本實(shí)用新型涉及一種高嶺土三軸試樣的制備裝置，尤其涉及一種可利用外接氣泵制取高嶺土三軸試樣的裝置及方法，該裝置可用于便攜式的氣泵加載與較低成本的加工，可用于高嶺土三軸剪切、動(dòng)力循環(huán)等試驗(yàn)的制樣制備。

背景技術(shù)：

高嶺土是一種常見的黏土礦物，由于其滲透性較好、容易標(biāo)準(zhǔn)化，故廣泛應(yīng)用于土工模型試驗(yàn)、土工離心機(jī)試驗(yàn)中，主要為模擬城市基坑、隧道、海洋樁基、海底管道等所在的黏土地層。其力學(xué)參數(shù)常用室內(nèi)三軸試驗(yàn)標(biāo)定。高嶺土由泥漿到成樣的過程需要成樣裝置，其原理類似重塑黏土的固結(jié)裝置。經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)已有專利主要集中于一般黏土的重塑土制樣，如冷艷秋等(2015)，錢財(cái)富等(2014)，張先偉和孔令偉(2012)，等等。這些重塑土樣制備裝置有的用砝碼加載，有的尺寸較小不能使土顆粒充分流動(dòng)沉淀，因此不適合于高嶺土三軸試樣的制備。另外，國(guó)外同行有專門的氣壓加載制備高嶺土三軸試樣的裝置，如Wang Y.H.&Siu W.K.(2006)，其裝置材料用到精加工的不銹鋼，使得裝置成本很高，不適用于國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室。本實(shí)用新型旨在基于國(guó)外制備高嶺土三軸試樣的原理基礎(chǔ)上，通過改造內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料，大大降低高嶺土三軸試樣制備裝置的成本，同時(shí)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的空白。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題主要包括以下幾點(diǎn)：1)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)常用的高嶺土三軸制樣裝置，其加載源主要為砝碼，這種加載方式無法實(shí)現(xiàn)加載數(shù)值的連續(xù)變化，可能會(huì)降低成樣的質(zhì)量。同時(shí)砝碼十分笨重，導(dǎo)致制樣裝置的可移動(dòng)性降低。另外，砝碼加載不能用于小直徑的制樣裝置(目前主流三軸試樣的直徑是38毫米，砝碼無法加載)，而且其自身重量產(chǎn)生的荷載十分有限；2)國(guó)外采用的高嶺土三軸制樣裝置十分昂貴，其采用的高精度加工以及簡(jiǎn)潔的內(nèi)部構(gòu)造使成本大大提高。

本實(shí)用新型的可利用外接氣泵制取高嶺土三軸試樣的裝置，包括氣壓控制裝置和固結(jié)成樣裝置；

所述的氣壓控制裝置包括外接氣壓控制閥、氣缸、活塞桿，其中，活塞桿的上端頭設(shè)有帶暗槽的活塞板，活塞板上開有引流孔，活塞板暗槽內(nèi)設(shè)置有一片透水石；控制閥用于控制裝置內(nèi)氣壓加載與卸載；

所述的固結(jié)成樣裝置由透明的有機(jī)玻璃圓筒外罩、固結(jié)筒上蓋板、固結(jié)筒底座三部分組成，活塞桿貫穿固結(jié)筒底座同軸設(shè)于有機(jī)玻璃圓筒外罩內(nèi)，有機(jī)玻璃圓筒外罩與固結(jié)筒上蓋板、活塞板、固結(jié)筒底座各通過一個(gè)橡膠密封圈密封；固結(jié)筒上蓋板上開有通孔連接引流管，固結(jié)筒上蓋板下設(shè)置有一片透水石，在固結(jié)筒底座上開有下引流孔用于外接導(dǎo)管排出土體固結(jié)產(chǎn)生的自由水，固結(jié)筒上蓋板、固結(jié)筒底座之間通過若干根均布的剛性螺桿緊固，固結(jié)筒底座與氣缸的外殼之間通過固結(jié)筒氣缸過渡板固定連接。

