一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置及其使用方法

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1.本发明专利属于土木工程试样制备装置领域，具体涉及一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置及其使用方法。


背景技术：

2.冻土材料的断裂力学行为是理论研究和工程设计的重要依据，如何制备均匀且预制裂缝的冻土材料试样，对于断裂试验的开展具有重要意义。目前常用的预制裂缝试样制样时通常采用压制试样后，采用切割法实现，即先采用击实的方法制备一定几何尺寸的试样(一般为长方体形)，然后用切土刀对试样进行切割，但是，由于压实后的试样黏聚力较大且抗拉强度较低，采用切割的方式对土样进行裂缝预制对其扰动较大，试样质量不易被控制，进而导致试验结果不准确，并且在制样的过程中极易出现破损，制样效率低。


技术实现要素：

3.本发明的第一个目的在于提供一种结构简单，保证了冻土试样完整性的用于冻土材料断裂试验的试样制备装置。
4.本发明的第二个目的在于提供一种使用方法简单的用于冻土材料断裂试验的试样制备装置的使用方法。
5.本发明的技术方案一方面公开了一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其包括单轴压力试验机、压头结构和试样箱；所述单轴压力试验机的液压缸的伸缩端与所述压头结构的连接座的顶部固定连接；在所述压头结构下方的所述单轴压力试验机的操作平台上放置有所述试样箱；所述压头结构的压板活动插设在所述试样箱中，在所述试样箱中活动设置有刀板。
6.进一步的，在所述刀板的两侧的所述试样箱内铺设有垫板，在所述刀板两侧的所述垫板上开设有至少一个插孔。
7.进一步的，在所述刀板底部设置有滑块，在所述试样箱的底板上开设有与所述滑块相匹配的滑动槽，所述滑块滑动插设在所述滑动槽内。
8.进一步的，所述刀板为从底至顶宽度逐渐变小的楔形形状。
9.进一步的，所述试样箱包括底板和四个侧板；在所述底板上竖直设置有4个所述侧板，相邻的所述侧板通过螺栓固定连接。
10.进一步的，在所述底板上开设有与所述侧板相对应的凹槽，所述侧板插设在所述凹槽内。
11.进一步的，所述压头结构包括所述连接座、l型的连接件和所述压板；在所述连接座的底部水平滑动设置有两个背向设置的所述连接件；在两个所述连接件的底部分别水平滑动设置有所述压板；所述刀板活动穿过两个所述压板之间的间隙置于两个所述连接件之间，便于实现多次压制土样，保障制样均匀性。
12.进一步的，在所述连接件的顶部固定设置有至少一条与所述刀板相互垂直的滑
轨，在所述连接座的底部设置有与所述滑轨相匹配的滑槽，所述滑轨滑动插设在所述滑槽内。
13.进一步的，在所述连接座两侧分别固定有限位板；在所述限位板与所述连接件相对的一面上固定有第一导杆；在所述连接件与所述第一导杆相对的面上开设有第一通孔，所述第一导杆活动插设在所述第一通孔内；在所述第一导杆上活动套设有第一弹簧，所述第一弹簧的两端分别与所述限位板和所述连接件相抵接。
14.进一步的，在所述压板的顶部竖直固定有固定板，在所述固定板的顶部固定有与所述压板相互平行设置的挡板，所述压板、所述固定板和所述挡板之间形成插槽；所述连接件的底部活动插设在所述插槽内。
15.进一步的，在所述固定板与所述连接件相对的一面上固定有第二导杆，在所述连接件与所述第二导杆相对的面上开设有第二通孔，所述第二导杆活动插设在所述第二通孔内；在所述第二导杆上活动套设有第二弹簧，所述第二弹簧的两端分别与所述固定板和所述连接件相抵接。
16.本发明的另一个方面还公开了一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置的使用方法，其特征在于，其包括以下步骤：
17.(1)选择部件：根据试样开缝尺寸的要求，选择相应的刀板；
18.(2)安装制样设备：将步骤(1)中选出的所述刀板通过其底部的滑块活动插设在底板上的滑动槽内，接着将四个侧板插设在所述底板上的凹槽内，并通过螺栓将四个侧板固定，形成试样箱，然后再在所述刀板的两侧的所述试样箱内铺放垫板，最后将所述试样箱放在压头结构下方的单轴压力试验机的操作平台上；
