一种分级加载的水泥土直剪试样的制样方法与流程

本发明涉及土木工程室内土工测试领域，特指一种分级加载的水泥土直剪试样的制样方法。

背景技术：

随着沿海地区经济的发展，越来越多的建筑需要修建在软土地基上。软土因其含水量高、承载力差等特点，使得软土地区难以建造大型建筑物，软土地基的处理成为建筑行业必须面临的问题。在加固软土地基的方法中，水泥土因其造价低、实用性强、对环境污染小和施工速度快等特点被大量应用。软土中的含水量及水泥的掺入比例，对其抗剪强度有很大的影响，需对其进行室内试验进行测试。目前，室内测试水泥土的抗剪强度时主要遇到以下问题：⑴.软土含水量高，在制作水泥土试样时难以成型；⑵.在直剪试验中，一次要对多个试样进行剪切，分次制样容易使试样之间存在较大的人为误差；⑶.锤击法制成的水泥土试样不能模拟水泥土在工地现场的真实受力情况，使得室内的试验结果与水泥土在现场的真实情况存在一定误差。

为了满足试验要求，能更好的反应水泥土在现场的真实受力情况，需要一种分级加载的水泥土直剪试样的制样方法，不仅可以完成水泥土试样的制作，又能一次制成若干个试样，消除试样之间的人工误差，还能通过分级加载的制样过程模拟工地现场水泥土的真实受力情况，使试验结果更接近现场情况。因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种分级加载的水泥土直剪试样的制样方法，本案由此产生。

技术实现要素：

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种分级加载的水泥土直剪试样的制样方法，包括如下步骤：

(1)组装制样器，制样器包括施压机构、承样机构、支撑机构、切割机构，在施压机构、承样机构的内壁上涂抹滑润剂，将承样机构安装在支撑机构上；

(2)称取软土和水泥，依次倒入搅拌机中，待软土和水泥混合均匀后，边搅拌边注水；

(3)将搅拌均匀的水泥土材料全部装进注土器中，通过注土器在承样机构中注入水泥土；

(4)安装施压机构，对水泥土进行施压；

(5)将施压完成后的母样装入到切割机构中，切割成若干标准试样。

进一步，所述承样机构包括承样筒，所述承样筒内壁上开设若干圆孔，且内壁上贴设有半透膜。通过承样筒和半透膜的结合突破了传统制样器的束缚，可以完成高含水率的水泥土直剪试样的制作。

进一步，所述施压机构包括承重板、传力轴、施压固定盖、施压圆盘、受压圆盘，所述受压圆盘设置在承样筒下方，所述承重板与施压圆盘之间通过传力轴连接，所述施压固定盖以能滑动的方式设置在传力轴上，施压固定盖的直径大于承样筒的直径，施压圆盘的直径与承样筒的内直径一致。承重板上用于放置砝码，能为试样制作提供压力，使实验室制成的水泥土试样更加符合现场工地的实际情况。

进一步，所述施压固定盖上开设有容传力轴通过的传力轴孔，所述传力轴孔旁开设有气压平衡孔和注水孔。传力轴孔可以使传力轴始终处于竖直状态，从而保证试样在制作过程中只受竖向力的作用；所述施压圆盘的施压圆柱体固定在传力轴底部，施压圆柱体的轴向方向上开设有若干水气流动孔。通过向注水孔中注水使得水泥土材料在受压过程中始终处于饱和状态；气压平衡孔使得在制样过程中承样筒和外界环境之间气压平衡；水气流动孔可以透水、透气，保证在制样过程中不会产生负压。

进一步，所述施压圆盘的施压圆柱体固定在传力轴底部，施压圆柱体的轴向方向上开设有若干水气流动孔。水气流动孔可以透水、透气，保证在制样过程中不会产生负压，并能把土样被挤压出来的水和气体从上方排出。

进一步，所述受压圆盘的主体为受压圆柱体，受压圆柱体位于施压圆盘正下方，其上分布有排水槽，受压圆柱体的外侧为承样筒卡环、受压圆柱体和承样筒卡环之间通过底座圆环连接，受压圆柱体底部设置有旋钮，底座圆环上设置有泄水孔。受压圆盘上的排水槽和泄水孔可以透水、透气，将施压过程中产生的水和气体排出，受压圆盘上的旋钮与支撑机构配合固定，保证制样过程的稳定。

进一步，所述支撑机构包括支撑底座、旋钮底座，所述旋钮底座设置在支撑底座中，旋钮底座与受压圆盘上的旋钮匹配。受压圆盘上的旋钮与支撑底座上的旋钮底座的结合使受压圆盘可以简单、方便的固定在支撑底座上，保证制样过程的稳定。

