一种侧插探针式三轴土样制样装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程土工室内试验技术领域，尤其涉及一种侧插探针式三轴土样制样装置及方法。

背景技术：

随着我国经济的持续发展，在交通、能源、矿山、水利水电等领域，越来越多的岩土工程正在兴建。准确获取岩土体的物理力学参数决定着岩土工程的长期安全稳定的运营，是岩土工程设计的重要依据。三轴土工试验是获取岩土体物理力学参数的重要方法，它可以模拟土体原位环境的受力情况，取得土体的强度参数，对工程实践和科学研究具有重要意义。通常情况下，常规三轴试验仅能获取岩土样品的抗剪强度参数。但是，在有些情况下，由于科学研究或者工程建设的需要，需要测定土样在三轴应力条件下，其土样内部的应力、温度、水分、声学、应力波等参数的分布特征和梯度变化规律。因而，需要在常规三轴样品沿高度方向预先植入相关传感器，来测定上述这些参数。但现有的用于常规土工三轴试验的制样装置，无法完成需要预先植入传感器的三轴土样的制备，进而无法开展后续的相关试验研究。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种侧插探针式三轴土样制样装置及方法，制样装置与原有常规三轴底座配合使用，可以完成预先植入探针传感器的三轴土样制备，用于测量三轴应力条件下土样内部的应力、温度、水分、声学或应力波等参数的分布特征和梯度变化规律；本发明可以根据具体试验要求来调整植入传感器的间距，具有原理清晰、结构简单、安装和拆卸快速等优点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种侧插探针式三轴土样制样装置，包括试样顶帽、试样底座、对开模具和乳胶膜，所述试样顶帽底部具有顶帽凸台，所述试样底座顶部具有底座凸台，所述乳胶膜顶部套装于顶帽凸台外部，所述乳胶膜底部套装于底座凸台外部，所述乳胶膜内部具有土样腔；所述对开模具由两个半模组合而成，所述对开模具配合安装于乳胶膜外部，所述乳胶膜上开有若干个耳环孔，所述对开模具上开有与耳环孔相配合的定位孔，所述对开模具的定位孔中安装有耳环，所述耳环由耳环部和筒体部组成，所述耳环部内部具有筒腔a，所述筒体部内部具有与筒腔a相连通的筒腔b，所述耳环部的外径大于筒体部的外径，所述耳环部位于乳胶膜内侧，所述筒体部依次配合穿过乳胶膜的耳环孔和对开模具上的定位孔，所述耳环内部安装探针传感器，所述探针传感器包括探针和与探针连接的线缆，所述探针传感器的探针置于乳胶膜的土样腔中，所述线缆置于耳环外部；所述试样顶帽开有与土样腔相连通的出水孔道，所述试样底座开有与土样腔相连通的进水孔道。

为了更好地实现本发明，所述乳胶膜顶部通过橡胶密封圈c紧密锁紧于顶帽凸台外部，所述乳胶膜底部通过橡胶密封圈b紧密锁紧于底座凸台外部。

作为优选，本发明还包括插销组件，所述插销组件由连接板和固定于连接板底部的两个插销组成，所述对开模具的半模两侧对应开有与插销相配合的插销孔，所述对开模具的两个半模对应接触侧通过插销连接锁定。

