一种手提式微型土工三轴仪教具的制作方法

1.本发明涉及一种土力学教学用具，具体涉及一种手提式微型土工三轴仪教具。


背景技术：

2.《土力学》课程是土木工程专业的专业基础平台课，包含理论学习和实验教学两个部分。土力学中的大量理论来源于试验，如土的有效应力原理就是土力学的重要理论支柱，但该理论较为抽象，初学者难以理解，因此一般配合三轴试验讲解使学生有一个直观认识。三轴仪由内到外主要包括土样、围压罩和控制器等。但常规三轴仪设备较为笨重，在土样外部设置围压罩，学生难以直接感受土体的强度变化。且外界压力荷载通过复杂液压仪器进行加载，学生难以感受直观的压力荷载作用，且无法判断土样内孔隙压力的变化，导致无法学以致用。并且常规三轴仪的控制器大型且沉重，无法实现三轴仪的便携式携带，给课堂教学带来了较大影响。因此无论是理论学习还是实践学习都无法达到理想的教学效果。


技术实现要素：

3.本发明为解决常规土工三轴仪不方便携带，无法用于课堂操作演示的教学问题，提供一种手提式微型土工三轴仪教具，本发明具有结构简单，体积小，重量轻，便于携带，同时，供电要求低，操作简单，可连续直观演示各类三轴试验的特点。
4.本发明的技术方案：
5.一种手提式微型土工三轴仪教具，在常规三轴仪的基础上进行改良；常规三轴仪包括荷载架1、立柱套2、顶帽3、乳胶圈4、透水石5、滤纸6、土样室7、土样8、乳胶膜9、固定螺栓一10、围压罩11、底部活动连接12、固定螺栓二14、活动横梁15、固定螺旋三16、接触头18、进(出)气孔19、球阀一20、围压通道21、球阀二23、下排水通道24、球阀三25、上排水通道27、样品安装座28、底板30；荷载架1的两个支脚底部设置于底板30上，上部通过活动横梁15连接，构成常规三轴仪的外部骨架；所述底部活动连接12安装在底板30上；土样室7安装在活动横梁15下部，两者间通过接触头18连接；固定螺栓一10用于固定底部活动连接12；固定螺栓二14用于固定荷载架1和活动横梁15；固定螺旋三16用于固定活动横梁15和接触头18；围压罩11设置于底部活动连接12和土样室7之间，围压罩11顶部设有进(出)气孔19，土样8安装在样品安装座28上，并与样品安装座28共同设置在围压罩11中间；土样8上下位置分别设置一组透水石5和滤纸6，便于土样8排水，土样8上部排水通过上排水通道27排出，土样8下部排水通过下排水通道24排出；所述球阀一20、球阀二23、球阀三25分别用于控制围压通道21、上排水通道27、下排水通道24的排水或排气。所述土样8上端通过顶帽3与接触头18连接，土样8外部通过乳胶膜9包裹。
6.一种手提式微型土工三轴仪教具，其特征在于，包括手动剪切装置、土样压力控制装置、土和水压力显示装置。
7.所述手动剪切装置包括涡轮蜗杆箱29、手轮13、活动加载头17；所述手动剪切装置安装在底部活动连接12下部；所述活动加载头17安装在接触头18与活动横梁15之间。所述
手轮13与涡轮蜗杆箱29连接，通过转动手轮13，制动涡轮蜗杆箱29，使得涡轮蜗杆箱29顶杆上升。从而使得底部活动连接12上升，向土样8加载竖向作用力，实现模拟土样剪切。
8.所述土样压力控制装置包括上导管31、下导管32、压力表33、压力控制阀34，压力管35、压力控制泵36。上导管31和下导管32分别与下排水通道24和上排水通道27连接；所述压力控制泵36通过上导管31和下导管32与土样室7连通，压力控制泵36与上导管31和下导管32之间配置有压力表33、压力控制阀34和压力管35；压力表33用于显示压力控制泵36压力；压力控制阀34通过调节经过的气量，从而调节压力控制泵36作用在土样室7上的压力。
9.所述土和水压力显示装置包括带刻度的孔压量测管26、外置式数显压力计37，所述带刻度的孔压量测管26安装在底部活动连接12，进而与土样8连接；通过读取带刻度的孔压量测管26上的水压值，能够实时测量土样8内的孔隙水压力；所述外置式数显压力计37与活动加载头17连接，由于活动加载头17通过接触头18与土样8连通，外置式数显压力计37可用于测量和读取土样8承受的竖向力。
10.通过控制围压罩11的拆装，分别控制上导管31和下导管32与下排水通道24、上排水通道27和围压通道21之间的组合切换连通，以及球阀一20、球阀二23、球阀三25的启闭，实现三轴不固结不排水剪切试验、固结不排水剪切试验、固结排水剪切试验和有效应力原理、土体强度和变形的直观演示试验之间的自由转换。
11.本发明的有益效益
12.1、本发明通过利用手动涡轮蜗杆装置、压力控制泵装置和外置式数显压力计代替现有实验室三轴仪的控制器等部件，避免了控制器等大型且沉重的使用，从而省去了相应的电控部件，因此，从结构上进行了极大简化；同时，在简化结构的基础上，可以大幅缩小设备的体积，减轻设备的重量，从而实现了三轴仪的便携式携带，可以将原本放置在实验室的三轴仪带到教学课堂，在课堂教学中进行三轴仪实物的展示和配合讲解。
