一种路基土试件制备装置的制作方法

本发明涉及道路工程领域，特别是涉及一种路基土试件制备装置。

背景技术：

在道路工程、岩土工程、水利工程等技术领域，对不同土体的应力-应变状态、微观结构等的试验分析过程中常需用到较小的土样试件，如压汞孔隙结构分析、气相法基质吸力测试、ct微观结构扫描等。传统的制样方式(定制特定尺寸的仪具器械、先成型大试件再切割成小试件等方法)，成本高昂、制作不便，且试验进度极大地受制于仪具的制作，不仅操作繁琐、尺寸难以精确控制，且在制备过程中极易扰动土样，影响试验结果，甚至操作不当破坏土样，延误试验进度、浪费有限材料。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种路基土试件制备装置，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种路基土试件制备装置，其特征在于，包括承力件、第一传力杆、第二传力杆、试样容纳件、垫块和底座，所述承力件可以分别与第一传力杆和第二传力杆可拆卸相连接，所述试样容纳件包括试样容纳腔，所述试样容纳腔为柱形，所述第一传力杆、第二传力杆和垫块为柱形，所述试样容纳腔的内径分别与所述第一传力杆、第二传力杆和垫块的外径相配合，所述第一传力杆的高度小于试样容纳腔的高度，所述底座上设有承载面，还包括取样件，所述取样件上设有容纳件容纳槽，容纳件容纳槽的内径与试样容纳件的外径相配合，所述容纳件容纳槽的底部设有试样容纳槽，所述试样容纳槽的内径小于容纳件容纳槽的内径。

本发明一些实施方式中，所述第一传力杆为圆柱形，所述第二传力杆为圆柱形，所述试样容纳腔为圆柱形，所述试样容纳腔的高度为80～120mm，内径为5～10mm，所述垫块为圆柱形，所述垫块的高度为10～20mm。

本发明一些实施方式中，所述承力件为圆柱体，承力件的一个端面为压力承受面，另一端面与传力杆相连接。

本发明一些实施方式中，所述第一传力杆包括多个依次可拆卸连接的子传力杆，优选为螺纹连接，所述第一传力杆的高度为试样容纳腔高度的88～96％，所述第二传力杆的高度为试样容纳腔高度的88～96％。

本发明一些实施方式中，所述试样容纳槽的底部设有柔性多孔材料73。

本发明一些实施方式中，所述承力件、第一传力杆、试样容纳件、垫块和底座可以构成静压成型模块，所述静压成型模块状态下，所述试样容纳件的底面位于底座的承载面上，所述承力件的底部与第一传力杆的一端连接，所述第一传力杆自上而下延伸入试样容纳腔，所述垫块位于试样容纳腔的底部；

所述承力件、第二传力杆、试样容纳件和取样件可以构成脱模取样模块，所述脱模取样模块状态下，所述试样容纳件的底部位于容纳件容纳槽中，所述承力件的底部与第二传力杆的一端连接，所述第二传力杆自上而下延伸入试样容纳腔。

