一种三轴试验制样装置及其制样方法

1.本发明提出了一种三轴试验制样装置及其制样方法，属于岩土工程试验装置技术领域。


背景技术：

2.传统的三轴试验的制样方法是通过将拼装好的三瓣膜置于底座上，用环箍将其固定，采用分层压实的方式压实三瓣膜中的土样，且在制样过程中每次分层压实都需要保证采用相同的锤击压实次数，这种制样方法的优点是制样快速，易于操作。但其缺点是在压实过程中难以精确控制每层的锤击压实次数，导致按照统一的锤击次数来分层压实时，所制得的样品高度不统一，其结果就是使样品难以控制统一的密实度和均匀性，并对之后进行的三轴试验的测量结果产生巨大的影响。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种三轴试验制样装置及其制样方法，用于解决现有技术中所制得的样品高度不统一，及样品的密实度和均匀性难以控制及统一的技术问题。
4.根据本发明实施方式的一种三轴试验制样装置，包括底座、三瓣膜、环箍、下圆筒、上圆筒以及压实锤。三瓣膜，所述三瓣膜是三轴试验制样模具，所述三瓣膜由三块瓣膜依次连接围成圆筒形，所述三瓣膜的内腔整体直径相等，所述三瓣膜平均分为上半部分和下半部分，所述三瓣膜上半部分的壁厚自上而下逐渐变厚，所述三瓣膜下半部分的整体壁厚相等。底座，所述底座用于固定所述三瓣膜，防止所述三瓣膜发生位移或错位，所述底座上端具有与所述三瓣膜底部配合的凹槽ⅰ，所述三瓣膜底部放置在所述凹槽ⅰ内。环箍，所述环箍滑动套设在所述三瓣膜中部，用于固定所述三瓣膜。下圆筒，所述下圆筒作为所述三瓣膜的第一延伸筒，所述下圆筒下部与所述三瓣膜顶部相配合，所述下圆筒下部固定嵌套在所述三瓣膜顶部，所述下圆筒的内径与三瓣膜内径一致，所述下圆筒内腔高度为所述三瓣膜高度的1/3。上圆筒，所述上圆筒作为所述三瓣膜的第二延伸筒，所述下圆筒下部与所述上圆筒下部相配合，所述上圆筒下部嵌套在所述下圆筒顶部，所述上圆筒上部为平整的圆环面，所述上圆筒的内径与所述下圆筒内径一致，所述上圆筒内腔高度为所述三瓣膜高度的1/3。压实锤，所述压实锤用于对样品进行压实，所述压实锤为工字型，所述压实锤包括锤柄、支杆和锤头，所述支杆和锤头的整体高度为所述三瓣膜内腔高度的2/3，所述锤头外径小于所述三瓣膜内径。
5.本发明较佳实施方式的一种三轴试验制样装置，本发明提供了一种适用于三轴试验制样装置及其使用方法，在土样的三轴试验中，由于采用下圆筒、上圆筒、压实锤配合三瓣膜作为制样装置，通过支杆和锤头的整体高度为所述三瓣膜内腔高度2/3的压实锤配合三瓣膜完整空腔内进行第一次压实；压实锤配合下圆筒和三瓣膜剩余空腔形成的与三瓣膜整体空腔高度一致的第一空腔内进行第二次压实；压实锤配合上圆筒、下圆筒和三瓣膜剩
余空腔形成的与三瓣膜整体空腔高度一致的第二空腔内进行第三次压实；采用三次压实的方法来制作试验样品，使每次压实的压实高度和压实土样质量的一致，来保证样品的均匀密实，以此来减小由于试样的不均匀性对三轴试验的影响，降低三轴试验的测量误差。
6.在一些实施方式中，所述下圆筒下部具有与所述三瓣膜顶部配合的内凹ⅰ，所述下圆筒下部通过内凹ⅰ固定嵌套在所述三瓣膜顶部，所述下圆筒上部具有上凸；所述上圆筒下部具有内凹ⅱ，所述上圆筒下部的内凹ⅱ与所述下圆筒顶部的上凸相配合，所述上圆筒下部嵌套在所述下圆筒顶部。
7.在一些实施方式中，所述三瓣膜中的每一瓣膜一侧设有凸起，所述三瓣膜中的每一瓣膜另一侧设有凹槽，相邻的两瓣膜之间通过所述凸起和所述凹槽相互配合进行嵌套并固定。
8.在一些实施方式中，所述底座凹槽ⅰ内径与所述三瓣膜底部外径相等。
9.在一些实施方式中，所述压实锤锤头直径小于所述三瓣膜内径1～1.5mm。
10.在一些实施方式中，所述上圆筒和下圆筒壁厚均为3～5mm。
11.在一些实施方式中，所述制样方法的步骤是：
12.s1：首先将配制好的土样等分为三份土样；
13.s2：把已拼装的所述三瓣膜置于所述底座上，用所述环箍套住所述三
14.瓣膜中部；
15.s3：在所述三瓣膜空腔内倒入第一份土样，将所述压实锤插入所述三瓣膜空腔中将土样进行第一次压实，压实后的样品高度为所制完整样品高