13.2、本发明通过控制围压罩的拆装、导管与通道的组合连通以及球阀的开关，实现三轴不固结不排水剪切试验、固结不排水剪切试验、固结排水剪切试验和有效应力原理、土体强度和变形的直观演示试验之间的自由转换，可以精确系统地进行三轴试验演示，且便于课堂上学生们动手操作，保证教学生动有趣。
14.3、本发明既实现了三轴仪的便于携带，又实现了与现有实验室三轴仪功能一致，从而可以保证学生课堂学习与实验室试验的接轨，达到产学研一体化的效果。
15.4、综上，本发明实用性高，能够满足高等学校土木工程专业土力学教学中三轴试验教学需求，并能达到很好的教学效果。
附图说明
16.附图1为本发明的一种手提式微型土工三轴仪教具立体结构示意图；
17.附图2为本发明的一种手提式微型土工三轴仪教具主视图；
18.附图3为本发明的一种手提式微型土工三轴仪教具主视剖面图；
19.附图4为为本发明的一种手提式微型土工三轴仪教具底部俯视结构示意图；
20.附图标记说明：
[0021]1‑
荷载架，2
‑
立柱套管，3
‑
顶帽，4
‑
乳胶圈，5
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透水石，6
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滤纸，7
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土样室，8
‑
土样，9
‑
乳胶膜，10
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固定螺栓一、11
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围压罩，12
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底部活动连接，13
‑
手轮，14
‑
固定螺栓二、15
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活
动横梁，16
‑
固定螺旋三，17
‑
活动加载头，18
‑
接触头，19
‑
进(出)气孔，20
‑
球阀一、21
‑
围压通道，22
‑
连接管，23
‑
球阀二、24
‑
下排水通道，25
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球阀三，26
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带刻度的孔压量测管，27
‑
上排水通道，28
‑
样品安装座，29
‑
涡轮蜗杆箱，30
‑
底板，31—上导管、32
‑
下导管，33
‑
压力表，34
‑
压力控制阀，35
‑
压力管，36
‑
压力控制泵，37
‑
外置式数显压力计。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
[0023]
如图1和图4所示，一种手提式微型土工三轴仪教具，在常规三轴仪的基础上进行改良；常规三轴仪包括荷载架1、立柱套2、顶帽3、乳胶圈4、透水石5、滤纸6、土样室7、土样8、乳胶膜9、固定螺栓一10、围压罩11、底部活动连接12、固定螺栓二14、活动横梁15、固定螺旋三16、接触头18、进(出)气孔19、球阀一20、围压通道21、球阀二23、下排水通道24、球阀三25、上排水通道27、样品安装座28、底板30；荷载架1的两个支脚底部设置于底板30上，上部通过活动横梁15连接，构成常规三轴仪的外部骨架；所述底部活动连接12安装在底板30上；土样室7安装在活动横梁15下部，两者间通过接触头18连接；固定螺栓一10用于固定底部活动连接12；固定螺栓二14用于固定荷载架1和活动横梁15；固定螺旋三16用于固定活动横梁15和接触头18；围压罩11设置于底部活动连接12和土样室7之间，围压罩11顶部设有进(出)气孔19，土样8安装在样品安装座28上，并与样品安装座28共同设置在围压罩11中间；土样8上下位置分别设置一组透水石5和滤纸6，便于土样8排水，土样8上部排水通过上排水通道27排出，土样8下部排水通过下排水通道24排出；所述球阀一20、球阀二23、球阀三25分别用于控制围压通道21、上排水通道27、下排水通道24排水或排气。所述土样8上端通过顶帽3与接触头18连接，土样8外部通过乳胶膜9包裹。
[0024]
一种手提式微型土工三轴仪教具，其特征在于，包括手动剪切装置、土样压力控制装置、土和水压力显示装置，并给出了本发明装置的实验教学应用方法。
[0025]