作为优选，所述乳胶膜上开有上下两个耳环孔，所述对开模具上开有上下两个定位孔，两个定位孔与两个耳环孔一一对应，两个定位孔中分别对应安装一个耳环。

作为优选，所述对开模具的定位孔中密封安装有橡胶密封圈a，所述橡胶密封圈a紧密包裹于筒体部外侧壁上。

作为优选，所述橡胶密封圈a、橡胶密封圈b、橡胶密封圈c均为○形橡胶圈。

作为优选，所述耳环由橡胶材料制造而成。

作为优选，所述乳胶膜的土样腔中装有土样。

一种侧插探针式三轴土样制样方法，包括制样装置，其方法步骤如下：

1)、首先清理制样桌面，检查制样装置的所有探针传感器是否干净整洁且完好无损；

2)、预先在乳胶膜上开有上下两个与耳环的筒体部外径相配合的耳环孔，根据预制样品的干密度、孔隙比指标计算并称取所需重量的土样，并分成若干等份；

3)、将制样装置的试样底座水平置于制样桌面上，并在试样底座的底座凸台上表面放置一张滤纸，将乳胶膜下端套在试样底座的底座凸台外侧壁上，并用橡胶密封圈b环向扎紧于底座凸台上，将对开模具的两个半模配合安装于乳胶膜外部以使对开模具底部内壁压紧底座凸台外的橡胶密封圈b，同时保证对开模具上的定位孔与乳胶膜上的耳环孔一一对应；将耳环的筒体部穿过乳胶膜的耳环孔和对开模具的定位孔，耳环的耳环部紧密贴合于乳胶膜内壁，并用橡胶密封圈a压紧乳胶膜外壁使乳胶膜密封套装于耳环的筒体部根部外壁上，同时使耳环整体将乳胶膜紧密贴合在对开模具的内壁面上；然后，将插销组件的插销对应插入对开模具上的插销孔中以连接锁紧对开模具；

4)、将步骤2)中的第一份土样采用砂雨法经漏斗落入乳胶膜内，将土样表面刮平，采用橡皮锤敲击对开模具外侧壁以使土样沉降，直至土样上表面与对开模具最下部的定位孔的圆心处于同一高度；

5)、取一个探针传感器，在探针传感器外侧面涂抹一层凡士林，将探针传感器安装于下部耳环中，调整探针传感器的探针位置并使探针传感器的探针置于土样的中心位置，以使得探针传感器的探针与土样紧密接触，然后刮毛土样的上表面；

6)、继续取步骤2)中的等份土样经漏斗落入乳胶膜内，将土样表面刮平，采用橡皮锤敲击对开模具外侧壁以使土样沉降，直至土样上表面与对开模具上一层的定位孔的圆心处于同一高度；再取一个探针传感器，在探针传感器外侧面涂抹一层凡士林，将探针传感器安装于上部耳环中，调整探针传感器的探针位置并使探针传感器的探针置于土样的中心位置，以使得探针传感器的探针与土样紧密接触，然后刮毛土样的上表面；

7)、向乳胶膜中继续添加土样，直至将对开模具侧壁上的所有探针传感器的探针全部置于土样的中心位置，使得探针传感器的探针与土样紧密接触，然后刮毛土样的上表面；往乳胶膜中继续添加土样和敲击对开模具外侧壁使土样沉降，直至土样达到预定高度位置；

8)、将乳胶膜顶部向下翻并套在对开模具顶端，在土样顶面放一张滤纸，然后安装试样顶帽，再将乳胶膜向上翻并套在试样顶帽的顶帽凸台外侧壁上，并用一个橡胶密封圈c扎紧乳胶膜，至此装样完毕，所有探针传感器得以精确地埋入到沿土样高度的预设位置，从而获得侧插探针的三轴土样；

9)、将两个插销组件拔出，轻轻敲开并取走对开膜具的两个半模，制样完成，可以开展后续的三轴试验。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明可根据实验方案的需求来选配应力、温度、水分、声学或应力波等不同类型的探针传感器，可以在三轴土样内部预先植入探针传感器，且植入探针传感器的数量根据实际需要来选择。

(2)本发明提供了一种可侧插探针式的三轴土样制样装置，可以根据需要，在原有三轴土样制样底座上等间距加工出定位孔，并安装对应数量的探针传感器，辅以简单的密封部件，即可实现制备可插探针式的三轴土样，进而可以研究土样在三轴应力条件下，土样内部压力、温度、水分、声学或应力波等特征参数的变化。

(3)本发明具有原理清晰、结构简单、安装和拆卸快速等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为插销组件的结构示意图；

