用于室內三軸試驗的重塑土分層壓實制樣器及其方法與流程

本發明涉及室內三軸試驗的制樣技術，尤其涉及一種用于室內三軸試驗的重塑土分層壓實制樣器及其方法。

背景技術：

通過室內試驗可以獲得工程建設等所需的各類指標，以便作為設計和施工資料保存。一般在進行三軸試驗前，需要根據土工試驗規程制備試驗土樣。在土工試驗中，試驗土樣可分為原狀樣和重塑樣。原狀樣是用鉆探方法取出的未經外力擾動和保持原狀結構的地下土層或巖礦層樣品。原狀樣能夠較好地反映土體原始結構狀態及力學性能；但取樣困難，試樣不均勻，且其對試驗環境和條件變化較為敏感，易因微小的試驗條件改變而對試驗結果造成巨大變化。相對于原狀樣，重塑樣在試樣數量、試驗控制條件、試驗時間和試樣均勻性等方面都有較大優勢，因此室內的試驗土樣通常采用重塑土樣。

一般需要根據試驗規程對試驗土樣進行必要的加工及制備。依據相關土工試驗規程（sl237-1999，jtge40-2007），目前，常用的室內重塑土的制樣方法分別為擊樣法和壓樣法。

擊樣法是在制樣筒內倒入根據制樣筒容積及要求干密度計算出的所需質量的濕土，利用落錘將試驗土樣一層或分層擊實至目標高度成樣。

壓樣法是根據壓樣器的容積和要求干密度計算所需濕土的質量，將濕土樣倒入預先裝好環刀的壓樣器內，再通過活塞采用靜壓力將土樣壓緊至所需密度。

擊樣法優點是制樣周期短，簡單易行，操作方便；但在擊實過程中沖擊荷載的反復作用，會使土樣的均勻性、土體的結構及其他相關物理力學性質受到影響，易出現“上緊下松”的現象。

壓樣法的優點是能夠制得密度均勻的土樣，但設備要求高。目前，土樣高度一般是通過觀察直尺或游標卡尺的刻度來控制的，費時費力，且測量精度易受人為因素的干擾，極易產生誤差。

技術實現要素：

本發明的目的就在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種用于室內三軸試驗的重塑土分層壓實制樣器及其方法，從而減輕人為因素對試驗土樣的影響，提高試驗土樣的精度和效率。同時要求該制樣器結構簡單、拆裝方便、操作簡易、成本較低，可減輕重塑土試驗土樣的工作量。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：

一、用于室內三軸試驗的重塑土分層壓實制樣器（簡稱制樣器）

本制樣器包括底座1、壓實筒2和限位壓實蓋3；

從下到上，底座1、壓實筒2和限位壓實蓋3依次連接

二、用于室內三軸試驗的重塑土分層壓實制樣方法（簡稱方法）

本方法包括以下步驟：

①準備土樣，在土樣成型筒內壁均勻涂抹一層凡士林，并將底座和壓實筒組裝好；

準備土樣是根據試驗所需土樣的含水率，計算一定土料的加水量并進行加水調配，拌和均勻后裝入密封袋潤濕24小時，再復測含水率，含水率與制備標準之差值在1%范圍內；

②所需制備的土樣總高度為80mm，可以分為四層進行壓實，每層高度20mm；再根據試驗所需土樣的含水率和干密度，計算每層土樣的質量并進行稱取；

③將稱好的分層土樣倒入土樣成型筒內并攪拌平整，根據分層土樣的高度選取相應的限位壓實蓋，緩慢推入土樣成型筒上端，與之嵌合；

④將制樣器整體放置在靜載裝置上，利用靜載裝置對限位壓實蓋3的頂蓋進行加載，當頂蓋的底端面與壓實筒的頂端面匹配閉合時，停止加載；然后取下制樣器置于實驗平臺，將限位壓實蓋輕旋取出，此時第一層分層土樣壓實完畢；