在所述的活塞桿與活塞板之間、活塞桿與氣壓控制裝置之間、外接氣壓控制閥與氣缸之間、過渡板與固結(jié)筒底座及氣壓控制裝置之間均采用防水連接。

所述的控制閥具體結(jié)構(gòu)為：在閥體上開有由一路轉(zhuǎn)為上下兩路的通孔，從而形成上下兩路進(jìn)氣通道，在通孔內(nèi)設(shè)置有滑塊，在閥體上設(shè)有活動(dòng)扳手，活動(dòng)扳手與滑塊相連用于控制滑塊移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣通道的開啟與關(guān)閉，進(jìn)氣通道的進(jìn)氣孔外接氣泵，活塞桿的下端頭將氣缸隔為上下兩腔體，上進(jìn)氣通道的出口與氣缸下腔體相連通，下進(jìn)氣通道的出口與氣缸上腔體相連通，在進(jìn)氣通道的尚未分支處開有通孔通向大氣。當(dāng)滑塊移動(dòng)至下進(jìn)氣通道中將該通道封堵，外接氣壓將從上進(jìn)氣通道進(jìn)入氣缸下腔體，此時(shí)通入的氣體使氣筒內(nèi)下部分的氣壓上升，推動(dòng)活塞桿上升；反之，當(dāng)滑塊將上進(jìn)氣通道堵塞，則氣體從下進(jìn)氣通道進(jìn)入氣缸上腔體，從而增大其內(nèi)氣壓，使活塞桿下移。當(dāng)扳手處于中間檔，即滑塊處于進(jìn)氣通道分叉處將上下兩個(gè)進(jìn)氣通道都封堵時(shí)，氣體只能從與大氣連通的通孔處流出，此時(shí)活塞桿保持靜止。

所述活塞桿的長(zhǎng)度大于有機(jī)玻璃圓筒外罩的高度。

向外接氣壓控制裝置施加荷載的氣壓源為掛壁式正負(fù)壓裝置或可移動(dòng)氣泵。

應(yīng)用上述的裝置制取高嶺土三軸試樣的方法，包括如下步驟：首先連接好外接氣壓，通氣，檢查外部管子的氣密性，檢查無誤后將有機(jī)玻璃圓筒外罩放到固結(jié)筒底座的暗槽上，暗槽上放有橡皮密封圈；

調(diào)節(jié)控制閥加壓，穩(wěn)定住有機(jī)玻璃圓筒外罩，使得活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞桿到達(dá)最上的位置后，將浸濕的濾紙放在活塞板的透水石上，調(diào)節(jié)控制閥卸載，使活塞桿落至最底端并同時(shí)保證濾紙緊貼透水石，然后把高嶺土泥漿灌入固結(jié)筒內(nèi)至距離固結(jié)筒頂端～厘米處時(shí)停止灌漿。把另一張浸濕的濾紙放到上蓋板的透水石表面，把上蓋板蓋到有機(jī)玻璃圓筒外罩上并采用橡膠圈密封，然后穿入剛性螺桿，將上蓋板與固結(jié)筒底座擰緊，調(diào)節(jié)控制閥加壓，使活塞桿向上推，當(dāng)泥漿上表面剛好與上蓋板下的濾紙接觸后，關(guān)閉控制閥使得活塞桿靜止至當(dāng)前位置；根據(jù)預(yù)先確定的固結(jié)加載的總級(jí)數(shù)與每一級(jí)的加壓大小，調(diào)節(jié)控制閥至相應(yīng)壓力逐級(jí)加壓進(jìn)行制樣，制樣完成后，松開剛性螺桿，拆卸上蓋板，利用活塞桿將試樣推離固結(jié)筒。

控制閥上進(jìn)氣口處最好與氣壓表連接，從而可以實(shí)時(shí)獲得氣壓產(chǎn)生的荷載大小?？刂崎y通過控制氣缸上下腔體的氣壓推動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的加壓與裝置卸載。

活塞板上有引流板和暗槽，可在此放置透水石。土體固結(jié)時(shí)產(chǎn)生的水從引流板上的小孔流出，在腔體中匯集，然后從下引流孔接出的管子流出，上蓋板底部有暗槽和透水石，保證試樣上下排水。整個(gè)裝置的防水十分重要。試樣向下排出的水在下引流孔上方積聚，因此活塞桿與過渡板之間需要加設(shè)密封圈防水?；钊迮c活塞桿由螺紋連接，此處防銹較難做且與透水石直接接觸，因此需要在螺孔中經(jīng)常添加凡士林。另外，控制閥、過渡板與氣缸的連接縫要盡可能小，必要時(shí)做額外防水措施。為增加上排水面的排水能力，可將上引流管與負(fù)壓相連，類似真空預(yù)壓固結(jié)法的原理加速固結(jié)。由于設(shè)計(jì)的氣缸與活塞板的有效面積(即與高嶺土的接觸面)相等，故外接氣壓表的讀數(shù)無需換算，即試樣所受的固結(jié)壓力大小。另外，有機(jī)玻璃罩的加工圓度要求較高，否則會(huì)造成活塞板與罩身間的摩擦力不均勻以及發(fā)生漏水、漏泥的情況。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

