一种用于压剪渗流试验的土体试样制备仪及制备方法与流程

本发明涉及岩土力学试样制备领域，特别是一种用于压剪渗流试验的土体试样制备仪及制备方法。

背景技术：

岩石裂隙应力–渗流耦合特性对岩土工程的稳定性有显著影响，是近20年来岩土力学研究的的热点问题之一。室内的岩石节理应力–渗流耦合试验是研究节理应力–渗流耦合特性的有效手段，而节理应力–渗流耦合试验系统是进行试验研究的基础条件，因此，剪切渗流试验作为确定岩土体参数的重要试验，在目前的岩土工程中得到越来越广泛的应用。

然而，目前的岩土体渗流耦合试验中均未对试样的制作提出要求，这使得试样制作过程中的误差造成的最终影响较大，且容易造成剪切渗流仪的损坏。

以南京水利科学研究院与西安力创材料检测技术有限公司联合研制的裂隙剪切渗流耦合试验机为例，在试验开始后，通过人工在剪切盒内装填土样，由于土样中存在大粒径土颗粒，土样在空间内呈现孔隙分布不均匀，因此在施加纵向压力后，极易造成施力装置与剪切盒存在纵向切角，土样受力不均匀，给试验结果带来较大误差。同时，切角过大会导致仪器的损坏。

公告号为cn104865177a的中国发明专利，公开了“一种大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪”，该专利申请也没有考虑土样的制备对试验精度的影响。

综上所述，忽略剪切–渗流耦合仪试样的制作会对试验结果造成较大误差，并且有几率造成仪器的损坏，如何便捷地制备一种符合剪切–渗流耦合仪各项要求的试样成为了一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于压剪渗流试验的土体试样制备仪及制备方法，该用于压剪渗流试验的土体试样制备仪及制备方法能极大地消除由于土样误差带来的试验数据误差，适用于不同性质、不同孔隙率的土体，且能根据试验要求制作出特定含水率的土样。本土体试样制备仪可精确控制试样的质量以及含水率，试样制作过程自动化程度高，可自动脱模。同时采用激光位移传感器控制试样平整度，可以极大提高压剪渗流试验精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于压剪渗流试验的土体试样制备仪，包括试样制备组件、筛分组件和击实组件。

试样制备组件包括振动平台、第一支撑柱和试样击实盒。

振动平台底部与振动仪相连接，能实现垂直和/或水平振动。

振动平台底部四周各设置一根第一支撑柱。

试验击实盒设置在振动平台的中部，试验击实盒包括升降底板和围合设置在升降底板四周的盒体侧壁框架；盒体侧壁框架底部通过第二支撑柱固定在振动平台上，升降底板底部通过升降装置与振动平台相连接；升降底板能在升降装置的驱动下，沿盒体侧壁框架的内壁面滑动升降。

筛分组件包括料斗、土样筛网、土样存储盒和压敏质量仪。

料斗底部中心设置有下料管，位于下料管外周的料斗底部设置有四根第一连接杆，每根第一连接杆均能与对应的第一支撑柱底部可拆卸连接。

土样筛网设置在下料管中。

土样存储盒通过第二连接杆设置在下料管底部，土样存储盒包括存储盒侧壁围框和移动底板；移动底板能将存储盒侧壁围框的底部开口进行封堵或打开。

压敏质量仪设置在移动底板的上表面。

击实组件包括顶板、击实连接杆、击实动力装置和击实锤。

击实连接杆设置在顶板底部四周，当筛分组件中的四根第一连接杆从四根第一支撑柱中拆卸后，四根击实连接杆能与四根第一支撑柱可拆卸连接。

击实锤顶部通过击实动力装置与顶板底部中心相连接；击实锤能在击实动力装置的作用下，将位于试样击实盒内的土体试样进行击实。

振动仪为srh-vh垂直及水平振动仪。

料斗包括开槽盖板和空心棱台，开槽盖板的中心设置槽口，空心棱台的大底面伸入开槽盖板的槽口内，空心棱台的小底面与下料管顶部相连接。

存储盒侧壁围框的外壁面设置有与压敏质量仪相连接的显示控制面板。

一种用于压剪渗流试验的土体试样制备方法，包括如下步骤。

步骤1，土样筛分，包括如下步骤。

步骤11，筛分组件安装：通过将四根第一连接杆与对应的四根第一支撑柱相连接，从而使得筛分组件位于试样制备组件的上方。

步骤12，待测土样添加：将待测土样烘干后，投放至土样筛网上。

步骤13，击实土样重量设定：在显示控制面板上设定压敏质量仪需称量的待击实土样重量。

步骤14，土样筛分：开启振动仪，待测土样经过振动后，经过土样筛网下落至土样存储盒内；压敏质量仪将对下落至土样存储盒内的土样进行自动称量，当达到步骤13设定的待击实土样重量时，振动仪关闭，停止筛分。

