本发明涉及一种高岭土空心圆柱试样的制备装置，特点是可用于便携式的气泵加载与较低成本的加工，可用于高岭土空心圆柱扭剪试验的试样制备。
背景技术：
高岭土是一种常见的黏土矿物，由于其拥有较高的渗透性、力学特性的变异性较小、商品化程度较高，故广泛应用于土工模型试验、土工超重力离心试验中，主要用于模拟城市基坑、地铁隧道、海洋桩基、海底管道等工程结构物周围的黏土地层。通过开展空心圆柱扭剪试验，研究人员得以确定高岭土在复杂应力条件下的力学特性，提出相应的高岭土本构模型，实现更精确、更科学的土工数值模拟分析过程。高岭土由泥浆到制成空心圆柱试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，发现已有的空心圆柱试样制备装置主要集中于块状黏土的钻削、切削、击实工具与重塑黏土的预压成形设备。对于已有的重塑黏土空心圆柱试样制备过程，现有的几种装置与方法都存在一定缺陷：1)先将泥浆制备为重塑黏土块，然后通过钻削、切削制成空心圆柱试样，如王保光等(2015)、王鑫等(2015)。这种制备方法会对土样产生极大扰动，使之力学特性的离散性加大，另外预先要制备大体积重塑黏土块，导致制备时间加长、土样浪费。2)利用外力加载或真空预压装置一次性成样，前者如严佳佳等(2016)，后者如沈扬等(2014)。这类方法虽然可以一次性成样但仍有缺点，如所需外荷载非常大，导致加载系统有安全隐患，而真空预压一次性成样的制样效果不佳，并且相比于正气压，产生较大负压更加困难。3)利用气泵加载制取重塑黏土块，如谷川等(2015)。该种方法有效解决了砝码加载难于施加高压的缺点，但必须与钻削器配合才能制备空心圆柱试样。本发明基于已有制备高岭土常规三轴试样的设备原理，公开了一种可利用外接气泵制取高岭土空心圆柱试样的装置，克服了传统设备扰动大、加载难、成样效果差等缺点。
技术实现要素：
本发明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空心圆柱试验制样装置，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，砝码产生的加载量级十分有限；2)实现空心圆柱试样的一次性制备，避免二次切削、扰动与浪费，并配合改进的使用方法，提高试样的成样效果；3)提高设备耐久性及气密性。
一种可利用外接气泵制取高岭土空心圆柱试样的装置，包括盖板、外筒、活塞、可拆卸导管和内筒；
所述的内筒上端封闭，下端设有凸缘，在凸缘上开有两个对称的圆孔，外筒上下两端均设有凸缘，套置于内筒上，盖板盖设于外筒上端，且盖板下表面中心设有与内筒上端相配合的凹槽，盖板与外筒上端螺栓紧固，外筒下端与内筒下端通过螺栓紧固，使内、外筒之间形成密闭的环形内腔，在位于环形内腔的盖板下表面开有用于嵌入透水石的环形凹槽，活塞呈环状设置于环形内腔中，活塞顶部开有用于嵌入透水石的环形凹槽，在活塞上对称的开有两个竖直的引流孔，每个引流孔末端均设有螺纹，各与一可拆卸导管的一端螺纹连接，两根可拆卸导管与内筒上开设的两个圆孔相对应，导管的另一端穿过圆孔将产生的液体导出装置，导管与圆孔之间通过橡胶圈密封；在外筒凸缘上开有与环形内腔连通的进气口，进气口与外接气泵相连。
所述的活塞与环形内腔壁通过橡胶圈实现密封。
此外，在所述的呈环状的活塞内环面及外环面上还可以均开有暗槽，用于涂抹凡士林以防漏水漏气。
所述的盖板上开有出水孔，连接盖板上透水石上表面，另一端连接导管，可以将制样时产生的自由水及时排出。
所述的可拆卸导管的下端套有弹簧，导管下端面与弹簧下端连接，保证制样完成后利用气压将试样推出装置时活塞不会脱离装置。
所述的盖板与外筒上凸缘之间、外筒下凸缘与内筒下凸缘之间均通过橡胶圈密封，盖板与外筒间的橡胶圈能保证制样过程中装置上表面不漏水不漏泥，内外筒之间的橡胶圈、导管与内筒间的橡胶圈、活塞的橡胶圈及暗槽设计均用以保证气密性。
所述的外接气泵为挂壁式正负压装置或可移动气泵，外接气泵与装置进气口之间可连接气压表以实时获得气压产生的荷载大小。
本发明的装置通过外接气压泵向活塞下方的环形内腔加压，产生极大压强从而推动活塞向试样施加荷载，土体固结时产生的水从盖板上的透水石与活塞上的透水石及其相连导管排出。
