用于三轴试验的静压快速制样装置及制样方法、脱模方法

1.本发明涉及土木工程的技术领域，具体涉及一种用于三轴试验的静压快速制样装置及制样方法、脱模方法。


背景技术：

2.在岩土工程中，土的抗拉、抗压和抗剪强度是土体最重要的力学指标之一，并且研究表明土体的抗拉、抗压和抗剪强度还与工程地基、基坑、边坡和隧道等工程的稳定性具有密切关系。因此，准确测得土体的抗拉、抗压和抗剪强度变得十分且肯定重要；然而，目前土工试验中能够做到同时测得土体的这三项力学指标的仪器却很少，通过查阅相关文献、咨询等途径了解到土工试验中普遍使用应变控制式三轴试验仪来制备三轴试样，但是，目前已有的三轴试样制样器，存在操作繁琐、耗时长、制样不匀等缺点。
3.如专利申请号为202022613251.0的实用新型专利公开了一种气压三轴制样器，该专利与已有的三轴制样相比，主要通过气压泵对三轴试样进行压实，替代了传统三轴制样需要人工击实的方法，最主要的创新点和实用性是不用进行人工击实以及缩短了制样时间。然而，制样器结构上仍然采用的是传统的三瓣筒进行制样，脱膜方式仍然需要采用传统的方式脱膜，创新性不高；并且，该制样器由于采用的是制样器下端固定气压泵单向压实的方法，这样的制样方法会导致三轴试样上下密度不均，三轴试样高度难以控制；
4.专利申请号为202022711023.7的实用新型专利公开了一种旋进液压式双用三轴制样器，该专利与已有三轴制样相比，主要通过上部旋进装置进行三轴制样，替代了传统三轴制样采取人工击实的方法；并且，该制样器还可通过下部的液压千斤顶将制好的三轴试样进行脱膜。总体来说，该专利相较于传统三轴制样方法，节约时间，即可制样亦可进行脱膜。然而，该专利中所描述的制样器仍然存在大多数类似专利中的通病，采用的是制样器单向压实制样的方法，这样的制样方法会导致三轴试样上下密度不均，三轴试样高度难以控制；
5.专利申请号为202021267178.x的实用新型专利公开了一种分瓣式三轴制样器，该专利与已有三轴制样器相比，在结构上于上述中提到的一种气压三轴制样器专利并无太多差别，主要通过旋进装置对传统三瓣式制样器进行压实，替代了人工击实的方法。然而，该制样器同样存在上述专利所述的缺点，即制样器结构上仍然采用的是传统的三瓣筒进行制样，脱膜方式仍然需要采用传统的方式脱膜，创新性不高；并且，该制样器由于采用的是制样器下端固定旋进装置单向压实的方法，这样的制样方法会导致三轴试样上下密度不均，三轴试样高度难以控制。
6.综上所述，三轴试验制样十分重要，而现有的三轴制样方法弊端较多，三轴制样器主体结构仍采用传统三瓣式制样器，整体制样流程主要注重了制样时间缩短上，而摒弃了制样的均匀性。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种用于三轴试验的静压快速制样装置及制样方法、脱模方法，具有操作方便、结构简单、成本低和制样较均匀等诸多优点，能够满足三轴制样快、三轴试样密度均匀的需求，为岩土工程中，相关试验仪器制样方法的改进、升级提供有利的参考和经验。
8.本发明可通过以下技术方案实现：
9.一种用于三轴试验的静压快速制样装置，包括载物平台，在所述载物平台的顶面设置有制样治具或者脱模治具，在所述制样治具或者脱模治具的上方设置有挡板，所述载物平台的底面与升降机构相连，所述升降机构用于带动载物平台上下运动，进而带动制样治具或者脱模治具上下运动，实现与挡板的接触或者解除接触，进而实现分层制样或者试样脱模。
10.进一步，所述制样治具包括相互配合的底座、制样筒和制样杆，在所述制样杆上设置有长度不同的多个分层杆，所述分层杆用于限定制样杆插入制样筒的深度，实现分层制样。
11.进一步，所述制样杆包括杆部和平面部，所述杆部的外径与制样筒的内径配合，在其与平面部连接的端部沿轴向设置有滑槽，所述滑槽与长度最大的分层杆配合，且向杆部的另一个端部延伸，部分所述分层杆裸漏在滑槽外面，且插入制样筒后，能够抵在制样筒的顶面；
12.所述底座的底端能够拆卸地设置在载物平台顶面的凹槽内，顶端与制样筒配合；
13.所述制样筒内部的通道长度和制样杆的长度均大于待制样品的长度。
14.进一步，所述脱模治具包括相互配合的脱模筒和脱模杆，所述脱模筒的内径大于制样筒的内径，所述脱模杆的外径与制样杆的外径相同。