如图2所示，所述手动剪切装置包括涡轮蜗杆箱29、手轮13、活动加载头17；所述手动剪切装置安装在底部活动连接12下部；所述活动加载头17安装在接触头18与活动横梁15之间。所述手轮13与涡轮蜗杆箱29连接，通过转动手轮13，制动涡轮蜗杆箱29，使得涡轮蜗杆箱29顶杆(未示意)上升。从而使得底部活动连接12上升，向土样8加载竖向作用力，实现模拟土样剪切。
[0026]
如图1(c)所示，所述土样压力控制装置包括上导管31、下导管32、压力表33、压力控制阀34，压力管35、压力控制泵36。上导管31和下导管32分别与下排水通道24和上排水通道27连接；所述压力控制泵36通过上导管31和下导管32与土样室7连通，压力控制泵36与上导管31和下导管32之间配置有压力表33、压力控制阀34和压力管35；压力表33用于显示压力控制泵36压力；压力控制阀34通过调节经过的气量，从而调节压力控制泵36作用在土样室7上的压力。
[0027]
如图1(b)所示，所述土和水压力显示装置包括带刻度的孔压量测管26、外置式数显压力计37，所述带刻度的孔压量测管26安装在底部活动连接12，进而与土样8连接；通过读取带刻度的孔压量测管26上的水压值，能够实时测量土样8内的孔隙水压力；所述外置式数显压力计37与活动加载头17连接，由于活动加载头17通过接触头18与土样8连通，外置式
数显压力计37可用于测量和读取土样8承受的竖向力。
[0028]
所述围压罩11拆除后，通过连接压力控制泵36施加负压，并通过调节压力控制阀34不断改变气量，实现土样8加载不同负压，通过直接触摸可感受土体的强度变化。
[0029]
通过控制围压罩11的拆装，分别控制上导管31和下导管32与下排水通道24、上排水通道27和围压通道21之间的组合切换连通，以及球阀一20、球阀二23、球阀三25的启闭，实现三轴不固结不排水剪切试验、固结不排水剪切试验、固结排水剪切试验和有效应力原理、土体强度和变形的直观演示试验之间的自由转换。
[0030]
实施例一：三轴试验不固结不排水试验演示
[0031]
如图1所示，调节球阀一20、球阀二23、球阀三25，分别使围压通道21、上排水通道27、下排水通道24处于打开状态，而带刻度的孔压量测管26分别处于关闭状态。有效应力原理的直观演示时，如图1所示，将围压罩11取下，将上导管31和下导管32分别接到下排水通道24和上排水通道27，将球阀一20顺时针旋转90
°
以关闭围压通道21，将球阀二23顺时针旋转180
°
以关闭带刻度的孔压量测管26，调整压力表33将土样8依次控制在不同的有效应力，观察和感受土样的强度和变形状态；三轴试验不固结不排水试验演示时，如图1所示，将围压罩11固定好，转动手轮13保证接触头18与活动加载头接触良好，将球阀一20、球阀二23和球阀三25顺时针旋转90
°
以关闭上排水通道27、下排水通道24和围压通道21，而打开带刻度的孔压量测管26，通过一定速率转动手轮13实现土样的剪切；
[0032]
实施例二：三轴试验固结不排水试验演示
[0033]
将围压罩11固定好，转动手轮13保证接触头18与活动加载头17接触良好，首先将球阀二23顺时针旋转90
°
以打开带刻度的孔压量测管26，将上导管31接到围压通道21，拔除下导管32以保证密封，调整压力表33将土样8控制在一定的有效应力以实现固结，固结结束后，将球阀二23、球阀三25顺时针旋转90
°
以关闭上排水通道27、下排水通道24，通过一定速率转动手轮13实现土样的剪切；
[0034]
实施例三：三轴试验固结排水试验演示
[0035]
将围压罩11固定好，转动手轮13保证接触头18与活动加载头17接触良好，首先将球阀二23顺时针旋转90
°
以打开带刻度的孔压量测管26，将上导管31接到围压通道21，拔除下导管32以保证密封，调整压力表33将土样8控制在一定的有效应力以实现固结，固结结束后，通过一定速率转动手轮13实现土样的剪切。
[0036]
进一步的对实施方案优化：
[0037]
作为优选，所述围压罩11可拆卸，所述压力控制泵36可提供有效围压，所述压力表33可设置有效围压的大小，可按照有效应力原理、土体强度和变形的直观演示，和三轴试验演示顺序依次进行。
[0038]
作为优选，所述导管可与所述通道进行任意组合连通，所述球阀可控制连通的开关状态。
[0039]
作为优选，所述手轮通过所述蜗轮蜗杆传动，实现所述活动连接的半自动抬升，在剪切过程中可直观感受土样承受的竖向荷载；所述外置式数显压力计实时显示所述土样承受的竖向荷载，在剪切过程中可直接观察到所述土样承受的竖向荷载大小。
[0040]
作为优选，所述带刻度的孔压量测管与土样底部连通，且与所述下排水通道相互独立。
[0041]
作为优选，通过控制所述围压罩的拆装、所述导管与所述通道的组合连通以及所述球阀的开关，实现三轴不固结不排水剪切试验、固结不排水剪切试验、固结排水剪切试验和有效应力原理、土体强度和变形的直观演示试验之间的自由转换。