專利名稱：礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法及試樣成孔制樣器的制作方法
技術領域：
本發明屬于巖土力學三軸試驗技術領域，具體涉及一種礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水新試驗方法及其試樣成孔制樣器。
背景技術：
現有技術中，三軸儀是巖土力學研究最常規最重要的實驗設備之一。三軸試驗是測定巖土材料的抗剪強度、應力應變關系的一種試驗。試驗方法是對三軸壓力室中的圓柱形試樣，分別施加圍壓(即小主壓力CT3)和軸向應力^，測定不同應力狀態下試樣軸向應變&和體應變^，至試樣破壞，求得試樣抗剪強度和應力應變關系。
目前在建和已建的200m以上高土石壩中，超過70%是采用礫石土作為心墻防滲料。因此，釆用三軸儀等進行礫石土力學試驗，測試礫石土的抗剪強度和應力應變關系是巖土力學試驗的重要內容。由于礫石土中存在大量粗顆粒，要準確測定其強度及應力應變特性，應進行大型三軸試驗，然而，由于礫石土滲透系數小，大尺寸試樣的飽和及試驗過程中排水十分困難，因此，礫石土的強度及應力應變特性試驗成為了巖土力學測試中難點問題。試樣飽和、固結、剪切過程中排水不充分都會導致礫石土的三軸試驗結果不真實。若要按傳統方法進行試驗，保證試樣飽和、固結、剪切過程中排水充分，試驗周期將很長，無論是從大型三軸試驗儀設備性能還是試驗時間上都是難以接受的，因此迫切需要對礫石土的三軸試驗方法進行改進，但現有技術中尚無現成的新的試驗方法及相應的試驗設備。
發明內容
針對現有技術的上述不足，本發明要解決的技術問題是提供一種礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法，本方法是在大尺寸礫石土試樣中沿試樣軸向進 行預先成孔，在孔中灌砂形成砂芯再進行大型三軸試驗的方法，可以有效的提 高試樣的飽和、排水速度。本發明還提供了一種用以制備帶砂芯試樣的制樣器， 用以制備合格的帶砂芯試樣。
本發明的技術方案是礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法是在直徑 30cm的圓柱體標準試樣中設置多個直徑6±0. Olmm軸向貫通試樣的垂直通孔， 使通孔的面積或體積占標準試樣面積或體積的0.52±0. 02%;將上述帶通孔試樣 置于平板上，從通孔上口灌入標準砂，并將標準砂搗實，使帶孔試樣成為含砂 芯的試樣，用以縮短排水距離，減小試樣的飽和、排水時間；用此含砂芯的試 樣進行砥石土大型三軸試驗，快速并準確地求得試樣抗剪強度和應力應變關系。
所述的通孔為13個，均勻分布在直徑30cm的圓柱體標準試樣的橫截面上。 所述的均勻分布是在30cm直徑標準試樣的圓心設置1個通孔，與試樣同心 的10cm直徑小圓的圓周均勻設置4個通？L,與試樣同心的20cm直徑中圓的圓 周均勻設置8個通孔。所述的小圓的圓周均勻設置的4個通孔和中圓的圓周均 勻設置的8個通孔是均勻錯位分布的。
一種砥石土大型三軸試驗砂芯加速排水試樣成孔制樣器，本制樣器的制樣 平臺為一水平試驗臺，沿中心軸線在制樣平臺之上依次設置有制樣底盤、試樣 成模筒；沿中心軸線在制樣平臺之下設置壓力頂升裝置；與壓力頂升裝置頂部 連接為一體的一組導桿垂直向上穿過制樣底盤伸向試樣成模筒中。
所述的試樣成模筒的直徑為30cm，高度為60 cm;所述的一組導桿是直徑 為6mm的與試樣成模筒軸向平行的直導桿。所述的一組導桿為13根，在直徑 為30cm的試樣成模筒的圓形橫截面上均勻分布。所述的均勻分布是在試樣成模 筒的圓形橫截面上30cm直徑大圓的圓心設置1根導桿，與大圓同心的10cm 直徑小圓的圓周均勻分布4根導桿，與大圓同心的20 cm直徑中圓的圓周均勻 分布8根導桿。所述的中圓上的8根導桿與小圓上的4根導桿是均勻錯位分布 的。所述的壓力頂升裝置是千斤頂、氣缸、液壓頂升裝置、機械壓力頂升裝置； 所述的導桿是不銹鋼導桿、鐵導桿、鋼導桿、鋁合金導桿。本發明的方法在大尺寸礫石土試樣中沿試樣軸向進行預先—成孔，在孔中灌 砂形成砂芯的方法，可以有效的提高試樣的飽和、排水速度。經試驗表明，本 發明的大型三軸試樣成孔制樣器操作方便，成孔質量高，完全滿足大型三軸試 樣試驗要求。