进一步，所述切割机构包括被切割圆筒、试样支撑板、切割钢丝旋转轴、切割钢丝骨架、切割钢丝，所述被切割圆筒设置在试样支撑板上，所述切割钢丝旋转轴设置在被切割圆筒侧旁，所述切割钢丝骨架随切割钢丝旋转轴转动，所述切割钢丝设置在被切割钢丝旋转轴和切割钢丝骨架之间，切割钢丝与被切割圆筒上的切割缝一一对应。被切割圆筒和切割钢丝的配合能将制成的母体试样精确的切割成若干个相同的直剪试样，同时能避免在切割过程中对试样产生过大的扰动。

进一步，水泥土通过注土器注入承样筒中，所述注土器包括针头、针管，活塞。注土器在注土的过程中将新注入的土从已注入的土中注入，减少试样中气泡的产生。

进一步，所述步骤(3)中，将注土器插入承样筒底部，针头与受压圆柱体上表面覆盖的滤纸接触，推动活塞，将水泥土材料注入承样筒中，注入过程中保证针头始终插在已注入的水泥土内部，边注入边提升注土器，直至注土器中的水泥土材料全部注入承样筒中，将滤纸盖在承样筒中水泥土材料的顶部。

进一步，所述步骤(4)中，以水泥土材料在施工现场所受到的上部压力为基准，按照100kpa一级，30kg能提供100kpa的竖向压力，将砝码放在承重板上，进行分级加载，不足100kpa的按照100kpa进行加载，除最后一级加载时需静置到养护龄期外，其它每级加载时间为24h，加载至与施工现场受到的力相同时为止，在加载过程中，通过施压固定盖上的注水孔进行注水，保证在加载过程中水泥土材料处于饱和状态，制成母体试样。

采用上述方案后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的有益效果主要包括以下：

⑴.通过承样筒和半透膜的结合突破了传统制样器的束缚，可以完成高含水率的水泥土直剪试样的制作；

⑵.承重板上分级放置砝码，能为试样制作提供不同的竖向压力，使实验室制成的水泥土试样更加符合现场工地的实际情况；

⑶施压固定盖上的传力轴孔可以使传力轴始终处于竖直状态，从而保证试样在制作过程中只受竖向力的作用。通过向注水孔中注水使得水泥土材料在受压过程中始终处于饱和状态，气压平衡孔使得在制样过程中承样筒和外界环境之间气压平衡；

⑷.施压圆盘上的水气平衡孔可以透水、透气，保证在制样过程中不会产生负压，并能把土样被挤压出来的水和气体从上方排出；

⑸.受压圆盘上的十字形排水槽和泄水孔可以透水、透气，将施压过程中产生的水和气体排出，受压圆盘上的旋钮与支撑底座上的旋钮底座的结合使受压圆盘可以简单、方便的固定在支撑底座上，保证制样过程的稳定；

⑹.被切割圆筒和切割钢丝的配合能将制成的母体试样精确的切割成四个直径61.8mm，高20mm的直剪试样，同时能避免在切割过程中对试样产生过大的扰动；

⑺.注土器在注土的过程中将新注入的土从已注入的土中注入，减少试样中气泡的产生；

⑻.整个结构简单、精巧、性价比高，能够大规模生产。

附图说明

图1是本发明制样施压时的示意图；

图2是图1中各机构的示意图；

图3是施压固定盖的示意图；

图4是施压圆盘的示意图；

图5是受压圆盘的示意图之一；

图6是受压圆盘的示意图之二；

图7是切割机构的示意图；

图8是注土器的示意图。

标号说明

施压机构1，承重板11，传力轴12，

施压固定盖13，传力轴孔131，注水孔132，气压平衡孔133，

施压圆盘14，施压圆柱体141，水气流动孔142，

受压圆盘15，受压圆柱体151，排水槽152，承样筒卡环153，

底座圆环154，旋钮155，泄水孔156，

承样机构2，承样筒21，半透膜22，

支撑机构3，支撑底座31，旋钮底座32，

切割机构4，被切割圆筒41，试样支撑板42，切割钢丝旋转轴43，

切割钢丝骨架44，切割钢丝45，

注土器5，针头51，针管52，活塞53。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图所示，本发明中的一种分级加载的水泥土直剪试样的制样方法，其中涉及的制样器包括施压机构1、承样机构2、支撑机构3、切割机构4、注土器5。

其中，施压机构1由承重板11，传力轴12，施压固定盖13，施压圆盘14，受压圆盘15组成。

承重板11为直径150mm、厚度15mm的圆盘，其上可以放置不同重量的砝码，为整个装置提供竖向压力。

传力轴12为直径20mm、高220mm的圆柱体，一端与承重板11的中心处固定连接，承重板11位于顶端，其下为传力轴12。

传力轴12穿过施压固定盖13，施压固定盖13为内直径73mm、外直径85mm的圆盖，圆盖顶面中心处有一个直径为22mm的传力轴孔131，确保传力轴始终处于竖直方向。传力轴孔131两侧有两个对称分布孔洞，分别为注水孔132和气压平衡孔133，注水孔132的直径为9mm，可以在分级加载过程中进行注水，使得水泥土材料始终处于饱和状态。气压平衡孔133的直径为6mm，可以确保承样筒和外界之间的气压平衡，不会产生负压。

