專利名稱：一種粗粒土大型空心圓柱制樣器及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土木水利工程試驗技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及粗粒土大型空心圓柱制樣器及使用方法。
背景技術(shù)：
高土石壩由于壩高庫水容量大，一旦失事，將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因而有必要開展筑壩料動力特性研究。高土石壩在地震荷載作用下，壩體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，常規(guī)的動三軸試驗只能模擬簡單的應(yīng)力加載路徑，對于復(fù)雜的應(yīng)力加載路徑和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等問題無法實現(xiàn)?？招呐ぜ魞x在試驗過程中由于能夠進行三向不等壓加載，被認為是當(dāng)前較好的模擬土體動應(yīng)力加載的試驗設(shè)備。對于常規(guī)的空心扭剪儀由于試樣尺寸較小，無法開展粗粒料動力試驗。因此，需要開發(fā)大型空心扭剪儀。在本發(fā)明之前，“專利一種空心圓柱扭剪儀重塑樣擊實器(申請?zhí)?200710164847. 3)”公開了一種重塑樣擊實器，該擊實器采用的是重錘自由落體提供的動能來進行擊實，能量較小(擊實錘質(zhì)量為2. 83^g)，要提高擊實能需要增加擊實錘的重量和導(dǎo)桿的長度，這些無疑增加了試驗過程中制樣的困難、費力、費時；每層的均勻度難以控制。主要適用于中小型空心圓柱重塑樣，無法進行粗粒料大型空心圓柱試樣的擊實(如試樣外徑 500mm，內(nèi)徑300mm)，無法解決粗粒土相對密度較大時的制樣的困難，無法解決粗粒料相對密度較低時試樣難以成型等問題。專利“一種空心圓柱制樣儀(申請?zhí)?00920228846)”公開了一種空心圓柱試樣制樣儀，該設(shè)備在使用過程中將試驗樣品分層均勻放在加壓板、空心圓柱體形成的內(nèi)嵌空間中，通過轉(zhuǎn)動手柄來進行試樣的壓密，沒有考慮試樣制備完成后自身的不穩(wěn)定性，因此只適用于重塑樣，對于粗粒土試樣的制備并不適用。此外，試樣制備過程中，由于試樣尺寸增大環(huán)形內(nèi)套筒與試樣料內(nèi)橡皮膜之間的摩擦力增大，采用常規(guī)的對開?；虻确秩_模設(shè)計，很難拆卸內(nèi)套筒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種粗粒土大型空心圓柱制樣器及使用方法，完成粗粒土大型空心圓柱試樣的制備?！N粗粒土大型空心圓柱制樣器，包括環(huán)形套筒和振動密實器兩部分，其主要技術(shù)特征在于環(huán)形套筒包括環(huán)形底座、環(huán)形外套筒、環(huán)形內(nèi)套筒和環(huán)形外延筒；振動密實器包括振動電機、圓環(huán)鐵板、傳力桿、定位器和環(huán)形鐵板。所述的環(huán)形外套筒為薄圓環(huán)，由兩個對開模組成，通過四個六角螺栓進行兩對開模的鏈接，通過六個六角螺栓與環(huán)形試樣進行鏈接，高度與試樣的高度相等。所述的環(huán)形內(nèi)套筒為薄圓環(huán)，采用三開模設(shè)計，其中一個模為上端寬，下端窄的梯形設(shè)計，通過圓環(huán)進行固定，插入圓環(huán)底座的環(huán)形插槽內(nèi)，高度大于試樣高度，為試樣高度的1.1 1.4倍。
