一种空心圆柱扭剪试样的制作与饱和一体装置及其使用方法与流程

本发明涉及土工室内试验装置领域，特别涉及一种空心圆柱扭剪试样的制作与饱和一体装置及其使用方法。

背景技术：

空心圆柱扭剪仪是一种复杂的室内土工试验仪器，能够对土体施加旋转位移和扭矩，能控制三个主应力的大小和方向，较准确的还原土体在交通荷载、地震荷载等作用下的受力状况，是目前研究工程土体变形和稳定性问题的高级仪器。

空心圆柱扭剪仪试样的制备与饱和是影响空心圆柱扭剪试验结果的关键步骤，目前主要有两种方法，一种方法是土样在制件设备中完成制件，在空心圆柱扭剪仪压力室内完成饱和，不同性质的土样试样饱和时间不同，但饱和过程常需数十小时，又由于空心圆柱扭剪仪多为贵重仪器，其价格高达上百万元，一个单位不具备购置多台空心圆柱扭剪仪的条件，所以在扭剪仪压力室内进行饱和的试验效率非常低。另一种方法是使用空心圆柱扭剪试样饱和器，其过程是土样在制件设备中完成制件，在空心圆柱扭剪仪压力室外完成饱和，转移至压力室内直接进行试验。但空心扭剪试样壁薄，在反复移动过程中，容易对试样造成结构性破坏，导致试样变形、产生裂缝甚至残缺等。综上所述，目前在空心圆柱扭剪仪试样的制备与饱和过程中，试验试样的制备与饱和是分开的，试样制备在制件设备完成，然后转移到空心圆柱扭剪仪压力室内或试样饱和器进行饱和，前者耗时长，后者过多转移试样破坏了试样的完成整性，对试验结果的准确性造成极大影响。因此，亟需发明一种省时又能减少空心扭剪试样反复移动的试样制备与饱和装置。

技术实现要素：

为了解决现阶段空心圆柱扭剪仪价格高、试验效率低且容易对试样造成结构性破坏等问题；本发明提供一种空心圆柱扭剪试样的制作与饱和一体装置，该装置在制备均匀密实试样，完成室外饱和，提高空心扭剪饱和试样的制备效率的同时，减少转移对试样造成的不利影响，使试验结果更加准确可信；其能够实现快速制取重塑试样，在极小扰动下完成试样饱和过程，节约了试验时间，保证了试样质量，确保试验结果准确可信。

本发明解决其技术问题所采用的的技术方案为：一种空心圆柱扭剪试样的制作与饱和一体装置，包括：制作单元与饱和单元；

所述制作单元包括：模具底座、击实底座、击实中轴、金属模；所述模具底座内依次可拆卸嵌入有击实底座与击实中轴；所述模具底座的上部安装有金属模；所述金属模的顶部安装有延长模；所述金属模与击实中轴之间为空心圆柱试样；所述空心圆柱试样的顶部放置有击实锤；所述金属模的内部套有橡皮膜a，所述金属模的外部安装有抱箍；所述金属模与延长模的连接处套有固定盘；所述固定盘与模具底座的外边缘通过固定杆和螺母相连接并固定；

所述饱和单元包括：模具底座、金属模、饱和底座、饱和中轴；所述模具底座内依次可拆卸嵌入有饱和底座与饱和中轴；所述模具底座的上部安装有金属模；所述金属模与饱和中轴之间为空心圆柱试样；所述饱和中轴上套有橡皮膜b，所述橡皮膜b贴紧在空心圆柱试样的内壁上；所述饱和底座与空心圆柱试样的底部之间放置有环形透水石a；所述空心圆柱试样10的顶部放置有环形透水石b；所述金属模的内部套有橡皮膜a，所述金属模的外部安装有抱箍；所述金属模的顶部套有固定盘；所述固定盘与模具底座的外边缘通过固定杆和螺母相连接并固定。

优选的，所述击实中轴用于击实过程中支撑空心圆柱试样10内壁和引导所述击实锤工作。

优选的，所述饱和中轴用于饱和过程中支撑空心圆柱试样内壁和透水；所述饱和中轴的外壁为硬质塑料套筒，其内填充物为级配卵石。

优选的，所述金属模由三个上下两端带有台阶式卡口的瓣模组成，瓣模之间带有卡槽结构，瓣膜之间的卡槽使得三个瓣模紧密结合，通过抱箍进行锁紧固定。

优选的，所述延长模下部与金属模接触处带有台阶式卡口；所述延长模为不锈钢材质。

优选的，所述击实锤为空心圆柱体结构并嵌套在击实中轴上，所述击实锤为不锈钢材质。

优选的，所述击实底座用于击实过程中支撑空心圆柱试样；所述击实底座为不锈钢实体结构。

优选的，所述饱和底座用于饱和过程中支撑空心圆柱试样与透水；所述饱和底座为不锈钢且开设有若干个贯通孔。

优选的，所述环形透水石a与环形透水石b的质地、内径与厚度均相同；所述环形透水石a的外径小于环形透水石b的外径；所述环形透水石a的外径与环形透水石b的外径相差一个金属模的厚度。

