本发明属岩土工程室内试验设备技术领域，特别涉及一种常规三轴试验扰动土体制样装置及方法。
背景技术：
室内常规三轴试验被广泛应用于土体力学特性的研究，包括测定土体抗剪强度参数(黏聚力和内摩擦角)，获得土体应力-应变关系曲线及其剪胀特性等。对于扰动土体，该试验操作的关键在于土样的制备，若制得土样不均匀、制备过程难以精确控制、土样高径比过小或难以根据研究需要灵活调整，均会使试验结果与土体真实的应力-应变特性相差较大而无法实现本试验的价值。现有土工试验规程规定土样高径比一般为2.0-2.5，直径包括39.1mm、61.8mm和101.0mm三种规格，具体制样方法为采用钢质对开模筒或三瓣模筒，根据试验规定密实度计算所需土样质量，然后将备好土样分成等质量的几份，依次填入模筒内击实，直至所有土样填入模筒，黏质土分5-8层击实，非黏质土体分3-5层击实。
但上述制样装置及操作方法存在如下问题：
(1)钢制的对开模筒或三瓣模筒由于材质原因是不透明的，试样制备时土体填入击实的过程不可见，每份土体填入后的摊铺平整度、该层土体击实后的高度都无法精确控制而只能凭借经验预估，这将导致土样击实后各层的密实度存在偏差，制得的土样是非均质的，得到的试验结果存在较大误差；
(2)钢质的对开或三瓣模筒高度是固定不变的，一旦选定了某种直径规格，制得的土样将由于模筒高度的固定而使高径比无法自行调整。这将不能满足同一直径不同高度的各土样力学特性差异性对比分析的科学研究需要，并且对于平均粒径较大的土样，其一般要求高径比较大以消除端部约束的影响，但钢质模筒并没有考虑土体粒径对制样高径比的要求。
为此，如何设计一种制样全过程(包括每层土样的摊铺、击实后高度等)可精确控制、土样高径比可根据试验需要灵活调整的三轴试验扰动土体制样装置，并附带设计一种摊平、击实两用击实设备，以提高试验结果的真实可靠性，满足科学研究和工程实际的需要是一个值得研究的方向。
技术实现要素：
本发明的目的之一在于提供一种常规三轴试验扰动土体制样装置，解决现有制样装置制样时土样高径比无法根据研究需要灵活调整、土样制备不均匀、密实度控制不精确的问题，本发明的另一目的在于提供一种三轴试验扰动土体制样方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：常规三轴试验扰动土体制样装置，其特征在于：包括制样筒和设置于制样筒内的击实设备；
所述制样筒包括底座、下护筒、上护筒和橡胶模，下护筒置于底座之上，下护筒的上部与上护筒连接构成护筒主体，上护筒可沿下护筒上下伸缩以调整护筒主体的总高度，护筒主体的外壁均设有均匀的刻度线，零刻度线位于下护筒的下端，橡胶模穿过护筒主体后紧贴筒体内壁且两端反套于护筒主体和底座的外壁，上护筒和下护筒的外壁各设一个排气孔以实现内壁与橡胶模之间的空隙抽真空；
所述击实设备包括传力杆、击实锤和刨毛刀片，传力杆的下端与击实锤连接，下端连接刨毛刀片，传力杆包括上部空心杆、下部实心杆和限位器，下部实心杆通过限位器套接于上部空心杆中且可在上部空心杆内上下伸缩，并由限位器调整传力杆的总长度。
所述底座包括基座、垫板与透水石，基座的上表面正中心开设完全穿透的圆形孔洞，孔洞内壁设螺纹，孔洞直径略大于下护筒的外径，垫板置于孔洞内，垫板的上方放置透水石，透水石置于垫板上表面后，透水石的上表面与基座的顶面、下护筒的外壁零刻度线处于同一水平面。
所述基座为棱柱体形状，高度为2-4cm。
所述垫板为圆柱体外形的实心垫板，其横截面直径与透水石相同且略小于基座的孔洞直径。
所述基座的孔洞与垫板之间空隙填充用于防止漏土的凡士林。
所述上护筒和下护筒均为薄中空透明钢化玻璃管，外壁正面及背面设有均匀的刻度线，且刻度线的单位长度均为1mm；上护筒靠近竖向中点偏上位置、下护筒靠近竖向中点偏下位置均留有一个孔径1.5-2mm的排气孔。
所述下护筒的高径比为2-2.5，其底部外表面设有便于连接于基座孔洞内的螺纹，且螺纹位于零刻度线以下，其内壁沿竖向中点处往上设螺纹与上护筒3连接，筒壁厚1-1.5mm。
所述上护筒的高度与下护筒相同，其外壁沿竖向中点处往下设有用于在下护筒内上下伸缩的螺纹，其外径略小于下护筒的内径，筒壁厚0.5-1mm。