1.本實(shí)用新型采用外接氣壓給試樣施加固結(jié)壓力，該種加壓方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：可連續(xù)調(diào)節(jié)壓力數(shù)值，較輕便、可移動(dòng)，可用于小尺寸三軸試驗(yàn)的制樣，可同時(shí)給一批制樣裝置加壓，充分利用實(shí)驗(yàn)室已有裝置、無浪費(fèi)物等。

2.采用了有機(jī)玻璃罩與氣缸連接的設(shè)計(jì)，在相同長(zhǎng)度下若采用鋼材則必須精加工，本方案相較之下成本顯著降低，且制樣效果滿足試驗(yàn)要求。利用有機(jī)玻璃制作固結(jié)筒還有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是可以滿足酸、堿、鹽環(huán)境下的制樣要求，二是透明的有機(jī)玻璃有利于試驗(yàn)者觀察成樣的高度變化情況。

3.作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)高嶺土制樣的全自動(dòng)化，可將控制閥部分由人工控制改為程序控制，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化制樣，減小人為因素產(chǎn)生的制樣誤差。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型可利用外接氣泵的高嶺土三軸制樣裝置結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2為本實(shí)用新型中控制閥的具體結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：氣壓控制裝置1、外接氣壓控制閥1-1、滑塊1-1-1、通孔1-1-2、活塞桿1-2、活塞板1-2-1、引流孔1-2-2、透水石1-2-3、有機(jī)玻璃圓筒外罩2-1、橡膠密封圈2-1-1、固結(jié)筒上蓋板2-2、引流管2-2-1、剛性螺桿2-2-2、固結(jié)筒底座2-3、固結(jié)筒-氣缸過渡板2-3-1、下引流孔2-3-2。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種可利用外接氣泵制取高嶺土三軸試樣的裝置，包括氣壓控制裝置1和固結(jié)成樣裝置2兩部分，施加荷載的氣壓源可為掛壁式正負(fù)壓裝置或可移動(dòng)氣泵。所述的氣壓控制裝置1由外接氣壓控制閥1-1、氣缸、活塞桿1-2組成。其中，氣缸活塞桿1-2的上端頭由帶暗槽的活塞板1-2-1、引流孔1-2-2以及透水石1-2-3組成，活塞板1-2-1外側(cè)有一圈橡膠密封圈2-1-1。所述的固結(jié)成樣裝置2由有機(jī)玻璃圓筒外罩2-1、固結(jié)筒上蓋板2-2、固結(jié)筒底座2-3三部分組成。其中，有機(jī)玻璃圓筒外罩2-1通過上、中、下三處的橡膠密封圈2-1-1分別與固結(jié)筒上蓋板2-2、活塞板1-2-1、固結(jié)筒底座2-3接觸；固結(jié)筒上蓋板2-2上開有通孔連接引流管2-2-1，固結(jié)筒上蓋板2-2下設(shè)置有一片透水石，在固結(jié)筒底座2-3上開有下引流孔2-3-2用于外接導(dǎo)管排出土體固結(jié)產(chǎn)生的自由水，固結(jié)筒上蓋板2-2、固結(jié)筒底座2-3之間通過若干根均布的剛性螺桿2-2-2緊固，固結(jié)筒底座2-3與氣缸的外殼之間通過固結(jié)筒-氣缸過渡板2-3-1固定連接。

固結(jié)成樣裝置主體可以為鋁質(zhì)材料，有機(jī)玻璃圓筒外罩2-1由聚丙烯制成，透明的筒身可觀察成樣高度的變化情況；多處橡膠密封圈的設(shè)置能保證固結(jié)土樣的上下面以及固結(jié)筒底座不漏水、漏泥；透水石1-2-3可以采用透水金屬材料，保證酸性、堿性孔隙液不會(huì)對(duì)透水石產(chǎn)生影響?；钊麠U1-2與活塞板1-2-1之間、活塞桿1-2與氣壓控制裝置1之間、外接氣壓控制閥1-1與氣壓控制裝置1之間、過渡板2-3-1與固結(jié)筒底座2-3及氣壓控制裝置1之間的連接皆需做防水處理。