优选的，其特征在于包括以下步骤：

s1、依次安装模具底座、击实底座、击实中轴、金属模、抱箍、固定盘、固定杆，并通过螺母进行固定；安装过程中注意金属模内壁套橡皮膜a，将上下两端过长的橡皮膜a翻出金属模，并用两块橡胶垫保护，橡胶垫与金属模接口相匹配；击实中轴外部套一层塑料薄膜，如有需要，可涂抹适量凡士林，保证塑料薄膜与击实中轴紧密贴合；

s2、制备土样，根据目标干密度、含水率及试样体积等计算单个试样所需土样，进行预击实，确定该种土样的空心圆柱试样合理的击实层数、每层需添加的土样质量；

s3、按照s2确定的土样质量沿击实中轴均匀倒入试模内，用塑料棒捣平，通过击实锤击实土样至预定高度，本层击实完成，进行拉毛操作，保证制备出的空心圆柱试样结构的整体性；

s4、当击实进行到最后一层时，先安装延长模，装最后一层土样，再进行击实；

s5、以上击实过程完成，更换击实底座为饱和底座，饱和底座上放置环形透水石a，环形透水石a与空心圆柱试样底面之间放置滤纸，同时空心圆柱试样上部依次放置滤纸和环形透水石b；

s6、更换击实中轴为饱和中轴，将击实中轴及塑料薄膜抽出，在饱和中轴上套橡皮膜b，将空心圆柱试样下端过长的橡皮膜b向饱和中轴方向卷起来，依次包裹饱和中轴的外壁以及饱和中轴内的填充物；

s7、进行饱和，饱和完成后，直接将空心圆柱试样置于空心圆柱扭剪仪压力室进行实验。

本发明的有益效果是：

(1)该装置使得试样在空心扭剪仪压力室外进行饱和，不占用空心扭剪仪压力室，而是在饱和后放入压力室，提高空心扭剪仪的利用效率。

(2)该装置造价低廉，操作简便，可多个并用，同时制备或饱和多个试样，提高试样饱和效率，保证试验结果的准确性和可信性。

(3)空心圆柱试样制件完成后，不拆卸挪动试样，对试样进行饱和，避免试样从制件到饱和过程中拆卸挪动对试样结构产生的不利影响。

附图说明

图1是本发明击实过程的纵向剖面结构示意图；

图2是本发明饱和过程的纵向剖面结构示意图；

图3是本发明击实锤立体结构示意图；

图4是本发明击实底座立体结构示意图；

图5是本发明饱和底座立体结构示意图。

附图标记说明：1-模具底座，2-击实底座，3-击实中轴，4-金属膜，5-延长模；6-抱箍，7-固定盘，8-固定杆，9-螺母，10-空心圆柱试样，11-击实锤，12-饱和底座，13-1-环形透水石a，13-2-环形透水石b，15-饱和中轴；16-橡皮膜a。

具体实施方式

下面对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制；

如图1至图5所示，一种空心圆柱扭剪试样的制作与饱和一体装置，是一种试样击实完成后，通过更换底座和中轴，在不拆卸试样的条件下，对试样进行饱和的一种空心圆柱扭剪试样的制作与饱和一体装置；本发明击实与饱和一体装置分两个尺寸，分别与空心圆柱大试样(内径×外径×高/160×200×400mm)和小试样(内径×外径×高/60×100×200mm)相匹配，大小试样的方法原理相同，该尺寸设计是依据目前国内外空心圆柱扭剪仪器的常用试样尺寸。本实施例中，空心圆柱试样10为空心圆柱扭剪仪试验所用的空心圆柱扭剪试样，是由圆柱扭剪试验所要测试的土料分层击实而成。

一种空心圆柱扭剪试样的制作与饱和一体装置，包括：制作单元与饱和单元；所述制作单元包括：模具底座1、击实底座2、击实中轴3、金属模4；所述模具底座1内依次可拆卸嵌入有击实底座2与击实中轴3；所述模具底座1的上部安装有金属模4；所述金属模4的顶部安装有延长模5；所述金属模4与击实中轴3之间为空心圆柱试样10；所述空心圆柱试样10的顶部放置有击实锤11；所述金属模4的内部套有橡皮膜a16，所述金属模4的外部安装有抱箍6；所述金属模4与延长模5的连接处套有固定盘7；所述固定盘7与模具底座1的外边缘通过固定杆8和螺母9相连接并固定；

