一种适用于注浆模型试验砂土体取样装置及使用方法与流程

本发明涉及一种适用于注浆模型试验砂土体取样装置及使用方法。

背景技术

地质力学模型试验是岩石力学研究领域的重要手段，尤其是在理论尚不完备、非连续数值模拟技术尚未成熟的现阶段，模型试验能形象、直观地模拟工程结构的受力、变形及破坏的全过程，全面、真实地模拟复杂的地质构造，为建立新的理论和数学模型提供依据，因此地质力学模型试验在深部岩体力学研究中占据重要地位。

注浆工程是利用压力将某些能固化的浆液注入岩土地基的裂缝或孔隙中，通过置换、充填、挤压等方式以改善其物理力学性质的方法。目前，注浆理论研究已有较大的突破，但由于受到土体介质非均匀、各向异性的影响，浆液的扩散流动规律及加固效果往往不能仅通过理论手段进行准确地预测，而被注介质的力学状态又极大程度上受到浆脉的扩散及分布状态影响，因此模型试验仍然成为探究软弱土体加固过程中不可或缺的重要试验手段。但是，大多数注浆模型试验仅关注于注浆过程中浆液自身的压力及流量变化，以及被注介质内部应力场、位移场的变化过程，对于已加固砂土体的准确取样以测定其实际抗压、抗剪强度等方面，由于模型试验常常遭遇到无法使用取芯机械，仅靠人工开挖至某监测点，后经切割打磨等方式获取标准岩土体试样的方法，取样过程费时费力。因此，如何直接、有效地获取模型试验中设计位置处的岩土体试样，完善相应的岩土体加固强度指标，对于推动注浆模型试验的发展有较大的现实意义。

技术实现要素：

本发明为了解决以上问题，提出了一种适用于注浆模型试验砂土体取样装置及使用方法，本发明具有：整体稳定性较好不易变形，对原位砂土体原始应力状态影响较小，取样无需处理可直接进行抗压试验等优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于注浆模型试验砂土体取样装置，包括连通桶体、承压架，旋转刀盘三部分组成；

所述的连通桶体的上、下端面敞口，在桶体的侧壁上开设有多个孔洞；所述的承压架包括两个，两个承压架从连通桶体的上、下两个端部伸入到连通桶体内与连通通体连接；所述的旋转刀盘也包括两个，两个旋转刀盘分别设置于上、下两个承压架端部预设的沟槽内，且可以相对于所述的承压架端部自由转动。

进一步的，所述的连通桶体内部空间制作为标准抗压试件尺寸，方便对取样直接进行抗压试验，使用时筒身内壁应预先喷涂一层脱模剂，方便桶内试样的脱模。桶体沿壁开设孔洞，使内部砂土体试样与外界有足够大的接触面积，确保浆液能够扩散进入并加固装置内的砂土体，保证内外土体的应力应变过程较为一致。

在所述桶体的桶身外壁的中部设置一圈突出平台，作为旋拧上下两个承压架时筒身的固定持力部分；在桶体的上端和下端设有与承压架配合的外螺纹。

进一步的，所述的承压架为旋转钢制部件，上下两个承压架结构形式完全相同，且两个承压架上下对称设置。

每个承压架包括上、下两部分，其中上部分为刀盘安置段，该刀盘安置段上半部分用于安放、固定顶部的旋转刀盘，下半部分的内壁设置内螺纹，该内螺纹与桶体上的外螺纹配合，确保承压架自连通桶体端部伸入后通过螺纹将二者固定连接；下部分为环向梯形梁段，沿筒壁方向沿“米”字形设置了8段梯形梁。考虑到固端约束效果，8段梯形梁均设置为上细下粗形式，顶部连接至预留刀盘安置段结构，下段通过一段环形深圈梁连接，保证组装后构件的整体稳定性，使桶内砂土体不会产生沿半径方向的不规则变形。

所述的梯形梁包括内梁和外梁，所述的内梁和外梁均为上粗下细形式，且内梁和外梁之间形成供连通桶体穿过的间隙。

此外，该环向梯形梁段还兼用于侧壁土体切割，当注浆模型试验完成后，由于连通桶体外壁预留了孔洞，势必会使部分浆液结石体留存在侧壁孔洞上使构件侧壁形状不规则。此时，通过旋拧承压架部件，可通过密布的钢制环形梁完成对试件侧壁的均匀切割，在卸除承压架构件的同时去除掉了筒壁上多余土体，梯形梁上细下粗的设计也便于在卸除承压架时可提供更大的力臂。