施压圆盘14的主体为施压圆柱体141，固定在传力轴12底端，其上均布有水气流动孔142；施压圆盘14的主体为一个直径61.8mm、高20mm的施压圆柱体141，中心与传力轴12固接，在顶面距离中心30mm处的圆周上均布7个直径3mm的针型贯穿孔洞为水气流动孔142，用于透水透气，使得被施压圆盘14分隔成的上下两部水、气平衡。

受压圆盘15的主体为一个直径61.8mm、高20mm的受压圆柱体151，位于施压圆盘14正下方，其上分布有排水槽152，受压圆柱体151的外侧为承样筒卡环153、受压圆柱体151和承样筒卡环153之间通过底座圆环154连接，旋钮155在受压圆柱体151底部，泄水孔156均布在底座圆环154上。

受压圆柱体151顶面上有一个宽10mm、长61.8mm、深5mm的十字形凹槽，在受压圆柱体151侧面上有四条宽10mm、长20mm，深5mm的条形凹槽，十字形凹槽和条形凹槽一起组成排水槽152，排水槽152能将受压圆盘15顶端的水排出。受压圆柱体151外侧为一个内直径72mm、外直径85mm、高10mm的承样筒卡环153，承样筒卡环153底端与受压圆柱体151底端通过一个外直径72mm、内直径61.8mm、厚度2mm的底座圆环154固接在一起组成一个卡槽，卡槽恰好可以将承样筒21卡在受压圆盘15上，受压圆柱体151底部固接有一个直径48mm、厚度5mm的旋钮155，在底座圆环154上均布有4个直径6mm的泄水孔156，泄水孔156能将存积下来的多余的水排至承样筒21外。

承样机构2由承样筒21和半透膜22组成，承样筒21为一个内直径61.8mm、外直径71.8mm、高200mm的空心圆柱体，其上均布有直径5mm的圆形孔洞；半透膜22为一种只能通过水分子的薄膜，安装在承样筒上的圆形孔洞内侧。承样筒21位于施压固定盖13下，半透膜22紧贴在承样筒21上的圆孔内壁处，保证承样筒21内壁光滑。

支撑机构3由支撑底座31和旋钮底座32组成，支撑底座31位于受压圆盘15下，其上有旋钮底座32，与受压圆盘15上的旋钮154匹配，能将受压圆盘15固定在支撑底座31中心处；支撑底座31为一个长、宽150mm、厚度15mm的长方体，旋钮底座32位于支撑底座31上表面中心处，为直径48mm、厚度5mm的圆柱体凹槽，周围有两个圆弧形四面体，与受压圆盘15上的旋钮155匹配，能使受压圆盘15固定在支撑底座31上。

切割机构4由被切割圆筒41、试样支撑板42、切割钢丝旋转轴43、切割钢丝骨架44和切割钢丝45组成，被切割圆筒41为长80.3mm、宽80mm、高40mm的长方体，在顶面中心处有一个直径61.8mm、长80.3mm的半圆柱体，半圆柱体每隔20mm分布有一个0.1mm的切割缝，使得切割钢丝45可以完全通过半圆柱体，被切割圆筒41下端为试样支撑板42，切割钢丝旋转轴43位于被切割圆筒41一侧，切割钢丝骨架44固接在切割钢丝旋转轴43上，切割钢丝45以20mm的间距，布置在切割钢丝骨架44上，通过对切割钢丝骨架44施加一个力，使得切割钢丝45绕切割钢丝旋转轴43转动，将被切割圆筒中的母体试样切割成4个标准直剪试样。

试样支撑板42为一个直径61.8mm，厚度可忽略的圆盘，通过一个直径61.8mm、高15mm的半圆环固接在被切割圆筒41一端，使得承样筒21中的试样可以在竖直方向推入被切割圆筒41中。

切割钢丝旋转轴43为直径5mm、长100mm的旋转轴，固接在被切割圆筒41一侧，使固接在其上的切割钢丝骨架44可以绕切割钢丝旋转轴43旋转，从而切割被切割圆筒41。

切割钢丝骨架44为直径3mm、宽70mm、长90mm的骨架，长边右侧固接有一个把手，切割钢丝45为长70mm、直径0.1mm的钢丝，固接在切割钢丝骨架44上，间距20mm，共5根。

