一种分级加载的三轴试样的制样设备的制作方法

本发明涉及土木工程学科的室内土工测试领域，特指一种分级加载的三轴试样的制样设备。

背景技术：

沿海地区是我国经济发达区，随着沿海地区建筑地基面积的不断扩大，越来越多的建筑物需要修建在软土地基上。因软土含水量高、承载力差等特点，使得软土地区难以建造大型建筑物，软土地基的处理成为建筑行业必须面临的问题。在加固软土地基的方法中，水泥土因其造价低、实用性强、对环境污染小和施工速度快等特点被大量应用。

在工程之初需对高含水率的水泥土进行三轴压缩试验，测量其力学性质，为建筑的设计和施工提供参考。而在将高含水率水泥土制成三轴试样时，由于其呈流塑态，导致传统的三瓣膜制样法难以完成制样。

目前科研人员对此进行的创新主要集中在常规水泥土三轴试样的制作上，如：一种水泥土三轴试验的制样器(申请号：cn201620197498.x)通过底座、可开合的试样筒和夹具组成。先通过夹具密闭试样筒，完成制样，然后松开夹具，打开试样筒从而将制成的试样取出。整个结构简单、精巧，能高效的完成常规水泥土三轴试样的制作，但不能完成高含水率的水泥土三轴试样的制作。面对越来越多的软土地基情况，面对传统三瓣膜法难以完成高含水率水泥土三轴试样制作的问题，面对三瓣膜法不能准确的还原出试样在现场真实受力情况的现状，我们需要一种能通过分级加载的制样过程，来模拟水泥土在工地现场的受力情况，使试验结果与现场情况更加符合。

因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种分级加载的三轴试样的制样设备来满足试验需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种分级加载的三轴试样的制样设备，以解决现有的高含水率水泥土三轴试样制作困难、对现场的真实受力情况模拟程度不高等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种分级加载的三轴试样的制样设备，包括施压机构、承样机构、支撑机构、切割机构、三轴承膜筒，所述承样机构安装于支撑机构上，通过注土器将水泥土注入承样机构中，所述施压机构能配合承样机构对水泥土进行施压得到母体试样，母体试样放入三轴承膜筒后通过切割机构切割成标准试样，承样机构包括承样筒、持水筒，承样筒筒壁上开设有承样筒孔，持水筒套设在承样筒外。

持水筒只能过水，不能过土样，可以保证在压缩过程中，土样不会被压出承样筒外；持水层内有水，能起到湿润和保湿的效果，保证承样筒内的水是被压缩出的，而不是挥发掉的；不需要通过旋转排除，是通过施压结构施压挤出水份。

进一步，所述持水筒主体为内直径50mm、外直径59mm的持水层，液体在持水层内部通过，持水层外侧包裹内直径59mm、厚度1mm的不透水膜，确保液体只能在持水层内流动；位于持水层底端设置有四组u型槽组成的水流槽，水流槽的底端开设有出水口。

持水筒能将水泥土中被挤压出的水收集起来，并通过出水口排出承样机构。

进一步，所述施压机构包括承重板、传力轴、施压固定盖、施压圆盘、受压圆盘，承重板和施压圆盘设置在传力轴两端，施压固定盖设置在传力轴上，受压圆盘用于承接承样筒内的水泥土；其中，承重板为直径150mm、厚度15mm的圆盘，传力轴为直径20mm、高200mm的圆柱体；施压固定盖为内直径49.5mm、外直径60mm的圆盖，圆盖顶面中心处有一个直径为22mm的传力轴孔，传力轴孔两侧有两个对称分布的孔洞，分别为注水孔和气压平衡孔；施压圆盘中心与传力轴固接，施压圆盘均布若干个水气平衡孔；受压圆盘主体为受压圆柱体，受压圆柱体顶面开设有十字形凹槽，受压圆柱体侧面开设有四条条形凹槽，十字形凹槽和条形凹槽一起组成排水槽；受压圆柱体外侧为承样筒卡环，承样筒卡环底端与受压圆柱体底端通过底座圆环固接在一起组成卡槽，受压圆柱体底部固接有旋钮；在底座圆环上均布有4个泄水孔。

承重板上放置不同重量的砝码，为整个装置提供竖向压力，施压固定盖用于确保传力轴始终处于竖直方向；注水孔可以在分级加载过程中进行注水，使得水泥土始终处于饱和状态，气压平衡孔可以确保承样筒和外界环境之间气压平衡，不会产生负压；施压圆盘的水气平衡孔，用于透水透气，使得被施压圆盘分隔成的上下两部水气平衡；排水槽能将受压圆盘顶端的水排出；卡槽将承样筒和持水筒一起卡在受压圆盘上，泄水孔将存积下来的多余的水排至承样筒外。