19.(3)涂抹润滑油：在步骤(2)中的所述试样箱的内表面，所述刀板的表面，以及所述垫板的上表面分别均匀涂抹一层润滑油，得到装样装置，涂抹润滑油是为了易于试样与试样箱的内表面、刀板的表面和垫板的上表面分离；
20.(4)装样压制：将土样平均分成3-4次装入到步骤(3)中的所述装样装置中，每装完一次，所述单轴压力试验机控制所述压头结构下移，使所述压头结构的压板压在土样上，得到符合试验要求的土样；
21.(5)冷冻制样：将步骤(4)中装有压制好的土样的装样装置移送到温度低于-30℃的冷冻室内进行至少12h的冻结；
22.(6)取样：将步骤(5)中完成冻结的装样装置取出所述冷冻室，然后拧开固定所述侧板的螺栓，取下侧板，接着将撬杆的一端插入所述垫板底部的插孔中，用力撬动，使步骤(5)中冻结好的土样与所述刀板分离，再接着将所述刀板滑动取出，最后将所述垫板从土样底部分离，得到含预制裂缝的冻土试样，整个脱模过程应该尽量缓慢，避免脱模时，由于试样与刀板粘连而无法取出或者将试样损坏。
23.本发明的优点：
24.1、本发明的用于冻土材料断裂试验的试样制备装置结构简单，易实现；可实现对立方体预制裂缝冻土试样的制备，可以保证在制样过程中能够对试样充分均匀压制，既能保证试样的完整性又能使裂缝均匀；同时可根据试验要求，预制不同尺寸裂缝的冻土试样。
25.2、本发明的使用方法简单，试样压制和裂缝预制可一次成型，不用分步操作，提高了制样效率，同时脱模取样也方便。
附图说明：
26.图1为本发明实施例的整体结构示意图。
27.图2为图1中b部分的局部放大图。
28.图3为图1中a-a部分的剖面示意图。
29.图4为图3中c部分的局部放大图。
30.图5为图3中d部分的局部放大图。
31.图6为图1的左视图。
32.单轴压力试验机1，液压缸11，操作平台12，压头结构2，连接座201，滑槽2011，连接件202，第一通孔2021，第二通孔2022，压板203，滑轨204，限位板205，第一导杆206，第一弹簧207，固定板208，挡板209，插槽210，第二导杆211，第二弹簧212，试样箱3，底板31，凹槽311，滑动槽312，侧板32，刀板4，垫板5，插孔51，滑块6。
具体实施方式：
33.下面将结合附图通过实施例对本发明作进一步的详细说明。
34.实施例1：如图1-6所示，一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其包括单轴压力试验机1、压头结构2和试样箱3；单轴压力试验机1的液压缸11的伸缩端与压头结构2的连接座201的顶部固定连接；在压头结构2下方的单轴压力试验机1的操作平台12上放置有试样箱3；压头结构2的压板203活动插设在试样箱3中；在试样箱3中活动设置有刀板4，在刀板4的两侧的试样箱3内铺设有垫板5，在刀板4两侧的垫板5上开设有至少一个插孔51；在刀板4底部设置有滑块6，在试样箱3的底板31上开设有与滑块6相匹配的滑动槽312，滑块6滑动插设在滑动槽312内；刀板4为从底至顶宽度逐渐变小的楔形形状。
35.试样箱3包括底板31和四个侧板32；在底板31上竖直设置有4个侧板32，相邻的侧板32通过螺栓固定连接；在底板31上开设有与侧板32相对应的凹槽311，侧板32插设在凹槽311内。
36.压头结构2包括连接座201、l型的连接件202和压板203；在连接座201的底部水平滑动设置有两个背向设置的连接件202；在两个连接件202的底部分别水平滑动设置有压板203；刀板4活动穿过两个压板203之间的间隙置于两个连接件202之间，便于实现多次压制土样。
37.在连接件202的顶部固定设置有至少一条与刀板4相互垂直的滑轨204，在连接座201的底部设置有与滑轨204相匹配的滑槽2011，滑轨204滑动插设在滑槽2011内。
38.在连接座201两侧分别固定有限位板205；在限位板205与连接件202相对的一面上固定有第一导杆206；在连接件202与第一导杆206相对的面上开设有第一通孔2021，第一导杆206活动插设在第一通孔2021内；在第一导杆206上活动套设有第一弹簧207，第一弹簧207的两端分别与限位板205和连接件202相抵接。