所述击实设备由不锈钢材料制成，上部空心杆的上端设有用于与与刨毛刀片连接的螺纹，上部空心杆的下端偏上位置开设两个直径0.5-1mm的孔洞，孔洞沿上部空心杆左右对称，且孔洞内壁预留螺纹，限位器插入孔洞将下部实心杆与上部空心杆固定连接，下部实心杆的下端设有用于与厚圆饼状的击实锤上表面中心点位置连接的螺纹。
所述上部空心杆的外径为2-2.5mm，壁厚0.3-0.5mm，下部实心杆的直径略小于上部空心杆的内径。
一种三轴试验扰动土体制样方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：设备安装
①首先根据制样高径比和土样直径计算制样高度，若土样高度小于或等于下护筒高度，可直接采用下护筒制取土样，否则应联合上护筒一起制作土样；
②通过内、外螺纹将下护筒上端与上护筒下端连接，根据制样高度调整护筒的总高度；
③将下护筒下端对准基座孔洞，通过螺纹将二者连接，拧紧后下护筒外壁零刻度线应与基座上表面平齐；
④采用合适的筒状不透水橡胶模从连接好的护筒和基座的上部或下部穿入，从另一端穿出，将两端多出的部分反套于护筒和基座的外壁上；
⑤取经处理的垫板置于整洁、平滑且干燥的制样台面上，垫板上表面放透水石，且将垫板和透水石的外壁上涂凡士林；
⑥将已套上橡胶模的基座置于透水石和垫板之上，基座内壁与垫板和透水石外壁间空隙由已涂凡士林密封，并确保透水石上表面与下护筒外壁零刻度线平齐；
⑦用吸气球将橡胶模与护筒间气体通过上护筒和下护筒外壁预留排气孔吸出，使橡胶模紧贴护筒内壁；
⑧松开传力杆上的限位器，根据护筒总高度调整传力杆长度，待下部实心杆伸出长度确定后，再拧紧限位器以固定下部实心杆，并将击实锤和刨毛刀片分别连接于传力杆的下端和上端；
第二步：土样击实
①根据土样体积和制样密实度对应的土体干密度称取所需的单个土样所需土体的总质量，并按照试验规程要求将称量土体分为等质量的几份；
②取第一份土体缓慢送入护筒内，用传力杆上端的刨毛刀片摊平，借助护筒外壁刻度线读取填入土样松铺厚度h，根据土样干密度计算击实后的土样高度h1，松铺厚度减去击实后高度h-h1即为本次应击实的高度；
③击实时，击实锤底面与土样表面的距离保持恒定，不得使击实锤忽高忽低而致土样密实度不均匀，具体落距根据预试验确定，落距的控制借助于护筒外壁刻度线；
④待该份土样击实到预定高度h1后，取第2份土样缓慢送入护筒内，后续步骤与第一份土样相同，均按照上述步骤进行击实；
⑤击实过程中，由于护筒内土体高度在不断增加，因此可根据需要，利用限位器调整传力杆的总长度；
第三步：制样装置拆除
①待各份土样填入、击实完成后，将试样置于常规三轴试验仪底座之上，进行充水饱和；
②试样完全饱和后，将事先套于上护筒和基座外壁上的橡胶模拨回，将基座连同护筒一起从试样上轻轻取下，后将透水石下垫板取出；
③试样连同透水石一起放置于常规三轴试验仪底座，试样下部多出橡胶模套在三轴仪底座上并用皮筋缠紧，上部多出橡胶模同样用橡皮筋产于加载板上。
所述第一步中根据制样高度调整护筒的总高度时，护筒总高度比试样高2-3cm；所述橡胶模的厚度为0.2-0.5mm，长度大于试样7-9cm。
所述第二步中按照试验规程要求将称量土体分为等质量的5-8份。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用可上、下伸缩的护筒制样，护筒外壁设均匀刻度线，制样筒由透明钢化玻璃制成，且设计了一种摊平、击实两用，杆件长度可调整的击实装置，实现了制样时各土样高径比根据试验需求灵活调整，制样全过程可视化，土样的摊铺和击实均可精准控制的目的。采用本发明制得的土样可满足室内不同高径比下的单元体常规三轴试验，消除试样加载时端部刚性约束的影响，并且制成土样更加均匀、密实度控制更精确，从而可以得到更加真实可靠的试验结果。
附图说明
图1为本发明的主视剖面图。
图2为本发明的制样筒结构主视图。
图3为图2的a-a’处剖面图。
图4是图2的b-b’处剖面图。
图5为本发明的基座结构示意图。