步骤2，试样击实盒加料：将土样存储盒底部的移动底板从存储盒侧壁围框底部滑离，位于土样存储盒内的待击实土样将自动下落至位于下方的试样击实盒内。

步骤3，水分添加：根据待测试样的含水率要求，向试样击实盒内添加设定量的水分。

步骤4，待测试样制备，包括如下步骤。

步骤41，试样制备组件安装：将四根第一连接杆与四根第一支撑柱解除连接，并将筛分组件从试样制备组件上方撤离；然后，将四根击实连接杆与四根第一支撑柱相连接。

步骤42，试样击实：开启击实动力装置和振动仪，击实锤将在击实动力装置的作用下，对试样击实盒内已添加水分的待测试样进行击实。

步骤43，击实试样卸料：击实完成后，顶升装置启动，顶升装置带动试样击实盒的升降底板沿着盒体侧壁框架的内壁面向上滑动，从而将位于试样击实盒内的已击实土样向上顶升并脱离试样击实盒，形成待测试样。

步骤2中，试样击实盒在加料前，先在试样击实盒的内壁面先涂抹凡士林。

还包括步骤5，平整度以及完整度检测：采用激光位移传感器对步骤4制备的待测试样进行平整度及完整度的测量，通过调整击实动力装置的击实力和击实频率，使击实试样的倾斜度小于5°。

激光传感器为zlds100传感器。

步骤42中，击实动力装置开启前，先设置击实动力装置的单次击实力以及击实频率，初始击实力为100n，击实频率为60次/分。

本发明制作的土体试样可有效减少人工装样带来的误差，极大地提高了剪切-渗流试验的精度，也有效地减少了仪器的损坏。同时，本发明也可以可以简单、高效地制作各向同性的符合剪切-渗流仪要求的土体试样。且模具大小可随意调整，操作简单，扣件采用机械连接，增加了使用寿命，可以批量制作适用于不同剪切-渗流试验仪的土样。

附图说明

图1是本发明一种用于压剪渗流试验的土体试样制备方法的流程图。

图2为本发明中的土样筛分组件的结构示意图。

图3为本发明中击实组件的结构示意图。

图4为本发明中击实锤组件的结构示意图。

图5为本发明中试样制备组件的结构示意图。

图6为本发明中土样存储盒的结构示意图。

图中有，1.开槽盖板，2.第一连接杆，3.空心筒，4.土样储存盒，5.土样筛网，6.空心棱台，7.第二连接杆，8.盖板，9.击实连接杆，10.锤头，11.击实部动力装置，12.锤柄，13.连接槽，14.第一支撑柱，15.振动台，16.试样击实盒，17.第二支撑柱，18.顶升装置，19土样储存盒四壁，20.移动底板，21压敏质量仪，22.显示控制面板，23.底板连接缝，24.扣件。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2-6所示，一种用于压剪渗流试验的土体试样制备仪，包括试样制备组件、筛分组件和击实组件。

土体试样制备仪除电路以及量测仪器外，均优选由高强度钢材制成，仪器净高800mm。

如图4所示，试样制备组件包括振动平台15、第一支撑柱14和试样击实盒16。

振动平台底部与振动仪相连接，能实现垂直和/或水平振动。振动仪优选为srh-vh垂直及水平振动仪。

振动平台底部四周各设置一根第一支撑柱，优选共四根第一支撑柱。每根第一支撑柱的顶部均优选设置有连接槽13。

试验击实盒设置在振动平台的中部。

试验击实盒包括升降底板和围合设置在升降底板四周的盒体侧壁框架；盒体侧壁框架底部通过第二支撑柱17固定在振动平台上，升降底板底部通过升降装置18与振动平台相连接；升降底板能在升降装置的驱动下，沿盒体侧壁框架的内壁面滑动升降。

试验击实盒的盒内尺寸优选为150×150×300mm²，第二支撑柱的长度优选等于顶升装置的初始长度100mm，且能在振动仪振动以及击实过程中保持试验击实盒的稳定。

