一种可利用外接气泵制取高岭土三轴试样的装置的制作方法

本实用新型涉及一种高岭土三轴试样的制备装置，尤其涉及一种可利用外接气泵制取高岭土三轴试样的装置及方法，该装置可用于便携式的气泵加载与较低成本的加工，可用于高岭土三轴剪切、动力循环等试验的制样制备。

背景技术：

高岭土是一种常见的黏土矿物，由于其渗透性较好、容易标准化，故广泛应用于土工模型试验、土工离心机试验中，主要为模拟城市基坑、隧道、海洋桩基、海底管道等所在的黏土地层。其力学参数常用室内三轴试验标定。高岭土由泥浆到成样的过程需要成样装置，其原理类似重塑黏土的固结装置。经过文献调研，发现已有专利主要集中于一般黏土的重塑土制样，如冷艳秋等(2015)，钱财富等(2014)，张先伟和孔令伟(2012)，等等。这些重塑土样制备装置有的用砝码加载，有的尺寸较小不能使土颗粒充分流动沉淀，因此不适合于高岭土三轴试样的制备。另外，国外同行有专门的气压加载制备高岭土三轴试样的装置，如Wang Y.H.&Siu W.K.(2006)，其装置材料用到精加工的不锈钢，使得装置成本很高，不适用于国内实验室。本实用新型旨在基于国外制备高岭土三轴试样的原理基础上，通过改造内部结构与材料，大大降低高岭土三轴试样制备装置的成本，同时填补国内相关技术的空白。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题主要包括以下几点：1)现在国内常用的高岭土三轴制样装置，其加载源主要为砝码，这种加载方式无法实现加载数值的连续变化，可能会降低成样的质量。同时砝码十分笨重，导致制样装置的可移动性降低。另外，砝码加载不能用于小直径的制样装置(目前主流三轴试样的直径是38毫米，砝码无法加载)，而且其自身重量产生的荷载十分有限；2)国外采用的高岭土三轴制样装置十分昂贵，其采用的高精度加工以及简洁的内部构造使成本大大提高。

本实用新型的可利用外接气泵制取高岭土三轴试样的装置，包括气压控制装置和固结成样装置；

所述的气压控制装置包括外接气压控制阀、气缸、活塞杆，其中，活塞杆的上端头设有带暗槽的活塞板，活塞板上开有引流孔，活塞板暗槽内设置有一片透水石；控制阀用于控制装置内气压加载与卸载；

所述的固结成样装置由透明的有机玻璃圆筒外罩、固结筒上盖板、固结筒底座三部分组成，活塞杆贯穿固结筒底座同轴设于有机玻璃圆筒外罩内，有机玻璃圆筒外罩与固结筒上盖板、活塞板、固结筒底座各通过一个橡胶密封圈密封；固结筒上盖板上开有通孔连接引流管，固结筒上盖板下设置有一片透水石，在固结筒底座上开有下引流孔用于外接导管排出土体固结产生的自由水，固结筒上盖板、固结筒底座之间通过若干根均布的刚性螺杆紧固，固结筒底座与气缸的外壳之间通过固结筒气缸过渡板固定连接。

在所述的活塞杆与活塞板之间、活塞杆与气压控制装置之间、外接气压控制阀与气缸之间、过渡板与固结筒底座及气压控制装置之间均采用防水连接。

所述的控制阀具体结构为：在阀体上开有由一路转为上下两路的通孔，从而形成上下两路进气通道，在通孔内设置有滑块，在阀体上设有活动扳手，活动扳手与滑块相连用于控制滑块移动以实现对进气通道的开启与关闭，进气通道的进气孔外接气泵，活塞杆的下端头将气缸隔为上下两腔体，上进气通道的出口与气缸下腔体相连通，下进气通道的出口与气缸上腔体相连通，在进气通道的尚未分支处开有通孔通向大气。当滑块移动至下进气通道中将该通道封堵，外接气压将从上进气通道进入气缸下腔体，此时通入的气体使气筒内下部分的气压上升，推动活塞杆上升；反之，当滑块将上进气通道堵塞，则气体从下进气通道进入气缸上腔体，从而增大其内气压，使活塞杆下移。当扳手处于中间档，即滑块处于进气通道分叉处将上下两个进气通道都封堵时，气体只能从与大气连通的通孔处流出，此时活塞杆保持静止。

