在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的装置及方法与流程

本申请涉及单元试验砂土试样的制作，具体为一种在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的装置及方法。

背景技术：

我国是一个地震多发国家，且建立在砂层地基上的建筑物和构筑物众多。饱和砂土在地震荷载作用下会发生液化现象，即砂土地基承载力完全丧失，这会造成地基失稳和沉陷、建筑物或构筑物的坍塌、城市生命线工程破坏以及极大的人员和财产损失，研究统计表明地震液化造成的损失占地震灾害损失的15-30％。因此有必要对砂土的动力特性进行研究。

目前研究砂土地震液化特性的试验方法主要有室内试验和现场试验。室内试验中三轴试验由于有效、方便快捷，准确性高，被广泛采用。砂土由于需要控制相对密实度，一般利用分层击实法制样；同时由于粘聚力小、塑性低和易扰动等特点，不能像黏土一样可直接利用切土器切割成所需尺寸再安装于三轴仪上，因此选择合适的制样装置直接在三轴仪上制作低扰动试样对获得准确试验结果尤为重要。

目前砂样制作方式主要有两种，一是将乳胶膜固定在三轴仪底座上，然后安装普通对开模，并将乳胶膜顶部反向固定在普通对开模顶部，由于该种对开模每瓣半圆形膜片只有一个抽气孔，抽气开始后抽气孔处乳胶膜会立即被吸附在对开模上而将抽气孔堵住，因此仅能将乳胶膜和对开模中间密封空间内的空气少量抽出，绝大部分乳胶膜和对开模并未贴合。一方面这会导致击实锤提起的过程中乳胶膜会被带动，从而严重扰动砂土试样；另一方面乳胶膜和对开模贴合不紧会严重影响干砂试样均匀性，因而极大的影响试验结果准确性。二是将砂样放入小型对开模中击实至指定相对密实度，然后将砂样取出放置在三轴仪上，最后将乳胶膜套在砂样上。该方法缺点是试样在移动过程中或在重新装样过程中会受到一定程度扰动，严重的会导致土样崩塌或者坍缩，对试样的强度和结构性会有很大影响，从而影响试验结果的准确性。

技术实现要素：

本申请的目的在于针对难以制得低扰动三轴试验干砂模型的问题，提供一种在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的装置及方法。

为了实现上述目标，本申请提供如下技术方案：

一种在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的装置，包括三轴试验平台、制样部件和抽气设备；三轴试验平台包括盛样底座、顶帽、玻璃密封罩和试验平台底座；制样部件包括乳胶膜、对开模、透水石、滤纸条；抽气设备包括真空表、真空控制阀、真空泵；

玻璃密封罩安装在试验平台底座上，并与试验平台底座共同构成密闭的试验腔室；盛样底座和顶帽均位于在试验腔室内，盛样底座安装在试验平台底座上，顶帽安装在玻璃密封罩内顶部并位于盛样底座上方；

盛样底座与顶帽之间固定有乳胶膜，乳胶膜内部的上下两端各设置一个透水石，两个透水石的内侧各设置一个滤纸条，两个滤纸条之间用于放置干砂试样；

乳胶膜外套设对开模，对开模包括两个对合连接的半圆形筒，半圆形筒上布置有横向抽气槽、竖向抽气槽、抽气孔、抽气集流槽、出气口；半圆形筒具有一定厚度，其包括内侧部分和外侧部分；横向抽气槽和竖向抽气槽呈相互垂直交叉的网格状，布置在半圆形筒的内侧部分的内侧壁上；抽气孔布置于横向抽气槽与竖向抽气槽的交叉处，并连通至抽气集流槽；抽气集流槽纵向布置于半圆形筒的外侧部分，且每个半圆形筒布置两条，抽气集流槽的内侧连通各抽气孔，抽气集流槽的外侧连通至半圆形筒的外侧部分的出气口上；出气口布置于半圆形筒的外侧部分与真空泵连接后通过真空泵将对开模与乳胶膜之间的气体抽出；

盛样底座内部还设置有排水通道，排水通道一端与干砂试样下方的透水石连接，其另一端与真空泵连接后通过真空泵将干砂试样内部抽至负压。

进一步，抽气设备还包括真空表、真空控制阀；

真空控制阀设置在对开模与真空泵之间上，用于控制抽气速率以及乳胶膜与对开模之间的贴合程度；

真空表设置在对开模与真空泵之间，用于显示对开模和乳胶膜之间封闭空间的气压。

进一步，乳胶膜的上下两端各自通过一个橡胶密封圈分别固定于盛样底座顶端与顶帽上。

进一步，半圆形筒的内侧部分的上下两端各设置一个密封圈凹槽，用以容纳密封橡胶圈。

进一步，半圆形筒的内侧部分高于外侧部分；

位于上方的密封圈凹槽设置在半圆形筒的内侧部分的外侧壁上，下方的密封圈凹槽设置在半圆形筒的内侧部分的内侧壁上。

进一步，半圆形筒的内侧部分的密封圈凹槽下部布设有向内延伸的弧形的支撑条，支撑条与半圆形筒的内侧部分的下部共同构成弧形的反向台肩，半圆形筒通过反向台肩支撑于盛样底座上。

