一种原状硬质土三轴压缩试验的自动化制样装置

1.本实用新型属于岩土工程技术领域，特别涉及一种原状硬质土三轴压缩试验的自动化制样装置。


背景技术：

2.随着我国经济的快速发展，地铁、市政管廊和地下商业综合体等地下工程大量建设。在对上述构建筑物进行设计之前，必须先通过地质勘察获取建设场地地基土的物理力学性质。其中，室内原状土三轴压缩试验是获取地基土力学参数的最常用试验方法。为了保证试验测试结果的准确性，试验过程中土样的制备尤为重要。现有《土工试验方法标准》中，原状土三轴压缩试样为圆柱体形状，试样直径有39.1mm、61.8mm和101.0mm三种规格，试样高度是直径的2.0～2.5倍。为了获得以上规格的试样，《土工试验方法标准》给出了相应的制样方法：其首先根据试样直径选定特定规格的制样仪，然后采用手工方法，将置于切土架上的试样由钢丝锯或削土刀切削，且边转动边切削土样，以获得满足规格的圆柱体试样。由上述制样过程不难看出，该制样方法存在以下不足：
3.(1)最终得到的土样只是近似圆柱体，而非尺寸精准的圆柱体，这种近似性必然会影响到试验结果的真实性；
4.(2)为了使得土样接近于圆柱体，需要减小切削过程中的试样单次转动幅度，增加试样总体转动周次，制样效率偏低；
5.(3)试样切削过程中，切土刀需要与靠板紧密贴合，受限于实验员制样水平差异以及人工施力的随机性，土样受力不均匀且易于扰动。
6.目前对于原状土制样装置的实用新型层出不穷，但也都存在很多缺陷，例如cn2019109501338专利使用圆形取样筒旋转切割试样用于保证最终得到的土样为圆柱体，但是取样筒取土的动力来源依然是人工来提供，而且在切削过程中只要是人为操作取土必然会存在很多的不确定性因素，对原状土的影响程度更是难以估计，所以自动化切削相对于人工切削有更多的优势；又如cn201710665814专利使用两个切削刀盘来切削试样，使用钢丝切割线来保证土样的直径，而且整个切削过程主要是由自动化来完成的，但是在土样的切削过程中需要涉及到将切削刀盘更换为钢丝切割线组件这一步骤，因此在实际应用中极易发生意外，而且设备设计也过于复杂不易加工制造和广泛使用。
7.基于上述背景，为了使制样的整个过程操作简单且土样不易受到扰动，本实用新型提出一种原状硬质土三轴压缩试验的自动化制样装置。