本发明另一方面提供一种路基土试件制备方法，使用如上所述的路基土试件制备装置，包括：

a)将试样容纳件置于底座的承载面上，将垫块置于试样容纳腔的底部，将土样置于试样容纳件的试样容纳腔中；

b)将承力件和第一传力杆连接，将第一传力杆伸入试样容纳腔中，在承力件上施加荷载，以压实试样容纳腔中的土样；

c)取出第一传力杆，并将试样容纳件置于取样件的容纳件容纳槽中，将承力件和第二传力杆连接，将第二传力杆伸入试样容纳腔中，施加荷载以获取试件。

本发明一些实施方式中，所述步骤a)中还包括：将土样整平，土样的质量为0.2～2.5g。

本发明一些实施方式中，第一传力杆的高度、垫块的高度、试件的目标高度之和等于试样容纳腔的高度。

本发明一些实施方式中，所述步骤b)中，荷载的大小为20～40kn，施加荷载的时间为2～5min。

附图说明

图1显示为本发明整体结构示意图。

图2显示为本发明取样件放大示意图。

图3显示为本发明试件压制示意图。

图4显示为本发明试件获取示意图。

元件标号说明

1承力件

2第一传力杆

3第二传力杆

4试样容纳件

41试样容纳腔

5垫块

6底座

61承载面

7取样件

71容纳件容纳槽

72试样容纳槽

73柔性多孔材料

8试件

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1～图2所示，本发明第一方面提供一种路基土试件制备装置，包括承力件1、第一传力杆2、第二传力杆3、试样容纳件4、垫块5和底座6，所述承力件1分别可以与第一传力杆2和第二传力杆3可拆卸相连接(例如，螺纹连接)，所述试样容纳件4包括试样容纳腔41，所述试样容纳腔41为柱形，所述第一传力杆2、第二传力杆3和垫块5为柱形，所述试样容纳腔41的内径分别与所述第一传力杆2、第二传力杆3和垫块5的外径相配合，所述第一传力杆2的高度(对应杆体的延伸方向)小于试样容纳腔41的高度(对应腔体的延伸方向)，所述底座6上设有可以用于承载试样容纳件的承载面61，还包括取样件7，所述取样件7上设有容纳件容纳槽71，容纳件容纳槽71的内径与试样容纳件4的外径相配合，所述容纳件容纳槽71的底部设有试样容纳槽72，所述试样容纳槽72的内径小于容纳件容纳槽71的内径。所述路基土试件制备装置在使用时，可以通过所述路基土试件制备装置的各部件组成静压成型模块和脱模取样模块，所述承力件1、第一传力杆2、试样容纳件4、垫块5和底座6可以构成静压成型模块，例如，所述静压成型模块状态下，所述试样容纳件4的底面位于底座6的承载面61上，所述承力件1的底部与第一传力杆2的一端连接，所述第一传力杆2自上而下延伸入试样容纳腔41，所述垫块5位于试样容纳腔41的底部；另外，所述承力件1、第二传力杆3、试样容纳件4和取样件7可以构成脱模取样模块，例如，所述脱模取样模块状态下，所述试样容纳件4的底部位于容纳件容纳槽71中，所述承力件1的底部与第二传力杆3的一端连接，所述第二传力杆3自上而下延伸入试样容纳腔41。更具体的，使用时可以根据试验土样的基本物理性质和初始状态(例如，最大干密度、初始含水率、压实度等)以及试验所需的小试件规格尺寸等参数，计算、称取一定质量的土样，并将试样容纳件4放置在底座6的承载面61上，在试样容纳腔41的底部放入垫块5，垫块5的底部可以与承载面61接触，随后将土样填入试样容纳腔41中，由于垫块5的外径与试样容纳腔41的内径相配合，从而可以使垫块5的侧壁与试样容纳腔41的内壁紧密贴合并可以沿其内壁滑动，所以土样会被置于垫块5的上方，可以保证静压成型过程中土颗粒不会从彼此的间隙中挤出，并可以在土样装填、静压成型的过程中，起保护土样的作用，对土样插捣一定次数，并将土样上表面略微整平，根据小试件的目标高度，选择/装配合适长度的第一传力杆1，并与承力件1固定好，将第一传力杆1缓慢伸入试样容纳腔41中，至与土样接触，第一传力杆2与土样的接触端通常为平整的平面，随后即可通过承力件1施加荷载(例如，通过压力机等)，使土样被缓慢压实，至承力件1与试样容纳件4接触，即试件达到目标高度，亦即试件达到目标压实度，所述试样容纳腔41的内径与所述第一传力杆2的外径相配合，从而可以使第一传力杆2的侧部与试样容纳腔41的内壁紧密贴合并可以沿其内壁滑动，可以保证静压成型过程中土颗粒不会从彼此的间隙中挤出，此时控制应力恒定，稳压一定时间，从而通过静压成型模块使试件土样内的应力-应变状态达到平衡。随后可以取下试样容纳件4，并将试样容纳件4置于取样件7的容纳件容纳槽71中，所述试样容纳腔41的内径与所述第二传力杆3的外径相配合，从而可以使第二传力杆3的侧壁与试样容纳腔41内壁紧密贴合并可以沿其内壁滑动，通过第二传力杆3可以将试样顶出，第二传力杆3与土样的接触端通常为平整的平面，即可通过脱模取样模块将试样放入试样容纳槽73中，从而制备获得试样。

