申请/专利权人：董彤

申请日：2018-01-16

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN108088720B

主分类号：G01N1/28

分类号：G01N1/28

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2018.06.22#实质审查的生效;2018.05.29#公开

摘要：本发明属于土工试验领域，涉及一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，包括试样成模模块、试样自动抛洒模块以及动力模块；所述试样成模模块由呈“圆柱形”的内成模筒、与该内成模筒同心嵌套设置且呈“圆柱形”的外成模筒、以及用于安装内成模筒和外成模筒的底板构成，内成模筒与外成模筒之间形成呈“空心圆柱形”的空腔；所述试样自动抛洒模块包括呈“漏斗形”的加料端以及与加料端相连且用于向空腔中落料的下料端，其轴线与空腔轴线重合设置；所述动力模块，用于提供动力使试样成模模块和试样自动抛洒模块产生相对转动，与试样成模模块和或试样自动抛洒模块相连；实现了对制备沉积面与试样径向存在夹角的砂土空心圆柱试样的制备。

主权项：1.一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，用于制备砂土空心圆柱试样，其特征在于，包括：试样成模模块，用于径向施力挤压试样，包括呈“圆柱形”的内成模筒、与该内成模筒同心嵌套设置且呈“圆柱形”的外成模筒、以及用于安装内成模筒和外成模筒的底板，所述内成模筒与外成模筒与底板的同侧固定连接，且内成模筒与外成模筒之间形成呈“空心圆柱形”的空腔；试样自动抛洒模块，用于向空腔内抛洒试样原材料，设置在空腔远离底板的一侧上，包括呈“漏斗形”的加料端以及与加料端相连且用于向空腔中落料的下料端，其轴线与空腔轴线重合设置；动力模块，用于提供动力使试样成模模块和试样自动抛洒模块产生相对转动，与试样成模模块和或试样自动抛洒模块相连；所述试样成模模块与所述试样自动抛洒模块相对且均为水平布置。