进一步，支撑机构包括支撑底座、旋钮底座和排水口，支撑底座为长方体，四个角上设有圆弧形支撑脚，旋钮底座为圆柱体凹槽、其位于支撑底座上表面中心处，旋钮底座侧面有两个圆弧形卡齿与受压圆盘上的旋钮匹配，使受压圆盘固定在支撑底座上，排水口贯穿支撑底座，排水口与出水口匹配。

进一步，切割机构包括切割钢丝骨架、切割钢丝、切割钢丝把手，所述切割钢丝骨架由2根长100mm、间距65mm，相互平行的圆柱体和一根长65mm、宽、高均5mm的长方体固接而成，所述切割钢丝为固接在切割钢丝骨架上为长65mm、直径0.1mm、间距80mm的2根钢丝；所述的切割钢丝把手固接在切割钢丝骨架上。

进一步，所述的注土器由针头、针管和活塞组成，针管为一端开口一端闭合的空心圆柱，其上分布有刻度尺，针头与封闭的一端固接，并内部相通，活塞为橡皮圆柱体，一端与针管封闭端接触，另一端固接有圆柱体胶棒。

进一步，还包括收集废液的废液缸，废液缸收集从排水口排出的液体。

进一步，所述三轴承膜筒包括承膜筒、排气管，承膜筒为内直径39.1mm、高80mm的空心圆柱体；排气管设置在三轴承膜筒中间处。

进一步，还包括洗耳球，洗耳球由吸球和吸嘴组成，吸嘴与排气管匹配，能将排气管中的气体吸出。

采用上述方案后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

⑴通过承样筒和持水筒的结合突破了传统制样器的束缚，可以完成高含水率的水泥土三轴试样的制作。

⑵承重板上分级放置砝码，能为试样提供逐级增加的竖向压力，使实验室制成的水泥土试样更加符合工地现场的实际情况。

⑶施压固定盖上的传力轴孔可以使传力轴始终处于竖直状态，从而保证试样在制作过程中只受竖向力的作用。注水孔使水泥土在受压过程中始终处于饱和状态。气压平衡孔能保证在制样过程中承样筒和外界环境之间气压的平衡，不会产生负压。

⑷施压圆盘上的水气流动孔可以透水透气，保证在制样过程中不会产生负压。

⑸受压圆盘上的排水槽和泄水孔可以透水、透气，将施压过程中产生的水和气体排入废液缸中。

⑹受压圆盘上的旋钮与支撑底座上的旋钮底座的结合使受压圆盘可以简单、方便的固定在支撑底座上，保证制样过程的稳定。

⑺持水筒内部为透水材料、外侧为不透水材料、底部为u型槽组成的水流槽，这些组成使持水筒能收集从承样筒中渗出的液体，并将这些液体排入废液缸中。

⑻切割机构和三轴承膜筒的结合能精确将水泥土母体试样切割成直径39.1mm、高80mm的三轴试样，同时能避免在切割过程中对试样产生过大的扰动。

⑼注土器在注土的过程中将新注入的水泥土从已注入的水泥土中注入，减少试样中气泡的产生。

⑽整个结构简单、精巧、性价比高，能够大规模生产。

附图说明

图1是本发明装置的整体示意图；

图2是本发明切割机构的示意图；

图3是本发明注土器的示意图；

图4是本发明三轴承膜筒的示意图；

图5是本发明洗耳球的示意图；

图6是本发明施压固定盖的示意图；

图7是本发明施压圆盘的示意图；

图8是本发明受压圆盘的示意图；

图9是本发明承样筒的示意图；

图10是本发明持水筒的示意图；

图11是本发明支撑机构的示意图；

图12是本发明制样过程的示意图。

标号说明

1施压机构，11承重板，12传力轴，13施压固定盖，131传力轴孔，132注水孔，133气压平衡孔，14施压圆盘，141施压圆柱体，142水气流动孔，15受压圆盘，151受压圆柱体，152排水槽，153承样筒卡环，154底座圆环，155旋钮，156泄水孔；2承样机构，21承样筒，22承样筒孔，23持水筒，231持水层，232不透水膜，233水流槽，234出水口；3支撑机构，31支撑底座，32旋钮底座，33排水口；4切割机构，41切割钢丝骨架，42切割钢丝，43切割钢丝把手；5注土器，51针头，52针管，53活塞；6废液缸；7三轴承膜筒，71承膜筒，72排气管；8洗耳球，81吸球，82吸嘴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