进一步的，所述的旋转刀盘安装于承压架顶端预留的孔槽内，其包括上、下两层，上层为结构梁段，下层为切割刀盘，结构梁段和切割刀盘均为“米”字形结构，所述的切割刀盘设置在结构梁段的下方且与结构梁段相连，且切割刀盘和结构梁段外伸出的8个外伸部上下对应，且均为圆柱形；外伸部的端部为半球形结构；以保证刀盘在承压架上预留的圆形滑动槽内旋转时畅通无阻。

其中，上层为结构梁段，既用于固定刀盘位置，使之不会脱落，又可在装置埋入模型砂土体后进行顶部及底部的承压，使桶体两端不会产生较大变形，保证装置结构的整体稳定性；

下层为切割刀盘，与构件直接接触，用于切除试件上下两端多余砂土体，保证取样表面的光滑。

进一步的，在所述的旋转刀盘顶部设有旋转把手。

基于上述装置的使用方法，包括以下几个步骤：

步骤1.将连通桶体与上、下两个带有旋转刀盘的承压架连接；

步骤2.随模型试验的砂土体填料过程，将本取样装置埋设至设计位置，同时对装置内、外填料，保证内外砂土体一致；

步骤3.待注浆模型试验结束后，对被注砂土体开挖，于设计取样点获得本装置后，去除掉装置表面的注浆结石体；

步骤4.旋拧上下两端部的旋转刀盘使之切割装置内部试样体表面注浆结石体，保证试件上下两端平整；

步骤5.旋下两端带有旋转刀盘的承压架，同时切割下筒壁上多余的结石体；

步骤6.注浆加固体试样质地较为坚硬时，使用螺丝刀将连通桶体壁上孔洞边缘处的注浆结石体捣松。

步骤7.使用千斤顶上，采用缓速加载的方式，将桶内的注浆结石体试样取出，即取得光滑平整的试样。

步骤8.将试样直接进行抗压试验，得到其强度，完善注浆模型试验结果。

步骤9.清理装置，以备下次使用。

与现有装置相比，本发明的有益效果为：

1.在连通桶体沿壁开设孔洞，使内部砂土体试样与外界有足够大的接触面积，确保浆液能够扩散进入并加固装置内的砂土体，保证内外土体的应力应变过程较为一致。装置对浆液在砂土体中的扩散过程影响较小，同时保证了模型试验砂土体的应变连续性。

2.注浆结石体取样尺寸为标准试样尺寸，通体平整，无需复加工，可直接进行抗压试验。

3.该装置通过螺纹将连通桶体和旋转刀盘相连，且两个旋转刀盘分别设置于上、下两个承压架端部预设的沟槽内，因此自身整体性较好，不易在外力作用下产生较大变形。

4.部件精简，装置尺寸较小，操作简单，便于批量化制作。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的适用于注浆模型试验砂土体取样装置主视图；

图2为本发明的适用于注浆模型试验砂土体取样装置剖面图；

图3(a)、(b)、(c)为本发明的适用于注浆模型试验砂土体取样装置连通桶体的主视图、剖面图与俯视图；

图4(a)、(b)为本发明的适用于注浆模型试验砂土体取样装置承压架的主视图与俯视图；

图5(a)、(b)为本发明的适用于注浆模型试验砂土体取样装置旋转刀盘的主视图与俯视图；

图6(a)、(b)为本发明的适用于注浆模型试验砂土体取样装置承压架与旋转刀盘组合装配后的主视图、剖面图与俯视图；

1——连通桶体；11——孔洞；12——螺纹；13——突出平台；2——承压架；21——刀盘安置段；22——环向梯形梁段；23——环形深圈梁；3——旋转刀盘；31——旋转把手；32——结构梁段；33——切割刀盘；34——球形梁端

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于注浆模型试验砂土体取样装置，包括连通桶体1、承压架2、旋转刀盘3三部分组成；具体的结构如下：

连通桶体的上、下端面敞口，连通桶体内部空间制作为标准抗压试件尺寸，方便对取样直接进行抗压试验，使用时筒身内壁应预先喷涂一层脱模剂，方便桶内试样的脱模。桶体沿壁开设孔洞11，使内部砂土体试样与外界有足够大的接触面积，确保浆液能够扩散进入并加固装置内的砂土体，保证内外土体的应力应变过程较为一致。