全文数据：一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置技术领域[0001]本发明属于土工试验领域，涉及一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置。背景技术[0002]空心圆柱扭剪仪是目前最先进的室内试验设备之一，空心圆柱扭剪仪可以独立控制三个主应力的大小以及绕中主应力的方向转动的角度，因而可以开展各向异性的试验研究。但对空心圆柱试样的制备是该技术发展的瓶颈，制备空心圆柱试样的难度制约了空心圆柱扭剪仪的应用。[0003]现有技术中，通常采用分层灌砂法制备砂土试样;使用排水固结法与分层压实法制备重塑黏土试样。但传统的分层灌砂法在制备试样时，试样原材料受重力作用自然下落，制备的试样沉积面方向水平，与试样的径向平行，为横观各向同性试样;而分层压实法在制备试样的过程中，采用击锤从试样上方施力，制备的试样沉积面方向也为水平，与试样的径向平行，同样是横观各向同性试样。[0004]但应力矢量包括三个大小量和三个方向量，应力大小与应力方向的改变均可以导致材料表现出不同的力学性质。从试样角度考虑，现有的空心圆柱试样制备方法只能制备沉积面水平的空心圆柱试样，因此，试验所研究的材料必须是横观各向同性材料。从应力角度考虑，在试验过程中，中主应力方向始终与沉积面平行，空心圆柱扭剪仪只能实现对三个主应力大小以及一个主应力方向角的控制。[0005]由于空心圆柱扭剪仪只能控制应力绕试样的径向发生转动，因此，需要限定中主应力方向沿径向且平行于沉积面方向。上述限定导致空心扭剪试验只能考虑一个应力方向角，只能研究一个维度的各向异性，无法完全模拟自然界中土体的受力状态，在一定程度上制约了空心圆柱扭剪仪的使用。[0006]因此，有必要设计一种专用的设备，用于制备沉积面与试样径向存在夹角的砂土空心圆柱试样。从应力角度考虑，试样的应力状态依然由空心圆柱扭剪仪来控制，中主应力依然沿径向，依然可以绕中主应力发生转动，以研究一个维度的各向异性。从试样角度考虑，通过对沉积面方向的控制，使得试样的沉积面方向不再与径向平行，而是存在一个特定的夹角，进而实现对第二个维度的控制。试样沉积面与应力矢量之间的位置关系需要由两个方向角来表述，因此，该种试样可以用于研究应力的三个大小量以及两个方向量对试样的力学性质的影响。发明内容[0007]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，用于制备沉积面与试样径向存在夹角的砂土空心圆柱试样。[0008]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：[0009]—种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，用于制备砂土空心圆柱试样，包括:试样成模模块，用于径向施力挤压试样，包括呈“圆柱形”的内成模筒、与该内成模筒同心嵌套设置且呈“圆柱形”的外成模筒、以及用于安装内成模筒和外成模筒的底板，所述内成模筒与外成模筒与底板的同侧固定连接，且内成模筒与外成模筒之间形成呈“空心圆柱形”的空腔；试样自动抛洒模块，用于向空腔内抛洒试样原材料，设置在空腔远离底板的一侧上，包括呈“漏斗形”的加料端以及与加料端相连且用于向空腔中落料的下料端，其轴线与空腔轴线重合设置;动力模块，用于提供动力使试样成模模块和试样自动抛洒模块产生相对转动，与试样成模模块和或试样自动抛洒模块相连。[0010]可选地，所述动力模块包括电机以及用于传动的传送带，所述传送带连接电机以及底板外缘，电机启动后，传送带带动底板转动，底板带动内成模筒与外成模筒同步转动。[0011]可选地，所述底板朝向空腔的一侧上还设有传动轴承。[0012]可选地，所述动力模块包括转轴以及用于带动转轴的转动的电机及传送带，所述转轴与试样自动抛洒模块的轴心重合且与试样自动抛洒模块固定连接，所述传送带连接电机以及转轴，电机启动后，传送带带动转轴转动，转轴带动试样自动抛洒模块进行转动。[0013]可选地，还包括用于击实所述空心圆柱试样的击锤，所述击锤沿靠近或远离外成模筒的方向垂直于外成模筒轴心活动设置，敲击外成模筒。[0014]可选地，所述击锤为橡胶击锤。[0015]可选地，还包括用于封闭内成模筒的内成模筒顶盖，所述内成模筒顶盖与内成模筒远离底板的一端固定连接，所述试样自动抛洒模块与所述内成模筒顶盖远离内成模筒的一端固定连接。[0016]可选地，所述内成模筒顶盖远离内成模筒的一侧呈向下倾斜的锥面，下料端落料后通过该锥面进入空腔。[0017]可选地，还包括用于封闭外成模筒的外成模筒顶盖，所述外成模筒顶盖与外成模筒远离底板的一端固定连接，呈“空心圆环”状，其内径与外成模筒的直径相匹配。[0018]可选地，所述外成模筒远离内成模筒的一侧上设有若干个外箍环，所述外箍环沿外成模筒的径向包裹外成模筒且固定于外成模筒外侧;所述外箍环沿外成模筒的高度方向线性设置有若干个。[0019]本发明的有益效果在于：[0020]1、本发明中所涉及的一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，通过相互转动设置的试样成模模块和试样自动抛洒模块，实现对沉积面与试样径向呈一定夹角的砂土试样的制备，通过对电机转速的调节可以实现对上述夹角的调整及控制，可以制备沉积面与试样径向呈任一夹角的砂土试样。[0021]2、本发明中所涉及的一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，通过相互转动的试样成模模块和试样自动抛洒模块进行试样的制备，通过设置在外成模筒外部的击锤实现对试样的击实，击实过程不影响试样沉积面与试样径向的倾斜角度，可以制备密度更高的砂土试样。[0022]3、本发明中所涉及的一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，采用试样自动抛洒模块进行试样原材料的抛洒，来替代传统设备中的手工抛洒，通过下料端与内成模筒顶盖的配合进行自动落料，可以保证试样原材料下落的均匀度，包括抛洒高度、抛洒速度以及抛洒位置，保证设备所能制备的试样更为均匀。[0023]本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明[0024]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：[0025]图1为本发明所涉及的一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置的剖面结构示意图；[0026]图2为本发明中所涉及的试样成模模块以及试样自动抛洒模块的结构示意图；[0027]图3为本发明中所涉及的外箍环的结构示意图；[0028]图4为本发明中所涉及的外成模筒顶盖的结构示意图；[0029]图5为本发明中所涉及的轴承底座与转子通过传送带连接的结构示意图；[0030]图6为本发明中所涉及的底板结构示意图；[0031]图7为本发明中涉及的砂土颗粒的受力图；[0032]图8为本发明中涉及的砂土颗粒在所述倾斜砂土空心圆柱试样制备装置中的下落状态以及沉积面的形状示意图。