，保证下部施压圆盘6与膜内滤纸11下边缘的距离和上部施压圆盘14与膜内滤纸11上边缘的距离相一致，距离为1/3的传力杆轴向长度；

步骤五：上部升降头17配合液压加载头16将轴向压力依次通过上部传力杆15和上部施压圆盘14均匀施加于土样12上表面，下部升降头3配合升降台4将轴向压力依次通过下部传力杆5和下部施压圆盘6均匀对称地施加于土样12下表面，加载时同时通过下部升降头3调整升降台4下降高度和通过上部升降头17调整液压加载头上升高度，直到上部施压圆盘6和土样12上表面接触时，通过液压加载头16获得此时轴力，对比前期固结压力与轴力的大小：

若前期固结压力大于此时轴力，则增大液压加载头16施加轴力使得前期固结压力和此时轴力相等，根据设定的压密所需时间后通过下部升降头3和上部升降头17同时工作缓慢双向向土样12压入，压入过程中保持轴力不变；

若前期固结压力等于此时轴力，则保持此时轴力不变，根据设定的压密所需时间后通过下部升降头3和上部升降头17同时工作缓慢双向向土样12压入，压入过程中保持轴力不变；

若前期固结压力小于此时轴力，则减小液压加载头16施加轴力使得前期固结压力和此时轴力相等，根据设定的压密所需时间后通过下部升降头3和上部升降头17同时工作缓慢双向向土样12压入，压入过程中保持轴力不变；

这样使得在土体上下两表面均与施压圆盘接触时，也正是液压加载头可以自主控制施加轴力的时候，先比较前期固结压力和土体与施压圆盘接触，实现真实竖向应力和应力历史的模拟。

步骤六：直到三瓣膜8的下边缘、上边缘均分别与下部传力杆5、上部传力杆15的第二刻度线25处平齐时土样12压密完成，见图6(b)，使得此时下部施压圆盘6抵达膜内滤纸11下边缘位置，上部施压圆盘14抵达膜内滤纸11上边缘位置，土样12制备完成；

步骤七：通过上部升降头17驱动液压加载头上升高度，使得上部施压圆盘14与制备完成的土样12先脱离，将三瓣膜8从定位卡扣10上取下，脱去三瓣膜8，从下部施压圆盘6上取出三瓣膜8内部的土样12整体，剥离膜内滤纸11后得到制备完整的三轴土样，最后可再通过下部升降头3驱动升降台4下降高度，下次做准备。

本实用新型通过前期固结压力的设置使得制备所得土样12能够模拟在地基中所受的真实竖向应力和应力历史，制备的土样12能用于获得更为接近地基土原始的土体参数。

本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有所改变。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。