本发明所提供的路基土试件制备装置中，所述传力杆与压力承受面通常相配合，承力件1与传力杆的连接部通常可以位于承力件1的中心，从而可以保证压力承受面承载的荷载可以有效地通过传力杆传递。所述承力件1可以是圆柱体，圆柱体的一个端面可以为压力承受面，从而承受荷载，圆柱体的另一侧端面可以与传力杆相连接，从而将荷载传递给传力杆，其两个端面都可以是光滑平面。在本发明一具体实施例中，所述承力件1可以是圆柱体，所述承力件1的高度(承力件1的高度方向可以与试样容纳腔41的高度方向一致)可以为5～15mm，外径可以为50～100mm。

本发明所提供的路基土试件制备装置中，所述第一传力杆2可以为圆柱形，所述第二传力杆3可以为圆柱形，所述试样容纳腔41可以为圆柱形，所述垫块5可以为圆柱形，当第一传力杆2、第二传力杆3和垫块5位于试样容纳腔41中时，第一传力杆2、第二传力杆3、试样容纳腔41和垫块5可以是同心共轴，通常来说，第一传力杆的高度、垫块的高度、试件的目标高度之和等于试样容纳腔的高度。在本发明一具体实施例中，所述试样容纳腔41的高度可以为80～120mm，内径可以为5～10mm，试样容纳腔41的壁厚可以为20～50mm，所述试样容纳件4可以是与试样容纳腔41延伸方向一致的柱体，更具体可以是与试样容纳腔41同心的柱体，所述垫块5的高度(垫块的高度可以与试样容纳腔41的高度方向一致)可以为10～20mm，所述第一传力杆2的高度可以小于试样容纳腔41的高度，从而可以留出试样容纳腔41中一定的空间实现静压，具体的，所述第一传力杆2的高度可以为试样容纳腔41高度的88～96％，所述第二传力杆3的高度可以略小于、等于或者大于试样容纳腔41的高度，从而可以将静压后的土样顶出腔体，具体的，所述第二传力杆3的高度可以为试样容纳腔41高度的88～96％。

本发明所提供的路基土试件制备装置中，所述第一传力杆2包括多个依次可拆卸连接的子传力杆，优选可以为螺纹连接。在本发明一具体实施例中，所述承力件1的底部中心可以设有螺孔或螺纹，第一传力杆2和第二传力杆3的一端可以设有与所述螺孔相配合的螺纹或螺孔，从而可以实现杆体和承力件1之间的螺纹连接，所述各首尾连接的子传力杆的连接处可以设有互相配合的螺纹和螺孔，而末端的子传力杆的一端则为土样的接触面，从而可以根据需要组成合适长度的第一传力杆2，各子传力杆的高度(子传力杆的高度方向通常与传力杆的高度方向一致)可以为5～10mm。

本发明所提供的路基土试件制备装置中，所述底座6上的承载面61通常可以为光滑平面，从而可以与试样容纳件4的底面相配合，稳定承载试样容纳件4。在本发明一具体实施例中，所述底座6可以是圆柱体，底座6的高度(底座6的高度可以与试样容纳腔41的高度方向一致)可以为20～50mm，直径可以为100～250mm。