所述的環(huán)形外延筒為薄圓環(huán)，內(nèi)、外直徑與環(huán)形外套筒相等，高度等于環(huán)形內(nèi)套筒與環(huán)形外套筒高度之差。所述的環(huán)形鐵板，外直徑小于環(huán)形外套筒直徑，兩者的差值為試驗過程中采用的橡皮膜厚度的4、倍；內(nèi)直徑大于環(huán)形內(nèi)套筒直徑，兩者之間的差值為試驗過程中采用的橡皮膜厚度的4、倍。所述的傳力桿采用螺紋鋼筋，雙排四分對角布置，長度為試樣高度的l.(Tl.2倍左右。傳力桿與環(huán)形鐵板、傳力桿與圓形鐵板之間通過焊接成為一整體。所述的粗粒土大型空心圓柱制樣器采用振動電機來代替常規(guī)的落錘，根據(jù)粗粒土試樣內(nèi)直徑和外直徑計算試驗所需要選的振動電機功率，通常功率范圍為0. Π. 5kw。本發(fā)明粗粒土大型空心圓柱制樣器的使用方法，主要技術(shù)步驟如下
(1)根據(jù)試樣干密度稱取所需的土樣，并等分層若干份，一般分為六份；
(2)組裝好環(huán)形底座、環(huán)形外套筒、環(huán)形內(nèi)套筒、內(nèi)橡皮膜和外橡皮膜，并進行固定，在環(huán)形底座上放置環(huán)形透水石和濾紙，用小勺將第一份土樣均勻放入內(nèi)橡皮膜和外橡皮膜組成的環(huán)形腔內(nèi)，并抹平土樣表面；
(3)在傳力桿上預(yù)先設(shè)定好定位器位置，便于密實度的控制；
(4)將環(huán)形鐵板放入環(huán)形腔內(nèi)，開啟振動電機，進行振動擊實，當(dāng)定位器達到環(huán)形外套筒邊緣時停止擊實，取出環(huán)形鐵板，刮毛土樣表面；
(5)裝入下一層土樣，重復(fù)步驟4進行試樣擊實，直至最后一層土樣的安裝，此時需要在環(huán)形外套筒上套環(huán)形外延筒，裝入土樣，重復(fù)步驟4進行振動擊實；
(6)取下環(huán)形外延筒，安裝環(huán)形試樣頂帽，扎好內(nèi)、外橡皮膜，進行試樣抽真空，拆除環(huán)形外套筒和環(huán)形內(nèi)套筒，試樣制備完成。本發(fā)明的優(yōu)點和效果在于
(1)采用梯形三開模環(huán)形內(nèi)套筒設(shè)計，解決了大型粗粒料制備過程中由于試樣尺寸增大而導(dǎo)致環(huán)形內(nèi)套筒與橡皮膜之間摩擦力增大，無法拆卸模具的困難。(2)環(huán)形鐵板的尺寸設(shè)計，方便環(huán)形鐵環(huán)靈活出入，減少環(huán)形鐵環(huán)在振動過程中與橡皮膜的摩擦，避免因橡皮膜拉動而導(dǎo)致試樣局部的受力不均勻。(3)采用振動電機提供振動力進行振動擊實，與常規(guī)的擊實錘沿導(dǎo)桿下落將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能進行擊實，具有方便、快捷、省力等特點。(4)能夠制備相對密度較低的粗粒土試樣，且能夠保持其圓環(huán)外形不容易坍塌。(5)能夠制備較大尺寸的粗粒料空心圓柱試樣。( 6 )能夠制備較為均勻的試樣，對于試樣密實度較大的試樣也可以方便制備。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明的環(huán)形內(nèi)套筒三維立體示意3圖1中A位置剖面4圖1中B位置局部放大5圖1中C位置局部放大6圖1中D位置剖面圖
圖中(1)環(huán)形底座，(2)環(huán)形外套筒，(3)環(huán)形內(nèi)套筒，(4)環(huán)形外延筒，(5)環(huán)形鐵板，(6)傳力桿，(7)振動電機，(8)定位器，(9) 土樣，(10)圓環(huán)，(11)螺栓，(12)圓形鐵板，(13)螺栓，(14)外橡皮膜，(15)內(nèi)橡皮膜，(16)環(huán)形透水石，(17)濾紙。
具體實施例方式
如圖廣圖6所示，一種粗粒土大型空心圓柱制樣器。所述的粗粒土大型空心圓柱制樣器的試樣外直徑和內(nèi)直徑根據(jù)試驗材料的最大顆粒直徑進行確定，外直徑與內(nèi)直徑之差應(yīng)大于10倍的最大顆粒直徑，同時內(nèi)直徑與外直徑之比應(yīng)大于0. 5 ；試樣高度應(yīng)大于1倍的外直徑與內(nèi)直徑之差。主要由環(huán)形底座(1)、環(huán)形外套筒(2)、環(huán)形內(nèi)套筒(3)、環(huán)形外延筒