具体实施方式[0033]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0034]请参阅图1-图8,附图中的元件标号分别表示:试样成模模块1、内成模筒11、外成模筒12、底板13、试样自动抛洒模块2、加料端21、下料端22、转轴23、动力模块3、电机31、转子311、传送带32、内成膜筒顶盖4、外成模筒顶盖5、外箍环6、螺帽61、轴承底座7、传动轴承71。[0035]本发明主要涉及一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，用于制备砂土空心圆柱试样，包括:试样成模模块1，用于径向施力挤压试样，包括呈“圆柱形”的内成模筒11、与该内成模筒11同心嵌套设置且呈“圆柱形”的外成模筒12、以及用于安装内成模筒11和外成模筒12的底板13,所述内成模筒11与外成模筒12与底板13的同侧固定连接，且内成模筒11与外成模筒12之间形成呈“空心圆柱形”的空腔;试样自动抛洒模块2,用于向空腔内抛洒试样原材料，设置在空腔远离底板13的一侧上，包括呈“漏斗形”的加料端21以及与加料端21相连且用于向空腔中落料的下料端22,其轴线与空腔轴线重合设置;动力模块3,用于提供动力使试样成模模块1和试样自动抛洒模块2产生相对转动，与试样成模模块1和或试样自动抛洒模块2相连。通过试样成模模块1和试样自动抛洒模块2的相对转动实现对特定土工试样的制备，即沉积面与径向呈一定夹角的空心圆柱形砂土试样。[0036]该动力模块3可以用于使试样成模模块1转动，也可以用于使试样自动抛洒模块2，也可以同时设置在试样成模模块1和试样自动抛洒模块2上，保证试样成模模块1和试样自动抛洒模块2具有不同的转速或转动方向即可。若将该动力模块3设置在试样成模模块1上，则需要使用传送带32将电机31上的转子311与底板13相连，电机31启动后，传送带32带动底板13转动，底板13带动内成模筒11与外成模筒12同步转动。若将该动力模块3设置在试样自动抛洒模块2上，则需要在试样自动抛洒模块2的几何中心设置转轴23,将该转轴23与电机31上的转子311使用传送带32相连，电机31启动后，传送带32带动转轴23转动，转轴23带动试样自动抛洒模块2进行转动。本实施例中的动力模块3与底板13相连，在底板13下方还设有用于安装传动轴承71的轴承底座7,以及设置在轴承底座7内部的传动轴承71，用于保证试样成模模块1的顺利转动。[0037]为实现对该土工试样的击实，该装置还包括用于击实所述空心圆柱试样的击锤，所述击锤沿靠近或远离外成模筒12的方向垂直于外成模筒12轴心活动设置，从外成模筒12的外侧壁处敲击外成模筒12。可以沿外成模筒12的高度方向设置若干个，为防止该击锤对外成模筒12形状造成破坏，可以采用软性材料制作击锤，如橡胶等。在电机31带动底板13进行转动时，击锤从外成模筒12的外壁处敲击外成模筒12,且不随外成模筒12—同转动。[0038]优选地，所述内成模筒11上还设有用于封闭内成模筒11的内成模筒顶盖4,所述内成模筒顶盖4与内成模筒11远离底板13的一端固定连接，所述试样自动抛洒模块2与所述内成模筒顶盖4远离内成模筒11的一端固定连接;所述内成模筒顶盖4远离内成模筒11的一侧呈向下倾斜的锥面，下料端22落料后通过该锥面进入空腔。[0039]在本实施例中，所述外成模筒12上还设有用于封闭外成模筒12的外成模筒顶盖5，所述外成模筒顶盖5与外成模筒12远离底板13的一端固定连接，呈“空心圆环”状，其内径与外成模筒12的直径相匹配;所述外成模筒12远离内成模筒11的一侧上设有若干个外箍环6，所述外箍环6沿外成模筒12的径向包裹外成模筒12且固定于外成模筒12外侧;所述外箍环6沿外成模筒12的高度方向线性设置有若干个，所述外箍环6通过螺帽61进行外部紧固。[0040]作为本实施例的改进，所述外成模筒12由N个弧形瓣膜同心围绕而成，实现对砂土空心圆柱试样的外部挤压成型;还包括设置在外成模筒12远离内成模筒11一侧的外壳，所述外壳与外成模筒12的瓣膜通过数个伸缩连杆相互连接，实现外成模筒12的拼合成型。本实施例中的动力模块3中，也可以采用机械齿轮传动实现类似功能，实现试样成模模块1和试样自动抛洒模块2的相对转动。[0041]在具体的制样过程中，试样自动抛洒模块2将试样抛下，在试样抛洒下落过程中，取一个砂土颗粒为例，对该砂土颗粒来讲:万有引力提供了竖直向下的重力，记为Fl;电机31带动底板13转动的过程中，高速转动提供了沿“空心圆柱形”的空腔径向向外的离心力，记为F2，且该离心力受转速控制。已经成型的砂土试样给该砂土颗粒一个支撑力，记为N。[0042]该砂土颗粒的质量记为m，重力加速度记为g，则Fl=mg;底板13转动的角速度记为ω，砂土与底板13几何中心的正投影距离记为r，则F2=mc〇2r;已经成型的砂土试样F1、F2以及N的方向和位置关系如图7所示，砂土颗粒在整体装置中的下落机理如图8所示。[0043]根据勾股定理可得，该砂土颗粒的沉积方向与的试样成模模块1的整体轴心之间的夹角记为Θ，上式表明，夹角Θ与ω成正相关，且仅受ω控制。因此，通过控制转速ω可以直接确定试样的夹角Θ。[0044]因此，通过调节转速大小，可以调节竖直向下的重力Fl与径向向外的离心力F2之间的比例关系，即可以调节砂土颗粒所受总应力的方向。在制样过程中，上述总应力即为试样的压实应力。压实应力与径向以及竖直方向存在夹角Θ，那么，所制备的试样的沉积面也同试样的径向存在夹角Θ，且该夹角Θ的取值可以通过对底板13转速ω的调节实现。本发明的先进性主要体现为：[0045]1抛洒试样的自动化程度高。采用传统的灌砂法制备土工试样时，须通过长颈漏斗，将试样原材料灌入模具中。这个过程全部为手工操作，增大了试验的工作量。而本发明中所涉及的一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，可以借助试样原材料自身的重力，通过仪器自身的转动，以使得试样原材料得以均匀地抛洒，有效地减少了人工操作的任务量；[0046]2振捣击实的自动化程度高。在制备不同干密度的试样时，传统灌砂法需要人为地采用玻璃棒对已灌好试样原材料的模具进行搅拌或者采用橡皮锤人工敲击模具外壁。本发明借助试样成模模块1自身的旋转，实现击锤对外成模筒12的自动敲击，进而对试样进行击实。此外，通过调节击锤的紧密程度，可以调节击实作用的强弱，进而达到控制试样的密实程度。[0047]3沉积面方向可控。本发明中所涉及的一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，通过相互转动设置的试样成模模块1和试样自动抛洒模块2，实现对沉积面与试样径向呈一定夹角的砂土试样的制备，通过对电机31转速的调节可以实现对上述夹角的调整及控制，可以制备沉积面与试样径向呈任一夹角的砂土试样。[0048]⑷可重复性好。本发明中所涉及的一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，采用全自动的制样方式规范化制样，试样制备可重复性好，所开展的试验归一化程度高。[0049]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