图6为本发明的基座和垫板结构俯视图。
图7为本发明的垫板和透水石结构示意图。
图8为本发明的击实设备主视图。
图9为图8的a部分放大示意图。
图10是击实锤俯视图。
图中：1-底座，2-下护筒，3-上护筒，4-橡胶模，5-排气孔，6-传力杆，7-限位器，8-击实锤，9-刨毛刀片，10-基座，11-垫板，12-透水石，13-刻度线，14-凡士林，15-上部空心杆，16-下部实心杆。
具体实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于具体实施例。
实施例1
如图1-图10所示，常规三轴试验扰动土体制样装置，包括制样筒和设置于制样筒内的击实设备。
制样筒包括底座1、下护筒2、上护筒3、橡胶模4，下护筒2置于底座1之上，下护筒2的上部与上护筒3连接构成护筒主体，上护筒3可沿下护筒2上下伸缩以调整护筒主体的总高度，护筒主体的正面及背面外壁设有均匀的单位长度均为1mm的刻度线13，零刻度线位于下护筒3下端，制样筒材质为透明钢化玻璃，橡胶模4穿过护筒后紧贴筒体内壁且两端反套于护筒主体和底座1外壁，上护筒3略靠近竖向中点偏上位置、下护筒2略靠近竖向中点偏下位置均留有一个孔径1.5mm的排气孔5，以实现内壁与橡胶模4间空隙抽真空；底座1包括基座10和垫板11，基座10为棱柱体形状，高度为2cm，上表面正中心开设完全穿透的圆形孔洞，孔洞内壁设螺纹且直径略大于下护筒2外径，本实施例中二者相差0.2mm，圆柱体外形的实心垫板11置于基座10孔洞内，其上放透水石12，垫板11横截面直径与透水石12相同且略小于基座10孔洞直径，本实施例中二者相差0.3mm，透水石12置于垫板11上表面后，透水石12上表面与基座10顶面、下护筒2外壁零刻度线处于同一水平面，安放时基座10孔洞与垫板11间空隙用凡士林14填充防止漏土；下护筒2的高径比为2，护筒底部外表面设有螺纹以便连接于基座10孔洞内，且螺纹位于零刻度线以下，护筒内壁沿竖向中点处往上设螺纹与上护筒3连接，筒壁厚1mm。上护筒3高度与下护筒2相同，上护筒3外径略小于下护筒2内径，筒壁厚0.5mm，外壁沿竖向中点处往下设螺纹从而实现在下护筒2内任意伸缩，若下护筒2已满足制样高径比需求，制样时可不再将上护筒3与下护筒2连接而单独采用下护筒2制样。
击实设备由不锈钢材料制成，传力杆6的下端与击实锤8连接，下端连接刨毛刀片9，传力杆6包括上部空心杆15、下部实心杆16和限位器7，下部实心杆16通过限位器7套接于上部空心杆15中且可在上部空心杆15内上下伸缩，并由限位器7调整传力杆6的总长度。传力杆6的上部空心杆15下端略偏上位置开设两个直径0.5mm的孔洞，孔洞沿空心杆15左右对称，且孔洞内壁预留螺纹，从而将限位器7插入孔洞以固定下部实心杆16；上部空心杆15外径为2mm，壁厚0.3mm，下部实心杆16直径略小于上部空心杆15内径，本实施例中二者相差0.1mm；上部空心杆15上端留有螺纹与刨毛刀片9连接，下部实心杆16下端同样设螺纹与厚圆饼状的击实锤8上表面中心点位置连接。
实施例2
以扰动黏性土为例，阐述利用实施例1中所述常规三轴试验扰动土体制样装置进行三轴试验扰动土体制样方法操作过程：
第一步：设备安装
①首先根据制样高径比和土样直径计算制样高度，若土样高度小于或等于下护筒2高度，可直接采用下护筒2制取土样，否则应联合上护筒3一起制作土样。此处针对更为复杂的情况，即联合采用上护筒3和下护筒2的制样过程进行阐述；
②通过内、外螺纹将下护筒2上端与上护筒3下端连接，根据制样高度调整护筒的总高度，且护筒总高度比试样高2cm；
③将下护筒2下端对准基座10孔洞，通过螺纹将二者连接，拧紧后下护筒2外壁零刻度线应与基座10上表面平齐；
④采用合适的筒状不透水橡胶模4(厚度0.2mm，长度大于试样7cm)从连接好的护筒和基座10的上部或下部穿入，从另一端穿出，将两端多出的部分反套于护筒和基座10的外壁上；
⑤取经处理的垫板11置于整洁、平滑且干燥的制样台面上，垫板11上表面放透水石12，且将垫板11和透水石12的外壁上涂凡士林14；