技术实现要素：

8.本实用新型提供一种原状硬质土三轴压缩试验的自动化制样装置，其不仅能满足不同尺寸规格的原状硬质土三轴压缩试样的制备，而且制样效率高、制样尺寸精准，土样扰动小，且操作方便。
9.为了实现上述目的，本实用新型提供如下方案：
10.一种原状硬质土三轴压缩试验的自动化制样装置，包括切土器框架16和切土旋转筒系统24；所述切土器框架由下板8、上板7和支撑柱9组成，所述上板7、下板8和支撑柱9通过螺栓10栓接安装，所述下板9中心位置设置有螺洞6和放置试样的可拆卸基座4，所述上板7的中心位置处开设有中心圆孔，所述中心圆孔的内表面设置有内螺纹丝19，所述切土旋转筒系统24由马达22、轴承杆18、支座板23、支座柱21和切土旋转筒11组成，所述马达22与轴承杆18之间通过法兰盘25进行连接，所述马达22固定在支座板23上，所述支座板23通过其自身的四个角设置的圆孔和支座柱21进行滑动连接，所述轴承杆18表面设置有外螺纹丝26，与上板7中心圆孔处的内螺纹丝19的直径和丝距相同，所述轴承杆18下端设置有上接头14，所述上接头14的内壁具有螺纹用于连接切土旋转筒11，所述下板8的基座4旁边设置有刻度尺20。
11.所述的切土旋转筒的内直径有三种规格，三种所述切土旋转筒的规格分别为直径39.1mm，高度117.3mm；直径61.8mm，高度185.4mm；直径101.0mm，高度303.0mm。
12.所述的切土旋转筒上端有下接头，所述下接头外壁具有螺纹，所述上接头和下接头使用螺纹进行连接，所述的切土旋转筒的下端设置有锋利的薄壁锯齿刀，所述切土旋转筒侧壁上贯穿开设有矩形孔洞；
13.所述基座下部连接有螺杆，所述螺杆活动栓接在螺洞内部，所述基座和下板相对固定安装；
14.所述基座呈圆盘状，所述基座上表面设置有钢钉，所述基座上表面四拐点分别设置有弹簧夹。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
16.切土旋转筒显著提高了制样效率和精度，不仅减小了实验工作人员的劳动强度，而且可得到尺寸较为精准的圆柱体土样；
17.土样制备过程基本能够实现自动化，减小了由于实验人员经验的不足造成的对土样的扰动；
18.同一套制样设备能够同时满足不同尺寸规格的硬质土三轴压缩试样的制备，不仅节省了仪器的采购成本，而且也减小了仪器的存放空间；
19.制样设备结构简单，便于加工和操作。
附图说明
20.图1为硬质土三轴压缩多尺度制样装置示意图；
21.图2为图1所示结构的俯视图；
22.图3为图1中沿a-a’的剖面图；
23.图4位图1中轴承杆的局部放大图。
24.图中标号说明：1-土样、2-钢钉、3-弹簧夹、4-基座、5-螺杆、6-螺洞、7-上板、8-下板、9-支撑柱、10-螺栓、11-切土旋转筒、12-矩形孔洞、13-锯齿刀、14-上接头、15-下接头、16-切土器框架、18-轴承杆、19-内螺纹丝、20-刻度尺、21-支座柱、22-马达、23-支座板、24-切土旋转筒系统、25-法兰盘、26-外螺纹丝。
具体实施方式
25.为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示，进一步阐述本实用新型。
26.如图1-4所示，本实施例的一种原状硬质土三轴压缩试验的自动化制样装置：包括切土器框架16和切土旋转筒系统24；切土器框架由下板8、上板7和支撑柱9组成，上板7、下板8和支撑柱9通过螺栓10栓接安装，下板9中心位置设置有螺洞6和放置试样的可拆卸基座4，上板7的中心位置处开设有中心圆孔，中心圆孔的内表面设置有内螺纹丝19，切土旋转筒系统24由马达22、轴承杆18、支座板23、支座柱21和切土旋转筒11组成，马达22与轴承杆18之间通过法兰盘25进行连接，马达22固定在支座板23上，支座板23通过其自身的四个角设置的圆孔和支座柱21进行滑动连接，轴承杆18表面设置有外螺纹丝26，与上板7中心圆孔处的内螺纹丝19的直径和丝距相同，轴承杆18下端设置有上接头14，上接头14的内壁具有螺纹用于连接切土旋转筒11，下板8的基座4旁边设置有刻度尺20。
27.切土旋转筒11的内直径有三种规格，三种切土旋转筒11的规格分别为直径39.1mm，高度117.3mm；直径61.8mm，高度185.4mm；直径101.0mm，高度303.0mm。
28.切土旋转筒11上端有下接头15，下接头15外壁具有螺纹，上接头14和下接头15使用螺纹进行连接，的切土旋转筒11的下端设置有锋利的薄壁锯齿刀13，切土旋转筒11侧壁上贯穿开设有矩形孔洞12。
29.基座4下部连接有螺杆5，螺杆5活动栓接在螺洞6内部，基座4和下板7相对固定安装；
30.基座4呈圆盘状，基座4上表面设置有钢钉2，基座4上表面四拐点分别设置有弹簧夹3，基座4直径大于最大尺寸规格的圆柱体土样直径，防止试样过大从边缘坍落。
31.实验过程中假定拟切削试样的高度为h1，基座4上表面至弹簧夹3夹头的竖向距离为h0，试样上表面到锯齿刀13下缘的竖向距离为h2，外螺纹丝26和内螺纹丝19的丝距为hs；切土过程中，切土旋转筒11需要向下移动的距离为h＝h2+h
1-h0；实验装置为了满足不同软硬程度土样的制备，马达设置了三个档位，分别为：档位1-坚硬土-转速为n1，档位2-次坚硬土-转速为n2，档位3-稍坚硬土-转速为n3，其中n3》n2》n1，对应的马达22的转动角速度依次为：w1＝2πn1，w2＝2πn2，w3＝2πn3，的轴承杆18与马达22之间通过法兰盘25进行连接，因此轴承杆18的角速度与马达22的角速度一致，切土旋转筒11向下移动的动力主要是依靠上板7中心圆孔与轴承杆18之间的螺纹丝提供，因此轴承杆18向下移动一个丝距的时间与轴承杆18旋转一周的时间相同，故算得切土旋转筒11向下移动的速度分别为v
s1
＝(hsw1)/2π，v
s2
＝(hsw2)/2π，v
s3
＝(hsw3)/2π，因此切土旋转筒11从预定位置移动到土样切割完毕所需的时间分别为t1＝h/v
s1
，t2＝h/v
s2
，t3＝h/v
s3
。
32.具体使用时，按照下述使用步骤：
33.仪器安装：将穿过内螺纹丝19的轴承杆18竖直向上调整至合适位置，根据拟开展三轴压缩试验的试样规格，选择与之相匹配的切土旋转筒11，将切土旋转筒11的下接头15对准轴承杆18的上接头14并拧紧，将所述下端带螺纹的螺杆5旋入下板8的螺洞6中并拧紧，在切土旋转筒11的内壁涂抹黄油或凡士林，减小切土旋转筒11与试样接触面的摩擦力；
34.仪器调试：检查仪器各个构件是否安装到位，比如，刻度尺20刻度是否存在缺陷、螺栓10是否连接紧实、上板7和下板8板面是否平整、轴承杆18是否倾斜、马达22是否能够按
照预期竖直向下匀速移动且转动，等等，若存在问题，应查清根源并予以调整；
35.土样预处理：选择无明显扰动痕迹的试样，采用钢丝锯进行预切削，使试样尺寸小于制样设备的容许空间；
36.土样安放：将预处理土样放置在基座4的钢钉2上，依次扣动基座4四个方位上的弹簧夹3将试样固定在基座4上；
37.位置标定：利用刻度尺20获取需要使用的相关参数h2、h1、h0，带入前面所述的公式中计算出马达需要运行的时间t；
38.土样切削：根据拟切削土的软硬程度选择与之相匹配的马达档位，启动马达且开始计时。比如，当试样为坚硬土时，选择档位1，马达的启动时间为t1，当试样为次坚硬土时，选择档位2，马达的启动时间为t2，当试样为稍坚硬土时，选择档位3，马达的启动时间为t3；计时结束后，关闭马达22电源停止转动，然后开启马达22反方向转动，向上提升切土旋转筒11至最高位；
39.试样后处理：打开基座4上的四个弹簧夹3，将切割后的土样1从基座4上取下，然后利用钢丝锯将土样1两端削除，令土样1高度符合需要的高度，即可作原状硬质土的三轴压缩试验。