所述活塞桿1-2的長(zhǎng)度應(yīng)大于有機(jī)玻璃圓筒外罩2-1的高度，保證土樣制成后可以順利推出。

如圖2所示：控制閥1-1具體結(jié)構(gòu)為：在閥體上開有由一路轉(zhuǎn)為上下兩路的通孔，從而形成上下兩路進(jìn)氣通道，在通孔內(nèi)設(shè)置有滑塊1-1-1，在閥體上設(shè)有活動(dòng)扳手，活動(dòng)扳手與滑塊相連用于控制滑塊移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣通道的開啟與關(guān)閉，進(jìn)氣通道的進(jìn)氣孔外接氣泵，活塞桿的下端頭將氣缸隔為上下兩腔體，上進(jìn)氣通道的出口與氣缸下腔體相連通，下進(jìn)氣通道的出口與氣缸上腔體相連通，在進(jìn)氣通道的尚未分支處開有通孔通向大氣，該通孔可以設(shè)有閥門來控制該通孔的通斷。當(dāng)滑塊移動(dòng)至下進(jìn)氣通道中將該通道封堵(如圖2中狀態(tài))，外接氣壓將從上進(jìn)氣通道進(jìn)入氣缸下腔體，此時(shí)通入的氣體使氣筒內(nèi)下部分的氣壓上升，推動(dòng)活塞桿上升；反之，當(dāng)滑塊將上進(jìn)氣通道堵塞，則氣體從下進(jìn)氣通道進(jìn)入氣缸上腔體，從而增大其內(nèi)氣壓，使活塞桿下移。當(dāng)扳手處于中間檔，即滑塊處于進(jìn)氣通道分叉處將上下兩個(gè)進(jìn)氣通道都封堵時(shí)，氣體只能從與大氣連通的通孔處流出，此時(shí)活塞桿保持靜止。

本實(shí)用新型的工作過程如下：上一次用好的裝置清洗后，整個(gè)裝置的各部件是分離的。首先連接好外接氣壓，通氣，檢查外部管子的氣密性，檢查無誤后將有機(jī)玻璃圓筒外罩2-1放到固結(jié)筒底座2-3上，通過橡皮密封圈密封使固結(jié)筒2-1與底座2-3之間雖未壓緊但不會(huì)漏泥。調(diào)節(jié)控制閥1-1加壓，即通過扳手調(diào)節(jié)滑塊封堵下進(jìn)氣通道，穩(wěn)定住有機(jī)玻璃圓筒外罩2-1，使得活塞桿1-2向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞桿到達(dá)最上的位置后，將浸濕的濾紙放在活塞板的透水石1-2-3上，調(diào)節(jié)控制閥使得氣缸下腔體卸載，使活塞桿1-2落至最底端并同時(shí)保證濾紙緊貼透水石，然后把高嶺土泥漿灌入固結(jié)筒2-1內(nèi)至距離固結(jié)筒頂端1～2厘米處時(shí)停止灌漿。把另一張浸濕的濾紙放到上蓋板2-2的透水石表面，把上蓋板2-2蓋到有機(jī)玻璃圓筒外罩2-1上并采用橡膠圈密封，然后穿入剛性螺桿2-2-2，將上蓋板與固結(jié)筒底座擰緊，調(diào)節(jié)控制閥加壓，使活塞桿向上推，當(dāng)泥漿上表面剛好與上蓋板2-2下的濾紙接觸后，關(guān)閉控制閥1-1使得活塞桿1-2靜止至當(dāng)前位置；根據(jù)預(yù)先確定的固結(jié)加載的總級(jí)數(shù)與每一級(jí)的加壓大小，調(diào)節(jié)控制閥至相應(yīng)壓力逐級(jí)加壓進(jìn)行制樣，制樣完成后，松開剛性螺桿2-2-2，拆卸上蓋板2-2，利用活塞桿1-2將試樣推離固結(jié)筒。

制樣過程中只需通過改變外接氣壓的大小來增大固結(jié)壓力。整個(gè)制樣過程大概需要3～5天，完成成樣后松開剛性長(zhǎng)螺桿2-2-2并取出，拆卸上蓋板2-2，然后加大外接氣壓的大小，利用提升活塞桿1-2將試樣推離固結(jié)筒，注意該過程需要用手穩(wěn)定住有機(jī)玻璃圓筒外罩2-1。取走土樣后將整個(gè)制樣裝置完全拆卸，最后清洗各個(gè)部分。