(4)、振動電機(7)、圓形鐵板(12)、傳力桿(6)、定位器(8)和環(huán)形鐵板(5)組成。環(huán)形外套筒(2)由對開模組合而成，采用鋁合金材料進行制造，厚度為10mm，高 600mm,內(nèi)直徑505mm，在對開模接縫處設(shè)置半圓形螺絲孔，上下各一個，試驗過程中通過 MlO的螺栓(11)進行錨固，環(huán)形外套筒(2)與環(huán)形底座(1)的連接通過外模具下邊緣的四個M16的螺栓(13)進行錨固(如圖6所示)。環(huán)形內(nèi)套筒(3)采用三開模設(shè)計，分別由三個不同形狀的三瓣模模組合而成，其中一個模為上端寬，下端窄的梯形設(shè)計(如圖2所示)。采用鋁合金材料進行制造，厚度為 IOmm,高720mm，外直徑四5讓，試驗過程中，由于其受力主要是法向的壓力，因此不需要特殊的固定方式，通過頂部的圓環(huán)(10)進行固定即可，圓環(huán)高度為10mm，厚度為5mm (如圖5 所示)。環(huán)形外延筒(4)由鋁合金材料制造，為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，厚度為10mm，高120mm，內(nèi)直徑 505mm (如圖4所示)。振動密實器由由振動電機(7)、圓形鐵板(12)、傳力桿(6)、定位器(8)和環(huán)形鐵板
(5)組成。環(huán)形鐵板(5)厚度10mm，外直徑495mm，內(nèi)直徑305mm；與傳力桿(6)通過焊接連在一起，傳力桿(6)采用直徑為IOmm的螺紋鋼筋，雙排四分對角布置(如圖3所示)，傳力桿
(6)長度為670mm。通過焊接與頂部圓形鐵板(12)連接，鐵板厚度10mm，直徑495mm。選用 JZ0-8-2型振動電機(7)與圓形鐵板(12)通過MlO六角螺栓進行連接，電機功率0. 75kw，激振力^cN。上述粗粒土大型空心圓柱制樣器的制作和使用方法，包括以下技術(shù)步驟
(1)試驗時首先根據(jù)試樣干密度稱取所需的土樣(9)，并分層六等份；
(2)組裝好環(huán)形底座(1)、環(huán)形外套筒(2)、環(huán)形內(nèi)套筒(3)、套筒內(nèi)套好內(nèi)橡皮膜(15)、 外橡皮膜(14)，在環(huán)形底座(1)上放置環(huán)形透水石(16)和濾紙(17)，用小勺將等分好的土樣(9)均勻放入圓環(huán)形腔內(nèi)，并抹平試樣表面；
(3)在傳力桿(6)上設(shè)定好定位器(8)的位置；
(4)放入環(huán)形鐵板(5)，開啟振動電機(7)，振動力通過傳力桿(6)傳遞到試樣頂面進行振動密實，當(dāng)環(huán)形外套筒(2)邊緣與定位器(8)相平時，停止振動，取出環(huán)形鐵板(5)，刮毛試樣表面；
(5)裝入下一層土樣(9)，重復(fù)步驟3-4進行試樣擊實；直至最后一層土樣(9)的安裝。 此時需要在環(huán)形外套筒(2)上安裝外延筒(4)，裝入土樣(9)，重復(fù)步驟3-4進行振動擊實；
(6)取下環(huán)形外延筒(4)，安裝環(huán)形試樣頂帽，扎好內(nèi)橡皮膜(15)和外橡皮膜(14)，進行試樣抽真空，拆除環(huán)形外套筒(2)和環(huán)形內(nèi)套筒(3)，試樣制備完成。
權(quán)利要求
1.一種粗粒土大型空心圓柱制樣器，由環(huán)形套筒和振動密實器組成，其特征在于環(huán)形套筒主要由環(huán)形底座(1)、環(huán)形外套筒(2)、環(huán)形內(nèi)套筒(3)和環(huán)形外延筒(4)組成；振動密實器由振動電機(7)、圓形鐵板(12)、傳力桿(6)、定位器(8)和環(huán)形鐵板(5)組成；所述環(huán)形內(nèi)套筒(3)為薄圓環(huán)，采用三開模設(shè)計，其中一個模為上端寬，下端窄的梯形設(shè)計，通過圓環(huán)(10)進行固定，插入圓環(huán)底座內(nèi)，高度等于環(huán)形外套筒(2)高度與環(huán)形外延筒(4)高度之和，為試樣高度的1. Γ1. 