所述活塞杆的长度大于有机玻璃圆筒外罩的高度。

向外接气压控制装置施加荷载的气压源为挂壁式正负压装置或可移动气泵。

应用上述的装置制取高岭土三轴试样的方法，包括如下步骤：首先连接好外接气压，通气，检查外部管子的气密性，检查无误后将有机玻璃圆筒外罩放到固结筒底座的暗槽上，暗槽上放有橡皮密封圈；

调节控制阀加压，稳定住有机玻璃圆筒外罩，使得活塞杆向上运动，当活塞杆到达最上的位置后，将浸湿的滤纸放在活塞板的透水石上，调节控制阀卸载，使活塞杆落至最底端并同时保证滤纸紧贴透水石，然后把高岭土泥浆灌入固结筒内至距离固结筒顶端～厘米处时停止灌浆。把另一张浸湿的滤纸放到上盖板的透水石表面，把上盖板盖到有机玻璃圆筒外罩上并采用橡胶圈密封，然后穿入刚性螺杆，将上盖板与固结筒底座拧紧，调节控制阀加压，使活塞杆向上推，当泥浆上表面刚好与上盖板下的滤纸接触后，关闭控制阀使得活塞杆静止至当前位置；根据预先确定的固结加载的总级数与每一级的加压大小，调节控制阀至相应压力逐级加压进行制样，制样完成后，松开刚性螺杆，拆卸上盖板，利用活塞杆将试样推离固结筒。

控制阀上进气口处最好与气压表连接，从而可以实时获得气压产生的荷载大小。控制阀通过控制气缸上下腔体的气压推动活塞实现对试样的加压与装置卸载。

活塞板上有引流板和暗槽，可在此放置透水石。土体固结时产生的水从引流板上的小孔流出，在腔体中汇集，然后从下引流孔接出的管子流出，上盖板底部有暗槽和透水石，保证试样上下排水。整个装置的防水十分重要。试样向下排出的水在下引流孔上方积聚，因此活塞杆与过渡板之间需要加设密封圈防水。活塞板与活塞杆由螺纹连接，此处防锈较难做且与透水石直接接触，因此需要在螺孔中经常添加凡士林。另外，控制阀、过渡板与气缸的连接缝要尽可能小，必要时做额外防水措施。为增加上排水面的排水能力，可将上引流管与负压相连，类似真空预压固结法的原理加速固结。由于设计的气缸与活塞板的有效面积(即与高岭土的接触面)相等，故外接气压表的读数无需换算，即试样所受的固结压力大小。另外，有机玻璃罩的加工圆度要求较高，否则会造成活塞板与罩身间的摩擦力不均匀以及发生漏水、漏泥的情况。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型采用外接气压给试样施加固结压力，该种加压方式具有以下优点：可连续调节压力数值，较轻便、可移动，可用于小尺寸三轴试验的制样，可同时给一批制样装置加压，充分利用实验室已有装置、无浪费物等。

2.采用了有机玻璃罩与气缸连接的设计，在相同长度下若采用钢材则必须精加工，本方案相较之下成本显著降低，且制样效果满足试验要求。利用有机玻璃制作固结筒还有两个优点，一是可以满足酸、碱、盐环境下的制样要求，二是透明的有机玻璃有利于试验者观察成样的高度变化情况。

3.作为本实用新型的改进，为实现高岭土制样的全自动化，可将控制阀部分由人工控制改为程序控制，从而实现标准化制样，减小人为因素产生的制样误差。

附图说明

图1为本实用新型可利用外接气泵的高岭土三轴制样装置结构示意图，

图2为本实用新型中控制阀的具体结构示意图；

其中：气压控制装置1、外接气压控制阀1-1、滑块1-1-1、通孔1-1-2、活塞杆1-2、活塞板1-2-1、引流孔1-2-2、透水石1-2-3、有机玻璃圆筒外罩2-1、橡胶密封圈2-1-1、固结筒上盖板2-2、引流管2-2-1、刚性螺杆2-2-2、固结筒底座2-3、固结筒-气缸过渡板2-3-1、下引流孔2-3-2。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

如图1所示，本实用新型提供一种可利用外接气泵制取高岭土三轴试样的装置，包括气压控制装置1和固结成样装置2两部分，施加荷载的气压源可为挂壁式正负压装置或可移动气泵。所述的气压控制装置1由外接气压控制阀1-1、气缸、活塞杆1-2组成。其中，气缸活塞杆1-2的上端头由带暗槽的活塞板1-2-1、引流孔1-2-2以及透水石1-2-3组成，活塞板1-2-1外侧有一圈橡胶密封圈2-1-1。所述的固结成样装置2由有机玻璃圆筒外罩2-1、固结筒上盖板2-2、固结筒底座2-3三部分组成。其中，有机玻璃圆筒外罩2-1通过上、中、下三处的橡胶密封圈2-1-1分别与固结筒上盖板2-2、活塞板1-2-1、固结筒底座2-3接触；固结筒上盖板2-2上开有通孔连接引流管2-2-1，固结筒上盖板2-2下设置有一片透水石，在固结筒底座2-3上开有下引流孔2-3-2用于外接导管排出土体固结产生的自由水，固结筒上盖板2-2、固结筒底座2-3之间通过若干根均布的刚性螺杆2-2-2紧固，固结筒底座2-3与气缸的外壳之间通过固结筒-气缸过渡板2-3-1固定连接。