上述顶升装置优选为电控液压顶升机，可将击实盒底板连同击实完成后的试样顶升至试样击实盒上部，便于下一步试验。

如图2和图5所示，筛分组件包括料斗、土样筛网5、土样存储盒4和压敏质量仪21。

料斗底部中心设置有下料管3，位于下料管外周的料斗底部设置有四根第一连接杆2，每根第一连接杆均能与对应的第一支撑柱底部可拆卸连接。

料斗优选包括开槽盖板1和空心棱台6，开槽盖板的中心设置槽口，空心棱台的大底面伸入开槽盖板的槽口内，空心棱台的小底面与下料管顶部相连接。

下料管优选为空心筒。

开槽盖板面积为400×400mm²，中部留有200×200mm²的孔洞，下部连接空心棱台，空心棱台上部开口面积等于中部留孔洞，为200×200mm²，下口面积为150×150mm²，空心棱台下部开口连接空心筒，空心筒高优选为150mm。

土样筛网设置在下料管中，优选为可拆卸连接。

土样筛网根据所需土体粒径分为10个等级，最大孔隙的筛网孔隙为2mm，最小孔隙的筛网孔隙为0.2mm，具体根据需要进行选择。

土样储存盒内面积优选为150×150mm²，高优选200mm。土样存储盒通过第二连接杆7设置在下料管底部。

如图5所示，土样存储盒包括存储盒侧壁围框19和移动底板20；移动底板能将存储盒侧壁围框的底部开口进行封堵或打开。

移动底板优选与存储盒侧壁围框通过扣件24相连接，扣件、压敏质量仪优选连接同一电路，可由终端统一控制；移动可控制开闭，可人为设定控制质量，在达到控制质量后打开底板，使土样进入位于下部的试样击实盒内。

压敏质量仪设置在移动底板的上表面，压敏质量仪的示数实时显示在显示控制面板上。

如图3所示，击实组件包括顶板8、击实连接杆9、击实动力装置11和击实锤。

顶板面积优选为400×400mm²。

击实锤优选包括锤柄12和锤头10，锤头优选为长方体板，锤头面积小于移动底板的面积，优选为150×150mm²。

击实连接杆设置在顶板底部四周，当筛分组件中的四根第一连接杆从四根第一支撑柱中拆卸后，四根击实连接杆能与四根第一支撑柱可拆卸连接。

击实锤顶部通过击实动力装置与顶板底部中心相连接；击实锤能在击实动力装置的作用下，将位于试样击实盒内的土体试样进行击实。

存储盒侧壁围框的外壁面设置有与压敏质量仪相连接的显示控制面板。

一种用于压剪渗流试验的土体试样制备方法，包括如下步骤。

步骤1，土样筛分，包括如下步骤。

步骤11，筛分组件安装：通过将四根第一连接杆与对应的四根第一支撑柱相连接，从而使得筛分组件位于试样制备组件的上方。

步骤12，待测土样添加：将待测土样烘干后，投放至土样筛网上。

步骤13，击实土样重量设定：在显示控制面板上设定压敏质量仪需称量的待击实土样重量。

步骤14，土样筛分：开启振动仪，待测土样经过振动后，经过土样筛网下落至土样存储盒内；压敏质量仪将对下落至土样存储盒内的土样进行自动称量，当达到步骤13设定的待击实土样重量时，振动仪关闭，停止筛分。

步骤2，试样击实盒加料：将土样存储盒底部的移动底板从存储盒侧壁围框底部滑离，位于土样存储盒内的待击实土样将自动下落至位于下方的试样击实盒内。

本步骤2中，试样击实盒在加料前，先在试样击实盒的内壁面先涂抹凡士林。

步骤3，水分添加：根据待测试样的含水率要求，向试样击实盒内添加设定量的水分。

步骤4，待测试样制备，包括如下步骤。

步骤41，试样制备组件安装：将四根第一连接杆与四根第一支撑柱解除连接，并将筛分组件从试样制备组件上方撤离；然后，将四根击实连接杆与四根第一支撑柱相连接。

步骤42，试样击实：先设置击实动力装置的单次击实力以及击实频率，初始击实力为100n，击实频率为60次/分。然后，开启击实动力装置和振动仪，击实锤将在击实动力装置的作用下，对试样击实盒内已添加水分的待测试样进行击实。

步骤43，击实试样卸料：击实完成后，顶升装置启动，顶升装置带动试样击实盒的升降底板沿着盒体侧壁框架的内壁面向上滑动，从而将位于试样击实盒内的已击实土样向上顶升并脱离试样击实盒，形成待测试样。

步骤5，平整度以及完整度检测：采用激光位移传感器对步骤4制备的待测试样进行平整度及完整度的测量，通过调整击实动力装置的击实力和击实频率，使击实试样的倾斜度小于5°。

上述激光传感器优选为zlds100传感器，其具有高采样频率（最高9.4khz），高精度（0.1%fs线性度）。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。