本发明所提供的路基土试件制备装置中，所述试样容纳槽72的内径小于容纳件容纳槽71的内径，从而可以在构成脱模取样模块时，将试样容纳件4置于取样件7的容纳件容纳槽71中，所述试样容纳槽72的底部设有柔性多孔材料，从而可以在获取试件时起到缓冲作用，避免试样脱模后磕碰刚性部件，所述柔性多孔材料可以是例如柔性泡沫材料等，更具体可以是例如泡沫塑料等。在本发明一具体实施例中，所述试样容纳槽72的壁厚可以为15～20mm，所述试样容纳槽72可以是圆柱体，其内径可以为10～30mm，高度(试样容纳槽72的高度方向可以与容纳件容纳槽71的高度方向一致)可以为20～30mm，所述容纳件容纳槽71的壁厚可以为5～10mm，所述容纳件容纳槽71可以是圆柱体，其内径可以为25～50mm，高度(容纳件容纳槽71的高度方向可以与试样容纳腔41的高度方向一致)可以为5～20mm，柔性多孔材料73的厚度可以为2～4mm。在本发明另一具体实施例中，所述取样件7可以是延伸方向与试样容纳槽72和/或容纳件容纳槽71一致的柱体，更具体可以是与试样容纳槽72和/或容纳件容纳槽71同心的柱体。

本发明所提供的路基土试件制备装置中，承力件1、第一传力杆2、第二传力杆3、试样容纳件4、垫块5、底座6、取样件7通常均具有一定的刚度，从而可以在静压和取样过程中稳定传递荷载。

本发明第二方面提供一种路基土试件制备方法，使用本发明第一方面所提供的路基土试件制备装置，包括：

a)将试样容纳件置于底座的承载面上，将垫块置于试样容纳腔的底部，将土样置于试样容纳件的试样容纳腔中；

b)将承力件和第一传力杆连接，将第一传力杆伸入试样容纳腔中，在承力件上施加荷载，以压实试样容纳腔中的土样；

c)取出第一传力杆，并将试样容纳件置于取样件的容纳件容纳槽中，将承力件和第二传力杆连接，将第二传力杆伸入试样容纳腔中，施加荷载以获取试件。

本发明所提供的路基土试件制备方法中，可以包括：将试样容纳件置于底座的承载面上，将垫块置于试样容纳腔的底部，将土样置于试样容纳件的试样容纳腔中。将试样容纳件置于底座的承载面上，将垫块置于试样容纳腔的底部，从而可以构成静压成型模块的下部结构，垫块的底部可以与承载面接触，由于垫块的外径与试样容纳腔的内径相配合，所以土样会被置于垫块的上方，可以保证静压成型过程中土颗粒不会从彼此的间隙中挤出，并可以在土样装填、静压成型的过程中，起保护土样的作用，垫块的外壁与试样容纳腔的内壁之间还可以添加填充物(例如，润滑油、凡士林、硅脂等)，以进一步填充垫块的外壁与试样容纳腔的内壁之间的空隙。所述步骤a)中，本领域技术人员可根据目标试样的参数(例如，密度，高度等)，结合试样容纳腔的尺寸，计算获得所需添加的土样的质量，例如，土样的质量可以为0.2～2.5g。土样添加后，通常还可以将土样整平，以保证静压时，土样在形成试件的过程中可以均匀受力。

本发明所提供的路基土试件制备方法中，可以包括：将承力件和第一传力杆连接，将第一传力杆伸入试样容纳腔中，在承力件上施加荷载，以压实试样容纳腔中的土样。对土样进行静压的过程中，所述路基土试件制备装置通常可以组成静压成型模块，由于第一传力杆的高度、垫块的高度、试件的目标高度之和等于试样容纳腔的高度，所以在进行静压的过程中，承力件的底面通常是可以与试样容纳件的顶部接触的，从而保证获得的试件与目标尺寸相符。静压过程中，所述第一传力杆的底部通常与土样接触，由于第一传力杆的外径与试样容纳腔的内径相配合，所以土样可以通过第一传力杆进行静压，并可以保证静压成型过程中土颗粒不会从彼此的间隙中挤出，第一传力杆的外壁与试样容纳腔的内壁之间还可以添加填充物(例如，润滑油、凡士林、硅脂等)，以进一步填充第一传力杆的外壁与试样容纳腔的内壁之间的空隙。静压过程中所施加荷载的大小和时间对于本领域技术人员来说应该是可调整的，例如，可以通过压力机施加荷载，所施加的荷载的大小可以为20～40kn，施加荷载的时间可以为2～5min。