图3为耳环的结构示意图；

图4为本发明实施例中所用的φ4型声波探针传感器的示意图；

图5为本发明实施例中所用的φ4型声波探针传感器的结构示意图；

图6为采用本发明制备三轴土样后，在三轴应力条件下进行土体声衰减试验测试的试验结果案例；

图7为声衰减测试原理图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－试样顶帽，2－探针传感器，21－探杆管,211－探头防水保护套，212－探头元件，213－探针底座，3－线缆，31－绝缘屏蔽线缆套，4－定位孔，5－橡胶密封圈a，51－橡胶密封圈b，52－橡胶密封圈c，6－耳环，61－筒体部,62－耳环部，7－试样底座，71－底座凸台，8－出水孔道，9－土样，10－乳胶膜，11－顶帽凸台，12－插销孔，13－对开模具，14－进水孔道，15－插销组件，151－插销。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例一

如图1～图3所示，一种侧插探针式三轴土样制样装置，包括试样顶帽1、试样底座7、对开模具13、乳胶膜10和插销组件15，试样顶帽1底部具有顶帽凸台11，试样底座7顶部具有底座凸台71，乳胶膜10顶部套装于顶帽凸台11外部，乳胶膜10底部套装于底座凸台71外部，乳胶膜10内部具有土样腔，本实施例乳胶膜10的土样腔中装有土样9。对开模具13由两个半模组合而成，对开模具13配合安装于乳胶膜10外部，乳胶膜10上开有若干个耳环孔，对开模具13上开有与耳环孔相配合的定位孔4，对开模具13的定位孔4中安装有耳环6，本发明优选的耳环6由橡胶材料制造而成。耳环6由耳环部62和筒体部61组成，耳环部62内部具有筒腔a，筒体部61内部具有与筒腔a相连通的筒腔b，耳环部62的外径大于筒体部61的外径，耳环部62位于乳胶膜10内侧，筒体部61依次配合穿过乳胶膜10的耳环孔和对开模具13上的定位孔4，耳环6内部安装探针传感器2，如图5所示，探针传感器2包括探头防水保护套211、探杆管21、探针底座213和线缆3，所述探头防水保护套211内安装有探头元件212，探头元件212与线缆3连接；探针传感器2的探头防水保护套211端部和探杆管21置于乳胶膜10的土样腔中，探杆管21保持水平，探头防水保护套211端部位于土样腔的中心处；探针底座213为圆柱型，其外径与耳环6的内部筒腔直径相同，置于耳环6筒体部61的内部筒腔中；线缆3置于耳环6外部。试样顶帽1开有与土样腔相连通的出水孔道8，试样底座7开有与土样腔相连通的进水孔道14。本发明的探针传感器2为现有成熟的声波探针传感器(声波探针传感器通过探针接收振动信号)，本实施例的探针传感器优选为φ4型声波探针传感器，如图4、图5所示，φ4型声波探针传感器包括探头防水保护套211、探杆管21、探针底座213，探头防水保护套211内安装有探头元件212，探头元件212上连接有线缆3，线缆3穿过探杆管21、探针底座213，线缆3外部封装有绝缘屏蔽线缆套31。本实施例的φ4型声波探针传感器又称探针水听器或水声传感器，申请人采用无锡宏志换能器科技有限公司所生产的φ4型声波探针传感器，φ4型声波探针传感器的具体结构、尺寸参数如下：探头防水保护套211呈半球形状，直径为4mm，由防水橡胶制成，探头防水保护套211内密封安装有压电陶瓷探头元件212，探头元件212安装在304不锈钢空心圆形薄壁探杆管21的一端(探杆管21起支撑和防水作用)，探杆管21的外径为4mm,探杆管21的另一端安装在探针底座213中。探针传感器2的线缆3依次穿过探针底座213、探杆管21与探头元件212相连；探针底座213由柔性橡胶材料制成(起到90度转弯，保护线缆3不被折断的作用，同时插入耳环6的筒腔内，起到防水密封作用)。探杆管21的长度为62.5mm，整个φ4型声波探针传感器的长度为69.5mm。使用时，探针传感器2的探杆管21插入土样9中，且保持水平，并使得安装有探头元件212的探头防水保护套211端位于土样9的中轴线上，通过压电陶瓷探头元件212在土工三轴试验中接收并传递从土样9底座或顶帽发射出的纵波(p波或压缩波)信号，侧向插入土样2个及以上探针传感器2，可以实现土工三轴中测量土样声衰减系数的试验目的(声衰减测试原理如图7所示)，详细参见广东工业大学博硕论文《海底沉积物声学特性小距离测量系统设计与实验研究》，作者符东；以及参见广东工业大学博硕论文《海底沉积物小尺度声场超声探针检测实验研究》，作者董全财。