39.在压板203的顶部竖直固定有固定板208，在固定板208的顶部固定有与压板203相互平行设置的挡板209，压板203、固定板208和挡板209之间形成插槽210；连接件202的底部活动插设在插槽210内；在固定板208与连接件202相对的一面上固定有第二导杆211，在连接件202与第二导杆211相对的面上开设有第二通孔2022，第二导杆211活动插设在第二通孔2022内；在第二导杆211上活动套设有第二弹簧212，第二弹簧212的两端分别与固定板
208和连接件202相抵接。
40.实施例2：关于实施例1制备装置的使用方法，其包括以下步骤：
41.(1)选择部件：根据试样开缝尺寸的要求，选择相应的刀板4；
42.(2)安装制样设备：将步骤(1)中选出的刀板4通过其底部的滑块6活动插设在底板31上的滑动槽312内，接着将四个侧板32插设在底板31上的凹槽311内，并通过螺栓将四个侧板32固定，形成试样箱3，然后再在刀板4的两侧的试样箱3内铺放垫板5，最后将试样箱3放在压头结构2下方的单轴压力试验机1的操作平台12上；
43.(3)涂抹润滑油：在步骤(2)中的试样箱3的内表面，刀板4的表面，以及垫板5的上表面分别均匀涂抹一层润滑油，得到装样装置，涂抹润滑油是为了易于试样与试样箱3的内表面、刀板4的表面和垫板5的上表面分离；
44.(4)装样压制：将土样平均分成3-4次装入到步骤(3)中的装样装置中，每装完一次，单轴压力试验机1控制压头结构2下移，使压头结构2的压板203压在土样上，得到符合试验要求的土样；
45.(5)冷冻制样：将步骤(4)中装有压制好的土样的装样装置移送到温度低于-30℃的冷冻室内进行至少12h的冻结；
46.(6)取样：将步骤(5)中完成冻结的装样装置取出冷冻室，然后拧开固定侧板32的螺栓，取下侧板32，接着将撬杆的一端插入垫板5底部的插孔51中，用力撬动，使步骤(5)中冻结好的土样与刀板4分离，再接着将刀板4滑动取出，最后将垫板5从土样底部分离，得到含预制裂缝的冻土试样，整个脱模过程应该尽量缓慢，避免脱模时，由于试样与刀板4粘连而无法取出或者将试样损坏。
47.本发明的使用方法简单，试样压制和裂缝预制可一次成型，不用分步操作，提高了制样效率，同时脱模取样也方便。
48.以上是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，本发明中的试样箱还可以用于混凝土等颗粒土木材料的裂缝试样制备，同时在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，其包括单轴压力试验机、压头结构和试样箱；所述单轴压力试验机的液压缸的伸缩端与所述压头结构的连接座的顶部固定连接；在所述压头结构下方的所述单轴压力试验机的操作平台上放置有所述试样箱；所述压头结构的压板活动插设在所述试样箱中，在所述试样箱中活动设置有刀板。2.根据权利要求1所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，在所述刀板的两侧的所述试样箱内铺设有垫板，在所述刀板两侧的所述垫板上开设有至少一个插孔。3.根据权利要求2所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，在所述刀板底部设置有滑块，在所述试样箱的底板上开设有与所述滑块相匹配的滑动槽，所述滑块滑动插设在所述滑动槽内。4.根据权利要求3所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，所述刀板为从底至顶宽度逐渐变小的楔形形状。5.根据权利要求4所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，所述试样箱包括底板和四个侧板；在所述底板上竖直设置有4个所述侧板，相邻的所述侧板通过螺栓固定连接。6.根据权利要求5所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，在所述底板上开设有与所述侧板相对应的凹槽，所述侧板插设在所述凹槽内。7.