结合图1-图12所示，本发明中的一种分级加载的三轴试样的制样设备，包括施压机构1、承样机构2、支撑机构3、切割机构4、注土器5、废液缸6、三轴承膜筒7、洗耳球8。

承重板11位于顶端，其主体为一个圆形板，其下为传力轴12。施压固定盖13穿过传力轴12，其上分布有三个圆孔，中心处为传力轴孔131；两侧对称的为注水孔132和气压平衡孔133。施压圆盘14的主体为施压圆柱体141，固定在传力轴12底端，其上均布有水气流动孔142。受压圆盘15的主体为受压圆柱体151，位于施压圆盘14正下方；其上分布有排水槽152；受压圆柱体151的外侧为承样筒卡环153；受压圆柱体151和承样筒卡环153之间通过底座圆环154连接；旋钮155在受压圆柱体151底部；泄水孔156均布在底座圆环154上。承样筒21位于施压固定盖13下，承样筒孔22均匀分布在承样筒21上。持水筒23紧贴在承样筒21外侧，内部为持水层231，液体可以在其内部通过；不透水膜232包裹在持水层231的外侧；水流槽233位于持水层231底部，为u形槽；出水口234位于水流槽233的u形槽底端。支撑底座31位于受压圆盘15下，其上有旋钮底座32，与受压圆盘15上的旋钮155匹配，能将受压圆盘15固定在支撑底座31中心处。排水口33的中心处距支撑圆柱体151的中心处距离为47mm，能将承样机构2中多余的液体排出。切割机构4的切割钢丝骨架41上固定有两根间距80mm、长65mm的切割钢丝42，切割钢丝把手43位于切割钢丝骨架41两侧，方便切割。注土器5由针头51、针管52和活塞53组成，推动活塞53使得针管52中的水泥土从针头51排出。废液缸6位于支撑底座31下方，用于收集从承样机构2中排出的液体。三轴承膜筒7的主体为承膜筒71；排气管72固接在承膜筒71中间处，且与承膜筒71的内部连通。洗耳球8的主体为空心球体吸球81，吸嘴82固接在吸球81上，吸嘴82与排气管72匹配，能将排气管72中的气体吸出。

所述的施压机构1由承重板11，传力轴12，施压固定盖13，施压圆盘14，受压圆盘15组成。

所述的承重板11为直径150mm、厚度15mm的圆盘，其上可以放置不同重量的砝码，为整个装置提供竖向压力。

所述的传力轴12为直径20mm、高200mm的圆柱体，一端与承重板11的中心固定连接。

所述的施压固定盖13为内直径49.5mm、外直径60mm的圆盖，圆盖顶面中心处有一个直径为22mm的传力轴孔131，确保传力轴12始终处于竖直方向。传力轴孔131两侧有两个对称分布的孔洞，分别为注水孔132和气压平衡孔133。注水孔132的直径为9mm，可以在分级加载过程中进行注水，使得水泥土始终处于饱和状态。气压平衡孔133的直径为6mm，可以确保承样筒21和外界环境之间气压平衡，不会产生负压。

所述的施压圆盘14的主体为一个直径39.1mm、高20mm的施压圆柱体141，中心与传力轴12固接；在顶面距离中心15mm处的圆周上，均布7个直径3mm的针型贯穿孔洞为水气平衡孔142，用于透水透气，使得被施压圆盘14分隔成的上下两部水、气平衡。

所述的受压圆盘15的主体为一个直径39.1mm、高20mm的受压圆柱体151，受压圆柱体151顶面上有一个宽5mm、长39.1mm、深5mm的十字形凹槽，在受压圆柱体151侧面上有四条宽5mm、长20mm、深5mm的条形凹槽，十字形凹槽和条形凹槽一起组成排水槽152，排水槽152能将受压圆盘15顶端的水排出。受压圆柱体151外侧为一个内直径60mm、外直径65mm、高10mm的承样筒卡环153，承样筒卡环153底端与受压圆柱体151底端通过一个外直径60mm、内直径39.1mm、厚度可忽略的底座圆环154固接在一起组成一个卡槽，卡槽恰好可以将承样筒21和持水筒23一起卡在受压圆盘15上。受压圆柱体151底部固接有一个直径25mm、厚度5mm的旋钮155。在底座圆环154上均布有4个直径14mm的泄水孔156，泄水孔156能将存积下来的多余的水排至承样筒21外。