对于激发波为简谐波情况下，声衰减系数α的表达式：

式中a1和a2为土样中两个探针传感器2位置处测得的首波声压信号最大幅值(可从图6的波形图中直接读出)，l2和l1为两个探针传感器2到声源激发端的距离。

如图1所示，乳胶膜10顶部通过橡胶密封圈c52紧密锁紧于顶帽凸台11外部，实际使用时，通过橡胶密封圈c52将乳胶膜10顶部锁紧于顶帽凸台11外部；乳胶膜10底部通过橡胶密封圈b51紧密锁紧于底座凸台71外部，实际使用时，通过橡胶密封圈b51将乳胶膜10底部锁紧于底座凸台71外部。

如图2所示，插销组件15由连接板和固定于连接板底部的两个插销151组成，对开模具13的半模两侧对应开有与插销151相配合的插销孔12，对开模具13的两个半模对应接触侧通过插销组件15连接锁定。对开模具13的两个半模两侧分别开有插销孔12(图1为一个半模两侧分别开有一个插销孔12，这样一个半模就有两个插销孔12)，在对开模具13的两个半模组合后，两侧分别通过一个插销组件15连接锁定，具体原理如下：第一个半模的第一侧插销孔12与第二个半模的第一侧插销孔12通过插销组件15连接锁定，即插销组件15的一个插销151插接于第一个半模的第一侧插销孔12中，插销组件15的另一个插销151插接于第二个半模的第一侧插销孔12中；第一个半模的第二侧插销孔12与第二个半模的第二侧插销孔12通过插销组件15连接锁定，即插销组件15的一个插销151插接于第一个半模的第二侧插销孔12中，插销组件15的另一个插销151插接于第二个半模的第二侧插销孔12中。

本实施例优选的技术方案如下：如图1所示，乳胶膜10上开有上下两个耳环孔，对开模具13上开有上下两个定位孔4，两个定位孔4与两个耳环孔一一对应，两个定位孔4中分别对应安装一个耳环6。

如图1所示，对开模具13的定位孔4中密封安装有橡胶密封圈a5，橡胶密封圈a5紧密包裹于筒体部61外侧壁上，这样橡胶密封圈a5可以将乳胶膜10压紧密封在耳环6的筒体部61与耳环部62交接的根部。

本发明优选的橡胶密封圈a5、橡胶密封圈b51、橡胶密封圈c52均为○形橡胶圈。

一种侧插探针式三轴土样制样方法，包括制样装置，其方法步骤如下：

1)、首先清理制样桌面，检查制样装置的所有探针传感器2是否干净整洁且完好无损。

2)、根据试验的需要，预先在乳胶膜10上开有上下两个与耳环6的筒体部61外径相配合的耳环孔，根据预制样品的干密度、孔隙比指标计算并称取所需重量的土样9，并分成若干等份。

3)、将制样装置的试样底座7水平置于制样桌面上，并在试样底座7的底座凸台71上表面放置一张滤纸，将乳胶膜10下端套在试样底座7的底座凸台71外侧壁上，并用橡胶密封圈b51环向扎紧于底座凸台71上，将对开模具13的两个半模配合安装于乳胶膜10外部以使对开模具13底部内壁压紧底座凸台71外的橡胶密封圈b51，同时保证对开模具13上的定位孔4与乳胶膜10上的耳环孔一一对应。将耳环6的筒体部61穿过乳胶膜10的耳环孔和对开模具13的定位孔4，耳环6的耳环部62紧密贴合于乳胶膜10内壁，并用橡胶密封圈a5压紧乳胶膜10外壁使乳胶膜10密封套装于耳环6的筒体部61根部外壁上，同时使耳环6整体将乳胶膜10紧密贴合在对开模具13的内壁面上。然后，将插销组件15的插销151对应插入对开模具13上的插销孔12中以连接锁紧对开模具13。