15.进一步，所述升降机构包括多个导向杆，每个所述导向杆均穿过载物平台，其一端与挡板连接，另一端与基座连接，在所述基座上设置有力施加机构，所述力施加机构的升降端与载物平台的底面连接，用于带动载物平台沿导向杆上下运动。
16.进一步，所述基座、载物平台和挡板平行设置，多个导向杆均匀间隔设置在三者之间，所述力施加机构设置为千斤顶。
17.一种基于上文所述的用于三轴试验的静压快速制样装置的制样方法，包括以下步骤：
18.步骤一、将底座、制样筒依次设置在载物平台上，再将部分待制样品的土样放入制样筒内部；
19.步骤二、将制样杆插入制样筒内部，启动力施加机构，带动载物平台向上运动，使制样治具的顶面抵在挡板上，继续带动载物平台慢慢向上运动，直至将制样杆上分层杆抵在制样筒的顶面，完成样品的第一层制作；
20.步骤三、将长度从小到大的分层杆依次安装到制样杆上，重复步骤二，完成样品的剩余层制作，实现分层制样。
21.一种基于上文所述的用于三轴试验的静压快速制样装置的制样方法的脱模方法，包括以下步骤：
22.步骤ⅰ、完成分层制作的制样具从载物平台上拿下来，先拿掉制样杆，再拿掉底座，
然后将脱模杆、翻转后的制样筒、脱模筒依次放置在载物平台上；
23.步骤ⅱ、启动力施加机构，带动载物平台向上运动，使脱模筒的顶面抵在挡板上，再继续带动载物平台慢慢向上运动，直至脱模杆完全进入制样筒内部，完成试样脱模。
24.本发明有益的技术效果在于：
25.(1)借助长度不同的多个分层杆和制样杆配合，限定了制样杆插入制样同的深度，再结合升降机构完成分层制样，使得制备的三轴试样能够被分区施加力量，尽量受力均匀，保证了三轴试样的整体密度更加均匀，同时，还设计了与之配套的脱模治具，能够在一台设备上完成制样和脱模，操作更加方便，适用性更加广泛；
26.(2)采用千斤顶作为力施加机构，再结合导向杆连同基座、载物平台和挡板组成的升降平台，整体结构简单，节约了成本，提高了制样效率。
附图说明
27.图1为本发明的总体结构示意图；
28.图2为本发明的制样杆及其与分层杆的配合结构示意图；
29.图3为本发明的脱模治具和三轴试样的结构示意图；
30.图4为本发明的底座的结构示意图；
31.其中，1-载物平台，2-挡板，3-导向杆，4-基座，5-底座，6-制样筒，7-制样杆，8-分层杆，9-脱模筒，10-脱模杆，11-千斤顶，12-三轴试样。
具体实施方式
32.下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
33.如图1所示，本发明提供了一种用于三轴试验的静压快速制样装置，包括载物平台1，在载物平台1的顶面设置有制样治具或者脱模治具，在制样治具或者脱模治具的上方设置有挡板2，该载物平台1的底面与升降机构相连，该升降机构用于带动载物平台1上下运动，进而带动制样治具或者脱模治具上下运动，实现与挡板2的接触或者解除接触，进而实现分层制样或者试样脱模。
34.具体地，该升降机构包括多个导向杆3，每个导向杆3均穿过载物平台1，其一端与挡板2连接，另一端与基座4连接，在基座4上设置有力施加机构，该力施加机构的升降端与载物平台1的底面连接，用于带动载物平台1沿导向杆3上下运动。
35.为了确保升降过程的稳定性，该基座4、载物平台1和挡板2平行设置，多个导向杆均匀间隔设置在三者之间，如三个，共同构成一个升降平台，而力施加机构则可采用千斤顶11，既可以降低成本，又方便操作，适用性比较强。
36.如图1和2所示，该制样治具包括相互配合的底座5、制样筒6和制样杆7，在制样杆7上设置有长度不同的多个分层杆8，该分层杆用于限定制样杆插入制样筒的深度，实现分层制样，其中，各个分层杆8的长度设置可以根据实际情况而定，以满足三轴试样的均匀性要求为准，如1/3l、2/3l，l表示制样筒6的长度，这样可以分三层制备三轴试样。
37.如图2所示，该制样杆7包括杆部和平面部，其杆部的外径与制样筒6的内径配合，在其与平面部连接的端部沿轴向设置有滑槽，该滑槽与长度最大的分层杆8配合，且向杆部的另一个端部延伸，部分分层杆8裸漏在滑槽外面，这样，插入制样筒6后，能够抵在制样筒6