所述饱和单元包括：模具底座1、金属模4、饱和底座12、饱和中轴15；所述模具底座1内依次可拆卸嵌入有饱和底座12与饱和中轴15；所述模具底座1的上部安装有金属模4；所述金属模4与饱和中轴15之间为空心圆柱试样10；所述饱和中轴15套有橡皮膜b，所述橡皮膜b贴紧在空心圆柱试样10的内壁上；所述饱和底座12与空心圆柱试样10的底部之间放置有环形透水石a13-1；所述空心圆柱试样10的顶部放置有环形透水石b13-2；所述金属模4的内部套有橡皮膜a16，所述金属模4的外部安装有抱箍6；所述金属模4的顶部套有固定盘7；所述固定盘7与模具底座1的外边缘通过固定杆8和螺母9相连接并固定；

所述空心圆柱试样10完成击实后，将击实底座2和击实中轴3更换为饱和底座12和饱和中轴15，即能够实现在不拆卸空心圆柱试样10的条件下对空心圆柱试样10进行饱和。

优选的，所述击实中轴3用于击实过程中支撑空心圆柱试样10内壁和引导所述击实锤11工作；所述击实中轴3可完全拆卸，其为不锈钢实心结构；

优选的，所述饱和中轴15用于饱和过程中支撑空心圆柱试样10内壁和透水；所述饱和中轴15的外壁为硬质塑料套筒，其内填充物为级配卵石。

优选的，所述金属模4由三个上下两端带有台阶式卡口的瓣模组成，瓣模之间带有卡槽结构，瓣膜之间的卡槽使得三个瓣模紧密结合并通过抱箍6进行锁紧固定；所述金属模4防止制作空心圆柱试样10时的击实操作导致土料的侧漏。

优选的，所述延长模5下部与金属模4接触处带有台阶式卡口，使得金属模4与延长模5紧密结合，防止土料侧漏；所述延长模5用于容纳击实过程高于金属模4未击实的土料，其为不锈钢材质。

优选的，所述击实锤11为空心圆柱体结构并嵌套在击实中轴3上；所述击实锤11为不锈钢材质。

优选的，所述击实底座2用于击实过程中支撑空心圆柱试样10，其与空心圆柱试样10接触面致密无孔隙；所述击实底座2为不锈钢实体结构。

优选的，所述饱和底座12用于饱和过程中支撑空心圆柱试样10与透水；所述饱和底座12与所述击实底座2相比，低了一个环形透水石a13的高度；所述饱和底座12为不锈钢且开设有若干个贯通孔。

优选的，所述环形透水石a13-1与环形透水石b13-2的质地、内径与厚度均相同；所述环形透水石a13-1的外径小于环形透水石b13-2的外径；所述环形透水石a13-1的外径与环形透水石b13-2的外径相差一个金属模4的厚度。

优选的，一种空心圆柱扭剪试样的制作与饱和一体装置的使用方法，具体包括以下步骤：

s1、依次安装模具底座1、击实底座2、击实中轴3、金属模4、抱箍6、固定盘7、固定杆8，并通过螺母9进行固定；安装过程中注意金属模(4)内壁套橡皮膜a16，将上下两端过长的橡皮膜a16翻出金属模4，并用两块橡胶垫保护，橡胶垫与金属模4接口相匹配；击实中轴3外部套一层塑料薄膜，如有需要，可涂抹适量凡士林，保证塑料薄膜与击实中轴3紧密贴合；

s2、制备土样，根据目标干密度、含水率及试样体积等计算单个试样所需土样，进行预击实，确定该种土样的空心圆柱试样10合理的击实层数、每层需添加的土样质量；

s3、按照s2确定的土样质量沿击实中轴3均匀倒入试模内，用塑料棒捣平，通过击实锤11击实土样至预定高度，本层击实完成，进行拉毛操作，保证制备出的空心圆柱试样10结构的整体性；

s4、当击实进行到最后一层时，先安装延长模5，装最后一层土样，再进行击实；

s5、以上击实过程完成，更换击实底座2为饱和底座12，饱和底座12上放置环形透水石a13-1，环形透水石a13-1与空心圆柱试样10底面之间放置滤纸，同时空心圆柱试样10上部依次放置滤纸和环形透水石b13-2；

s6、更换击实中轴2为饱和中轴15，将击实中轴2及塑料薄膜抽出，在饱和中轴(15)上套橡皮膜b，将空心圆柱试样10下端过长的橡皮膜b向饱和中轴15方向卷起来，依次包裹饱和中轴15的外壁以及饱和中轴15内的填充物。

s7、进行饱和，饱和完成后，直接将空心圆柱试样10置于空心圆柱扭剪仪压力室进行实验。

本发明提供一种空心圆柱扭剪试样的制作与饱和一体装置，其在空心扭剪仪压力室外进行饱和，不占用空心扭剪仪压力室，而是在饱和后放入压力室，提高空心扭剪仪的利用效率；此外该装置造价低廉，操作简便，可多个并用，同时制备或饱和多个试样，提高试样饱和效率，保证试验结果的准确性和可信性；在空心圆柱试样制件完成后，不拆卸挪动试样，对试样进行饱和，避免试样从制件到饱和过程中拆卸挪动对试样结构产生的不利影响。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。