4)、将步骤2)中的第一份土样9采用砂雨法经漏斗落入乳胶膜10内，将土样9表面刮平，采用橡皮锤敲击对开模具13外侧壁以使土样9沉降，直至土样9上表面与对开模具13最下部的定位孔4的圆心处于同一高度。

5)、取一个探针传感器2，在探针底座213外侧面涂抹一层凡士林，将探针传感器2的探头防水保护套211端头和探杆管21穿过耳环6的内部筒腔，将探针底座213安装于下部耳环6筒体部61的内部筒腔中，调整探针传感器2的探头防水保护套211的端头位置，使探针传感器2的探杆管21保持水平，且探头防水保护套211端头插入土样9的轴心位置，使得探针传感器2的探杆管21和探头防水保护套211与土样9紧密接触，然后刮毛土样9的上表面。

6)、继续取步骤2)中的等份土样9经漏斗落入乳胶膜10内，将土样9表面刮平，采用橡皮锤敲击对开模具13外侧壁以使土样9沉降，直至土样9上表面与对开模具13上一层的定位孔4的圆心处于同一高度。再取一个探针传感器2，在探针底座213外侧面涂抹一层凡士林，将探针传感器2的探头防水保护套211端头和探杆管21穿过耳环6的内部筒腔，将探针底座213安装于上部耳环6筒体部61的内部筒腔中，调整探针传感器2的探头防水保护套211端头的位置，使探针传感器2的探杆管21保持水平，探头防水保护套211端头插入土样9的轴心位置，使得探头防水保护套211端头与下部耳环6中的探针传感器2的探头防水保护套211端头位于土样9的中轴心同一垂直线上，并让探针传感器2的探杆管21和探头防水保护套211与土样9紧密接触，然后刮毛土样9的上表面。

7)、向乳胶膜10中继续添加土样9，依据步骤6)的方法，直至将对开模具13侧壁上的所有探针传感器2的探针全部插入土样9中，并使得所有探头防水保护套211端头均位于土样9的中轴心同一垂直线上，探针传感器2的探杆管21和探头防水保护套211与土样9紧密接触，然后刮毛土样9的上表面。往乳胶膜10中继续添加土样9和敲击对开模具13外侧壁使土样9沉降，直至土样9达到预定高度位置。

8)、将乳胶膜10顶部向下翻并套在对开模具13顶端，在土样9顶面放一张滤纸，然后安装试样顶帽1，再将乳胶膜10向上翻并套在试样顶帽1的顶帽凸台11外侧壁上，并用一个橡胶密封圈c52扎紧乳胶膜10，至此装样完毕，所有探针传感器2得以精确地埋入到沿土样9高度的预设位置，从而获得侧插探针的三轴土样。

9)、将两个插销组件15拔出，轻轻敲开并取走对开膜具13的两个半模，制样完成，可以开展后续的三轴试验。

10)、按照常规土工三轴试验方法，对三轴土样进行饱和固结操作，直至达到试验预定的三轴应力条件。然后，在三轴土样的弯曲-伸展元顶帽中激发一个100khz的正弦压缩波，沿土样高度两个探针传感器2接收到的信号如图6所示，根据公式(1)计算出的土样声衰减系数α为135db/m。

本发明的乳胶膜10上的耳环孔可以开有多个，对开模具13上的定位孔4可以开有多个，定位孔4与耳环孔的数量相等且一一对应，这样就可以安装多个探针传感器2，所制备的三轴土样中也含有多个探针传感器2，具体探针传感器2的数量根据实际需要确定。