附圖1是本發明一實施例剖視結構示意圖； 附圖2是附圖1的A-A截面結構示意附圖3是無砂芯樣和有砂芯樣的三軸固結排水孔壓消散過程曲線； 附圖4是無砂芯樣和有砂芯樣的三軸固結排水試驗應力應變關系曲線。 附圖中標記分述如下l一試樣成模筒；2—活動導向盤；3—礫石土； 4一
制樣底盤；5—螺桿；6—螺桿；7—制樣平臺；8—導桿；9一固定導向盤；10—
固定導向盤；ll一壓力頂升裝置。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
及有關技術問題作進一步詳細的描 述。如前所述，現有技術中，由于礫石土滲透系數小，大尺寸試樣的飽和及試 驗過程中排水十分困難，因此，礫石土的強度及應力應變特性試驗成為了巖土 力學研究中的難點問題， 一直未能解決。為此，本申請人創造了一種新的試驗 方法，即在大尺寸礫石土試樣中沿試樣軸向進行預先成孔，在孔中灌砂形成帶 砂芯試樣，可以有效的提高試樣的飽和、排水速度。這種方法是否可行的前提 是，砂芯的設置對礫石土試樣的強度及應力應變特性的改變有多大，試驗證明， 孔的直徑、孔的數量、孔的布置方式及砂芯的力學性與礫石土間的差異是決定 礫石土試樣性質改變大小的主要因素，經過多次試驗，本發明的這些參數取值 是合理的，礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法試驗在工程上是可以接受的。
然而，要在直徑30cm高60cm的圓柱體試樣中形成直徑6mm且平行于試 樣軸向的多個均勻連續小孔，技術上是困難的。本發明的大型三軸試樣成孔制 樣器在制樣過程中，通過在成模筒中預置金屬導桿后分層裝土、擊實，最后抽 出導桿使試樣成孔的方式制樣。具體制樣方法如下-礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法。在直徑，0cm的圓柱體試樣中形成 多個(具體為13個)直徑6皿的通孔砂芯，將大大縮短排水距離，減小試樣的 飽和、排水時間。形成的砂芯試樣，砂芯的面積(或體積)置換率僅占試樣面 積或體積的0.52%，試驗表明，砂芯的設置對礫石土試樣的強度及應力應變特性 的改變不大，砂芯加速排水方法使礫石土大型三軸試驗成為可能。
本發明的礫石土大型三軸加速排水試樣成孔制樣器如圖1所示。三個導向 盤2、 9、 10和底盤4及千斤頂11共同確定導桿8在試樣成模筒1中的空間位 置，分層制樣的步驟如下未安導向盤2時填入松散的礫石土，安導向盤2，擊 實，擊實過程中導桿8隨土體壓實而下移，保證導桿8上端與導向盤2上表面 平齊，擊實至要求的密度后取出導向盤2，用千斤頂11將導桿8頂到要求的位 置，填入下一層礫石土3，重復上述步驟，至試樣分層裝土擊實完成。然后將導 桿8從試樣中拔出，在形成的空洞中填筑標準細砂，并壓密。試樣制樣完成。
本申請人還進行了無砂芯和有砂芯(13個①6mm)的三軸固結排水試驗。 試樣尺寸o300mmXH600mm,圍壓500kPa，剪切速率0. 02,/min(0. 0033%/min)。 試驗結果見附圖3和附圖4所示。
由附圖3和附圖4可見，有砂芯樣和無砂芯樣的三軸固結排水試驗的應力 應變關系曲線是近似的，砂芯的設置對礫石土試樣的強度及應力應變特性的改 變不大；而有砂芯樣的孔壓消散過程明顯加快，砂芯的排水作用是明顯的，因 此在保證剪切過程中完全排水的前提下，砂芯可以大大提高試驗的剪切速率， 砂芯加速排水方法使礫石土大型三軸試驗成為可能。
權利要求
1、一種礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法，其特征在于在直徑30cm的圓柱體標準試樣中設置多個直徑6±0.01mm軸向貫通試樣的垂直通孔，使通孔的面積或體積占標準試樣面積或體積的0.52±0.02％；將上述帶通孔試樣置于平板上，從通孔上口灌入標準砂，并將標準砂搗實，使帶孔試樣成為含砂芯的試樣，用以縮短排水距離，減小試樣的飽和、排水時間；用此含砂芯的試樣進行礫石土大型三軸試驗，快速并準確地求得試樣抗剪強度和應力應變關系。
