一种用于三轴试验的重塑土制样装置

本发明涉及岩土工程室内试验设备，尤其是涉及一种用于三轴试验的重塑土制样装置。

背景技术：

1、在室内三轴试验中，重塑土试样因原状土获取困难而被广泛采用。目前重塑土制备多依赖分层击实法、压实法或整体击样法等传统手段，这类方法普遍存在土颗粒分散不充分、颗粒粘连结团导致试样内部密实度不均的问题，且制样过程中缺乏对土样颗粒分散状态的实时监测手段，操作者难以精准把控试样的均匀性与一致性。

2、同时，传统装置多采用人工锤击或简易机械加压方式施加固结压力，控制精度不足，人为因素影响显著，操作步骤繁琐、制样周期长。近年来虽有采用液压驱动或旋转搅拌的改进方案，但仍未全面解决土颗粒分散不充分、固结压力不可精准控制以及缺乏粒度实时监测等核心缺陷。

3、本发明的目的在于提供一种用于三轴试验的重塑土制样装置，以解决现有技术中土颗粒分散不充分、缺乏粒度实时监测手段、固结压力控制精度不足的技术问题。

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、一种用于三轴试验的重塑土制样装置，包括加压系统、制样系统和取样系统；还包括监测系统和控制系统；所述制样系统内设有搅拌棒，所述搅拌棒适于对所述制样系统内的试样进行搅拌振动离散；所述取样系统与所述制样系统底部连接，所述取样系统包括圆筒取样器，所述圆筒取样器与所述制样系统可拆卸地密封连接；所述监测系统安装于所述制样系统外部，所述监测系统适于对分散颗粒进行粒度分析；所述控制系统分别与所述加压系统和所述监测系统连接，所述控制系统适于根据所述监测系统的反馈调节所述加压系统的固结压力。

6、进一步地，所述加压系统包括千斤顶、加压头、压力表、液压泵和反力架；所述千斤顶位于所述加压头上方并与所述加压头连接；所述加压头位于所述千斤顶与所述搅拌棒之间，所述加压头为硅胶材料，用于缓冲千斤顶压力、避免搅拌棒承受过大冲击；所述液压泵与所述千斤顶连接，通过液压驱动方式调节所述千斤顶的压力；所述压力表设置于所述加压头与所述制样系统的隔板之间，用于实时监测并反馈压力值；所述反力架与所述千斤顶螺栓连接，提供稳定的反作用力。

7、进一步地，所述制样系统包括圆筒，所述圆筒顶部设有进料口、进水口、排气口和隔板；所述进料口为圆锥形开口，便于物料倒入；所述进水口与所述排气口均与所述圆筒内部连通；所述隔板套设于所述搅拌棒外部并位于所述圆筒顶部，防止外部杂质进入。

8、进一步地，所述搅拌棒包括搅拌头、搅拌臂和超声波振动棒；所述搅拌头沿竖向延伸，所述搅拌头底端嵌设透水石；所述搅拌臂沿横向延伸并与所述搅拌头固定连接；所述超声波振动棒固定连接至所述搅拌头并位于所述搅拌臂之间；所述制样系统还包括电机，所述电机与所述搅拌棒连接并驱动所述搅拌棒转动。

9、进一步地，所述取样系统还包括漏斗，所述漏斗连接于所述制样系统底部；所述圆筒取样器为上下开口的筒状结构，所述圆筒取样器顶部设有外螺纹，所述漏斗底部出口设有内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹螺纹配合，所述圆筒取样器与所述漏斗之间设有密封圈。

10、进一步地，所述取样系统还包括透水石、集水器、真空泵和进水泵；所述透水石位于所述圆筒取样器底部；所述集水器通过出水管与所述透水石底部连通；所述真空泵与所述集水器连接，适于通过抽真空使悬浮态混合物沉积至所述圆筒取样器并使多余水分排出进入所述集水器，从而促进重塑土的固结；所述进水泵与所述制样系统连接，适于向所述制样系统内补水。

11、进一步地，所述取样系统还包括三脚架，所述三脚架位于所述漏斗下方并与地面接触，所述三脚架的支脚之间通过横杆连接，所述三脚架将所述圆筒取样器围住，确保装置整体稳定。

12、进一步地，所述监测系统包括激光粒度分析仪、进管和出管；所述激光粒度分析仪固定于所述制样系统外部；所述进管连接于所述激光粒度分析仪上端并与所述制样系统连通，所述出管连接于所述激光粒度分析仪下端并与所述制样系统连通，物料经所述进管进入所述激光粒度分析仪后经所述出管排出，形成闭合监测循环。

