一種節理性土工三軸試驗制樣方法與流程

2023-10-05 03:23:14 1

本發明涉及節理性試樣製作技術領域，尤其涉及一種節理性土工三軸試驗制樣方法。

背景技術：

節理在黃土中分布廣泛，節理的存在為降雨通過淺表黃土通向深部黃土下滲提供了通道，但是這極易引起溼陷性極強的黃土結構發生失穩，降低邊坡的穩定性。因此，節理性黃土的物理力學特性引起了學術界和工程界的廣泛關注。

由於節理面的抗拉強度極低，在野外取樣、室內試驗削樣過程中，節理面極易開裂，影響試驗進程及試驗的成功率。因此，探究一種人工製作含節理的重塑制樣方法和制樣器對於研究節理性黃土的物理力學特性極為重要。

傳統的三軸試驗試樣的製作方法有兩種，即「分三層擊實法」重塑制樣和「靜壓制樣法」，但是它們都無法製作含節理的三軸試樣，更不能製作出含不同傾角的節理性試樣。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種節理性土工三軸試驗制樣方法，以製作出含不同節理傾角和不同節理數量的三軸試驗試樣，進而提高三軸試驗的效率與準確性。

為解決上述問題，本發明所述的一種節理性土工三軸試驗制樣方法，該方法包括：

步驟s1、確定目標試樣的節理相關數據，並根據所述目標試樣中各子試樣的體積和預設試樣密度，計算出各子試樣所需的土料質量；其中，所述節理相關數據包括節理數量、各節理的位置信息和傾角信息，所述目標試樣由各節理劃分出的子試樣構成；

步驟s2、在所述目標試樣中選擇一處於邊緣位置的第一子試樣，根據其餘子試樣的形狀大小選取與之形狀大小相同的成模試塊；其中，所述成模試塊為單一試塊或者組合試塊；

步驟s3、按照所述成模試塊和所述第一子試樣在所述目標試樣中的上下或左右位置關係，依序將所述成模試塊和與所述第一子試樣對應的土料放入成模套筒，並對該土料進行加壓使所述第一子試樣成型；

步驟s4、將成型的所述第一子試樣從所述成模套筒取出，並將當前已成型的子試樣當作成模試塊，重複步驟s2~s3製作與所述第一子試樣相鄰的下一個子試樣，直至製得所述目標試樣；在製作過程中，對各子試樣之間節理位置所在的自然接觸面不進行刮毛處理，即可將這兩接觸面作為節理面。

優選地，所述成模試塊由以下任意單一試塊構成或其自身組合構成，或者由以下任意試塊間的任意組合構成：

不同形狀大小、截面呈方形或直角三角形的試塊，且這些試塊具有與所述成模套筒內壁弧度相適應的弧面。

優選地，所述截面呈直角三角形的試塊具有30°角、45°角或者15°角。

優選地，在步驟s3中將所述成模試塊和土料放入所述成模套筒之前，將下承柱置於所述成模套筒的底部，在放好所述成模試塊和土料之後，接著放上上承柱；

所述步驟s3中對該土料進行加壓使所述第一子試樣成型，包括：

將所述成模套筒整體置於反力架的油泵上，操作加載杆使油泵上升對土料進行加壓，直至所述上承柱完全進入所述成模套筒停止加壓，靜置使所述第一子試樣成型。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、本發明制樣方法採用了靜壓分層制樣的方式，將分層制樣時對各子試樣之間節理位置所在的自然接觸面不進行刮毛處理，因此分層接觸面即可認為是節理面；從一處於邊緣位置的第一子試樣開始，在成模試塊的配合下依次製作出目標試樣中的所有子試樣，可製作傾角為0°~90°和不同節理數量的貫通型或非貫通型節理試樣。

2、本發明制樣方法對探究含不同傾角和/不同數量的節理性試樣的力學特性有重要作用，能夠有效提高三軸試驗的效率與準確性。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1為現有技術中制樣器的結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的含水平節理目標試樣的製作工藝圖。

圖3為本發明實施例提供的含45°傾角節理目標試樣的製作工藝圖。

圖4為本發明實施例提供的含30°傾角節理目標試樣的製作工藝圖。

圖5為本發明實施例提供的含15°傾角節理目標試樣的製作工藝圖。

圖6為本發明實施例提供的含豎向節理目標試樣的製作工藝圖。

圖中：1—頂蓋，2—套筒，3—反力架，4—油泵，5—加載杆。

具體實施方式

參考圖1~圖6，其中，圖1示出了一種現有制樣器的結構示意圖，其包括反力架3、設在該反力架3底板上的油泵4和加載杆5、用於成模的套筒2、上承柱2、下承柱5以及頂蓋1和脫模柱8；制樣時，上承柱2和下承柱5放於套筒2頂部和底部，套筒2放在油泵4上，操作操作杆7可以使油泵4加壓和洩壓，反力架3頂板上具有直徑與套筒2內徑相等的圓柱型通道，供套筒2內的試樣穿出，加壓前將頂蓋1放於反力架3頂板圓柱型通道下方以抵住上承柱2。

