一种套筒式多阶砂雨装置及砂样制备方法
阅读说明：本技术 一种套筒式多阶砂雨装置及砂样制备方法 (Sleeve type multistage sand rain device and sand sample preparation method ) 是由 王超哲 吴文兵 程康 李立辰 杨晓燕 董砺威 杨宇哲 王雪萦 席睿辰 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种套筒式多阶砂雨装置,包括支架,以及从上至下依次设置在支架上的第一阶筛筒、第二阶筛筒和第三阶筛筒,第一阶筛筒包括第一钢筒和第一筛网,第一钢筒固定在第一筛网上方,第一筛网外圈设有若干圆弧型滑槽,各滑槽分别可活动套设在相应的螺纹支撑杆上,第一筛网下方设有筛网挡片和圆环形的承重座圈,筛网挡片上下表面分别贴紧第一筛网下表面和承重座圈上表面,第二阶筛筒包括第二钢筒和第二筛网,第二钢筒固定在第二筛网上方,第三阶筛筒包括第三钢筒和第三筛网,第三钢筒固定在第三筛网上方。本发明的有益效果：采用全分布式雨砂,避免了移动路径和移动速度对砂样的影响,增强了砂样的整体均匀性和试验的可重复性。(The invention provides a sleeve type multistage sand rain device which comprises a support, a first order screen cylinder, a second order screen cylinder and a third order screen cylinder, wherein the first order screen cylinder, the second order screen cylinder and the third order screen cylinder are sequentially arranged on the support from top to bottom, the first order screen cylinder comprises a first steel cylinder and a first screen, the first steel cylinder is fixed above the first screen, a plurality of arc-shaped sliding grooves are formed in the outer ring of the first screen, each sliding groove is movably sleeved on a corresponding threaded supporting rod, a screen blocking piece and an annular bearing seat ring are arranged below the first screen, the upper surface and the lower surface of the screen blocking piece are tightly attached to the lower surface and the upper surface of the bearing seat ring respectively, the second order screen cylinder comprises a second steel cylinder and a second screen, the second steel cylinder is fixed above the second screen, the third order screen cylinder comprises a third steel cylinder and a third screen, and the third. The invention has the beneficial effects that: the fully distributed rain sand is adopted, so that the influence of a moving path and a moving speed on the sand sample is avoided, and the integral uniformity and the test repeatability of the sand sample are enhanced.)
