一种各向异性砂土三轴试样制备装置

技术领域

本发明涉及岩土材料测试领域，特别涉及一种各向异性砂土三轴试样制备装置。

背景技术

由于土体具有典型的散粒体结构特性，土颗粒在天然沉积或施工过程中分层压实作用下，会沿着一定方向定向排列，从而形成岩土体宏观表现上的原生各向异性，对土体的强度、变形及渗透性会产生显著的影响。实际工程中的砂土通常存在于长期经受渗透水流冲刷的土石坝中以及靠近河流岸边的建筑地基中，也常发现于由于山体滑坡、地震等因素造成的松散堆积坝体中，与其他类型的土体相比，其级配不良，粗细颗粒粒径相差较大，致使这类土体的原生各向异性程度更为明显，故而研究颗粒沉积角度对砂土的水力学特性的影响具有重要的科学理论价值，并且有着深刻的工程背景和潜在的工程应用价值。

现有的室内土体三轴试样制备方法大多只考虑了初始沉积角度为0°，即水平沉积的特殊条件，忽略了试样初始沉积角度造成的各向异性，难以反映自然界中土体的真实沉积过程和分层压实效果。为研究各向异性土体在渗流作用下的渗透特性，中国发明专利CN201210530675.8虽能测量试样在水平方向和竖直方向上的渗透系数，但其仅能实现0°和90°两个角度下的各向异性试样渗透性的测量，仅仅是将制备后的试样进行整体旋转90°，本质上并未制备出具有不同初始沉积角度的试样。中国专利202110263673.6提出的制样装置仅是依靠切土方式制备横截面为矩形的常规试样，试样无法装套乳胶膜用于三轴试验，且对砂土试样扰动较大。规范《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）中对砂土三轴试样制备时采用的是直接在对开模套内注水制备，该方法只能获得初始沉积角度为0°的砂土三轴试样，无法制备初始沉积角度为其他角度的各向异性砂土三轴试样。

对于砂土颗粒，其颗粒间仅存在很小的表观黏聚力，压实后的砂土难以维持站立状态，对于砂土三轴试样还需装套乳胶膜以完成试样后续的饱和操作，故而先制样后套膜的制备技术以及如何制备具有不同原生各向异性程度的砂土三轴试样一直是该领域的难点之一。因此，有必要提供一种简单易行，能够制备各向异性砂土三轴试样的制备装置及取样方法用于制备不同沉积角度的各向异性砂土三轴试样。

发明内容

本发明提供一种各向异性砂土三轴试样制备装置，旨在解决传统砂土三轴制样器存在的技术问题。

本发明提供一种各向异性砂土三轴试样制备装置，包括拆卸式的试样制备箱体、倾斜式的万向支撑机构、直筒取样器、基座，所述试样制备箱体由底板和多个侧板拼接成具有取样开口的箱体结构，所述基座上设有滚轴，所述试样制备箱体底板的一端通过滚轴铰接在基座上，所述试样制备箱体装入砂土三轴试样并压实后绕滚轴倾斜，所述万向支撑机构一端连接在基座上、另一端固定住倾斜状态的试样制备箱体，所述直筒取样器从倾斜的箱体取样开口处竖直向下切入试样中取样。

作为本发明的进一步改进，所述试样制备箱体包括顶板框架，所述顶板框架通过紧固件可拆卸地连接在多个侧板的顶部；所述底板与侧板之间、多个所述侧板之间均紧固件可拆卸连接。

作为本发明的进一步改进，所述万向支撑机构包括支撑座、轴杆，所述试样制备箱体的底板设有卡槽，所述轴杆连接在基座上，所述支撑座的一端铰接在轴杆上，所述支撑座的另一端卡入卡槽内并支撑住倾斜状态的试样制备箱体。

作为本发明的进一步改进，所述万向支撑机构包括倾斜式支撑杆、万向轮盘、铰支座，所述铰支座固定连接在基座上，所述万向轮盘固定连接在试样制备箱体的侧板，所述倾斜式支撑杆一端连接在铰支座上，其另一端穿过万向轮盘并通过紧固件与万向轮盘固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述万向轮盘包括万向底盘、万向滚轮、卡口，所述万向底盘固定连接在试样制备箱体的侧板上，所述万向滚轮可旋转地设置在万向底盘上，所述卡口固定连接在万向滚轮的一侧，所述倾斜式支撑杆穿过卡口并通过紧固件与卡口固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述基座上设有门铰，所述门铰设有圆拱形槽位，所述滚轴铰接在门铰的圆拱形槽位内。