所述的承样机构2由承样筒21、承样筒孔22和持水筒23组成。

所述的承样筒21为一个内直径39.1mm、外直径49.1mm、高200mm的空心圆柱体。

所述的承样筒孔22为直径1mm贯穿承样筒21的圆孔，均匀分布在距离样筒21底端20mm处至距承样筒21顶端20mm处的位置。

所述的持水筒23的主体为内直径50mm、外直径59mm的持水层231，液体可以在持水层231内部通过，持水层231外侧包裹内直径59mm、厚度1mm的不透水膜232，确保液体只能在持水层231内流动。水流槽233为四组u型槽，位于持水层底端，将持水层231中的水汇聚起来。出水口234为长、宽均8mm的正方形缺口，位于水流槽233的底端，将水流槽233中汇聚起来的液体排出。持水筒23能将水泥土中被挤压出的水收集起来，并通过出水口234排出承样机构2。

所述的支撑机构3由支撑底座31、旋钮底座32和排水口33组成。

所述的支撑底座31为一个长、宽均150mm、高25mm的长方体，四个角上有4条长35mm、厚5mm的圆弧形支撑脚。

所述的旋钮底座32位于支撑底座31上表面中心处，为直径25mm、厚5mm的圆柱体凹槽，侧面有两个圆弧形卡齿与受压圆盘15上的旋钮155匹配，能使受压圆盘15固定在支撑底座31上。

所述的排水口33为长、宽均10mm的贯穿支撑底座的正方形缺口，共四组。排水口33与出水口234匹配，能将234中的液体通过支撑机构3排入废液缸6中。

所述的切割机构4由切割钢丝骨架41、切割钢丝42和切割钢丝把手43组成。

所述的切割钢丝骨架41由2根长100mm、间距65mm，相互平行的圆柱体和一根长65mm、宽、高均5mm的长方体固接而成。

所述的切割钢丝42为长65mm、直径0.1mm、间距80mm固接在切割钢丝骨架41上的2根钢丝。

所述的切割钢丝把手43由两根直径5mm、长50mm固接在切割钢丝骨41上的圆柱体和一根直径5mm、长65mm的圆柱体连接在一起组成。

所述的注土器5由针头51、针管52和活塞53组成。

所述的针头51为直径8mm、长50mm、厚度可忽略的空心圆柱体。

所述的针管52为直径30mm、长200mm、厚度可忽略的一端开口一端闭合的空心圆柱，其上分布有刻度尺，针头51与封闭的一端固接，内部相通。

所述的活塞53为直径30mm、厚10mm的橡皮圆柱体，一端与针管52封闭端接触，一端固接有直径10mm、高200mm的圆柱体胶棒。

所述的废液缸6为长、宽均80mm、高25mm的长方体缸，能将从排水口33排出的液体收集起来。

所述的三轴承膜筒7由承膜筒71与排气管72组成。

所述的承膜筒71为内直径39.1mm、高80mm的空心圆柱体。

所述的排气管72为内直径3mm、外直径5mm、长15mm的空心圆柱体，固接在三轴承膜筒7中间处，内部连通。

所述的洗耳球8由吸球81和吸嘴82组成。

所述的吸球81为内直径30mm、外直径32mm的空心球体。

所述的吸嘴82为内直径2mm、外直径2.8mm的空心圆柱体，固接在吸球81的一端，与排气管72匹配，能将排气管72中的气体吸出。

本实施例的一种分级加载的三轴试样的制样方法，以滨海水泥土为例：土样含水量80％、水泥掺入比20％、养护龄期7天，包括如下步骤：

(1)制样器组装。

(1)-a涂抹润滑剂。将润滑剂涂抹在承样筒21内壁、施压圆柱体141下底面和受压圆柱体151上顶面。

(1)-b下部机构组装。将受压圆盘15通过旋钮155安装在支撑底座31上，在受压圆柱体151上表面安放一张滤纸，将承样筒21安装在受压圆盘15上的卡槽处。旋转持水筒23使持水筒23上的出水口234对准支撑底座31上的排水口33，将持水筒23套在承样筒21上。

(1)-c其他部件准备。将切割机构4、注土器5、三轴承膜筒7、洗耳球8放在桌面的左侧，将承重板11、传力轴12、施压固定盖13和施压圆盘14放在桌面的右侧。将废液缸6放在支撑底座31的排水口33下方。