⑥将已套上橡胶模4的基座10置于透水石12和垫板11之上，基座10内壁与垫板11和透水石12外壁间空隙由已涂凡士林14密封，并确保透水石12上表面与下护筒2外壁零刻度线平齐；
⑦用吸气球将橡胶模4与护筒间气体通过上护筒3和下护筒2外壁预留排气孔5吸出，使橡胶模4紧贴护筒内壁；
⑧松开传力杆6上的限位器7，根据护筒总高度调整传力杆长度，待下部实心杆16伸出长度确定后，再拧紧限位器7以固定下部实心杆16，并将击实锤8和刨毛刀片9分别连接于传力杆6的下端和上端。
第二步：土样击实
①根据土样体积和制样密实度对应的土体干密度称取所需的单个土样所需土体的总质量，并按照试验规程要求将称量土体分为等质量的5份；
②取第一份土体缓慢送入护筒内，用传力杆6上端的刨毛刀片9摊平，借助护筒外壁刻度线13读取填入土样松铺厚度h，根据土样干密度计算击实后的土样高度h1，松铺厚度减去击实后高度h-h1即为本次应击实的高度；
③击实时，击实锤8底面与土样表面的距离保持恒定，不得使击实锤8忽高忽低而致土样密实度不均匀，具体落距根据预试验确定，落距的控制借助于护筒外壁刻度线13；
④待该份土样击实到预定高度h1后，取第2份土样缓慢送入护筒内，后续步骤与第一份土样相同，第3份...第5份依次类推，均按照上述步骤进行击实；
⑤击实过程中，由于护筒内土体高度在不断增加，因此可根据需要，利用限位器7调整传力杆6的总长度。
第三步：制样装置拆除
①待各份土样填入、击实完成后，将试样置于常规三轴试验仪底座之上，进行充水饱和；
②试样完全饱和后，将事先套于上护筒3和基座10外壁上的橡胶模4拨回，将基座10连同护筒一起从试样上轻轻取下，后将透水石12下垫板11取出；
③试样连同透水石12一起放置于常规三轴试验仪底座，试样下部多出橡胶模4套在三轴仪底座上并用皮筋缠紧，上部多出橡胶模4同样用橡皮筋缠于加载板上。
上述步骤完成后，土样的制作完成，下一步将对土样进行固结、加载等。
实施例3
本实施例中所述的常规三轴试验扰动土体制样装置的各部分结构与连接关系均与实施例1中相同，不同的技术参数为：
1)排气孔5的孔径为1.7mm；
2)基座10的高度为3cm；
3)孔洞直径略大于下护筒2外径，二者相差0.25mm；
4)垫板11横截面直径与透水石12相同且略小于基座10孔洞直径，二者相差0.4mm；
5)下护筒2的高径比为2.2；
6)下护筒2的筒壁厚1.2mm；
7)上护筒3的筒壁厚0.7mm；
8)传力杆6的上部空心杆15下端略偏上位置开设两个直径0.7mm的孔洞；
9)上部空心杆15外径为2.3mm，壁厚0.4mm；
10)下部实心杆16直径略小于上部空心杆15内径，二者相差0.15mm。
实施例4
本实施例中利用实施例3中所述常规三轴试验扰动土体制样装置进行三轴试验扰动土体制样方法操作过程与实施例2中相同，不同的技术参数为：
1)根据制样高度调整护筒的总高度，且护筒总高度比试样高2.5cm；
2)橡胶模4的厚度0.3mm，长度大于试样8cm；
3)按照试验规程要求将称量土体分为等质量的6份。
实施例5
本实施例中所述的常规三轴试验扰动土体制样装置的各部分结构与连接关系均与实施例1中相同，不同的技术参数为：
1)排气孔5的孔径为2mm；
2)基座10的高度为4cm；
3)孔洞直径略大于下护筒2外径，二者相差0.3mm；
4)垫板11横截面直径与透水石12相同且略小于基座10孔洞直径，二者相差0.5mm；
5)下护筒2的高径比为2.5；
6)下护筒2的筒壁厚1.5mm；
7)上护筒3的筒壁厚1mm；
8)传力杆6的上部空心杆15下端略偏上位置开设两个直径1mm的孔洞；
9)上部空心杆15外径为2.5mm，壁厚0.5mm；
10)下部实心杆16直径略小于上部空心杆15内径，二者相差0.2mm。
实施例6
本实施例中利用实施例5中所述常规三轴试验扰动土体制样装置进行三轴试验扰动土体制样方法操作过程与实施例2中相同，不同的技术参数为：
1)根据制样高度调整护筒的总高度，且护筒总高度比试样高3cm；
2)橡胶模4的厚度0.5mm，长度大于试样9cm；
3)按照试验规程要求将称量土体分为等质量的8份。