根据权利要求6所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，所述压头结构包括所述连接座、l型的连接件和所述压板；在所述连接座的底部水平滑动设置有两个背向设置的所述连接件；在两个所述连接件的底部分别水平滑动设置有所述压板；所述刀板活动穿过两个所述压板之间的间隙置于两个所述连接件之间。8.根据权利要求7所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，在所述连接件的顶部固定设置有至少一条与所述刀板相互垂直的滑轨，在所述连接座的底部设置有与所述滑轨相匹配的滑槽，所述滑轨滑动插设在所述滑槽内。9.根据权利要求8所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，在所述连接座两侧分别固定有限位板；在所述限位板与所述连接件相对的一面上固定有第一导杆；在所述连接件与所述第一导杆相对的面上开设有第一通孔，所述第一导杆活动插设在所述第一通孔内；在所述第一导杆上活动套设有第一弹簧，所述第一弹簧的两端分别与所述限位板和所述连接件相抵接。10.根据权利要求7所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，在所述压板的顶部竖直固定有固定板，在所述固定板的顶部固定有与所述压板相互平行设置的挡板，所述压板、所述固定板和所述挡板之间形成插槽；所述连接件的底部活动插设在所述插槽内。11.根据权利要求10所述的一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置，其特征在于，在所述固定板与所述连接件相对的一面上固定有第二导杆，在所述连接件与所述第二导杆相对的面上开设有第二通孔，所述第二导杆活动插设在所述第二通孔内；在所述第二导杆上活动套设有第二弹簧，所述第二弹簧的两端分别与所述固定板和所述连接件相抵接。
12.一种关于权利要求1-11任一所述制备装置的使用方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)选择部件：根据试样开缝尺寸的要求，选择相应的刀板；(2)安装制样设备：将步骤(1)中选出的所述刀板通过其底部的滑块活动插设在底板上的滑动槽内，接着将四个侧板插设在所述底板上的凹槽内，并通过螺栓将四个侧板固定，形成试样箱，然后再在所述刀板的两侧的所述试样箱内铺放垫板，最后将所述试样箱放在压头结构下方的单轴压力试验机的操作平台上；(3)涂抹润滑油：在步骤(2)中的所述试样箱的内表面，所述刀板的表面，以及所述垫板的上表面分别均匀涂抹一层润滑油，得到装样装置；(4)装样压制：将土样平均分成3-4次装入到步骤(3)中的所述装样装置中，每装完一次，所述单轴压力试验机控制所述压头结构下移，使所述压头结构的压板压在土样上，得到符合试验要求的土样；(5)冷冻制样：将步骤(4)中装有压制好的土样的装样装置移送到温度低于-30℃的冷冻室内进行至少12h的冻结；(6)取样：将步骤(5)中完成冻结的装样装置取出所述冷冻室，然后拧开固定所述侧板的螺栓，取下侧板，接着将撬杆的一端插入所述垫板底部的插孔中，用力撬动，使步骤(5)中冻结好的土样与所述刀板分离，再接着将所述刀板滑动取出，最后将所述垫板从土样底部分离，得到含预制裂缝的冻土试样。

技术总结
本发明公开了一种用于冻土材料断裂试验的试样制备装置及其使用方法，装置包括单轴压力试验机、压头结构和试样箱；单轴压力试验机的液压缸的伸缩端与压头结构的连接座的顶部固定连接；在压头结构下方的单轴压力试验机的操作平台上放置有试样箱；压头结构的压板活动插设在试样箱中，在试样箱中活动设置有刀板；使用方法包括以下步骤：(1)选择部件；(2)安装制样设备；(3)涂抹润滑油；(4)装样压制；(5)冷冻制样；(6)取样。有益效果：本发明的用于冻土材料断裂试验的试样制备装置结构简单，易实现；既能保证试样的完整性又能使裂缝均匀；本发明的使用方法简单试样压制和裂缝预制可一次成型，不用分步操作，提高了制样效率。提高了制样效率。提高了制样效率。


技术研发人员：王永涛 华卫航 徐湘田 纪丹阳 邵帅 周志伟
受保护的技术使用者：内蒙古大学
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8