(2)各原料准备。

(2)-a称取软土。将滨海软土烘干后过2mm筛，通过计算，称取120g的滨海软土。

(2)-b称取水泥。按照掺入比计算，称取24g的水泥。

(2)-c称取搅拌水。按照试样的含水量计算，称取115.2g的水倒入喷壶中。

(3)滨海水泥土制备。

(3)-a预拌软土、水泥材料。将滨海软土和水泥依次倒入搅拌机中，进行搅拌。

(3)-b添加搅拌水。待滨海软土和水泥混合均匀后，边搅拌边注水，将喷壶中的水全部注入搅拌机中，直到搅拌均匀。

(4)滨海水泥土注入。

(4)-a填装滨海水泥土。将搅拌均匀的滨海水泥土全部装进注土器5中。

(4)-b注入滨海水泥土。将注土器5插入承样筒21底部，针头51与受压圆盘15上覆盖的滤纸接触，推动活塞52，将滨海水泥土注入承样筒21中，注入过程中保证针头51始终插在已注入的滨海水泥土内部，边注入边提升注土器5，直至注土器5中的滨海水泥土全部注入承样筒21中，将滤纸盖在承样筒21中滨海水泥土的顶部。

(5)安装施压机构。将承重板11、传力轴12、施压固定盖13和施压圆盘14拿起，先将施压圆盘14和传力轴12放入承样筒21中，再将施压固定盖13紧密的盖在承样筒21上，确保传力轴12处于竖直状态。

(6)多级施压。

(6)-a第一级施压。本例中滨海水泥土在施工现场所受到的上部压力为30kpa，总施压等级共三级。将3kg的铸铁砝码放在承重板上，进行第一级施压，加载时长24小时，在加载过程中每隔8h向施压固定盖13中的注水孔132进行注水，保证承样筒21内的滨海水泥土始终处于饱和状态。

(6)-b第二级施压。在第一级施压24小时后，在承重板11上增加3kg的铸铁砝码，进行第二级施压，加载时长仍为24h，并在施压过程中每隔8h向施压固定盖13中的注水孔132进行注水，保证承样筒21内的滨海水泥土始终处于饱和状态。

(6)-c最后一级施压。在第二级施压24小时后，在承重板11上再添加3kg的铸铁砝码进行第三级施压，加载时间为7天。期间每隔24h向施压固定盖13中的注水孔132进行注水，保证承样筒21内的滨海水泥土始终处于饱和状态。最终完成三级施压，将承样筒21内的滨海水泥土制成母体试样。

(7)三轴承膜筒准备。

(7)-a套乳胶膜。将准备好的乳胶膜从三轴仪上的三轴承膜筒7内部穿过，撑开乳胶膜，将乳胶膜套在三轴承膜筒7上。

(7)-b平整乳胶膜。拿起洗耳球8，将吸球81上的吸嘴82插在三轴承膜筒71上的排气管72中，吸出乳胶膜和三轴承膜筒7之间的多余气体，平整乳胶膜，使乳胶膜光滑的贴在三轴承膜筒7内部。

(8)分离上部机构。去掉承重板11上的砝码，旋转受压圆盘15上的旋钮155，将受压圆盘15、承样筒21、持水筒23、施压圆盘14、传力轴12、施压固定盖13和承重板11等一起从支撑底座31上取出。

(9)切割土样。

(9)-a取下受压圆盘。将承样筒21平放，旋转受压圆盘15上的承样筒卡环153，先将受压圆盘15从承样筒21上取下，再把持水筒23从承样筒21上取下。

(9)-b推出母体试样。将承样筒21有承重板11一端向下竖直放置，三轴承膜筒7平放在承样筒21无承重板11一端，推动承重板11，将母体试样从承样筒21中推入套好乳胶膜的三轴承膜筒7中，将承样筒21和三轴承膜筒7从竖直态平放为水平态，并保证母体试样在三轴承膜7筒两端均有露出。

(9)-c切割成标准试样。手持切割钢丝把手43，将切割钢丝42对准三轴承膜筒7两端，移动切割钢丝42过三轴承膜筒7两端，将三轴承膜筒7中的滨海水泥土切成直径39.1mm、高80mm的三轴试样，安装三轴试样帽，用乳胶膜进行密闭，进行三轴试验。

(10)整理仪器。将废液缸6中的液体倒入清洁池中，清洗仪器，清理桌面。将施压机构1、承样机构2和支撑机构3组装好放在桌面上，将切割机构4、注土器5、废液缸6、三轴承膜筒7和洗耳球8放入工具箱中以待下一次使用。

上述仅为本发明的具体实施例，同时凡本发明中所涉及的如“上、下、左、右、中间”等词，仅作参考用，并非绝对限定，凡利用本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。