作为本发明的进一步改进，该各向异性砂土三轴试样制备装置还包括升降式反力架，所述升降式反力架包括立杆、横梁、千斤顶、反力架底盘，所述立杆通过反力架底盘固定在基座上，所述横梁调整在立杆上的高度位置后并通过紧固件与立杆连接，所述横梁底部设有滑槽，所述千斤顶滑动连接在滑槽内，取样时所述千斤顶置于直筒取样器上，所述千斤顶包括压杆和活塞杆，所述千斤顶通过压杆带动活塞杆上下升降并作用于直筒取样器。

作为本发明的进一步改进，所述直筒取样器包括对开模和紧箍，所述对开模底部开设有用于切入试样的倾斜刀口，所述对开模的外壁设有凹槽，所述紧箍设置在凹槽内并约束对开模。

作为本发明的进一步改进，所述基板上还设有用于测量试样制备箱体倾斜角度的角度测量器。

作为本发明的进一步改进，各向异性砂土三轴试样制备装置还包括用于压实试样的击实锤。

本发明的有益效果是：本装置为各向异性砂土三轴试样的制备提供了精确的角度控制方式，可制备具有不同初始沉积角度的各向异性砂土三轴试样，解决传统砂土三轴制样器无法制备具有不同初始沉积角度试样的技术难题，以此更好地研究初始沉积角度的影响，也即因土颗粒定向排列引发的原生各向异性对砂土强度、变形及渗透性等水力特性的影响。

附图说明

图1是本发明各向异性砂土三轴试样制备装置的整体结构图；

图2是本发明中试样制备箱体的结构图；

图3是本发明中万向支撑机构、试样制备箱体底板与基座连接的结构图；

图4是本发明中直筒取样器的结构剖视图；

图5是本发明中门铰的结构图；

图6是本发明中万向轮盘的结构图。

附图各标示表示的含义如下：

1-基座、11-滚轴、12-门铰、13-圆拱形槽位、14-角度测量器、15-万向刹车支撑式脚轮、2-试样制备箱体、21-底板、22-侧板、23-顶板框架、24-卡槽、3-万向支撑机构、31-支撑座、32-轴杆、33-倾斜式支撑杆、34-万向轮盘、341-万向底盘、342-万向滚轮、343-卡口、35-铰支座、4-直筒取样器、41-对开模、42-紧箍、43-凹槽、44-倾斜刀口、5-试样、6-击实锤、7-升降式反力架、71-立杆、72-横梁、73-千斤顶、74-反力架底盘、75-压杆、76-活塞杆、8-螺母。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1至图3所示，本发明的一种各向异性砂土三轴试样制备装置，包括拆卸式的试样制备箱体2、倾斜式的万向支撑机构3、直筒取样器4、基座1，试样制备箱体2由底板21和多个侧板22拼接成具有取样开口的箱体结构，基座1上设有滚轴11，试样制备箱体2底板21的一端通过滚轴11铰接在基座1上，试样制备箱体2装入砂土三轴试样并压实后绕滚轴11倾斜，万向支撑机构3一端连接在基座1上、另一端固定住倾斜状态的试样制备箱体2，直筒取样器4从倾斜的箱体取样开口处竖直向下切入试样5中取样。

通过控制倾斜式的万向支撑机构3，带动试样制备箱体2可精准旋转至设定角度，实现颗粒不同沉积角度（0°~90°范围内）的砂土三轴试样制备。由于自然界中形成的砂土结构中，颗粒的朝向是各向异性的，即内部颗粒有多种倾斜朝向，并不是单一的都是水平排列的结构，如果在试样5的制备过程中，如果只是在水平面对试样5压实后并在试样5处在水平状态下取样，所取出试样5中颗粒的朝向会是比较单一的水平朝向，这与实际自然形成的试样5有所区别。因此本发明对试样5的采集过程中，可以在水平方向上对试样5进行压实后，再通过倾斜试样制备箱体2的角度进行取样。而由于砂土的黏性低，直接倾斜制备试样5会发生砂土内部颗粒相互滑到，使形成的试样5内部颗粒分布不均，由此借助各向异性砂土三轴试样制备装置先形成各向异性的土壤结构，即形成不同沉积角度下的土壤试样，再利用直筒取样器4竖直切入的取样方式，形成的试样5会更接近与自然形成的土壤结构。

各向异性砂土三轴试样制备装置还包括用于压实试样5的击实锤6。击实锤6底板21为长方体不锈钢板，外尺寸略小于试样制备箱体2的内尺寸。在压实试样5时，可以通过击实锤6对试样制备箱体2内的试样5击打压实，击实锤6可以通过手动的方式进行操作，也可以接触敲打机械作用于击实锤6来进行击打压实。

