一种操作简易的砂土空心圆柱试样制样装置及其制样方法与流程

本发明涉及一种制样装置及其制样方法，尤其涉及一种操作简易的砂土空心圆柱试样制样装置及其制样方法。

背景技术：

在砂土空心圆柱试验的制样过程中，常用的制样方法是分层击实法。击实工具一般为长塑料振捣棒或环形压头击实器。长塑料棒振捣存在的缺点是各层层厚难以控制，层面平整度难以控制等；而环形压头击实器的缺点是反复取出安装压头易损坏内外壁上的乳胶薄膜；很难有效适用于层数较多的情况，从而使得层厚较大且层间差异较为明显，影响试样均匀度；且较大层厚常与自重较大的重锤结合，使得击锤冲击力较大，容易造成试样内部裂缝等问题。此外，厂家所配内模具由对瓣内模具及抽板组成，下端嵌于浅槽内，上端无约束，在制样初期容易倾斜，导致试样壁厚不一致。

例如，现有公开号为CN 105181404A的中国发明公开了《冻结粘土空心圆柱试样制样装置》，由加力杆、不锈钢三瓣外筒、内模具帽、紧箍圈、带齿的上压头、固定螺丝、抽板、不锈钢对瓣内模具、带挂耳的紧箍圈、空心圆柱试样、带齿的下压头、固定支架的螺栓、支架、下底座构成，加力杆断面呈“Π”状，内置有不锈钢三瓣外筒，不锈钢三瓣外筒内套有不锈钢对瓣内模具，不锈钢对瓣内模具穿过带齿的上压头抵达带齿的下压头，内模具帽置于不锈钢对瓣内模具的顶端，不锈钢对瓣内模具中间嵌入有一个外为长方形内为带弓的抽板，将带齿的上压头和带齿的下压头隔开，不锈钢三瓣外筒与不锈钢对瓣内模具之间是空心圆柱试样，不锈钢三瓣外筒的上下部设置紧箍圈，用固定螺丝紧固，中部设置带耳朵的紧箍圈，与一个不锈钢支架相连接，用固定支架的螺栓紧固，底座与制样装置的底部接触。又如，现有公开号CN 104374625 A的中国发明公开了《一种半自动多功能土工试验压样装置》，包括油箱、电机、液压泵、液压缸、控制机构和可移动压样平台，可移动压样平台通过支架固定于基座上，电机与液压泵连接，油箱与液压泵通过管道相连，油箱通过固定在支架上；液压缸安装在基座中央，其上部与可移动压样平台固定，可移动压样平台内置有用于测量可移动压样平台的轴向位移的位移计；控制机构固定在侧柱上，通过控制电机实时检测可移动制样平台的位置。但这些方法在用于重塑土样时，每次加入土样时都涉及到整个压样锤从腔体内取出并安装，易摩擦、拉扯并损坏内外乳胶膜，因此常用于层数较少的情况，一般适用于层数不大于5层的情形。

技术实现要素：

本发明要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种操作简易的砂土空心圆柱试样制样装置，能够适用于试样土体层数较多的情况，不易损伤内外乳胶薄膜，有效制备均匀度高的砂土试样，且能有效固定内模具，防止其倾斜，同时，具有操作方便的特点。

本发明要解决的第二个技术问题是针对现有技术现状，提供一种操作简易的砂土空心圆柱试样制样方法，能够适用于试样土体层数较多的情况，不易损伤内外乳胶薄膜，有效制备均匀度高的砂土试样，且能有效固定内模具，防止其倾斜，同时，具有操作方便的特点。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种操作简易的砂土空心圆柱试样制样装置，包括底座、设置于底座之上的外模具、设置于外模具内的内模具，外模具和内模具之间形成用于成型试样的试样腔，其特征在于：所述制样装置还包括下料组件、卸料压实组件和夯击组件。

