本发明涉及土工试验设备及方法，具体涉及液态粘性土的三轴试样制备装置及制备方法。
背景技术：
土是自然界中一种非均质、多孔、多相的不连续介质，由于组成物质的多相性和复杂性，导致土的物理力学性质复杂多变。通过室内三轴试验，可以获得土体相关的物理力学参数，作为工程设计的重要依据。在进行三轴试验时，试样的制作十分重要，对于同一土质，在其他条件不变时，试样均匀性的差异将会导致试验结果的不同。现有技术中对粘性土进行三轴试验时，常用固结法制作试样，在风干土体中加蒸馏水，配制成大于液限的稀泥浆，然后倒入制样筒中，并在顶部施加静载使土样固结。此种方法的缺点在于泥浆的制备和倒入制样筒的过程中容易封闭气泡，且分次倒入泥浆的量不同，导致整个试样的均匀性不易控制。现有技术中申请公布号为cn107941586a的发明专利申请公开了一种粘性土抗拉强度实验圆柱形土样的制样方法，该发明的方法在模具内沿圆柱形土样的轴向分三层填装粘性土，每填好一层进行压实，同时通过在每一层土样端部插入加强筋的方法来加强该层端部强度，使土样分层接触面和施加拉力的方向平行，该发明虽然采用了分三层填装粘性土，再进行压实的方法制备圆柱形土样，但是并不能解决固结法粘性土三轴试验制作试样中存在的缺陷。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种使用方便，能够提高试样均匀性与可靠性的固结法三轴试样制备装置及方法。
本发明的固结法三轴试样制备装置，包括圆柱形的固结筒、直径与固结筒内径配合的圆柱形固结筒底板和固结筒顶盖，所述制备装置还包括用于改变固结筒底板与固结筒相对位置的垫块、固定架以及搅拌棒，所述固结筒的下端位于其内径与固结筒外径配合的固结筒套筒中，所述固结筒底板由贯穿固结筒套筒和垫块的固定杆固定于底座上；
所述固定架包括其上设有正方形开口的固定架顶板、其上设有圆形凹槽的固定架底板，以及用于连接固定架顶板与固定架底板的固定拉杆，所述圆形凹槽的几何中心处设有可与固结筒顶盖上设置的螺纹槽配合的螺杆。本发明一方面通过在固定杆上增加或减少垫块的数量来控制固结筒与固结筒底板的相对位置，实现均等地加深固结筒的深度，减少每次加入泥浆的差量，从而增加了整个试样的均匀性；另一方面，通过搅拌棒的分层、分次充分搅拌，缩短了气泡排出的距离，极大限度地降低了泥浆内封闭的气泡，同样有利于增加整个试样的均匀性。
进一步，本发明的固结法三轴试样制备装置，所述垫块为设有一开口的圆柱体，开口可方便地供固定杆穿过，从而方便地增加或减少固结筒套筒与底座之间垫块的数量，操作方便。
进一步，本发明的固结法三轴试样制备装置，所述固定杆的高度为垫块高度的整数倍。
进一步，本发明的固结法三轴试样制备装置，所述固结筒套筒底部设有一可供固定杆穿过的圆孔。
进一步，本发明的固结法三轴试样制备装置，所述固定拉杆分别于固定架的两端跟中间位置各设一根。
进一步，本发明的固结法三轴试样制备装置，所述固定拉杆两端分别设有螺纹，通过螺栓连接固定固定架顶板与固定架底板。
进一步，本发明的固结法三轴试样制备装置，所述固定架顶板上的正方形开口，其边长比固结筒套筒的外径大1-2cm。
进一步，本发明的固结法三轴试样制备装置，所述固定架底板上的圆形凹槽，其直径比固结筒的外径大1-2cm。
进一步，利用本发明的固结法三轴试样制备装置所述的方法，包括如下步骤：
1)将块状黏土用木碾或碎土器碾碎，若含水量较大时，可先风干至容易碾碎为止；
2)根据试验所需的土样数量，将碾碎后的土根据试验要求过筛后在土中加水调制成含水量适宜的浓糊状，将浓糊状土样置于敞口矩形塑料袋内，扎紧袋口，静置一昼夜。
3)首先将固结筒与固结筒套筒置于底座上，在固结筒底板上垫一块圆形滤纸，然后将步骤2)中的塑料袋剪一开口，使泥浆挤入固结筒内，并使泥浆上表面略低于固结筒的顶部，用搅拌杆搅拌；
4)充分搅拌后，将固结筒套筒缓缓抬高，在固结筒套筒与底座之间增加一垫块，再次将泥浆挤入固结筒内，同样使泥浆新的上表面略低于固结筒的顶部，用搅拌杆搅拌；