16.度的1/3；
17.s4：取下所述压实锤，在所述三瓣膜顶端放置所述下圆筒，形成与所述三瓣膜整体空腔高度一致的第一空腔，在所述第一空腔内倒入第二份土样，再将所述压实锤插入所述第一空腔中将土样进行第二次压实，压实后的样品高度为所制完整样品高度的2/3；
18.s5：取下所述压实锤，在所述下圆筒上安装所述上圆筒，形成与所述三瓣膜整体空腔高度一致的第二空腔，在所述第二空腔内倒入第三份土样，再将所述压实锤插入所述第二空腔中将土样进行第三次压实，压实后的土
19.样高度为所制完整样品的高度；
20.s6：取下所述上圆筒、所述下圆筒和所述环箍，拆除所述三瓣膜即得所制完整样品。
21.本发明的有益效果是：
22.(1)本发明提供了一种适用于三轴试验制样装置及其使用方法，在土样的三轴试验中，由于采用下圆筒、上圆筒、压实锤配合三瓣膜作为制样装置，采用三次压实的方法来制作试验样品，使每次压实的压实高度和压实土样质量的一致，来保证样品的均匀度和密实度，以此来减小由于试样的不均匀性对三轴试验的影响，降低三轴试验的测量误差。
23.(2)本发明具有设备造价低、组装简单、使用时简易高效的特点。
24.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.图1是本发明的结构示意图。
26.图2是本发明的三瓣膜结构示意图。
27.图3是本发明的底座结构示意图。
28.图4是本发明的下圆筒结构示意图。
29.图5是本发明的上圆筒结构示意图。
30.图6本发明压实锤结构示意图。
31.图7本发明第一次压实示意图。
32.图8本发明第二次压实示意图。
33.图9本发明第三次压实示意图。
34.图中各标号为：1
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底座、101
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凹槽ⅰ、2
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三瓣膜、3
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环箍、4
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上圆筒、401
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内凹ⅰ、402
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上凸、5
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上圆筒、501
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内凹ⅱ、6
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压实锤、601
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锤柄、602
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支杆、603
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锤头。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这
种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
40.请参阅图1