所述下料组件包括设置于外模具外部竖向布置的一根支撑杆和两根导向杆，支撑杆的顶部横向布置有一环形固定盘，导向杆穿过环形固定盘并通过固定环支撑环形固定盘，在环形固定盘上位于通孔内设置有一回转盘，环形固定盘上设置有一回转电机，回转电机的输出端设置有一蜗杆，回转盘的外壁上形成有一与蜗杆相适配的涡轮部，回转盘的下方设置有一漏斗。

所述卸料压实组件包括不锈钢承力板、连接承力板并滑动设置于导向杆上的不锈钢导向部、不锈钢环形压头、固定连接于承力板和环形压头之间环向均布的多个不锈钢传力杆；在环形压头上环向均匀开设多个贯穿孔，环形压头底端面每个贯穿孔内开设锪孔部，每个锪孔部内设置有一形状与锪孔部相适配的不锈钢活塞，位于环形压头的上部设置有一连接每个活塞的网架；每根传力杆的外部滑动套设有套杆，所有套杆的下端与网架连接，所有套杆的上端与一连接环固定，连接环上开有与传力杆匹配的穿孔，连接环下端套杆外部设置有弹簧，每根传力杆上位于对应弹簧下设置有一弹簧限位杆。

所述夯击组件包括设置于内模具顶部并与其相适配的顶盖、穿过承力板带有刻度的刻度杆以及滑动套设于刻度杆上的夯击锤；顶盖上部与刻度杆下端通过螺纹固定。

作为改进，所述环形压头的上端面上位于每个贯穿孔处形成有环槽，贯穿孔位于环槽的槽底，环槽的槽壁向贯穿孔底部方向倾斜，相邻环槽的槽壁顶部相交于一条线，通过在每个贯穿孔上部设置一环槽，保证试样腔内的砂土能够更够沿着环槽的槽壁掉入至贯穿孔内，防止砂土在试样腔的底部进行堆积。

再改进，所述环形压头的上端面上靠近外径处设置有外挡圈，靠近内径处设置有内挡圈，防止砂土在试样腔内堆积一定高度后砂土掉入环形压头和外模具内壁之间的间隙内。

与现有技术相比，本发明解决第一个技术问题的优点在于：本发明利用回转电机通过涡轮蜗杆带动回转盘的转动，实现漏斗的均匀下料，同时，本发明在不锈钢环形压头上开设锪孔部并搭以相适配的不锈钢活塞，在下料过程中利用连接环压缩弹簧的方法，迫使活塞下移打开锪孔部，使得位于环形压头上方的砂土均匀掉入至试样腔的底部，在压实过程中利用弹簧自身张力确保活塞上移封闭锪孔部，使得环形压头下端面为刚性平整面，这样，不仅能够确保每层砂土表面平整均匀，而且避免了每次分层加料时取出并安装装置，简化了制样工序，具有操作方便、不宜损伤内外乳胶膜的优点，此外，采用与内模具顶部相适配的顶盖，并通过嵌入顶盖并穿过承力板的刻度杆约束内模具上端的侧向位移。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种砂土空心圆柱试样操作简易的制样方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设计分层压实的次数，计算每次加入的砂土量和夯实高度；

(2)、将卸料压实组件沿着导向杆上升一定高度，在此过程中，承力板沿着导向杆向上运动，承力板通过传力杆带动环形压头向上运动，与此同时，承力板通过弹簧和套杆带动网架连同活塞跟随环形压头向上运动，上升高度大于此次砂土量倒入试样腔后所形成的砂土高度，利用夹在导向杆上的固定夹固定承力板竖向位置；