在本發明製作目標試樣的流程圖中，除了成模試塊其它的設備結構均是現有技術，由於流程中圖比較多且結構順序有變動，為了便於理解製作流程，就將其部件名稱直接寫在其部件上。

實施例1

本發明節理性土工三軸試驗制樣方法的具體步驟如下：

步驟s1、確定目標試樣的節理相關數據，並根據目標試樣中各子試樣的體積和預設試樣密度，計算出各子試樣所需的土料質量。

在實際應用中，通常都是現有目標試樣（最終想要得到的試樣）的設計圖或者構思，通過這個設計圖或者構思可以確定出該目標試樣中節理數量、各節理的位置信息和傾角信息等節理相關數據，比如一條位於中部的貫通型水平節理、兩條均布且相互平行的45°傾角節理，可以理解的是，目標試樣由各節理劃分出的子試樣構成，如目標試樣有一條貫通型節理，那它就有兩個子試樣；當節理為非貫通型時，以該節理的前後延長線來劃分子試樣，只不過在製作過程中將該延長線上非貫通的位置進行刮毛處理即可。

步驟s2、在目標試樣中選擇一處於邊緣位置的第一子試樣，根據其餘子試樣的形狀大小選取與之形狀大小相同的成模試塊。

其中，供選擇的成模試塊有不同形狀大小、截面呈方形（包括長方形和正方形）或直角三角形的試塊，且這些試塊具有與成模套筒內壁弧度相適應的弧面；這裡截面指的是縱向截面，可以理解的是，截面呈方形的試塊用於製作水平或豎直的節理或者用於當墊塊，截面呈直角三角形的試塊，利用其斜邊與直角邊形成的0°~90°夾角（不包含0°和90°）製作不同傾角的節理，其中，直角有利於試塊在成模套筒裡的擺放和貼合；選取的成模試塊可以是以上任意單一試塊，也可以是任意的組合試塊（這裡「單一」和「組合」強調的是數量而不是種類），比如任意單一試塊自身的組合或者任意試塊間的任意組合，這取決於其餘子試樣的形狀大小和備用的成模試塊之間的配合情況。

為了便於推進位作過程，我們在目標試樣中選擇一處於邊緣位置的第一子試樣開始製作，該邊緣位置可以是最上、最下或者是最左、最右。

步驟s3、按照成模試塊和第一子試樣在目標試樣中的上下或左右位置關係，依序將成模試塊和與第一子試樣對應的土料放入成模套筒，並對該土料進行加壓使第一子試樣成型。

比如，當成模試塊在第一子試樣上方，那就先放土料，後放成模試塊；當成模試塊在第一子試樣左邊或右邊時，那就先放成模試塊再放土料，能避免土料亂散造成不便。其中，與第一子試樣對應的土料指步驟s1中計算出所需質量的土料。

步驟s4、將成型的第一子試樣從成模套筒取出，並將當前已成型的子試樣當作成模試塊，重複步驟s2~s3製作與第一子試樣相鄰的下一個子試樣，直至製得目標試樣。

在製作過程中，對各子試樣之間節理位置所在的自然接觸面不進行刮毛處理，即可將這兩接觸面作為節理面。也就是說，對於貫通型節理，則對形成該節理的兩子試樣的自然接觸面整面不進行刮毛處理，而對於非貫通型節理，則只需對形成該節理的兩子試樣的自然接觸面中該節理所涉及的部分面不進行刮毛處理，其它地方仍然需要刮毛以使這個地方不能形成節理面。

將成型的第一子試樣從成模套筒取出，並將這個子試樣當作成模試塊，用來製作與該第一子試樣相鄰的下一個子試樣，這裡成為第二子試樣，當第二子試樣也成型時，如果還有其餘子試樣，那將已成型的連在一起的第一子試樣和第二子試樣一同當作成模試塊，用來製作與該第二子試樣相鄰的下一個子試樣即第三子試樣，以此類推。

以上提到可利用不同形狀大小、截面呈方形或直角三角形的試塊構成任意組合，形成與其餘子試樣的形狀大小相適應的成模試塊。本發明以下實施例2~實施例6結合實際應用進行舉例說明，其中，目標試樣的尺寸為直徑39.1mm、高度80mm的圓柱體，設定套筒2內直徑39.1mm，高120mm，供選取的試塊有：