2、 根據權利要求1所述的礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法，其特征在于所述的通孔為13個，均勻分布在標準試樣的橫截面上。
3、 根據權利要求2所述的礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法，其特征在于所述的均勻分布是在直徑30cm圓柱體標準試樣的圓心設置l個通孔，與試樣同心的10cm直徑小圓的圓周均勻設置4個通孔，與試樣同心的20 cm直徑中圓的圓周均勻設置8個通孔。
4、 根據權利要求3所述的礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法，其特征在于所述的小圓的圓周均勻設置的4個通孔和中圓的圓周均勻設置的8個通孔是均勻錯位分布的。
5、 一種礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水試樣成孔制樣器，其特征在于-本制樣器的制樣平臺(7)為一水平試驗臺，沿中心軸線在制樣平臺(7)之上依次設置有制樣底盤(4)、試樣成模筒(1);沿中心軸線在制樣平臺(7)之下設置壓力頂升裝置(11);與壓力頂升裝置(11)頂部連接為一體的一組導桿(8)垂直向上穿過制樣底盤(4)伸向試樣成模筒(1)中。
6、 根據權利要求5所述的礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水試樣成孔制樣器，其特征在于所述的試樣成模筒(1)的直徑為30cm，高度為60cm;所述的一組導桿(8)是直徑為6mm的與試樣成模筒(1)軸向平行的直導桿。
7、 根據權利要求5所述的礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水試樣成孔制樣器，其特征在于所述的一組導桿(8)為13根，在直徑為30cm的試樣成模筒(1)的圓形橫截面上均勻分布。
8、 根據權利要求7所述的礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水試樣成孔制樣器，其特征在于所述的均勻分布是在試樣成模筒(1)的圓形橫截面上30cm直徑大圓的圓心設置1根導桿(8)，與大圓同心的10cm直徑小圓的圓周均勻分布4根導桿(8)，與大圓同心的20 cm直徑中圓的圓周均勻分布8根導桿(8)。
9、 根據權利要求8所述的礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水試樣成孔制樣器，其特征在于所述的中圓上的8根導桿(8)與小圓上的4根導桿(8)是均勻錯位分布的。
10、 根據權利要求5所述的礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水試樣成孔制樣器，其特征在于所述的壓力頂升裝置(11)是千斤頂、氣缸、液壓頂升裝置、機械壓力頂升裝置；所述的導桿(8)是不銹鋼導桿、鐵導桿、鋼導桿、鋁合金導桿。
全文摘要
本發明公開了一種礫石土大型三軸試驗砂芯加速排水方法及試樣成孔制樣器，屬于巖土力學三軸試驗技術領域。本方法是在直徑30cm的圓柱體標準試樣中設置多個軸向貫通試樣的垂直通孔，將上述帶通孔試樣置于平板上，從通孔上口灌入標準砂，并將標準砂搗實，使帶孔試樣成為含砂芯的試樣，用此含砂芯的試樣進行礫石土大型三軸試驗，快速并準確地求得試樣抗剪強度和應力應變關系。本發明的方法在大尺寸礫石土試樣中沿試樣軸向進行預先成孔，在孔中灌砂形成砂芯的方法，可以有效的提高試樣的飽和、排水速度。經試驗表明，本發明的大型三軸試樣成孔制樣器操作方便，成孔質量高，完全滿足大型三軸試樣試驗要求。
文檔編號G01N1/28GK101655424SQ20091006305
公開日2010年2月24日 申請日期2009年7月6日 優先權日2009年7月6日
發明者丁紅順, 姜景山, 孔憲勇, 左永振, 程展林 申請人:長江水利委員會長江科學院