本装置主体可以均采用不锈钢材料。透水石采用透水材料，保证酸性、碱性孔隙液不会对透水石产生影响，其余关键连接点处均有防水处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明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，可产生较大加载压力，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.相比于已有的空心圆柱试样一次性成样装置，利用本发明设备及其优化成样方法能得到成样效果更好的试样。
3.可以采用全钢材设计，设备耐久性较高，可以满足酸、碱、盐环境下的制样要求。
4.作为本发明的改进，为实现高岭土空心圆柱制样的全自动化，可将进气控制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为一种可利用外接气泵制取高岭土空心圆柱试样的装置结构示意图，
图2～图5分别为盖板、外筒、活塞、内筒的结构示意图。
其中：
盖板1，包括环状透水石1-1、盖板橡胶密封圈1-2、螺栓孔1-3；
外筒2，包括螺栓孔2-1、橡胶密封圈暗槽2-2；
活塞3，包括环状透水石3-1、活塞橡胶密封圈3-2、暗槽3-3、活塞引流孔3-4、导管螺纹3-5；
可拆卸导管4；
内筒5，包括底座橡胶密封圈5-1、导管橡胶密封圈5-2、螺栓孔5-3、导管孔5-4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本实施例提供一种可利用外接气泵制取高岭土空心圆柱试样的装置，包括盖板1、外筒2、活塞3、可拆卸导管4和内筒5。施加荷载的气压源可为挂壁式正负压装置或可移动气泵。其中，盖板1底部为一圈环状透水石1-1，透水石1-1上方有暗槽并通过开设的出水孔和导管与外界相连，如此可在试样上表面排出土体固结产生的自由水。外筒2上下两端均设有凸缘，套置于内筒5上，环状透水石1-1的外侧有一圈橡胶密封圈1-2，其刚好与外筒2上表面的凹槽2-2对应。盖板1有六个螺栓孔1-3，与外筒2上表面的六个螺栓孔2-1对应。外筒2下表面的结构与上表面完全相同，凹槽2-2与螺栓孔2-1分别与内筒5凸缘底座上的橡胶密封圈5-1与螺栓孔5-3对应，盖板与外筒上端、外筒下端与内筒下端均通过螺栓紧固。内筒5的底座上还有一个进气孔、两个圆孔5-4，进气孔用于与外界气压源连接，使装置内腔产生正气压或负气压，使活塞上升或下降。两个圆孔即导管孔5-4，孔内设置有橡胶密封圈5-2，可拆卸导管4经由此处与外界连通，因此导管孔5-4与导管4的接触必须严实。导管4的上端是螺纹，与活塞下部的螺孔3-5对应；导管4的下端可放置弹簧，导管下端面与弹簧下端连接，用以防止施加正气压时活塞脱离装置内腔。
本发明的工作过程如下：上一次用好的装置清洗后，盖板1、外筒2、活塞3、导管4、内筒5几个部分是分离的。首先连接好外接气压，通气，检查外部管子的气密性，检查无误后组装装置：首先检查橡胶密封圈1-2、3-2、5-1和5-2的质量，检查无误后将可拆卸导管4通过导管螺纹3-5与活塞3连接。将环状透水石3-1放在活塞3的上部暗槽中，在暗槽3-3上涂抹凡士林(起到防漏水漏气的作用)。将内筒5放在支架上，并将活塞3放入内筒5中，使内筒5穿过活塞中间的空隙并与橡胶密封圈3-2紧密接触，保证导管4缓缓穿过导管孔5-4，活塞3最终与内筒5的底座接触。将外筒2罩在内筒5与活塞3的外部，外筒2的内壁与橡胶密封圈3-2紧密接触。待外筒2的下表面与内筒5底座接触后，利用螺栓孔5-3将两者连接固定。
将内筒5底座上的气压孔连接正压，利用气压将活塞3顶到制样内腔上部，在透水石3-1上贴上滤纸，滤纸和透水石大小需匹配。将气压孔连接负压，将活塞3抽到底部位置，整个过程需要两人用细长杆压制滤纸四周，防止滤纸和透水石3-1脱离。然后将调好的水土泥浆灌入内腔，灌到距离顶部仅有3cm左右，将盖板安装上，此时内筒2刚好嵌入盖板1的凹槽。对准螺栓孔2-1后拧上螺丝，拧螺丝过程需要保证对称拧，重复多次。完成后，将装置倒置，并用适当压力压活塞3，感到活塞3明显接触到泥浆时，停止施加气压。接着，确定固结加载的总级数与每一级的加压大小，将外接气压大小调节至第一级荷载，此后按照既定的固结时间和固结压力逐级施加，整个过程大约需要5天。试样成样后，将盖板1的螺丝拧开，卸掉盖板1，然后加大外接气压，通过提升活塞3将土样推出，取走土样后将整个制样装置完全拆卸，最后清洗各个部分。