固结成样装置主体可以为铝质材料，有机玻璃圆筒外罩2-1由聚丙烯制成，透明的筒身可观察成样高度的变化情况；多处橡胶密封圈的设置能保证固结土样的上下面以及固结筒底座不漏水、漏泥；透水石1-2-3可以采用透水金属材料，保证酸性、碱性孔隙液不会对透水石产生影响。活塞杆1-2与活塞板1-2-1之间、活塞杆1-2与气压控制装置1之间、外接气压控制阀1-1与气压控制装置1之间、过渡板2-3-1与固结筒底座2-3及气压控制装置1之间的连接皆需做防水处理。

所述活塞杆1-2的长度应大于有机玻璃圆筒外罩2-1的高度，保证土样制成后可以顺利推出。

如图2所示：控制阀1-1具体结构为：在阀体上开有由一路转为上下两路的通孔，从而形成上下两路进气通道，在通孔内设置有滑块1-1-1，在阀体上设有活动扳手，活动扳手与滑块相连用于控制滑块移动以实现对进气通道的开启与关闭，进气通道的进气孔外接气泵，活塞杆的下端头将气缸隔为上下两腔体，上进气通道的出口与气缸下腔体相连通，下进气通道的出口与气缸上腔体相连通，在进气通道的尚未分支处开有通孔通向大气，该通孔可以设有阀门来控制该通孔的通断。当滑块移动至下进气通道中将该通道封堵(如图2中状态)，外接气压将从上进气通道进入气缸下腔体，此时通入的气体使气筒内下部分的气压上升，推动活塞杆上升；反之，当滑块将上进气通道堵塞，则气体从下进气通道进入气缸上腔体，从而增大其内气压，使活塞杆下移。当扳手处于中间档，即滑块处于进气通道分叉处将上下两个进气通道都封堵时，气体只能从与大气连通的通孔处流出，此时活塞杆保持静止。

本实用新型的工作过程如下：上一次用好的装置清洗后，整个装置的各部件是分离的。首先连接好外接气压，通气，检查外部管子的气密性，检查无误后将有机玻璃圆筒外罩2-1放到固结筒底座2-3上，通过橡皮密封圈密封使固结筒2-1与底座2-3之间虽未压紧但不会漏泥。调节控制阀1-1加压，即通过扳手调节滑块封堵下进气通道，稳定住有机玻璃圆筒外罩2-1，使得活塞杆1-2向上运动，当活塞杆到达最上的位置后，将浸湿的滤纸放在活塞板的透水石1-2-3上，调节控制阀使得气缸下腔体卸载，使活塞杆1-2落至最底端并同时保证滤纸紧贴透水石，然后把高岭土泥浆灌入固结筒2-1内至距离固结筒顶端1～2厘米处时停止灌浆。把另一张浸湿的滤纸放到上盖板2-2的透水石表面，把上盖板2-2盖到有机玻璃圆筒外罩2-1上并采用橡胶圈密封，然后穿入刚性螺杆2-2-2，将上盖板与固结筒底座拧紧，调节控制阀加压，使活塞杆向上推，当泥浆上表面刚好与上盖板2-2下的滤纸接触后，关闭控制阀1-1使得活塞杆1-2静止至当前位置；根据预先确定的固结加载的总级数与每一级的加压大小，调节控制阀至相应压力逐级加压进行制样，制样完成后，松开刚性螺杆2-2-2，拆卸上盖板2-2，利用活塞杆1-2将试样推离固结筒。

制样过程中只需通过改变外接气压的大小来增大固结压力。整个制样过程大概需要3～5天，完成成样后松开刚性长螺杆2-2-2并取出，拆卸上盖板2-2，然后加大外接气压的大小，利用提升活塞杆1-2将试样推离固结筒，注意该过程需要用手稳定住有机玻璃圆筒外罩2-1。取走土样后将整个制样装置完全拆卸，最后清洗各个部分。