一种砂土体冲击荷载试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及一种新型土木工程试验仪器领域，具体涉及一种砂土体冲击荷载试验装置。

背景技术：

在软弱地基处理中，强夯法和桩基法是最为常用的地基加固方法。强夯法会在地基土中产生冲击波和动应力,从而提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化能力，减少将来可能出现的差异沉降。桩基法能很好适应各种地质条件及荷载情况，且具有承载力大、稳定性好和沉降小等特点。但是，在强夯加固地基和预制桩打桩过程中地基将受到冲击荷载。对于钙质砂这类易发生颗粒破碎的砂土体而言，冲击荷载会引起土体的颗粒级配、密度等发生改变，从而引起土体力学性能的改变。

土体冲击荷载试验对实际工况的应对具有重要的指导意义。但目前尚没有针对易发生颗粒破碎的砂土体受到冲击荷载的试验装置。因此，亟需一种能测定砂土体承受冲击荷载的冲击试验装置对强夯法和桩基法处理提供有力的试验依据。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可视性好、精度高、操作简单的砂土体冲击荷载试验装置，可模拟砂土体受到冲击荷载作用，研究土体颗粒级配、密度等发生的演化以及土体抗剪强度的变化。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种砂土体冲击荷载试验装置，其特征在于，包括控制箱、下落组件和模具筒组件。

所述模具筒组件包括装样筒、对开套筒和底座。所述装样筒是由若干个钢化玻璃环叠加组合而成的空心圆柱体。所述对开套筒可轴向对称地拆分为两片对开模。所述两片对开模可严密合实。所述装样筒塞入对开套筒内。所述对开套筒外部套有若干个紧箍环套。所述紧箍环套将对开套筒夹紧。所述对开套筒下端与底座相连。试验时，装样筒内装有土样。

所述控制箱包括壳体Ⅰ、壳体Ⅱ和固定盘。所述壳体Ⅰ和壳体Ⅱ均为中空长方体。所述壳体Ⅱ上开设有贯穿壳体Ⅱ上下表面的定位孔。所述壳体Ⅰ的一侧为平面A。所述壳体Ⅱ和固定盘与平面A固定连接。所述壳体Ⅱ位于壳体Ⅰ上端，固定盘位于壳体Ⅰ下端。试验时，模具筒组件通过底座连接固定在固定盘上。

所述壳体Ⅰ和壳体Ⅱ中空部分连通，共同组成控制箱的内腔。所述控制箱的内腔中具有控制系统。所述平面A上还布置有纵向传送带。所述传送带与控制系统相连。所述传送带上固定有卡头。

所述下落组件包括击锤导杆和击锤。

所述击锤导杆包括杆体和锤座。所述杆体上端穿过壳体Ⅱ的定位孔，并通过定位销固定。所述杆体下端与锤座连接。试验时，锤座伸入装样筒内。所述杆体上具有纵向卡槽。所述卡槽中卡合固定有定位块。所述定位块为楔形卡块。所述定位块可沿卡槽上下移动。

所述击锤上具有限位孔。所述限位孔贯穿击锤的上下表面。所述击锤套装在杆体上，杆体穿过限位孔。所述击锤内水平镶嵌有可伸缩凸块。所述可伸缩凸块中部具有供击锤导杆穿过的孔洞Ⅰ。所述可伸缩凸块的两端均伸出击锤的侧壁。所述可伸缩凸块一端搭设在卡头上，另一端开设有供顶推弹片穿过的孔洞Ⅱ。所述顶推弹片一端固定在击锤的侧壁上，另一端伸出孔洞Ⅱ。

工作时，控制系统驱动传送带运转，传送带通过卡头引导击锤沿杆体杆体上行。当击锤上移至上止点时，定位块推动可伸缩凸块回移，致使可伸缩凸块脱离卡头。击锤沿杆体自由下落并冲击锤座。击锤下落过程中。顶推弹片推动可伸缩凸块伸出。击锤完成冲击。传送带运转一圈后，卡头再次带动击锤向上运动，进行循环冲击试验。

进一步，所述装样筒和对开套筒均采用透明可视化玻璃材料。

进一步，所述对开套筒顶部设有限位部。所述对开套筒底部设有连接部。所述连接部通过螺栓与底座固定连接。

进一步，所述装样筒为内径4cm，外径5cm，高度2cm。对开套筒内径6cm，壁厚5mm，高度11cm。

进一步，所述控制系统包括交流电动机、齿轮和控制面板。

本发明还公开一种采用上述砂土体冲击荷载试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)将组装好的装样筒塞入对开套筒中。使用紧箍环套将对开套筒夹紧后，将开套筒与底座固定连接。