13、进一步地，所述控制系统包括控制装置和导线；所述导线分别与所述液压泵和所述激光粒度分析仪连接；所述控制装置通过所述导线采集所述监测系统的粒度数据并调节所述液压泵；所述控制装置适于将所述激光粒度分析仪实时发送的监测结果与预设粒度阈值进行比较，在粒度达到所述预设粒度阈值时自动调节所述液压泵的调节阀，使所述千斤顶达到预定固结压力。

14、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

15、1、通过制样系统内搅拌棒的搅拌头、搅拌臂与超声波振动棒的组合作用，对试样进行充分搅拌振动离散，使土颗粒均匀分散，有效解决了传统方法中颗粒粘连结团、密实度不均的问题，提高了试样均匀性。

16、2、通过监测系统中激光粒度分析仪的实时监测，形成闭合监测循环，能够实时掌握土样颗粒分散状态，在粒度达标后才启动加压固结，避免了颗粒粘连对固结效果和试验精度的影响。

17、3、通过控制系统将粒度监测结果与预设阈值自动比较，并联动调节液压泵调节阀，实现固结压力的精准自动控制，消除了传统人工操作的误差，提高了不同固结度试样制备的可重复性。

18、4、通过取样系统中圆筒取样器与漏斗的螺纹可拆卸密封连接，配合真空泵抽真空促进固结，使取样与固结操作连续完成，操作简便，减少了对试样的扰动。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于三轴试验的重塑土制样装置，以解决现有技术中存在的以下技术问题：现有重塑土制样装置土颗粒分散不充分、颗粒粘连结团导致试样内部密实度不均，缺乏对土样颗粒分散状态的实时监测手段，以及固结压力控制精度不足、人为因素影响显著的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种用于三轴试验的重塑土制样装置，包括加压系统、制样系统和取样系统；还包括监测系统和控制系统；所述制样系统内设有搅拌棒，所述搅拌棒适于对所述制样系统内的试样进行搅拌振动离散；所述取样系统与所述制样系统底部连接，所述取样系统包括圆筒取样器，所述圆筒取样器与所述制样系统可拆卸地密封连接；所述监测系统安装于所述制样系统外部，所述监测系统适于对分散颗粒进行粒度分析；所述控制系统分别与所述加压系统和所述监测系统连接，所述控制系统适于根据所述监测系统的反馈调节所述加压系统的固结压力。通过搅拌棒对制样系统内的试样进行搅拌振动离散，使土颗粒充分分散，并由监测系统实时监测颗粒分散状态，控制系统根据监测反馈精准调节加压系统的固结压力，圆筒取样器与制样系统可拆卸密封连接，便于取出固结成型的试样，整体实现了搅拌离散、粒度监测、精准加压与可拆卸取样的一体化连续操作。

4、进一步地，所述加压系统包括千斤顶、加压头、压力表、液压泵和反力架；所述千斤顶位于所述加压头上方并与所述加压头连接；所述加压头位于所述千斤顶与所述搅拌棒之间，所述加压头为硅胶材料，用于缓冲千斤顶压力、避免搅拌棒承受过大冲击；所述液压泵与所述千斤顶连接，通过液压驱动方式调节所述千斤顶的压力；所述压力表设置于所述加压头与所述制样系统的隔板之间，用于实时监测并反馈压力值；所述反力架与所述千斤顶螺栓连接，提供稳定的反作用力。液压泵通过液压驱动方式对千斤顶输出压力进行精细调节，压力表实时监测施加于搅拌棒的压力值并反馈至控制系统，反力架为千斤顶提供可靠的反作用力支撑，保证加压过程的整体稳定性。

5、进一步地，所述制样系统包括圆筒，所述圆筒顶部设有进料口、进水口、排气口和隔板；所述进料口为圆锥形开口，便于物料倒入，避免开口过小导致的物料浪费；所述进水口与所述排气口均与所述圆筒内部连通；所述隔板套设于所述搅拌棒外部并位于所述圆筒顶部，防止外部杂质进入。进水口用于向圆筒内加入适量的水使物料进入饱和状态，排气口用于将搅拌过程中产生的气体及时排出，防止气体积聚影响固结效果。

6、具体地，所述搅拌棒包括搅拌头、搅拌臂和超声波振动棒；所述搅拌头沿竖向延伸，所述搅拌头底端嵌设透水石；所述搅拌臂沿横向延伸并与所述搅拌头固定连接；所述超声波振动棒固定连接至所述搅拌头并位于所述搅拌臂之间；所述制样系统还包括电机，所述电机与所述搅拌棒连接并驱动所述搅拌棒转动。电机驱动搅拌棒转动，搅拌臂横向搅拌物料使土颗粒离散，超声波振动棒通过超声波振动将土颗粒进一步振散，搅拌头底端嵌设的透水石可将固结过程中产生的水分及时排出，三者协同作用显著提高了土颗粒的离散效果。