注土器5由,针头51、针管52和活塞53组成，针头51为直径8mm、长50mm，厚度可忽略的圆环，针管52为直径50mm、长250mm，厚度可忽略的一端开口一端闭合的空心圆柱，其上分布有刻度尺，针头51与封闭的一段固接，内部相通，活塞53为外直径50mm、高度5mm的橡皮圆柱体，一端固接有直径10mm、长250mm的圆柱体胶棒。推动活塞53使针管52中的水泥土从针头51中排出。

本实施例的一种分级加载的水泥土直剪试样制样器及其制样方法，以含水量60％、水泥掺入比20％、养护龄期7天的滨海水泥土为例，包括如下步骤：

(1)制样器组装。

(1)-a涂抹润滑剂。将润滑剂涂抹在承样筒21内壁、施压圆盘14下底面和受压圆盘15上底面。

(1)-b下部结构组装。将受压圆盘15通过旋钮155安装在支撑底座31上，在受压圆柱体151上表面安放一张滤纸，将承样筒21安装在受压圆盘15上的卡槽处。

(1)-c其他部件准备。将切割机构4和注土器5放在桌面的左侧，将承重板11、传力轴12、施压固定盖13和施压圆盘14放在桌面的右侧。

(2)各原料准备。

(2)-a称取滨海软土。通过计算，称取200g的滨海软土。

(2)-b称取水泥。通过计算，称取40g的水泥。

(2)-c称取搅拌水。通过计算，称取144g水倒入喷壶中。

(3)滨海水泥土材料制备。

(3)-a预拌软土、水泥材料。将称量出的软土、水泥倒入搅拌机中，进行搅拌。

(3)-b添加搅拌水。待软土和水泥混合均匀后，边搅拌边注水，将喷壶中的水全部注入搅拌机中，直到搅拌均匀。

(4)滨海水泥土材料注入。

(4)-a填装滨海水泥土材料。将搅拌均匀的滨海水泥土材料全部装进注土器5中。

(4)-b注入滨海水泥土材料。将注土器5插入承样筒21底部，针头51与受压圆柱体151上覆盖的滤纸接触，推动活塞53，将滨海水泥土材料注入承样筒21中，注入过程中保证针头51始终插在已注入的滨海水泥土材料内部，边注入边提升注土器5，直至注土器5中的滨海水泥土材料全部注入承样筒21中，将滤纸盖在承样筒21中注入的滨海水泥土顶部。

(5)安装施压机构。将桌面左侧的承重板11、传力轴12、施压固定盖13和施压圆盘14拿起，先将施压圆盘14和传力轴12放入承样筒21中，再将施压固定盖13紧密的盖在承样筒21上，确保传力轴12处于竖直状态。

(6)-1第一级施压。以滨海水泥土在施工现场所受到的上部压力为基准，按照10kpa一级，不足10kpa的按照10kpa进行加载，本次施压等级为3级施压。经计算在本设备中3kg的重物能提供10kpa的竖向压力。将3kg的铸铁砝码放在承重板11上，进行第一级施压，加载时长为24h，在加载过程中每隔8h向施压固定盖13中的注水孔132进行注水，保证承样筒21内的滨海水泥土始终处于饱和状态。

(6)-2继续施压。重复(6)-a，进行第二级施压，在承重板11上增加3kg的铸铁砝码，加载时长为24h。

(6)-3最后一级施压。在承重板11上再添加3kg的铸铁砝码进行施压，静置7天，期间每隔24h向施压固定盖13中的注水孔132进行注水，保证承样筒21内的滨海水泥土始终处于饱和状态。最终完成多级施压，将承样筒21内的滨海水泥土制成母体试样。

(7)分离上部结构。去掉承重板11上的砝码，旋转受压圆盘15上的旋钮155，将受压圆盘15、承样筒21、施压圆盘14、传力轴12、施压固定盖13和承重板11一起从支撑底座上取出。

(8)切割土样。

(8)-a取下受压圆盘。将承样筒21平放，旋转受压圆盘15上的承样筒卡环153，将受压圆盘15从承样筒21上取下。

(8)-b推出母体试样。将被切割圆筒41竖放，使被切割圆筒41对准承样筒21，推动承重板11，将母体试样从承样筒21中推到被切割圆筒41中。

(8)-c切割成标准试样。将被切割圆筒41平放，移动切割钢丝45过被切割圆筒41，将被切割圆筒41中的母体试样切成4个标准直剪试样。

(9)整理仪器。清洗仪器，清理桌面。将清洗好的受压圆盘15、施压圆盘14、承样筒21、被切割圆筒41等放入工具箱中以待下一次使用。

上述仅为本发明的具体实施例，同时凡本发明中所涉及的如“上、下、左、右、中间”等词以及其中涉及的尺寸数据，仅作参考用，并非绝对限定，凡利用本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。