技术领域
本发明涉及砂样制备技术领域，尤其涉及一种套筒式多阶砂雨装置及砂样制备方法。
背景技术
模型试验是对岩土工程问题进行分析的一个重要途径，其中，进行模型基础制样是开展模型试验的前提条件。以砂样基础制备为例，传统方法多采用重锤夯击或直接倾倒，这些方法虽然方便快捷，但主观影响因素较大，无法保证砂样的均匀性和可重复制备，从而影响对后续试验结果的分析。砂雨法是目前岩土工程领域用于制备无黏性土常用的制样方法之一，其基本原理是利用砂土颗粒之间重力势能与动力势能的转换，砂土颗粒在自然下落的过程中相互的撞击，使得砂土颗粒重新排列分布，从而使砂样具备较好的均匀性和稳定的相对密实度，同时，通过控制砂雨参数，例如落距、出砂口形状、出砂口尺寸、出砂口总流量、移动路径和移动速度等，可以确保可重复制备性质相同的砂样，从而为后续试验数据的分析提供可靠的依据。
目前砂雨制样装置依据其制样方法的不同，可分为动态砂雨装置和静态砂雨装置，因砂样制备方式的差异，现有的砂雨装置仍存在着以下几方面不足：
1)现有的动态砂雨装置大多数出砂口的总面积远小于模型箱，需要对移动路径进行研究设计，例如：李浩等人(岩土工程学报，2014，36(10)：1872-1878)设计了带有路径导引的砂雨装置，可沿着预定路径进行雨砂；赵维和李志阳(人民长江，2015,46(13)：73-77)设计了一种可以控制出砂口移动速度、路径等参数的砂雨装置。但上述装置不可避免地引入移动速度和路径的影响，在移动中的速度不容易控制，使得砂样的整体均匀性和可重复性难以保证；
2)现有的静态装置例如：岩土工程模型试验用砂雨装置(CN201310151463)、一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置及其制备方法(CN201710103081)上述装置内仅有单层出砂口，不能保证砂土颗粒之间充分冲击和碰撞，砂样分布均匀性不够；
3)现有的静态装置对出砂口流量控制太过粗略，导致无法很好地控制砂样下落能量，难以实现不同密实度砂样的制备。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种套筒式多阶砂雨装置及砂样制备方法。
本发明的实施例提供一种套筒式多阶砂雨装置，包括支架，以及从上至下依次间隔设置在所述支架上的第一阶筛筒、第二阶筛筒和第三阶筛筒，所述支架包括竖直均匀设置的若干根螺纹支撑杆，所述第一阶筛筒包括第一钢筒和第一筛网，所述第一钢筒外径小于所述第一筛网外径，且其固定在所述第一筛网上方，所述第一筛网外圈一周均匀设有若干圆弧型滑槽，且各所述滑槽分别可活动套设在相应的所述螺纹支撑杆上，所述第一筛网下方设有筛网挡片和圆环形的承重座圈，所述筛网挡片和所述承重座圈均安装在所述支架上，所述筛网挡片上下表面分别贴紧所述第一筛网下表面和所述承重座圈上表面，且其中部均匀设有若干漏孔，所述第二阶筛筒包括第二钢筒和第二筛网，所述第二钢筒固定在所述第二筛网上方，且所述第二筛网外周套设于各所述螺纹支撑杆中部，所述第三阶筛筒包括第三钢筒和第三筛网，所述第三钢筒固定在所述第三筛网上方，且所述第三筛网外周套设于各所述螺纹支撑杆底部。
进一步地，包括龙门架和葫芦吊，所述支架位于所述龙门架内，且其通过所述葫芦吊吊设在所述龙门架下方。
进一步地，所述第三阶筛筒正下方设有用于收集砂样的模型筒，所述模型筒内设有若干标定盒。
进一步地，所述第一钢筒上方设有若干吊孔，所述第一阶筛筒通过所述吊孔悬吊在所述龙门架上。
进一步地，所述筛网挡片上所述漏孔的内径与所述第一筛网上的筛孔内径相同，且所述第一筛网上的筛孔内径大于所述第二筛网上的筛孔内径，所述第二筛网上的筛孔内径大于所述第三筛网上的筛孔内径。
进一步地，所述第一筛网、所述第二筛网和所述第三筛网上均设有水准器。
进一步地，所述第三阶筛筒底部设有吊耳，所述吊耳上悬挂有测高重锤。
进一步地，所述龙门架底部设有脚轮。