(3)、向漏斗内加入此次对应的砂土量，回转电机动作，蜗杆通过涡轮带动整个回转盘回转2～5圈，漏斗内的砂土均匀洒在环形压头的上端面之上；

(4)、回转电机停止转动，向下拨动连接环，连接环、套杆及活塞下移，弹簧被压缩，环形压头内各个活塞下行打开锪孔部，环形压头上方的砂土掉入试样腔；

(5)、松开连接环，在弹簧的张力作用下，各个活塞复位，重新封堵环形压头的锪孔部；

(6)、松开固定夹，卸料压实组件下行，环形压头底部压于试样腔的砂土上方；

(7)、重复下落夯击锤，直至承力板到达刻度杆上的设计高度；

(8)、重复步骤(2)至(7)，直至制样完成。

与现有技术相比，本发明解决第二技术问题的优点在于：本发明利用分层击实法进行砂土空心圆柱试样的制样，通过事先设计分层次数，计算每次加入的砂土量和夯实高度，在每次击实过程中，利用回转电机通过涡轮蜗杆带动回转盘的转动，实现漏斗的均匀下料，同时，本发明在不锈钢环形压头上开设锪孔部并搭以相适配的不锈钢活塞，在下料过程中利用连接环压缩弹簧的方法，迫使活塞下移打开锪孔部，使得位于环形压头上方的砂土均匀掉入至试样腔的底部，在压实过程中利用弹簧自身张力确保活塞上移封闭锪孔部，使得环形压头下端面为刚性平整面，这样，不仅能够确保每层砂土表面平整均匀，而且避免了每次分层加料时取出并安装装置，简化了制样工序，具有操作方便、不宜损伤内外乳胶膜的优点，此外，采用与内模具顶部相适配的顶盖，并通过嵌入顶盖并穿过承力板的刻度杆约束内模具上端的侧向位移。

附图说明

图1是本发明实施例中操作简易的砂土空心圆柱试样制样装置的剖视图；

图2是本发明实施例中操作简易的砂土空心圆柱试样制样装置的分解图；

图3是本发明实施例中操作简易的砂土空心圆柱试样制样装置的结构示意图；

图4是本发明实施例中环形压头底部的结构示意图；

图5是本发明实施例中环形压头顶部的俯视结构示意图；

图6是图1中A处的局部放大图；

图7是本发明实施例中连接环、套杆和弹簧的连接结构示意图；

图8是图7中B-B向的剖视结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至8所示，本实施中的操作简易的砂土空心圆柱试样制样装置，包括底座1、外模具2、内模具3、下料组件4、卸料压实组件5和夯击组件6。

其中，外模具2由一定厚度的三瓣圆心角为120°的圆弧形不锈钢金属片组成，并通过上下部紧箍圈固定。内模具3由两半圆不锈钢筒体及一不锈钢抽板对接构成。外模具2和内模具3底端嵌于底座1顶面的环形浅槽内。内模具3设置于外模具2内，外模具2和内模具3之间形成用于成型试样的试样腔21。

下料组件4包括设置于外模具2外部竖向布置的支撑杆41和导向杆42，在本发明实施例中，支撑杆41为一根，导向杆42为两根，支撑杆41的顶部横向布置有一环形固定盘43，导向杆42穿过环形固定盘43，环形固定盘43的中部开设有一通孔，在环形固定盘43上位于通孔内转动设置有一回转盘44，环形固定盘43上设置有一回转电机，回转电机的输出端设置有一蜗杆，回转盘44的外壁上形成有一与蜗杆相适配的涡轮部，涡轮部与蜗杆之间设置一变速箱，便于针对不同土样调整回转盘44旋转速度，回转盘44的下方设置有一漏斗45，具体地，漏斗45和回转盘44之间采用连接杆进行连接，为了让漏斗45体积足够大，以便每次加足砂土，采用的连接杆并非为直杆，连接杆上端与回转盘44连接处可以轴向旋转180度，便于向漏斗45中加砂，漏斗45下方形成有一直管451，直管451内设有阀门，阀门可在漏斗45旋转时打开，下料时，漏斗45下方直管位于内模具3和外模具2的中间，且竖向靠近外模具2顶部边缘或深入试样腔内，从而避免旋转时土样外漏。