权利要求：1.一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，用于制备砂土空心圆柱试样，其特征在于，包括：试样成模模块，用于径向施力挤压试样，包括呈“圆柱形”的内成模筒、与该内成模筒同心嵌套设置且呈“圆柱形”的外成模筒、以及用于安装内成模筒和外成模筒的底板，所述内成模筒与外成模筒与底板的同侧固定连接，且内成模筒与外成模筒之间形成呈“空心圆柱形”的空腔；试样自动抛洒模块，用于向空腔内抛洒试样原材料，设置在空腔远离底板的一侧上，包括呈“漏斗形”的加料端以及与加料端相连且用于向空腔中落料的下料端，其轴线与空腔轴线重合设置；动力模块，用于提供动力使试样成模模块和试样自动抛洒模块产生相对转动，与试样成模模块和或试样自动抛洒模块相连。2.如权利要求1中所述的倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，其特征在于，所述动力模块包括电机以及用于传动的传送带，所述传送带连接电机以及底板外缘，电机启动后，传送带带动底板转动，底板带动内成模筒与外成模筒同步转动。3.如权利要求2中所述的倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，其特征在于，所述底板朝向空腔的一侧上还设有传动轴承。4.如权利要求1中所述的倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，其特征在于，所述动力模块包括转轴以及用于带动转轴的转动的电机及传送带，所述转轴与试样自动抛洒模块的轴心重合且与试样自动抛洒模块固定连接，所述传送带连接电机以及转轴，电机启动后，传送带带动转轴转动，转轴带动试样自动抛洒模块进行转动。5.如权利要求1中所述的斜砂土空心圆柱试样制备装置，其特征在于，还包括用于击实所述空心圆柱试样的击锤，所述击锤沿靠近或远离外成模筒的方向垂直于外成模筒轴心活动设置，敲击外成模筒。6.如权利要求5中所述的倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，其特征在于，所述击锤为橡胶击锤。7.如权利要求1中所述的倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，其特征在于，还包括用于封闭内成模筒的内成模筒顶盖，所述内成模筒顶盖与内成模筒远离底板的一端固定连接，所述试样自动抛洒模块与所述内成模筒顶盖远离内成模筒的一端固定连接。8.如权利要求7中所述的倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，其特征在于，所述内成模筒顶盖远离内成模筒的一侧呈向下倾斜的锥面，下料端落料后通过该锥面进入空腔。9.如权利要求1中所述的倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，其特征在于，还包括用于封闭外成模筒的外成模筒顶盖，所述外成模筒顶盖与外成模筒远离底板的一端固定连接，呈“空心圆环”状，其内径与外成模筒的直径相匹配。10.如权利要求1中所述的倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，其特征在于，所述外成模筒远离内成模筒的一侧上设有若干个外箍环，所述外箍环沿外成模筒的径向包裹外成模筒且固定于外成模筒外侧;所述外箍环沿外成模筒的高度方向线性设置有若干个。

百度查询： 董彤 一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置

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