本发明还提供一种砂样制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述第一阶筛筒、所述第二阶筛筒和所述第三阶筛筒安装在所述支架上，调整所述砂雨装置参数，包括设置所述测高重锤的落距长度和设置所述第二阶筛筒与所述第一阶筛筒及所述第三阶筛筒的间距，并使所述筛网挡片堵住所述第一筛网的筛孔，然后在所述第一阶筛筒内装填试验用砂；
S2、通过所述葫芦吊将所述支架整体起吊到所述模型筒上方的预定落距位置，并通过各所述水准器分别调平所述第一阶筛筒、所述第二阶筛筒和所述第三阶筛筒；
S3、通过转动所述第一阶筛筒，调整所述筛网挡片上所述漏孔与所述第一筛网的筛孔重合度，以使所述试验用砂从所述漏孔掉出，并依次通过所述第二阶筛筒和所述第三阶筛筒掉落至所述模型筒内的所述标定盒中，同时通过所述葫芦吊同步提升所述支架，使所述测高重锤下端位置始终与所述模型筒的砂面平齐；
S4、当各所述标定盒内的砂样采集完成后，转动所述第一阶筛筒，使所述筛网挡片堵住所述第一筛网的筛孔，并采用微型静力触探仪测量各所述标定盒内砂样的密实度；
S5、多次重复步骤S1-S4，得出砂样密实度与砂雨装置各参数的对应关系；
S6、制作试验所需密实度的砂样，若试验所需密实度的砂样在步骤S5的对应关系范围内，则根据相应的参数进行制备；否则根据步骤S5得出的的对应关系调整砂雨装置的相应参数，以制备试验所需的砂样，然后采用微型静力触探仪对所制备砂样的密实度进行测量，以校核所制备砂样的准确性。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1)采用全分布式雨砂，避免了移动路径和移动速度对砂样的影响，增强了砂样的整体均匀性和试验的可重复性；
2)三阶筛孔尺寸递减的结构，使砂土颗粒之间充分冲击和碰撞，砂粒经重排列后，砂样分布更加均匀，从而获得一定的密实度，保证了良好的砂样质量；
3)所述第一阶筛筒设有滑槽，其下方设置有一孔径相同的所述筛网挡片，通过旋转所述第一阶筛筒，可调整两者的筛孔重合度对出砂口流量进行控制，这种方法设计精巧、成本低、稳定耐用、可实现性强。
附图说明
图1是本发明一种套筒式多阶砂雨装置的结构示意图。
图2是图1中支架1和三阶筛筒的结构示意图。
图3是图1中第一阶筛筒2、筛网挡片5和承重座圈6的结构示意图。
图中：1-支架，11-螺纹支撑杆，2-第一阶筛筒，21-第一钢筒，22-第一筛网，23-滑槽，24-吊孔，3-第二阶筛筒，31-第二钢筒，32-第二筛网，4-第三阶筛筒，41-第三钢筒，42-第三筛网，43-吊耳，44-测高重锤，5-筛网挡片，51-漏孔，6-承重座圈，7-龙门架，71-葫芦吊，72-脚轮，8-模型筒，81-标定盒，9-水准器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种套筒式多阶砂雨装置，包括支架1、和龙门架7，以及从上至下依次间隔设置在所述支架1上的第一阶筛筒2、第二阶筛筒3和第三阶筛筒4。
所述支架1包括竖直均匀设置的若干根螺纹支撑杆11，且各所述螺纹支撑杆11均位于同一圆周上，本实施例中所述支架1位于所述龙门架7内，且其通过葫芦吊71吊设在所述龙门架1下方，优选地，所述龙门架7底部设有脚轮72，从而方便所述龙门架7的移动。
请参考图2和图3，所述第一阶筛筒2包括第一钢筒21和第一筛网22，所述第一钢筒21外径小于所述第一筛网22外径，且其固定在所述第一筛网22上方，所述第一筛网22外圈一周均匀设有若干圆弧型滑槽23，且各所述滑槽23分别可活动套设在相应的所述螺纹支撑杆11上，所述第一筛网22下方设有筛网挡片5和圆环形的承重座圈6，所述筛网挡片5和所述承重座圈6均安装在所述支架1上，所述筛网挡片5上下表面分别贴紧所述第一筛网22下表面和所述承重座圈6上表面，且其中部均匀设有若干漏孔51，本发明中所述第一钢筒21上方设有若干吊孔24，所述第一阶筛筒2通过所述吊孔24悬吊在所述龙门架7上，从而方便转动所述第一阶筛筒2，以调整所述第一筛网22内筛孔与所述筛网挡片5内所述漏孔51的重合度。
所述第二阶筛筒3包括第二钢筒31和第二筛网32，所述第二钢筒31固定在所述第二筛网32上方，且所述第二筛网32外周套设于各所述螺纹支撑杆11中部，所述第三阶筛筒4包括第三钢筒41和第三筛网42，所述第三钢筒41固定在所述第三筛网42上方，且所述第三筛网42外周套设于各所述螺纹支撑杆11底部。