卸料压实组件5包括滑动设置于导向杆42之上的承力板51、滑动设置于试样腔21内的环形压头54、固定连接于承力板51和环形压头54之间环向均布的六根传力杆521，其中，环形压头54和内模具3、外模具2之间分别具有0.5毫米的空隙，并在内模具3外壁以及外模具2内壁上涂有润滑剂，方便环形压头54移动，承力板51上延伸有导向部511，导向杆42滑动设置于导向部511之上，其有两个作用：第一，保证卸料压实组件5竖向运动；第二，与固定夹配合，卸料时固定承力板51竖向位置，在环形压头54上环向均匀开设有两圈贯穿孔541，外圈12个，内圈12个，环形压头54的下端面上位于每个贯穿孔541内开设有锪孔部542，每个锪孔部542内设置有一形状与锪孔部542相适配的活塞59，锪孔部542的形状结构与活塞59一致，确保活塞59封闭锪孔部542后环形压头54底面平整，位于环形压头54的上部设置有一连接每个活塞59的网架55，每根传力杆521的外部滑动套设有套杆522，所有套杆522的下端与网架55连接，所有套杆522的上端与一连接环53固定，连接环53上开6个与传力杆匹配的穿孔，确保连接环53和套杆522能沿传力杆运动，连接环53下端套杆522外面设置有弹簧56，每根传力杆521上位于对应弹簧56下设置有一弹簧限位杆58，阻止弹簧56底端向下运动，弹簧56初始设置为受压状态，迫使连接环53、套杆522、网架55和锪孔部542有向上运动趋势，确保锪孔部542在无外力作用下完全封闭，进一步地，网架55横截面为圆形，其直径均为1毫米，确保砂土不在其上堆积，且确保锪孔部542开口时开口面积足够大，方便砂土通过，网架55、套杆522及连接环53可用3D打印一体成型，优选地，在本发明实施例中的承力板51、环形压头54、传力杆521和活塞59均采用不锈钢的材质。

夯击组件6包括设置于内模具3顶部并与其相适配的顶盖61、竖向固定于顶盖61之上带有刻度的刻度杆62，刻度杆62穿过承力板51，刻度杆63上滑动套设有夯击锤63，在本发明实施例中，顶盖61上部与刻度杆62下端之间通过螺纹进行固定连接，顶盖61下部刚好能嵌入内模具3的顶部，顶盖61上部中心设有内凹螺旋槽，同时刻度杆62下部形成螺旋部，使其能拧入顶盖61达到固定的目的，同时，刻度杆62穿过承力板51，使得刻度杆62的竖向位移受到限制，进而限制顶盖61侧向移动以及内模具3在制样过程中的倾斜。值得一提的是，内模具3倾斜最容易发生在制样初期，因为制样初期内模具3周围无土或少土，侧向约束少，如上端无约束或人为约束时很容易发生侧向倾斜，另外，虽然刻度杆62固定于顶盖61上，但夯击锤63夯击在承力板51上，因此顶盖61只受重力，不受夯击振动影响，进一步地，刻度杆62上可设置可移动限位器，使得每次夯击锤63下落高度一致。

另外，环形压头54的上端面上位于每个贯穿孔541处形成有环槽543，贯穿孔541位于环槽543的槽底，环槽543的槽壁向贯穿孔541底部方向倾斜，相邻环槽543的槽壁顶部相交于一条线，通过在每个贯穿孔541上部设置一环槽543，保证试样腔21内的砂土能够更够沿着环槽543的槽壁掉入至贯穿孔541内，防止砂土在试样腔21的底部进行堆积，进一步地，环槽543为锥形环槽，环槽543的侧壁上形成内凹面，相邻锥形环槽之间的连接壁位置最高同时也为锥形设计，锥形环槽的槽壁坡度为40-60度，通过优先采用锥形环槽结构，便于将环形压头54上方的砂土完全掉入至试样腔21底部，另外，环形压头54的上端面上位于传力杆521的连接处形成有以传力杆521为中心的外凸面546；同时，环形压头54的上端面靠近外径处设置有外挡圈545，靠近内径处设置有内挡圈544，内挡圈544与传力杆521外切，挡圈壁厚1-2mm，高60mm，防止砂土在试样腔21内堆积一定高度后砂土掉入环形压头54和外模具2内壁之间的间隙内。