如图2所示，试样制备箱体2包括顶板框架23，顶板框架23通过紧固件可拆卸地连接在多个侧板22的顶部；底板与侧板之间、多个侧板之间均紧固件可拆卸连接。优选的，试样制备箱体2包括四块侧板22，一块底板21和一块顶板框架23组成，侧板22、底板21、顶板框架23之间通过螺钉相互连接实现自由拆卸，其中顶板框架23为中空的四边框架，通过螺钉固定在四个侧板22的顶部，并预留出来砂土三轴试样的入料和取样开口，底板21厚度为侧板22的两倍，用于支撑整个试样制备箱体2和压实后的试样5。

如图3所示，万向支撑机构3包括支撑座31、轴杆32，试样制备箱体2的底板21设有卡槽24，轴杆32连接在基座1上，支撑座31的一端铰接在轴杆32上，支撑座31的另一端卡入卡槽24内并支撑住倾斜状态的试样制备箱体2。支撑座31与试样制备箱体2底板21上的卡槽24相匹配，用于支撑旋转后的试样制备箱体2。

如图4所示，万向支撑机构3包括倾斜式支撑杆33、万向轮盘34、铰支座35，铰支座35固定连接在基座1上，万向轮盘34固定连接在试样制备箱体2的侧板22，倾斜式支撑杆33一端连接在铰支座35上，其另一端穿过万向轮盘34并通过紧固件与万向轮盘34固定连接。

如图6所示，万向轮盘34包括万向底盘341、万向滚轮342、卡口343，万向底盘341固定连接在试样制备箱体2的侧板22上，万向滚轮342可旋转地设置在万向底盘341上，卡口343固定连接在万向滚轮342的一侧，倾斜式支撑杆33穿过卡口343并通过紧固件与卡口343固定连接。万向滚轮342与卡口343焊接相连，万向滚轮342可以实现0°~360°的旋转。

铰支座35优选为U型铰支座35，铰支座35和万向轮盘34作为倾斜式支撑杆33的两个支点，来支撑起倾斜的试样制备箱体2，倾斜式支撑杆33优选为螺杆结构，倾斜式支撑杆33穿插在万向轮盘34的卡口343中，借助螺母8来支撑和旋转试样制备箱体2。在试样制备箱体2倾斜为不同角度时，倾斜式支撑杆33可以借助铰支座35、万向滚轮342的可转动结构来做角度的调整。万向轮盘34上下部设有螺母8用于调节倾斜支撑杆33的倾斜角度，通过调节倾斜式支撑杆33的倾斜角度带动试样制备箱体2，使试样制备箱体2在0°~90°角度范围内实现旋转。

基座1上还设有用于测量试样制备箱体2倾斜角度的角度测量器14，借助角度测量器14精准控制旋转倾斜角度，倾斜角度为试样压实层面与水平方向的夹角

如图5所示，基座1上设有门铰12，门铰12设有圆拱形槽位13，滚轴11铰接在门铰12的圆拱形槽位13内。滚轴11和门铰12的结构作为支撑点配合倾斜式支撑杆33、万向轮盘34用于旋转试样制备箱体2，门铰12内部嵌有半圆形的小圆拱形槽位13，滚轴11可以在小圆拱形槽位13上实现0°~180°的滚动旋转。

如图1所示，各向异性砂土三轴试样制备装置还包括升降式反力架7，升降式反力架7包括立杆71、横梁72、千斤顶73、反力架底盘74，立杆71通过反力架底盘74固定在基座1上，横梁72调整在立杆71上的高度位置后并通过紧固件与立杆71连接，横梁72底部设有滑槽，千斤顶73滑动连接在滑槽内，取样时千斤顶73置于直筒取样器4上，千斤顶73包括压杆75和活塞杆76，千斤顶73通过压杆75带动活塞杆76上下升降并作用于直筒取样器4。

立杆71优选为立式螺杆的结构，升降式反力架7通过两根立式螺杆与基座1连接，横梁72通过螺母8实现在立杆71的上下升降，液压千斤顶73通过压杆75使得活塞杆76上下升降。升降式反力架7的立杆71通过反力架底盘74与基座1相连，升降式反力架7的横梁72两端开设有圆洞，圆洞用于横梁72和立杆71相连，立杆71上在横梁72上下部设有螺母8，螺母8上下旋转可调节横梁72高度。升降式反力架7的横梁72底部设有一条滑槽，千斤顶73可在滑槽中移动，千斤顶73位置确定后通过螺钉与横梁72连接，千斤顶73放置于两瓣膜薄壁圆筒取样器上。