进一步，两个半圆形筒的外侧部分相接触的侧面上设置有定位销，用于将两个半圆形筒准确对齐。

进一步，两个半圆形筒的内侧部分相接触的侧面上沿纵向布设有端面密封条，且两个半圆形筒的每个接触面各布置一条，以保证两个半圆形筒对合后紧密贴合在一起，不会发生漏气情况，并保证了对开模和乳胶膜的贴合。

进一步，半圆形筒外侧部分的外侧壁上安装有手柄，用于操作对开模。

采用本申请所述装置可以实现直接在三轴仪上制作干砂试样，无需在别处制好再移动到三轴仪上，减少了移动过程中对试样的扰动。制样过程中，由于对开模内壁横向抽气槽与竖向抽气槽的交叉处均设置抽气孔，提高了抽气效率，加强了乳胶膜和对开模之间的贴合程度；同时，对开模的两个半圆形筒的外侧部分还分别设置有两排抽气集流槽，抽气集流槽一边将所有抽气孔连通，另一边通过出气口与真空泵连通，增加了抽气效率；此外，对开模和真空泵之间设置真空表和真空控制阀，还可以有效控制对开模和乳胶膜的贴合程度。

本申请还提供一种在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的方法，包括：

(1)在盛样底座上依次放置透水石和滤纸条，然后将乳胶膜下部套在盛样底座顶端并用橡胶密封圈箍紧；

(2)将对开模的两个半圆形筒下部的密封圈凹槽对准乳胶膜下部的橡胶密封圈，并卡套在该橡胶密封圈上，两个半圆形筒对合后通过定位销合并在一起，并通过三个圆箍固定，三个圆箍从上向下依次套设在两个半圆形筒外并拧紧固定；

(3)将乳胶膜上部自然拉平并反向套在对开模顶部，同时用橡胶密封圈箍紧，需保证乳胶膜平整贴合在对开模内壁且没有扭曲；

(4)利用真空管将对开模的出气口、真空表、真空控制阀、真空泵依次相连，并将真空控制阀关闭，先接通真空泵进行持续抽气，再打开并调整真空控制阀，使乳胶膜紧密贴合在对开模内壁且不会被吸进横向抽气槽和竖向抽气槽；

(5)填装试样：采用分层击实法制样，利用漏斗将干砂试样分七层缓慢加入乳胶膜内，每层加入完成后填平，并用击实锤击实至指定高度；

(6)装样完成后在干砂试样顶面依次放置滤纸条，透水石和顶帽，卸下对开模顶部的橡胶密封圈，将乳胶膜顶部翻转贴合在顶帽上，并用橡胶密封圈箍紧；

(7)将真空管从出气口拔出并连接至排水通道，利用真空泵对其进行抽气并保持一定负压；

(8)拆下对开模，此时干砂试样内部有负压，可保持其初始状态而不受扰动；

(9)将玻璃密封罩通过螺栓安装在试验平台底座上，此时玻璃密封罩与试验平台底座构成的试验腔体内形成密闭空间，通过三轴仪围压腔向密闭空间内通水对干砂试样施加围压荷载进行固结完成制样。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

(1)本申请能够直接在三轴仪上制备指定尺寸的砂土试样模型，无需在别处制备好试样后再移动到三轴仪上，因此有效的减少了移动对砂样结构的扰动。

(2)本申请采用的对开模，其每个半圆形筒内侧均设置了横向和纵向抽气槽，并在两排竖向交叉点处设置抽气孔，同时在每个半圆形筒厚度方向中间设置两排竖向抽气集流槽，避免了单个抽气孔被堵而不能继续抽气的情况，保证了整个乳胶膜可以紧密贴合在对开模内壁上，避免了因乳胶膜贴合不好引起砂土试样的扰动。

(3)通过设置在真空管路上的真空表和真空控制阀，精密控制吸气压力；可保证乳胶膜紧密贴合在对开模上，减小了乳胶膜贴合不紧带来的制样误差，提高了制样精度和效率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的装置的正视图。