此外，本发明的操作简易的砂土空心圆柱试样制样装置的安装方法，包括初次装配步骤和后续装配步骤。

初次装配仅安装卸料压实组件，步骤如下：

(1)、连接传力杆521的下端与环形压头54；

(2)、将弹簧56套设于套杆外；

(3)、将网架55、套杆522及连接环53套设于传力杆521上，弹簧56位于限位杆上方；

(4)、连接网架55与每个活塞59；

(4)、连接传力杆521的上端与承力板51。

每次试验前仅需进行后续装配，步骤如下：

(1)、首先，安装底座1、外模具2和内模具3；

(2)、在内模具3的顶部安装顶盖61；

(3)、安装支撑杆41和导向杆42，在支撑杆41上设置环形固定盘43；

(4)、安装回转盘44和漏斗45；

(5)、安装卸料压实组件5，导向部511套于导向杆外；

(6)、将刻度杆62穿过承力板51，安装于顶盖61之上，在刻度杆62上套上夯击锤63。

最后，本发明还提供了一种操作简易的砂土空心圆柱试样的制样方法，包括以下步骤：

(1)、设计分层压实的次数，计算每次加入的砂土量和夯实高度，在本发明实施例中，设计分层压实的次数为10层；

(2)、将卸料压实组件5沿着导向杆42上升一定高度，在此过程中，承力板51沿着导向杆42向上运动，承力板51通过传力杆521带动环形压头54向上运动，与此同时，承力板51通过弹簧56和套杆522带动网架55连同活塞59跟随环形压头54向上运动，上升高度大于此次砂土量倒入试样腔21后所形成的砂土7高度，利用夹在导向杆42上的固定夹固定承力板51竖向位置，其中，卸料压实组件5向上移动可以采用手动的方式，或者利用起吊装置进行起吊，由于卸料压实组件5采用的是不锈钢材质，重量较大，利用起吊装置，具有省力的优点；

(3)、向漏斗45内加入此次对应的砂土量，回转电机动作，蜗杆通过涡轮带动整个回转盘44回转2～5圈，漏斗45内的砂土7均匀洒在环形压头54的上端面之上；

(4)、回转电机停止转动，向下拨动连接环53，连接环53、套杆522、网架55下移，弹簧56被压缩，环形压头54内个各个活塞59下行打开锪孔部542，环形压头54上方的砂土7掉入试样腔21的底部；

(5)、松开连接环53，在弹簧56的张力作用下，各个活塞59复位，重新封堵环形压头54的锪孔部542；

(6)、松开固定夹，卸料压实组件5下行，环形压头54底部压于试样腔21的砂土7上方；

(7)、重复下落夯击锤63，直至承力板51到达刻度杆62上的设计高度；

(8)、重复步骤(2)至(7)，直至制样完成。

本发明利用分层击实法进行砂土空心圆柱试样的制样，通过事先设计分层次数，计算每次加入的砂土量和夯实高度，在每次击实过程中，利用回转电机通过涡轮蜗杆带动回转盘44的转动，实现漏斗45的均匀下料，同时，本发明在不锈钢环形压头54上开设锪孔部542并搭以相适配的不锈钢活塞59，在下料过程中利用连接环53压缩弹簧56的方法，迫使活塞59下移打开锪孔部542，使得位于环形压头54上方的砂土均匀掉入至试样腔21的底部，在压实过程中利用弹簧56自身张力确保活塞上移封闭锪孔部542，使得环形压头542下端面为刚性平整面，这样，不仅能够确保每层砂土表面平整均匀，而且避免了每次分层加料时取出并安装装置，简化了制样工序，具有操作方便、不宜损伤内外乳胶膜的优点，此外，采用与内模具3顶部相适配的顶盖61，并通过嵌入顶盖61并穿过承力板51的刻度杆62约束内模具3上端的侧向位移。