优选地，所述筛网挡片5上所述漏孔51的内径与所述第一筛网22上的筛孔内径相同，且所述第一筛网22上的筛孔内径大于所述第二筛网32上的筛孔内径，所述第二筛网32上的筛孔内径大于所述第三筛网42上的筛孔内径，从而通过三阶筛孔尺寸依次递减的结构，使砂土颗粒之间充分冲击和碰撞，砂粒经重排列后，砂样分布更加均匀，保证了砂样质量。
本发明中所述第三阶筛筒4正下方设有用于收集砂样的模型筒8，所述模型筒8内设有若干标定盒81，所述标定盒81用于采集砂样，所述第一筛网22、所述第二筛网32和所述第三筛网42上均设有水准器9，各所述水准器9分别用于调平所述第一筛网22、所述第二筛网32和所述第三筛网42。本实施例中所述第三阶筛筒4底部还设有吊耳43，所述吊耳43上悬挂有测高重锤44，从而通过设置所述测高重锤44长度可设置砂样的落距，即所述第三筛网42到砂面的距离，以用作保持落距的距离参照。
本发明还提供一种砂样制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述第一阶筛筒2、所述第二阶筛筒3和所述第三阶筛筒4安装在所述支架1上，调整所述砂雨装置参数，包括设置所述测高重锤44的落距长度和设置所述第二阶筛筒3与所述第一阶筛筒2及所述第三阶筛筒4的间距，并使所述筛网挡片5堵住所述第一筛网22的筛孔，然后在所述第一阶筛筒2内装填试验用砂，本发明中所述试验用砂为风干状态的福建标准砂(含水率约0.11％)，根据GB/T50123—1999《土工试验方法标准》得到该标准砂的最大干密度dmax＝1.633g/cm3，最小干密度dmin＝1.337g/cm3，砂粒比重Gs＝2.633。
S2、通过所述葫芦吊71将所述支架1整体起吊到所述模型筒8上方的预定落距位置，并通过各所述水准器9分别调平所述第一阶筛筒2、所述第二阶筛筒3和所述第三阶筛筒4。
S3、通过转动所述第一阶筛筒2，调整所述筛网挡片5上所述漏孔51与所述第一筛网22的筛孔重合度，以使所述试验用砂从所述漏孔51掉出，并依次通过所述第二阶筛筒3和所述第三阶筛筒4掉落至所述模型筒8内的所述标定盒81中，同时通过所述葫芦吊71同步提升所述支架1，使所述测高重锤44下端位置始终与所述模型筒8的砂面平齐。
S4、当各所述标定盒81内的砂样采集完成后，转动所述第一阶筛筒2，使所述筛网挡片5堵住所述第一筛网22的筛孔，并采用微型静力触探仪测量各所述标定盒81内砂样的密实度。
S5、多次重复步骤S1-S4，得出砂样密实度与砂雨装置各参数的对应关系，本实施例中可通过以下实验来研究砂样密实度与砂雨装置各参数的对应关系：
1)落距与砂样密实度关系试验
分别设置落距L为0.4m、0.6m和0.8m，并保持所述第二阶筛筒3与所述第一阶筛筒2及所述第三阶筛筒4的间距不变，做三组平行试验，密实度为Dr，试验结果如下表：
表1不同落距与砂样密实度关系
组别
落距L/m
密实度D<sub>r</sub>
第一组
0.4
D<sub>r1</sub>
第二组
0.6
D<sub>r2</sub>
第三组
0.8
D<sub>r3</sub>
2)各阶筛筒间距与砂样密实度关系试验
分别将所述第二阶筛筒3与所述第一阶筛筒2及所述第三阶筛筒4之间的间距S均设置为0.2m和0.5m，同时落距保持不变，做两组平行试验，相对密实度为Dr′，试验结果如下表：
表2不同筛筒间距与砂样密实度关系统计
组别
各阶筛筒间距S/m
相对密实度Dr′
第一组
0.2
D<sub>r1</sub>′
第二组
0.5
D<sub>r2</sub>′
以上仅对不同落距和不同筛筒间距与砂样密实度关系进行的几个实验举例，在实际操作过程中，还需进一步加大实验次数，并进行多次验证，得出更全更准确的砂样密实度与砂雨装置各参数的对应关系库；同时本发明中还可进一步实验三阶筛筒组合方式、筛孔重合度等其他参数与砂样密实度的对应关系，以使砂样密实度与砂雨装置各参数的对应关系更为完善。
S6、制作试验所需密实度的砂样，若试验所需密实度的砂样在步骤S5的对应关系范围内，则根据相应的参数进行制备；否则根据步骤S5得出的的对应关系调整砂雨装置的相应参数，以制备试验所需的砂样，然后采用微型静力触探仪对所制备砂样的密实度进行测量，以校核所制备砂样的准确性。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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