图2为本申请实施例提供的在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的装置的俯视图。

图3为本申请实施例提供的三轴仪制样完成后的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的对开模外部的结构示意图。

图5为本申请实施例提供的对开模的正视图。

图6为本申请实施例提供的对开模的俯视图。

图7为本申请实施例提供的对开模制样时抽气集流槽处的剖面图。

附图标记：乳胶膜1、真空表2、真空控制阀3、真空管4、真空泵5、对开模6、盛样底座7、顶帽8、玻璃密封罩9、透水石10、排水通道11、干砂试样12、螺栓13、试验平台底座14、橡胶密封圈15、圆箍16、支撑条17、横向抽气槽18、竖向抽气槽19、抽气孔20、抽气集流槽21、出气口22、定位销23、密封圈凹槽24、手柄25、端面密封条26、滤纸条27。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细说明。

实施例

如图1-7所示，一种在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的装置，包括抽气设备、制样部件和三轴试验平台。其中，抽气设备包括真空表2、真空控制阀3、真空管4、真空泵5；三轴试验平台包括盛样底座7、顶帽8、玻璃密封罩9和试验平台底座14；制样部件包括乳胶膜1、对开模6、透水石10、滤纸条27、橡胶密封圈15、圆箍16。

进一步，玻璃密封罩9通过螺栓13安装在试验平台底座14上，并与试验平台底座14共同构成密闭的试验腔室；盛样底座7和顶帽8均位于在试验腔室内，盛样底座7安装在试验平台底座14上，顶帽8安装在玻璃密封罩9内顶部并位于盛样底座7上方，配合盛样底座7共同固定干砂试样12。

进一步，盛样底座7与顶帽8之间设置有乳胶膜1，乳胶膜1的顶部通过橡胶密封圈15固定于顶帽8下端。在优选的实施方式中，盛样底座7和顶帽8均采用圆柱体状，乳胶膜1的底部可以套设在盛样底座1顶端，并通过橡胶密封圈15固定，乳胶膜1的顶部套设在顶帽8底端，也通过橡胶密封圈15固定，乳胶膜1的内部用于盛装和保护干砂试样12。

进一步，乳胶膜1内部设置有两个透水石10和两个滤纸条27，两个透水石10上下相对设置，一个透水石10位于顶帽8下方，另一个透水石10位于盛样底座7上方，两个滤纸条27上下相对设置并位于两个透水石10之间，两个滤纸条27之间放置干砂试样12。

进一步，乳胶膜1外套设有对开模6。对开模6包括两个半圆形筒，两个半圆形筒对合后通过外套的三个圆箍16固定连接；三个圆箍16分别位于对开模6的下部、中部和上部，分别在三个不同位置将两个半圆形筒固定，以确保两个半圆形筒对合构成的对开模6拼接紧密不漏气。

进一步，半圆形筒上布置有向内侧延伸的支撑条17、以及横向抽气槽18、竖向抽气槽19、抽气孔20、抽气集流槽21、出气口22、定位销23、密封圈凹槽24、手柄25和端面密封条26；半圆形筒具有一定厚度，可以分为内侧部分和外侧部分，内侧部分高于外侧部分；密封圈凹槽24布置在半圆形筒的内侧部分的上下两端以容纳密封橡胶圈15，且上方的密封圈凹槽24设置在半圆形筒的内侧部分的外侧壁上，下方的密封圈凹槽24设置在半圆形筒的内侧部分的内侧壁上并位于支撑条17上方；半圆形筒的内侧部分的密封圈凹槽24下部布设有向内延伸的弧形的支撑条17，支撑条17与半圆形筒的内侧部分的下部共同构成弧形的反向台肩，半圆形筒通过反向台肩直接支撑于盛样底座7上；横向抽气槽18和竖向抽气槽19呈相互垂直交叉的网格状，布置在半圆形筒的内侧部分的内侧壁；抽气孔20布置于横向抽气槽18与竖向抽气槽19的交叉处，并连通至抽气集流槽21；抽气集流槽21纵向布置于半圆形筒的外侧部分，且每个半圆形筒布置两条，抽气集流槽21的内侧连通各抽气孔20，抽气集流槽21的外侧连通至半圆形筒的外侧部分的出气口22上；出气口22布置于半圆形筒的外侧部分，并通过真空管4与真空泵5相连接；定位销23布置于两个半圆形筒的外侧部分相接触的侧面上，用于将两个半圆形筒准确对齐；端面密封条26纵向布置于两个半圆形筒的内侧部分相接触的侧面上，且两个半圆形筒的每个接触面各布置一条，以保证两个半圆形筒对合后紧密贴合在一起，不会发生漏气情况，并保证了对开模6和乳胶膜1的贴合；手柄25布置于半圆形筒外侧部分的外侧壁上，用于操作对开模6。