4倍；所述環(huán)形外套筒(2)為薄圓環(huán)，采用對開模設(shè)計，通過螺栓(11)進行兩對開模鏈接，高度與試樣總高度相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粗粒土大型空心圓柱制樣器，其特征在于環(huán)形鐵板(5) 外直徑小于環(huán)形外套筒(2)直徑，兩者的差值為試驗過程中采用的橡皮膜厚度的4、倍；環(huán)形鐵板(5)內(nèi)直徑大于環(huán)形內(nèi)套筒(3)直徑，兩者之間的差值為試驗過程中采用的橡皮膜厚度的4、倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粗粒土大型空心圓柱制樣器，其特征在于傳力桿(6)采用螺紋鋼筋，雙排四分對角布置，長度為試樣高度的1. (Tl. 2倍左右，傳力桿(6)與環(huán)形鐵板(5)和圓形鐵板(12)之間通過焊接成為一整體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粗粒土大型空心圓柱制樣器，其特征在于采用振動電機(7)來代替常規(guī)的落錘，根據(jù)粗粒土試樣大小選擇振動電機功率，通常功率范圍為 0. 4 1. 5kw0
5.一種基于權(quán)利要求1所述的粗粒土大型空心圓柱制樣器的使用方法，包括以下技術(shù)步驟(1)組裝好環(huán)形底座(1)、環(huán)形外套筒(2)、環(huán)形內(nèi)套筒(3)、套筒內(nèi)套上內(nèi)橡皮膜(15)、 外橡皮膜(14)，在環(huán)形底座(1)上放置環(huán)形透水石(16)和濾紙(17)；(2)在內(nèi)橡皮膜(15)和外橡皮膜(14)形成的環(huán)形空腔內(nèi)均勻的放入土樣(9)，抹平土樣(9)表面；(3)調(diào)整傳力桿(6)上的定位器(8)位置；(4)放入環(huán)形鐵板(5)，開啟振動電機(7)，振動力通過傳力桿(6)傳遞到土樣(9)表面進行振動密實，當(dāng)環(huán)形外套筒(2)邊緣與定位器(8)相平時，停止振動；(5)裝入下一層土樣(9)，重復(fù)2-4的步驟，直至最后一層土樣(9)的填入，此時需要在環(huán)形外套筒(2)上安裝環(huán)形外延筒(4)，重復(fù)2-4的步驟；(6)取下環(huán)形外延筒(4)，安裝環(huán)形試樣頂帽，扎好內(nèi)橡皮膜(15)和外橡皮膜(14)，試樣抽真空，拆除環(huán)形外套筒(2)和環(huán)形內(nèi)套筒(3)，試樣制備完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種粗粒土大型空心圓柱制樣器和使用方法。它包括環(huán)形套筒和振動密實器兩部分，環(huán)形套筒包括環(huán)形底座(1)、環(huán)形外套筒(2)、環(huán)形內(nèi)套筒(3)和環(huán)形外延筒(4)，振動密實器包括振動電機(7)、圓形鐵板(12)、傳力桿(6)、定位器(8)和環(huán)形鐵板(5)。使用本儀器時，首先鋪設(shè)土樣(9)，放入環(huán)形鐵板(5)，開啟振動電機(7)，當(dāng)環(huán)形外套筒(2)邊緣與定位器(8)相平時，停止振動，添加下一層土樣(9)，再進行振動密實，直至土樣達到設(shè)定的高度。本發(fā)明在使用上簡潔，便于操作和控制，能夠制備密實度較高且均勻的試樣，節(jié)約了試樣制備時間和人力。
文檔編號G01N1/28GK102288461SQ20111012229
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者丁選明, 劉平, 劉漢龍, 楊貴, 高德清 申請人:河海大學(xué)