的顶面，从而限定杆部进入制样筒6的深度，为了平衡分层杆8抵在制样筒6上的作用力，可以沿制样筒6的径向设置多个滑槽，如两个相差180度的滑槽，每次安装两个相同的分层杆8；而平面部则可以提供一个与挡板2的受力接触面，方便作用力从杆部传递到制样筒6内部的待制样品的土样上，将其压实，完成三轴试样的分层制样。
38.如图4所示，该底座5的底端能够拆卸地设置在载物平台1顶面的凹槽内，顶端与制样筒6配合，该凹槽的空腔要和底座5的外形配合，而底座5的顶端可以设置一个与制样筒6内部通道配合的凸起，该凸起的高度远小于通道的长度，仅仅起到定位的作用，也可以在底座5的顶端设置一个与制样筒6外径配合的凹口，同样也仅仅是起到定位作用。
39.考虑到待制样品的土样没有压实之前体积较大，该制样筒6内部的通道长度和制样杆7的长度均大于待制样品的长度，当然我们也可以将多于的长度转嫁到底座5上即在底座5的顶端中心设置一个凹口，其大小和位置与制样筒6的内部通道一致，从而可以承载大于制备好的三轴试样体积的土样。
40.如图3所示，该脱模治具包括相互配合的脱模筒9和脱模杆10，该脱模筒9的内径大于制样筒6的内径，该脱模杆10的外径与制样杆7的外径相同。
41.本发明还提供了一种基于上文所述的用于三轴试验的静压快速制样装置的制样方法和脱模方法，具体如下：
42.制样准备：
[0043]ⅰ、根据试验要求称取制作一个完整的三轴试样12的土样均分为三份备用；
[0044]ⅱ、擦拭掉制样筒6、制样杆7、脱膜筒9、底座5、分层杆8、制样杆7上的凹槽和脱膜杆10上的杂物，并抹上适量的凡士林，保证金属构件上洁净光滑；
[0045]ⅲ、检查液压千斤顶11工作状况，避免千斤顶11出现漏油现象。
[0046]
制样操作：
[0047]
步骤一、将底座5、制样筒6依次设置在载物平台1上，再将部分待制样品的土样放入制样筒6内部，如1/3的土样；
[0048]
步骤二、将制样杆7插入制样筒6内部，启动力施加机构，带动载物平台1向上运动，使制样治具的顶面抵在挡板2上，继续带动载物平台1慢慢向上运动，直至将制样杆7上的分层杆8抵在制样筒6的顶面，完成样品的第一层制作；
[0049]
步骤三、将长度从小到大的分层杆8依次安装到制样杆7上，重复步骤二，完成样品的剩余层制作，实现分层制样。
[0050]
具体地，首先，将第一层最后一步中的制样杆7取出，并用镊子对制样筒6中的1/3三轴试样12进行刮毛；接着，将另一份备好的土样按照先前操作，加入到制样筒6内；接着，将1/3l的分层杆8安装到制样杆7两侧的滑槽内(；接着，将有镶套分层杆8的制样杆7插进制样筒6内；最后，用力施加机构带动载物平台1上升，直到制样杆7上的分层杆抵到制样筒6的顶面为止，此时制备形成了完整三轴试样12高度的2/3，即三轴试样12分层的第二层；
[0051]
然后，将第二层最后一步中的制样杆7取出，并用镊子对制样筒6中的2/3三轴试样12进行刮毛；接着，将最后一份备好的土样按照先前操作，加入到制样筒6内；接着，将2/3l的分层杆8安装到制样杆7两侧的滑槽内(；接着，将有镶套分层杆8的制样杆7插进制样筒6内；最后，用力施加机构带动载物平台1上升，直到制样杆7上的分层杆抵到制样筒6的顶面为止，此时制备形成了完整三轴试样12，即三轴试样12分层的第三层。
[0052]
脱模操作：
[0053]
步骤ⅰ、完成分层制作的制样治具从载物平台1上拿下来，先拿掉制样杆7，再拿掉底座5，然后将脱模杆10、翻转后的制样筒6、脱模筒9依次放置在载物平台1上；
[0054]
步骤ⅱ、启动力施加机构，带动载物平台1向上运动，使脱模筒9的顶面抵在挡板上，再继续带动载物平台1慢慢向上运动，直至脱模杆10完全进入制样筒6内部，完成试样脱模；
[0055]
由于制样筒6的长度大于三轴试样的长度，所以翻转后的制样筒6的底部对应通道没有被填满土样，其留下的空间正好可以放置一段脱模杆10，对后续脱模操作起到导向作用，脱模更加方便。
[0056]
步骤ⅲ、利用力施加机构将载物平台1放下，依次取下脱膜筒9、三轴试样12、制样筒6和脱膜杆10，并清理制样治具、脱模治具上的杂物，便于下次制样。
[0057]
应注意：在三轴试样12即将脱膜完成前需用手顶着制样筒6，避免制样筒6在三轴试样12推出的瞬间掉落。
[0058]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。