进一步，对开模6的出气口22、真空表2、真空控制阀3、真空泵5依次通过真空管4连接，通过真空泵5将对开模6与乳胶膜1之间的气体抽出；真空控制阀3设置在对开模6与真空泵5之间的真空管4上，用于控制抽气速率以及乳胶膜1与对开模6之间的贴合程度；真空表2设置在对开模6与真空泵5之间的真空管4上，用于显示对开模6和乳胶膜1之间封闭空间的气压。

盛样底座7内部还设置有排水通道11，排水通道11一端与干砂试样12下方的透水石10连接，其另一端与真空泵5连接后通过真空泵5将干砂试样12内部抽至一定负压。

进一步，三轴试验平台还包括三轴仪围压腔，通过三轴仪围压腔向玻璃密封罩9与试验平台底座14构成的试验腔体内通水，对干砂试样12施加围压荷载进行固结。

采用本申请所述装置可以实现直接在三轴仪上制作干砂试样，无需在别处制好再移动到三轴仪上，减少了移动过程中对试样的扰动。制样过程中，由于对开模6内壁横向抽气槽18与竖向抽气槽19的交叉处均设置抽气孔20，提高了抽气效率，加强了乳胶膜1和对开模6之间的贴合程度；同时，对开模6的两个半圆形筒的外侧部分还分别设置有两排抽气集流槽21，抽气集流槽21一边将所有抽气孔20连通，另一边通过出气口22与真空泵5连通，增加了抽气效率；此外，对开模6和真空泵5之间设置真空表2和真空控制阀3，还可以有效控制对开模6和乳胶膜1的贴合程度。

作为举例而非限定，可以在本实施例中将干砂试样尺寸设置为高度140mm，直径70mm；对开模6可由两个半圆形铝筒制成，高度为200mm，厚度为24.5mm，内直径为71mm；支撑条17的宽度为30mm，厚度为2mm；密封圈凹槽24的宽度为20mm，深度为2.5mm；定位销23的螺丝孔径为6mm；横向抽气槽18和竖向抽气槽19的宽度均为1mm，深度均为1mm，且横向抽气槽18设置16条，竖向抽气槽19设置2条；抽气孔23的孔内径为1.4mm，共两排，每排共16个，并与两排抽气集流槽21连通；抽气集流槽21的长度为140mm，直径为7mm。

本申请提供的在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的装置制作低扰动干砂试样的试验方法为：

(1)在盛样底座7上依次放置透水石10和滤纸条27，然后将乳胶膜1下部套在盛样底座7顶端并用橡胶密封圈15箍紧；

(2)将对开模6的两个半圆形筒下部的密封圈凹槽24对准乳胶膜1下部的橡胶密封圈15，并卡套在该橡胶密封圈15上，两个半圆形筒对合后通过定位销23合并在一起，并通过三个圆箍16固定，三个圆箍1从上向下依次套设在两个半圆形筒外并拧紧固定；

(3)将乳胶膜1上部自然拉平并反向套在对开模6顶部，同时用橡胶密封圈15箍紧，需保证乳胶膜1平整贴合在对开模6内壁且没有扭曲；

(4)利用真空管4将对开模6的出气口22、真空表2、真空控制阀3、真空泵5依次相连，并将真空控制阀3关闭，接通真空泵5电源进行持续抽气，打开并调整真空控制阀3使真空表2气压显示为2-3kpa，此时乳胶膜1紧密贴合在对开模6内壁且不会被吸进横向抽气槽25和竖向抽气槽26；

(5)填装试样：采用分层击实法制样，利用漏斗将干砂试样12分七层缓慢加入乳胶膜1内，每层加入完成后填平，并用击实锤击实至指定高度；

(6)装样完成后在干砂试样12顶面依次放置滤纸条，透水石10和顶帽8，卸下对开模6顶部的橡胶密封圈15，将乳胶膜1顶部翻转贴合在顶帽8上，并用橡胶密封圈15箍紧；

(7)将真空管4从出气口22拔出并连接至排水通道11，利用真空泵5对其进行抽气并保持5kpa负压；

(8)拆下对开模6，此时干砂试样12内部有5kpa负压，可保持其初始状态而不受扰动；

(9)将玻璃密封罩9通过螺栓13安装在试验平台底座14上，此时玻璃密封罩9与试验平台底座14构成的试验腔体内形成密闭空间，可以通过三轴仪围压腔向密闭空间内通水对干砂试样12施加围压荷载进行固结，完成制样。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。