5)剩余各层的制作依次重复步骤4)，制成所需高度的样品后，在泥浆上表面垫一块圆形滤纸，再缓缓盖上固结筒顶盖并取出所有垫块，然后将整个装置倒置于固定架上，缓慢旋转，通过螺纹槽与螺杆配合连接使固结筒顶盖固定于固定架底板上，再在底座上施加静载使其固结，最终完成试样的整个制备过程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的一种固结法三轴试样制备装置及方法，通过设有一开口的垫块以及搅拌棒，一方面可以方便地增加或减少固结筒套筒与底座之间垫块的数量，从而方便地控制固结筒与固结筒底板的相对位置，实现均等地加深固结筒的深度，减少每次加入泥浆的差量，最终提高整个试样的均匀性；另一方面，通过搅拌棒的分层、分次充分搅拌，缩短了气泡排出的距离，极大限度地降低了泥浆内封闭的气泡，同样有利于增加整个试样的均匀性与可靠性。
附图说明
图1为本发明中的固结筒、固结筒底板、固定杆、固结筒套筒、垫块以及底座的结构示意图。
图2为搅拌棒的结构示意图。
图3为固结筒顶盖的结构剖视图。
图4为固定架的结构剖视图。
图5为固定架顶板的俯视图。
图6为固定架底板的俯视图。
图7为垫块的俯视图。
图8为固结筒套筒的剖视图。
图9为本发明使用状态图。
图中：1.固结筒，2.固结筒底板，3.固定杆，4.固结筒套筒，5.垫块，6.底座，7.搅拌棒，8.固结筒顶盖，9.固定架，10.螺栓，11.固定架顶板，12.固定拉杆，13.固定架底板，14.螺纹槽，15.圆形凹槽，16.螺杆，17.开口，18.正方形开口，19.圆孔。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1-8所示，本发明的一种固结法三轴试样制备装置，包括圆柱形的固结筒1、直径与固结筒1内径配合的圆柱形固结筒底板2和固结筒顶盖8，还包括用于改变固结筒底板2与固结筒1相对位置的垫块5、固定架9以及搅拌棒7，在本最佳实施例中，固结筒1为圆柱体钢管，其直径和高度可按所制试样尺寸选定，固结筒1高度略大于固定架9的高度，所述垫块5为设有一开口17的圆柱钢块，所述固结筒1的下端位于其内径与固结筒1外径配合的固结筒套筒4中，所述固结筒套筒4底部设有一可供固定杆3穿过的圆孔19，圆孔19的直径比固定杆3的横截面直径略大，所述固结筒底板2由贯穿固结筒套筒4和垫块5的固定杆3固定于底座6上，固定杆3的高度为垫块5高度的整数倍，其中，固结筒1、固结筒底板2、固结筒顶盖8以及固结筒套筒4之间为最松动配合；
所述固定架9包括其上设有正方形开口18的固定架顶板11、其上设有圆形凹槽15的固定架底板13，以及用于连接固定架顶板11与固定架底板13的固定拉杆12，在本最佳实施例中，固定拉杆12设3根，分别于固定架9的两端跟中间位置各设一根，正方形开口18与圆形凹槽15也分别在3根固定拉杆12的两个间隙之间分别对应设有2个。所述圆形凹槽15的几何中心处设有可与固结筒顶盖8上设置的螺纹槽14配合的螺杆16，且圆形凹槽15的深度略小于凸出的螺杆16的高度。所述固定拉杆12两端分别设有螺纹，通过螺栓10连接固定固定架顶板11与固定架底板13，其中，固定拉杆12底端的螺杆长度与固定架底板13的厚度相同，其顶端螺杆的长度比固定架顶板11的厚度大3cm左右，螺杆横截面直径比固定拉杆12横截面直径小2～3mm。所述固定架顶板11上的正方形开口18，其边长比固结筒套筒4的外径大1-2cm，而固定架底板13上的圆形凹槽15，其直径比固结筒1的外径略大1-2cm。
本发明的固结法三轴试样制备方法，包括如下步骤：
1)将块状黏土用木碾或碎土器碾碎，若含水量较大时，可先风干至容易碾碎为止；
2)根据试验所需的土样数量，将碾碎后的土根据试验要求过筛后在土中加水调制成含水量适宜的浓糊状，将浓糊状土样置于敞口矩形塑料袋内，扎紧袋口，静置一昼夜。
3)首先将固结筒1与固结筒套筒4置于底座6上，在固结筒底板2上垫一块圆形滤纸，滤纸直径与固结筒内径相同，然后将步骤2)中的塑料袋剪一开口，使泥浆挤入固结筒1内，并使泥浆上表面略低于固结筒1的顶部，用搅拌杆7搅拌；
4)充分搅拌后，将固结筒套筒4缓缓抬高，在固结筒套筒4与底座6之间增加一垫块5，再次将泥浆挤入固结筒1内，同样使泥浆新的上表面略低于固结筒1的顶部，用搅拌杆7搅拌；
5)剩余各层的制作依次重复步骤4)，制成所需高度的样品后，在泥浆上表面垫一块圆形滤纸，再缓缓盖上固结筒顶盖8并取出所有垫块5，然后将整个装置倒置于固定架9上，缓慢旋转，通过螺纹槽14与螺杆16配合连接使固结筒顶盖8固定于固定架底板13上，再在底座6上施加静载使其固结，如图9所示，最终完成试样的整个制备过程。