如图1和图4所示，直筒取样器4包括对开模41和紧箍42，对开模41底部开设有用于切入试样5的倾斜刀口44，对开模41的外壁设有凹槽43，紧箍42设置在凹槽43内并约束对开模41。直筒取样器4优选为两瓣膜薄壁圆筒取样器，此结构下，对开模41优选为对开圆模，两瓣膜薄壁圆筒取样器具体由对开圆模和紧箍42组成，两瓣膜薄壁的对开圆模对接后，通过紧箍42约束住对开圆模。对开圆模厚度为5mm，薄壁圆筒取样器壁身上设有凹槽43，凹槽43深度为2mm，宽度为15mm，凹槽43用于放置紧箍42，薄壁圆筒取样器底部的刀口倾斜角度为30°，刀口高度为2mm。

取样时，两瓣膜薄壁圆筒取样器放置于试样制备箱体2内的方形试样5上，千斤顶73放置于两瓣膜薄壁圆筒取样器上，通过升降式反力架7向下静压两瓣膜薄壁圆筒取样器，薄壁圆筒取样器匀速压入压实后的方形试样5内部。

取样后两瓣膜薄壁圆筒取样器放置于三轴基座1上，轻轻地将对开圆模上的紧箍42移除，对开圆模在内壁润滑喷剂的作用下脱离砂土三轴试样，砂土三轴试样利用承膜筒将乳胶膜装套在试样上完成试样制备。

如图1所示，基座1下方安装有四个万向刹车支撑式脚轮15，万向刹车支撑式脚轮15用于支撑和移动整个试样制备装置。

本向异性砂土三轴试样制备装置，主要包括拆卸式试样制备箱体2、倾斜式万向支撑、升降式反力架7、两瓣膜薄壁圆筒取样器和移动式基座1，各部分相互配合，可分别实现各向异性砂土三轴试样的装填和压实、制备装置的倾斜、薄壁圆筒取样、取样时提供静压和制备装置的支撑及自由移动等功能，从而制备出不同初始沉积角度的各向异性砂土三轴试样。

如图1至图3，拆卸式试样制备箱体2由四块侧板22（前后侧板和左右侧板）、一块底板21和一块顶板框架23组成，其材质为铝质板，制备箱体的内径为500mm*400mm*300mm，侧板22和顶板框架23厚度均为10mm，底板21厚度为20mm，相互间通过螺钉连接实现自由拆卸。制备试样5前，先将制备箱体的六块板进行组装，并将试样制备箱体2底板21上的滚轴11与位于移动式基座1上的门铰12相连，调试滚轴11使其沿门铰12内的小圆拱形槽位13可进行旋转0°~180°。以粗粒土三轴渗透变形试验为例，将待制备的含有干土质量3%水量的砂土采用落雨法均匀铺设在制备箱体内部，并采用击实锤6进行分层压实。将两根倾斜式万向支撑机构3的倾斜式支撑杆33分别穿插在万向轮盘34的卡口343上，倾斜式支撑杆33通过销钉与位于移动式基座1上的铰支座35相连，通过调控倾斜式支撑杆33上的螺母8来控制试样制备箱体2的旋转角度，通过角度测量器14来读取旋转角度，以精准控制试样制备箱体2在0°~90°范围内的旋转。当试样制备箱体2旋转至设定角度后，将螺母8扭紧，并将支撑座31放置于试样制备箱体2底板21处的卡槽24上用于支撑试样制备箱体2。

将升降式反力架7的横梁72通过立杆71上的螺母8调节至适当高度，将千斤顶73安装在横梁72上，并通过横梁72上的滑槽调节至方形砂土试样的正中心。如图4所示，在粗粒土三轴渗透变形试验中，两瓣膜薄壁圆筒取样器内直径为150mm，高度为300mm，将两瓣膜薄壁圆筒取样器凹槽43上安装好紧箍42，紧箍42用于束缚对开圆模，且对开圆模内壁喷射有润滑剂，便于取样后去除对开圆模。将两瓣膜薄壁圆筒取样器轻轻的放置在千斤顶73正下方，随后通过压杆75调节千斤顶73的活塞杆76使其匀速向下压缩，由此可使两瓣膜薄壁圆筒取样器匀速向下嵌入方形砂土试样中，进而完成对方形砂土试样的静压取样。完成静压取样后，可获取直径为150mm，高度300mm的圆形试样。将带有圆形试样的两瓣膜薄壁圆筒取样器轻轻放置于三轴基座1上，随后轻轻地去除紧箍42和对开圆模，获得不同初始沉积角度下未装套乳胶膜的各向异性砂土三轴试样，进一步地，利用承膜筒将乳胶膜装套在各向异性砂土三轴砂土试样上，由此获得装套有乳胶膜的各向异性三轴砂土试样。

本装置为各向异性砂土三轴试样的制备提供了精确的角度控制方式，可直接制备具有不同初始沉积角度的砂土三轴试样，并借助承膜筒能将乳胶膜装套在不同初始沉积角度的砂土三轴试样上，准确度高，操作简单，对试样扰动小，易于推广使用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。