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图3，本发明较佳实施方式的一种三轴试验制样装置，包括底座1、三瓣膜2、环箍3、下圆筒4、上圆筒5以及压实锤6。三瓣膜2是三轴试验制样模具，三瓣膜2由三块瓣膜依次连接围成圆筒形，三瓣膜2的内腔整体直径相等，三瓣膜2平均分为上半部分和下半部分，三瓣膜2上半部分的壁厚自上而下逐渐变厚，三瓣膜2下半部分的整体壁厚相等。底座1上端具有与三瓣膜2底部配合的凹槽ⅰ101，三瓣膜2底部放置在凹槽ⅰ101内，用于固定三瓣膜2，防止三瓣膜2发生位移或错位。环箍3滑动套设在三瓣膜2中部，用于固定三瓣膜2。下圆筒4作为所述三瓣膜的第一延伸筒，下圆筒4下部与所述三瓣膜2顶部相配合，所述下圆筒4下部固定嵌套在所述三瓣膜2顶部，所述下圆筒4的内径与三瓣膜2内径一致，所述下圆筒4内腔高度为所述三瓣膜2高度的1/3；上圆筒5，所述上圆筒5作为所述三瓣膜2的第二延伸筒，所述上圆筒5下部与所述下圆筒4下部相配合，所述上圆筒5下部嵌套在所述下圆筒4顶部，所述上圆筒5上部为平整的圆环面，所述上圆筒5的内径与所述下圆筒4内径一致，所述上圆筒5内腔高度为所述三瓣膜2高度的1/3。压实锤6，所述压实锤6用于对样品进行压实，所述压实锤6为工字型，所述压实锤6包括锤柄601、支杆602和锤头603，所述支杆602和锤头603的整体高度为所述三瓣膜2内腔高度的2/3，所述锤头603外径小于所述三瓣膜2内径。
41.本发明较佳实施方式的一种适用于三轴试验制样装置及其使用方法，在土样的三轴试验中，由于采用下圆筒、上圆筒、压实锤配合三瓣膜作为制样装置，采用三次压实的方法来制作试验样品，使每次压实的压实高度和压实土样质量的一致，来保证样品的均匀度和密实度，以此来减小由于试样的不均匀性对三轴试验的影响，降低三轴试验的测量误差。
42.请参阅图4
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图5，本实施方式中，所述下圆筒4下部具有与所述三瓣膜2顶部配合的内凹ⅰ401，所述下圆筒4下部通过内凹ⅰ401固定嵌套在所述三瓣膜2顶部，所述下圆筒4上部具有上凸402；所述上圆筒5下部具有内凹ⅱ501，所述上圆筒5下部的内凹ⅱ501与所述下圆筒4顶部的上凸402相配合，所述上圆筒5下部嵌套在所述下圆筒4顶部。
43.本实施方式中，三瓣膜2中的每一瓣膜一侧设有凸起，三瓣膜中的每一瓣膜另一侧设有凹槽，相邻的两瓣膜之间通过所述凸起和所述凹槽相互配合进行嵌套并固定。
44.当然，上述三瓣膜2仅作为例子给出帮助说明三瓣膜作为三轴试验制样模具，且组装简单、使用时简易高效的特点，并不用于限制本发明。
45.本实施方式中，底座的凹槽ⅰ101内径与三瓣膜2底部外径相等。
46.当然，以上形状仅作为例子给出帮助说明以此来固定所述三瓣膜底部，防止三瓣膜发生位移或错位，并不用于限制本发明。
47.本实施方式中，压实锤锤头603直径小于所述三瓣膜2内径1～1.5mm。当所制样品的密实度要求较低时，可采用插入压实锤后，通过橡胶锤击打压实锤顶端的方法压实样品；当所制样品要求具有较高密实度时，可通过在制样装置的上下两端安装千斤顶的方式压实样品。
48.当然，以上形状仅作为例子给出帮助说明压实锤伸入三瓣膜内对土样进行均匀压制，并不用于限制本发明。
49.本实施方式中，下圆筒4和上圆筒5壁厚均为3～5mm。
50.当然，以上形状仅作为例子给出帮助说明采用三次压实的方法来制作试验样品，通过控制每次压实的压实高度和压实土样质量的一致，来保证样品的均匀密实，以此来减小由于试样的不均匀性对三轴试验的影响，降低三轴试验的测量误差，拆模后即得所制的完整土样。
51.通过使用本发明提供的适用于三轴试验制样装置来制作样品时，所制样品为直径39.1mm，高度80mm的圆柱形土样，含水量为25％，孔隙比为0.85，采用昆明地区冲洪积黏性土作为试验用土。制样装置由底座1、三瓣膜2、环箍3、上圆筒4、下圆筒5和压实锤6组成。其中，组装后的三瓣膜2采用内径39.1mm，高度80mm的规格，三瓣膜2中的每一瓣膜一侧设有凸起，三瓣膜2中的每一瓣膜另一侧设有凹槽，相邻的两瓣膜之间通过凸起和凹槽相互配合进行嵌套完成固定。底座1上的凹槽ⅰ内径与三瓣膜2底部外径大小相同，以此来对三瓣膜2底部进行固定，防止三瓣膜2发生位移或错位。