若繼續添加第二層分層土樣時，需要對第一層分層土樣的上表面進行刨毛；

⑤刨毛完成后，依次重復步驟③④，直到完成所有分層土樣的壓實，其中最后一層的土樣壓實完成后其上表面不需要進行刨毛處理；

⑥拆卸制樣器，即將土樣成型筒小心取出，慢慢地逐片滑移拆開對開模，將制好的土樣取出，保存待用。

本發明具有下列優點和積極效果：

①能夠保證試樣各層的厚度均一，相對密度均勻，還可根據需求制得不同分層高度和層數的試樣；

②可重復使用，通過更改部件結構和尺寸可制作其他規格的試樣；

③制樣器結構簡單、拆裝方便、操作簡易、成本較低、壽命長久，制樣準確、高效可靠、人為因素干擾小；

④制樣方法易于掌握，通用性強，省時省力，方便快捷。

附圖說明

圖1為本制樣器的結構示意圖；

圖2為本制樣器的結構剖面圖；

圖3為底座的結構示意圖；

圖4為壓實筒的結構示意圖；

圖5為外置套筒的結構示意圖；

圖6為土樣成型筒的結構示意圖；

圖7為限位壓實蓋的結構示意圖。

圖中：

1—底座，

2—壓實筒，

21—外置套筒，22土樣成型筒，栓23—緊箍螺栓；

3—限位壓實蓋，

31—頂蓋，32—限位柱。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明。

一、制樣器

1、總體

如圖1、2，本制樣器包括底座1、壓實筒2和限位壓實蓋3；

從下到上，底座1、壓實筒2和限位壓實蓋3依次連接

2、功能部件

1）底座1

如圖3，底座1是一種短圓筒，底座1的外徑與外置套筒21的外徑一致；

底座1的內徑與土樣成型筒22的外徑適配，即底座1的頂端面有用于壓實筒2的土樣成型筒22底端落入的底座1的凹口，有助于更好地固定住壓實筒2。

2）壓實筒2

如圖4，壓實筒2包括外置套筒21、土樣成型筒22和緊箍螺栓23；

在外置套筒21內的中心設置有土樣成型筒22，在外置套筒21的外壁左右對稱設置有緊箍螺栓23，緊箍螺栓23抵住土樣成型筒22。

如圖1，所述壓實筒2通過土樣成型筒22凸出端面與底座1固定。

（1）外置套筒21

如圖5，外置套筒21為上下兩層不同內徑的圓環柱體，上端面內徑為39.1mm，高度為50mm，用于限位壓實蓋3的推入；下端面內徑為60mm，高度為70mm，用于嵌入土樣成型筒22；外置套筒21下層兩側分別對稱開有兩個螺紋型圓孔，用于緊箍螺栓23的使用。

（2）土樣成型筒22

如圖6，土樣成型筒22為一組圓柱體結構的對開模，高度為80mm，內徑為39.1mm，外徑為60mm；土樣成型筒22閉合后嵌入外置套筒21下端，通過螺栓23緊固，形成完整壓實筒2。

3）限位壓實蓋3

如圖7，限位壓實蓋3包括上下連接的頂蓋31和限位柱32；

（1）頂蓋31

頂蓋31為圓形板，高度為7mm，直徑為80mm；

（2）限位柱32

限位柱32為圓柱體，直徑為39.1mm，與土樣成型筒22內徑尺寸相匹配；其高度包括多種預設制樣高度，分別為50mm、70mm、90mm和110mm。

3、工作機理

選用閉合后的對開模做土樣成型筒22有助于保證試樣的直徑上下均一，再利用外置套筒21對土樣成型筒22進行整體緊箍，能有效確保土樣成型筒22的整體密閉性，減輕了試樣在壓實過程中產生的錯動；同時外置套筒21也起到了一層保護作用，避免了外界震動等因素對試樣制備過程的干擾，可以提高制樣精度。

限位壓實蓋3用于對試樣進行壓實；為保證試樣上下密度均勻采用分層壓實，因此限位壓實蓋3的限位柱32有多種規格；當前制樣器尺寸規格適于制備高度80mm的三軸試樣，為使高度均一分四層壓樣，即每層目標高度為20mm；故進行第一層壓實時，土樣目標高度為20mm，限位壓實蓋3是通過外置套筒21上端面推入，對土樣成型筒22內試樣進行壓實，結合外置套筒21、土樣成型筒22高度，需要選用限位柱高度110mm的限位壓實蓋才能實現；靜力裝置對限位壓實蓋3的頂蓋31加載，加載過程中力通過限位柱32傳輸給試樣使之壓實，當頂蓋31底端面與壓實筒2頂端面匹配閉合停止加載，此時試樣被壓實到目標厚度20mm，從而完成一層分層壓實；因此隨試樣高度的增加，對應的限位壓實蓋3的限位柱32高度也有所不同，通過選取不同規格限位壓實蓋滿足分層壓樣的目的。