（1）1#塊（0°或90°）：直徑39.1mm（與套筒2內直徑相等）、高10mm的圓柱體；縱向截面為長方形，可製作0°或90°即水平或豎直節理。其中，為了方便，標記其為1#塊，下同。

（2）2#塊（45°）：沿斜對角將直徑39.1mm、高39.1mm的圓柱體一分為二後的柱體；縱向截面呈等腰直角三角形，可製作45°傾角節理。

（3）3#塊（30°或60°）：沿斜對角將直徑39.1mm、高67.7mm的圓柱體一分為二後的柱體；縱向截面呈含30°的直角三角形，可製作30°或者60°傾角節理。

（2）4#塊（30°或60°）：沿斜對角將直徑21.5mm、高80mm的圓柱體一分為二後的柱體；縱向截面呈含15°的直角三角形，可製作15°或者75°傾角節理。

（3）5#塊（0°或90°）：二分之一直徑39.1mm、高20mm的圓柱體；縱向截面為正方形，可製作0°或90°即水平或豎直節理。

這裡需要特別說明的是，以上具體尺寸和規格僅僅是舉例說明，以便本領域技術人員理解本發明方案，並不是嚴格限定於此；舉例所強調的重點是利用不同形狀大小、截面呈方形或直角三角形的試塊構成任意組合，形成與其餘子試樣的形狀大小相適應的成模試塊。

實施例2水平節理

參考圖2，目標試樣中含一條貫通型水平節理，節理位置在20mm高度處或者60mm高度處，因此選取兩個1#塊作為成模試塊，製作過程具體如下：

（1）制樣前，首先按照預先設定的節理位置，計算節理以下部分試樣土的體積v1，並根據體積v1和預設的試樣密度ρ1計算質量m1，用電子秤稱取m1質量的土。

（2）如圖2中（a）所示，將下承柱置於套筒2底部，然後將m1質量的土倒入中即圖中的試樣，然後分別將兩個1#塊和上承柱置於土樣正上方，再然後將套筒2整體置於油泵4上，將頂蓋1放在反力架3頂部圓孔之下，使用加載杆5和油泵4手動加壓，使上承柱完全進入套筒2中為止。

（3）靜置1分鐘後油泵4洩壓，將脫模柱置於下承柱下方，然後重新加壓，使成型的子試樣（即圖中的試樣）慢慢頂出，上承柱頂出後洩壓，繼續將其放在脫模柱底部，繼續加壓直至子試樣完全頂出，過程如圖2中（b）~（c）所示。

（4）計算節理以上部分試樣的體積v2及質量m2，然後將步驟（1）~（3）所製得的節理以下部分的試樣重新置於套筒2中，將m2質量的土倒在其上，並將上承柱和下承柱分別置於土樣的頂部和下部，使用加載杆5轉動液壓油泵4，直至上承柱完全進入套筒2中，如圖2中（d）所示。

（5）與步驟（3）類似，將成型的兩個子試樣全部頂出即製得目標試樣，如圖2中（e）所示。

實施例345°傾角節理

參考圖3，目標試樣中含一條貫通型45°傾角節理，節理從目標試樣底部以45°夾角向上延伸，因此選取一個2#塊、兩個5#塊和兩個1#塊，用於組合形成成模試塊來製作第一子試樣，其餘製作過程具體內容參考實施例1即可。並且，在1#塊、2#塊、5#塊的組合下，最多可製作4條45°傾角的平行節理，節理間距為10mm。

實施例430°傾角節理

參考圖4，目標試樣中含一條貫通型30°傾角節理，節理從目標試樣底部以與底部呈60°夾角向上延伸，因此選取一個3#塊和一個1#塊，用於組合形成成模試塊來製作第一子試樣，其餘製作過程具體內容參考實施例1即可。並且，在1#塊與3#塊組合下，可製作間距為10mm的2條含30°傾角的節理試樣。

實施例515°傾角節理

參考圖5，目標試樣中含一條貫通型15°傾角節理，節理從目標試樣底部以與底部呈75°夾角向上延伸，因此選取一個4#塊作為成模試塊來製作第一子試樣，其餘製作過程具體內容參考實施例1即可。

實施例6豎向節理

參考圖6，目標試樣中含一條貫通型豎向節理，節理位於目標試樣中部，因此選取四個5#塊作為成模試塊來製作第一子試樣，其餘製作過程具體內容參考實施例1即可。如果要製作非貫通型節理，則根據節理長度選擇5#塊的數量，且對不涉及節理面的接觸面進行刮毛處理。4個5#塊相互組合，可製作不同長度、不同位置、貫通型或非貫通型的豎向或者水平節理。

以上實施例2~實施例6中主要是對含一條貫通型節理的目標試樣的製作過程進行闡述，對於多條節理、非貫通型節理的製作，再結合實施例1中的闡述即可製得，此處不再贅述。