环箍3从三瓣膜2顶部套入三瓣膜2，并在三瓣膜2中部较宽位置处将三瓣膜2固定。压实锤6为“工”字型结构，压实锤6包括锤柄601、支杆602和锤头603，压实锤6锤头603直径为38mm，压实锤6用于对样品进行压实，支杆602和锤头603的整体高度为所述三瓣膜2内腔高度的2/3，压实锤6的锤头603外径小于所述三瓣膜2内径。因此，压实锤6压入深度为三瓣膜2高度的2/3，试验通过橡胶锤击打压实锤顶端的方法压实样品。下圆筒4的内径为39.1mm，下圆筒4的下部具有内凹ⅰ401的结构，可通过该结构固定于三瓣膜2顶端。下圆筒4的上部具有上凸402的结构，可与上圆筒5的下部固定。下圆筒4的内圈高度为三瓣膜2高度的1/3，壁厚为4mm。上圆筒5的内径为39.1mm。上圆筒5的下部具有内凹501的结构，可通过该结构与下圆筒4顶部上凸402结构相互嵌套，达到固定的作用。上圆筒5的上部为平整的圆环面，上圆筒5内腔高度为三瓣膜2高度的1/3，壁厚为4mm。
52.请参阅图7，由于采用下圆筒4、上圆筒5、压实锤6配合三瓣膜2作为制样装置，通过支杆602和锤头603的整体高度为所述三瓣膜2内腔高度2/3的压实锤配合三瓣膜2的完整空腔(三瓣膜2空腔整体高度)内进行第一次压实。
53.请参阅图8，压实锤配合下圆筒和三瓣膜剩余空腔形成的与三瓣膜整体空腔高度一致的第一空腔(第一空腔的高度与三瓣膜2空腔整体高度一致)内进行第二次压实。
54.请参阅图9，压实锤配合上圆筒、下圆筒和三瓣膜剩余空腔形成的与三瓣膜整体空腔高度一致的第二空腔(第二空腔的高度与三瓣膜2空腔整体高度一致)内进行第三次压实；采用三次压实的方法来制作试验样品，由于压实锤的每次压入深度为三瓣膜空腔高度的2/3，因此保证每次压实的压实高度和压实土样质量一致，来保证样品的均匀度和密实度，以此来减小由于试样的不均匀性对三轴试验的影响，降低三轴试验的测量误差。通过三瓣膜2联合使用上圆筒4、下圆筒4和压实锤6压实后的高度为所制样品的完整高度。在安装所有装置前，在三瓣膜2内壁薄涂凡士林，以便于拆模，并能保证样品拆模后的完整性。
55.根据在本发明较佳实施方式的制样方法通过采用上述制样装置来制作试验样品：首先将配制好的土样等分为三份土样。把已拼装的所述三瓣膜2置于所述底座1上，用所述环箍3套住所述三瓣膜2中部。在所述三瓣膜2内倒入第一份土样，将所述压实锤6插入所述三瓣膜2中将土进行第一次压实压实后的样品高度为所制完整样品高度的1/3。在所述三瓣膜2顶端放置所述下圆筒4，形成与所述三瓣膜2整体空腔高度一致的第一空腔，在所述第一空腔内倒入第二份土样，再将所述压实锤6插入所述第一空腔中将土样进行第二次压实，压实后的样品高度为所制完整样品高度的2/3。取下所述压实锤6，在所述下圆筒4上安装所述
上圆筒5，形成与所述三瓣膜2整体空腔高度一致的第二空腔，在所述第二空腔内倒入第三份土样，再将所述压实锤插入所述第二空腔中将土样进行第三次压实，压实后的土样高度为所制完整样品的高度。取下所述上圆筒4、所述下圆筒5和所述环箍2，拆除三瓣膜即得所制的完整土样。
56.本发明较佳实施方式的制样方法通过一种适用于三轴试验制样装置及其使用方法，在土样的三轴试验中，由于采用下圆筒、上圆筒、压实锤配合三瓣膜作为制样装置，通过支杆和锤头的整体高度为所述三瓣膜内腔高度2/3的压实锤配合三瓣膜完整空腔内进行第一次压实；压实锤配合下圆筒和三瓣膜剩余空腔形成的与三瓣膜整体空腔高度一致的第一空腔内进行第二次压实；压实锤配合上圆筒、下圆筒和三瓣膜剩余空腔形成的与三瓣膜整体空腔高度一致的第二空腔内进行第三次压实；采用三次压实的方法来制作试验样品，由于压实锤的每次压入深度为三瓣膜空腔高度的2/3，因此保证每次压实的压实高度和压实土样质量一致，来保证样品的均匀度和密实度，以此来减小由于试样的不均匀性对三轴试验的影响，降低三轴试验的测量误差。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
58.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。