实施例二

一种侧插探针式三轴土样制样方法，包括制样装置，其方法步骤如下：

1)、首先清理制样桌面，检查制样装置的所有探针传感器2是否干净整洁且完好无损。

2)、按照试验对探针传感器2的间距要求，预先在乳胶膜10上开有上下两个与耳环6的筒体部61外径相配合的耳环孔(耳环孔的孔径略小于耳环6的筒体部61外径)，当然乳胶膜10的耳环孔数量不限于两个，可以为多个，根据预制样品的干密度、孔隙比指标计算并称取所需重量的土样9，并将土样9平均分为五等份。

3)、将制样装置的试样底座7水平置于制样桌面上，并在试样底座7的底座凸台71上表面放置一张滤纸，将乳胶膜10下端套在试样底座7的底座凸台71外侧壁上，并用橡胶密封圈b51环向扎紧于底座凸台71上，将对开模具13的两个半模配合安装于乳胶膜10外部以使对开模具13底部内壁压紧底座凸台71外的橡胶密封圈b51，同时保证对开模具13上的定位孔4与乳胶膜10上的耳环孔一一对应。将耳环6的筒体部61穿过乳胶膜10的耳环孔和对开模具13的定位孔4，耳环6的耳环部62紧密贴合于乳胶膜10内壁，并用橡胶密封圈a5压紧乳胶膜10外壁使乳胶膜10密封套装于耳环6的筒体部61根部外壁上，同时使耳环6整体将乳胶膜10紧密贴合在对开模具13的内壁面上。然后，将插销组件15的插销151对应插入对开模具13上的插销孔12中以连接锁紧对开模具13。

4)、将步骤2)中的第一份土样9采用砂雨法经漏斗落入乳胶膜10内，将土样9表面刮平，采用橡皮锤敲击对开模具13外侧壁以使土样9沉降，直至土样9上表面与对开模具13最下部的定位孔4的圆心处于同一高度。

5)、取一个探针传感器2，在探针底座213外侧面涂抹一层凡士林，将探针传感器2的探头防水保护套211端头和探杆管21穿过耳环6的内部筒腔，将探针底座213安装于上部耳环6筒体部61的内部筒腔中，调整探针传感器2的探头防水保护套211端头的位置，使探针传感器2的探杆管21保持水平，探头防水保护套211端头插入土样9的中心位置，并让探针传感器2的探杆管21和探头防水保护套211与土样9紧密接触，然后刮毛土样9的上表面。

6)、继续取步骤2)中的等份土样9经漏斗落入乳胶膜10内，将土样9表面刮平，采用橡皮锤敲击对开模具13外侧壁以使土样9沉降，直至土样9上表面与对开模具13上部定位孔4的圆心处于同一高度。再取一个探针传感器2，在探针底座213外侧面涂抹一层凡士林，将探针传感器2的探头防水保护套211端头和探杆管21穿过耳环6的内部筒腔，将探针底座213安装于上部耳环6筒体部61的内部筒腔中，调整探针传感器2的探头防水保护套211端头的位置，使探针传感器2的探杆管21保持水平，探头防水保护套211端头插入土样9的中心位置，使得探头防水保护套211端头与下部耳环6中的探针传感器2的探头防水保护套211端头位于土样9的中轴心同一垂直线上，并让探针传感器2的探杆管21和探头防水保护套211与土样9紧密接触，然后刮毛土样9的上表面。

7)、往乳胶膜10中继续添加剩余土样9和敲击对开模具13外侧壁使土样9沉降，直至土样9达到预定高度位置。8)、将乳胶膜10顶部向下翻并套在对开模具13顶端，在土样9顶面放一张滤纸，然后安装试样顶帽1，再将乳胶膜10向上翻并套在试样顶帽1的顶帽凸台11外侧壁上，并用一个橡胶密封圈c52扎紧乳胶膜10，至此装样完毕，所有探针传感器2得以精确地埋入到沿土样9高度的预设位置，从而获得侧插探针的三轴土样。

9)、将两个插销组件15拔出，轻轻敲开并取走对开膜具13的两个半模，制样完成，可以开展后续的三轴试验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。