2)按照试验要求制备土样。将土样装入装样筒内。调整模具筒组件的位置，并与固定盘固定。

3)拔起定位销，将锤座伸入装样筒对土样进行压密。

4)按设定试验工况进行冲击试验。

5)锤击结束后提起击锤导杆，从固定盘上取出模具筒组件。测定土样的振后高度，拆除对开套筒。分别收集每一层钢化玻璃环内的土样，分别进行颗粒破碎、相对密实度、级配演化分析等土工试验。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.装置可模拟钙质砂等易发生颗粒破碎的地基土进行强夯或者桩基处理时的夯实或打桩过程受到的冲击荷载，为该类砂土地基冲击荷载的研究提供模型试验研究途径，充分发挥了室内模型的优点；

B.装置可很好的获取受到冲击荷载后不同埋深的土样，很好的研究土体的颗粒破碎、级配和密度的演化以及土体的抗剪强度的变化；

C.模具筒为可视化装置，试样的制备和冲击试验过程均直观可见，可更好控制试样的制备以及直观观测土体受到冲击荷载过程中的变化情况；

D.通过改变击锤落距、质量、锤击频率以及时长模拟冲击荷载的不同能量、不同频率以及不同施荷方式等各种荷载工况。便捷地进行土体受到不同冲击荷载工况的研究，实现强夯加固地基或打桩过程的模拟，操作简单易行。

附图说明

图1为试验装置结构示意图；

图2为击锤导杆结构示意图；

图3为击锤结构示意图；

图4为击锤正视图；

图5为可伸缩凸块结构示意图；

图6为顶推弹片结构示意图；

图7为击锤与击锤导杆连接示意图；

图8为模具筒组件结构示意图；

图9为对开模结构示意图；

图10为装样筒结构示意图。

图中：平面A、控制箱1、壳体Ⅰ101、壳体Ⅱ102、定位销1021、控制面板1022、固定盘103、传送带104、卡头1041、击锤导杆2、定位块201、卡槽202、锤座203、击锤3、限位孔301、装样筒5、钢化玻璃环501、对开套筒6、对开模601、限位部6011、连接部6012、紧箍环套602、底座7、可伸缩凸块8、孔洞Ⅰ801、孔洞Ⅱ802、顶推弹片9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种砂土体冲击荷载试验装置，包括控制箱1、下落组件和模具筒组件。

参见图8，所述模具筒组件包括装样筒5、对开套筒6和底座7。所述装样筒5和对开套筒6均采用透明可视化玻璃材料。参见图10，所述装样筒5是由5个钢化玻璃环501叠加组合而成的空心圆柱体，即上下端均敞口的中空圆柱体。所述对开套筒6可轴向对称地拆分为两片对开模601。所述两片对开模601可严密合实。所述装样筒5塞入对开套筒6内。所述对开套筒6顶部设有限位部6011，以限制钢化玻璃环501位移。所述对开套筒6外部套有1个紧箍环套602。所述紧箍环套602将对开套筒6夹紧。所述对开套筒6下端与底座7相连。试验时，装样筒5内装有土样。

参见图1，所述控制箱1包括壳体Ⅰ101、壳体Ⅱ102和固定盘103。所述壳体Ⅰ101和壳体Ⅱ102均为中空长方体。所述壳体Ⅱ102上开设有贯穿壳体Ⅱ102上下表面的定位孔。所述壳体Ⅰ101的一侧为平面A。所述壳体Ⅱ102和固定盘103与平面A固定连接。所述壳体Ⅱ102位于壳体Ⅰ101上端，固定盘103位于壳体Ⅰ101下端。试验时，模具筒组件通过底座7连接固定在固定盘103上。

所述壳体Ⅰ101和壳体Ⅱ102中空部分连通，共同组成控制箱1的内腔。所述控制箱1内腔中具有控制系统。所述平面A上还布置有纵向传送带104。所述传送带104与控制系统相连。所述传送带104上固定有卡头1041。

参见图7，所述下落组件包括击锤导杆2和击锤3。

参见图2，所述击锤导杆2包括杆体202和锤座203。所述杆体202上端穿过壳体Ⅱ102的定位孔，并通过定位销1021固定。所述杆体202下端与锤座203连接。试验时，锤座203伸入装样筒5内。所述杆体202上具有纵向卡槽2021。所述卡槽202中卡合固定有定位块201。所述定位块201为楔形卡块。所述定位块201可沿卡槽202上下移动。试验中，通过改变定位块201的位置可控制击锤落距。

参见图3、图4和图7，所述击锤3上具有限位孔301。所述限位孔301贯穿击锤3的上下表面。所述击锤3套装在杆体202上，杆体202穿过限位孔301。所述击锤3内水平镶嵌有可伸缩凸块8。参见图5，所述可伸缩凸块8中部具有供击锤导杆2穿过的孔洞Ⅰ801。所述可伸缩凸块8的两端均伸出击锤3的侧壁。所述可伸缩凸块8一端搭设在卡头1041上，另一端开设有供顶推弹片9穿过的孔洞Ⅱ802。参见图3和图6，所述顶推弹片9一端固定在击锤3的侧壁上，另一端伸出孔洞Ⅱ802。