在所述桶体的桶身外壁的中部设置一圈突出平台13，作为旋拧上下两个承压架时筒身的固定持力部分；在桶体的上端和下端设有与承压架配合的外螺纹12，用于连接承压架。

连通桶体1的材料可以选用钢制。

承压架2为旋转钢制部件，上下两个承压架2结构形式完全相同，且两个承压架2上下对称设置。

每个承压架2包括上、下两部分，其中上部分为刀盘安置段21，该段上半部分用于安放、固定顶部的旋转刀盘，下半部分的内壁设置内螺纹，该内螺纹与桶体上的外螺纹配合，确保承压架自连通桶体端部伸入后通过螺纹将二者固定连接；下部分为环向梯形梁段22，沿筒壁方向沿“米”字形设置了8段梯形梁。考虑到固端约束效果，8段梯形梁均设置为上细下粗形式，顶部连接至预留刀盘安置段结构，下段通过一段环形深圈梁22连接，保证组装后构件的整体稳定性，使桶内砂土体不会产生沿半径方向的不规则变形。

所述的环向梯形梁段包括内梁和外梁，所述的内梁和外梁均为上粗下细形式，且内梁和外梁之间形成供连通桶体穿过的间隙。

此外，该环向梯形梁段还兼用于侧壁土体切割，当注浆模型试验完成后，由于连通桶体外壁预留了孔洞，势必会使部分浆液结石体留存在侧壁孔洞上使构件侧壁形状不规则。此时，通过旋拧承压架部件，可通过密布的钢制环形梁完成对试件侧壁的均匀切割，在卸除承压架构件的同时去除掉了筒壁上多余土体，梯形梁上细下粗的设计也便于在卸除承压架时可提供更大的力臂。

进一步的，旋转刀盘安装于承压架顶端预留的孔槽内，其包括上、下两层，上层为结构梁段32，下层为切割刀盘33，结构梁段和切割刀盘均为“米”字形结构，所述的切割刀盘设置在结构梁段的下方且与结构梁段相连，且切割刀盘和结构梁段外伸出的8个外伸部上下对应，且均为圆柱形；外伸部的端部为半球形结构(即附图5(a)中的球形梁端)；以保证刀盘在承压架上预留的圆形滑动槽内旋转时畅通无阻。

其中，上层为结构梁段，既用于固定刀盘位置，使之不会脱落，又可在装置埋入模型砂土体后进行顶部及底部的承压，使桶体两端不会产生较大变形，保证装置结构的整体稳定性；

下层为切割刀盘，与构件直接接触，用于切除试件上下两端多余砂土体，保证取样表面的光滑。

进一步的，在所述的旋转刀盘顶部设有旋转把手31，通过旋转把手驱动整个旋转刀盘旋转。

具体的使用方法如下：

1.在连通桶体(1)内壁喷涂脱模剂，检查承压架顶部内置的旋转刀盘(3)是否可自由旋转，若有阻力则沿结构梁段(32)向沟槽内滴入润滑油。

2.将上下两段承压架(2)分别沿连通桶体(1)端部伸入，使之通过螺纹(12)结构紧密连接。

3.正常进行模型试验砂土体填料工作。当填土达到设计高度时，将本取样装置埋设至设计位置处，继续对模型试验砂土体填料，保证本装置内外砂土体材料及密实状况一致。

4.待注浆模型试验结束后，对被注砂土体开挖，于设计取样点获得本装置后，去除掉覆裹于本装置表面的注浆结石体。

5.旋转上下两端部的旋转把手(31)，旋转刀盘(33)使之切割装置内部试样体表面不均匀的注浆结石体，保证试件上下两端平整。

6.旋下两端带有旋转刀盘的承压架(2)，同时使其切割下附着于筒壁上多余的结石体。

7.当注浆加固体试样质地较为坚硬时，使用螺丝刀沿连通桶体壁将孔洞(11)浅部范围的注浆结石体捣松，便于脱模。

8.将连通桶体置于千斤顶上，采用缓速加载的方式，将桶内的注浆结石体试样取出，即取得光滑平整的注浆结石体试样。

9.将试样直接进行抗压试验，得到其强度，完善注浆模型试验结果。

10.清理装置，以备下次使用。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。