本发明所提供的路基土试件制备方法中，可以包括：取出第一传力杆，并将试样容纳件置于取样件的容纳件容纳槽中，将承力件和第二传力杆连接，将第二传力杆伸入试样容纳腔中，施加荷载以获取试件。对试件进行取样的过程中，所述路基土试件制备装置通常可以组成脱模取样模块，在进行取样的过程中，所述第二传力杆的底部通常与成型的试样接触，由于第二传力杆的高度通常大于试样容纳腔的高度，且第二传力杆的外径与试样容纳腔的内径相配合，所以试件可以通过第二传力杆被顶出试样容纳腔，并可以保证取件过程中不会在试样容纳腔中遗留土样，第二传力杆的外壁与试样容纳腔的内壁之间还可以添加填充物(例如，润滑油、凡士林、硅脂等)，以进一步填充第二传力杆的外壁与试样容纳腔的内壁之间的空隙。取样过程中所施加荷载的大小和时间对于本领域技术人员来说应该是可调整的，例如，可以通过压力机施加荷载，所施加的荷载的大小可以为5～30kn，施加荷载的时间至试件被推出腔体即可。

本发明第三方面提供本发明第一方面所提供的尺寸可调的路基土试件制备装置和本发明第二方面所提供的路基土试件制备方法在土工测试领域的用途。

综上所述，本申请通过提供一种尺寸可调的路基土试件制备装置，面向各类土工试验对小试件尺寸(直径、高度)的不同要求，利用既有的压力机等装置和有限的岩土材料，基于试样筒、传力杆等部件的装配调整，精细可控、便捷高效地制备成型各类土样小试件，保障各类土工试验的进行。

实施例1

为开展气相法基质吸力测试，探究不同压实度下土样的土水特征曲线，需要制备符合试验规格和尺寸要求的多个路基土试件。

试验中要求的路基土为花岗岩残积土，要求的初始含水率为5％，据此预先烘干、洒水、拌匀、焖制好土样。根据试验要求的土样3种压实度：85％、90％、95％和土样的基本物理性质：最大干密度2.2g/cm³，确定3种压实度下的土样干密度分别为1.87g/cm³、1.98g/cm³、2.09g/cm³。土样的尺寸规格为直径10mm，高度10mm的圆柱体，确定3种压实度下的土样质量分别为1.47g、1.56g、1.64g。同时确定试样容纳腔41的高度为80mm，第一传力杆2由3个高度均为20mm的子传力杆拼装后的总高度为60mm，垫块5的高度为10mm；第一传力杆2、垫块5和试样容纳腔41的直径均为10mm；试样容纳件4的壁厚为10mm；承力盘1的直径为60mm，高度为5mm；底座6的高度为10cm，直径为100mm；；容纳件容纳槽71的高度为10mm，内径为30mm，壁厚为5mm；试样容纳槽72的高度为20mm，内径为20mm，壁厚为10mm；柔性多孔材料73的厚度为2mm。

按照如上所述的制备方法，将3种压实度下的土样分别按对应的质量装入试样容纳腔，其下已预先依次放有垫块和底座；试样容纳腔中伸入第一传力杆，开动压力机使施压于承力盘，缓慢压实至承力盘底部与试样容纳件上部接触，此时土样达到目标压实度，使压力机压头保持不动，稳压1min；升起压力机压头，取下试样容纳件，取出第一传力杆和垫块；将取样件装在试样容纳件底部，第一传力杆再装上1个高度均为20mm的子传力杆，使总高度为80mm；试样容纳腔中伸入第一传力杆，开动压力机使施压于承力盘，使试样被缓慢压出；取出试样即可开展后续试验。

气相法基质吸力测试结束后，取出试样碾碎、烘干，称取其质量，以校核制样和试验的精度，结果如下表所示，同时观察到制备成型后的试样无扰动缺损，在试验过程中无土颗粒洒落，可见本发明提供的制备装置和方法十分有效。

表1

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。