7、进一步地，所述取样系统还包括漏斗，所述漏斗连接于所述制样系统底部；所述圆筒取样器为上下开口的筒状结构，所述圆筒取样器顶部设有外螺纹，所述漏斗底部出口设有内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹螺纹配合，所述圆筒取样器与所述漏斗之间设有密封圈。漏斗将圆筒内的试样引导倾斜流入圆筒取样器，螺纹配合与密封圈共同保证了连接的密封性，需要取出试样时旋转圆筒取样器即可将其拆下，操作简便，减少了对试样的扰动。

8、进一步地，所述取样系统还包括透水石、集水器、真空泵和进水泵；所述透水石位于所述圆筒取样器底部；所述集水器通过出水管与所述透水石底部连通；所述真空泵与所述集水器连接，适于通过抽真空使悬浮态混合物沉积至所述圆筒取样器并使多余水分排出进入所述集水器，从而促进重塑土的固结；所述进水泵与所述制样系统连接，适于向所述制样系统内补水。真空泵通过抽真空在圆筒取样器内形成负孔隙水压力，一方面使悬浮态混合物快速沉积，防止因颗粒重度不同产生的分层沉淀现象，另一方面使多余水分经透水石排出进入集水器，有效促进重塑土固结。

9、进一步地，所述取样系统还包括三脚架，所述三脚架位于所述漏斗下方并与地面接触，所述三脚架的支脚之间通过横杆连接，所述三脚架将所述圆筒取样器围住，确保装置整体稳定。三脚架通过三个支脚与地面牢固接触，支脚间的横杆将圆筒取样器稳固围住，承接上部荷载并将力传导至地面，防止装置在取样过程中晃动或倾斜。

10、进一步地，所述监测系统包括激光粒度分析仪、进管和出管；所述激光粒度分析仪固定于所述制样系统外部；所述进管连接于所述激光粒度分析仪上端并与所述制样系统连通，所述出管连接于所述激光粒度分析仪下端并与所述制样系统连通，物料经所述进管进入所述激光粒度分析仪后经所述出管排出，形成闭合监测循环。激光粒度分析仪可实时监测土样粒度状态，确保颗粒充分离散后才启动加压固结，避免颗粒粘连对固结效果和试验精度的影响。

11、进一步地，所述控制系统包括控制装置和导线；所述导线分别与所述液压泵和所述激光粒度分析仪连接；所述控制装置通过所述导线采集所述监测系统的粒度数据并调节所述液压泵。控制装置实时采集激光粒度分析仪的粒度监测数据，并根据预设粒度阈值判断土样颗粒分散状态是否达标，实现了监测与加压控制的自动联动。

12、优选地，所述控制装置适于将所述激光粒度分析仪实时发送的监测结果与预设粒度阈值进行比较，在粒度达到所述预设粒度阈值时自动调节所述液压泵的调节阀，使所述千斤顶达到预定固结压力。通过将粒度监测结果与预设阈值自动比较并联动调节液压泵调节阀，实现了固结压力的精准自动控制，消除了传统人工操作的误差，提高了不同固结度试样制备的可重复性。

13、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

14、1、通过制样系统内搅拌棒的搅拌头、搅拌臂与超声波振动棒的组合作用，电机驱动搅拌棒转动使搅拌臂横向搅拌物料，超声波振动棒同步将土颗粒振散，搅拌头底端透水石及时排出固结水分，三者协同实现了土颗粒的充分离散，有效解决了传统方法中颗粒粘连结团、密实度不均的问题，提高了试样均匀性。

15、2、通过监测系统中激光粒度分析仪经进管和出管与制样系统形成闭合监测循环，可实时掌握土样颗粒分散状态，在粒度达到预设阈值后才由控制系统启动加压固结，避免了颗粒粘连对固结效果和试验精度的影响，提高了试验数据的准确性和可靠性。

16、3、通过控制系统将激光粒度分析仪实时发送的监测结果与预设粒度阈值自动比较，达标后自动调节液压泵调节阀使千斤顶达到预定固结压力，实现了固结压力的精准自动控制，消除了传统人工锤击或简易机械加压方式中人为因素的影响，提高了不同固结度试样制备的可重复性和一致性。

17、4、通过取样系统中圆筒取样器顶部外螺纹与漏斗底部出口内螺纹螺纹配合并设置密封圈，实现了可拆卸密封连接，配合真空泵抽真空使悬浮态混合物快速沉积并促进固结排水，使取样与固结操作连续完成，操作简便，减少了对试样的扰动，保证了试样的物理性质不受割裂性操作的影响。