工作时，控制系统驱动传送带104运转，传送带104通过卡头1041引导击锤3沿杆体202杆体上行。当击锤3上移至上止点时，定位块201推动可伸缩凸块8回移，致使可伸缩凸块8脱离卡头1041。击锤3沿杆体202自由下落并冲击锤座203。击锤3下落过程中，限位孔301与杆体202配合，保证击锤3下落的垂直度。顶推弹片9推动可伸缩凸块8伸出。击锤3完成冲击。传送带104运转一圈后，卡头1041再次带动击锤3向上运动，进行循环冲击试验。

实施例2：

本实施例公开一种砂土体冲击荷载试验装置，包括控制箱1、下落组件和模具筒组件。

所述模具筒组件包括装样筒5、对开套筒6和底座7。所述装样筒5和对开套筒6均采用透明可视化玻璃材料。所述装样筒5是由5个钢化玻璃环501叠加组合而成的空心圆柱体，即上下端均敞口的中空圆柱体。参见图9，所述对开套筒6可轴向对称地拆分为两片对开模601。所述两片对开模601可严密合实。所述装样筒5为内径4cm，外径5cm，高度2cm。对开套筒6内径6cm，壁厚5mm，高度11cm。所述装样筒5塞入对开套筒6内。所述对开套筒6顶部设有限位部6011，以限制钢化玻璃环501位移。所述对开套筒6外部套有1个紧箍环套602。所述紧箍环套602将对开套筒6夹紧。所述对开套筒6底部设有连接部6012。所述连接部6012通过螺栓与底座7固定连接。试验时，装样筒5内装有土样。

所述控制箱1包括壳体Ⅰ101、壳体Ⅱ102和固定盘103。所述壳体Ⅰ101和壳体Ⅱ102均为中空长方体。所述壳体Ⅱ102上开设有贯穿壳体Ⅱ102上下表面的定位孔。所述壳体Ⅰ101的一侧为平面A。所述壳体Ⅱ102和固定盘103与平面A固定连接。所述壳体Ⅱ102位于壳体Ⅰ101上端，固定盘103位于壳体Ⅰ101下端。试验时，模具筒组件通过底座7连接固定在固定盘103上。

所述壳体Ⅰ101和壳体Ⅱ102中空部分连通，共同组成控制箱1的内腔。所述控制箱1内腔中具有控制系统。其中，所述控制系统包括交流电动机、齿轮和控制面板1022。所述平面A上还布置有纵向传送带104。所述传送带104与控制系统相连。所述传送带104上固定有卡头1041。

所述下落组件包括击锤导杆2和击锤3。

所述击锤导杆2包括杆体202和锤座203。所述杆体202上端穿过壳体Ⅱ102的定位孔，并通过定位销1021固定。所述杆体202下端与锤座203连接。试验时，锤座203伸入装样筒5内。所述杆体202上具有纵向卡槽2021。所述卡槽202中卡合固定有定位块201。所述定位块201为楔形卡块。所述定位块201可沿卡槽202上下移动。试验中，通过改变定位块201的位置可控制击锤落距。

所述击锤3上具有限位孔301。所述限位孔301贯穿击锤3的上下表面。所述击锤3套装在杆体202上，杆体202穿过限位孔301。所述击锤3内水平镶嵌有可伸缩凸块8。所述可伸缩凸块8中部具有供击锤导杆2穿过的孔洞Ⅰ801。所述可伸缩凸块8的两端均伸出击锤3的侧壁。所述可伸缩凸块8一端搭设在卡头1041上，另一端开设有供顶推弹片9穿过的孔洞Ⅱ802。所述顶推弹片9一端固定在击锤3的侧壁上，另一端伸出孔洞Ⅱ802。

工作时，控制系统驱动传送带104运转，传送带104通过卡头1041引导击锤3沿杆体202杆体上行。当击锤3上移至上止点时，定位块201推动可伸缩凸块8回移，致使可伸缩凸块8脱离卡头1041。击锤3沿杆体202自由下落并冲击锤座203。击锤3下落过程中，限位孔301与杆体202配合，保证击锤3下落的垂直度。顶推弹片9推动可伸缩凸块8伸出。击锤3完成冲击。传送带104运转一圈后，卡头1041再次带动击锤3向上运动，进行循环冲击试验。

实施例3：

本实施例公开一种采用实施例1所述砂土体冲击荷载试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)将组装好的装样筒5塞入对开套筒6中。使用紧箍环套602将对开套筒6夹紧后，将开套筒6与底座7固定连接。

2)按照试验要求制备土样。将土样装入装样筒5内。调整模具筒组件的位置，并与固定盘103固定。

3)拔起定位销1021，将锤座203伸入装样筒5对土样进行压密。

4)按设定试验工况进行冲击试验。

5)锤击结束后提起击锤导杆2，从固定盘103上取出模具筒组件。测定土样的振后高度，拆除对开套筒6。分别收集每一层钢化玻璃环501内的土样，分别进行颗粒破碎、相对密实度、级配演化分析等土工试验。