CN102419267A - 基于微观结构分析的室内模型试验取土装置及取土方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微观结构分析的室内模型试验取土装置及取土方法。该试验装置包括取土器、模型箱以及反力支架；取土器则包括管靴、取土管、活塞、连接帽、双通接头、橡胶软管、电动气泵、电动推杆和插销；反力支架包括底板、两根可伸缩式支撑杆、顶梁、四个滑轮和两个滑道；模型箱内放置试验土样，并安置于底板的中央；基于该试验装置的取土方法，通过定位、贯入、提样、退样、切除扰动样等步骤实现了模型箱内土体不同位置及深度处取土的目的，较好地满足了微观结构分析的制样要求。本试验装置及取土方法在软塑、可塑和硬塑状粘性土以及粉质粘土、粉土的岩土模型试验中均可采用，具有操作简单、采样率高、取土灵活、扰动小的优点。

Description

基于微观结构分析的室内模型试验取土装置及取土方法

技术领域

本发明专利涉及一种基于室内模型试验、可对模型箱内土体进行不同位置、深度处进行取土的试验装置及取土方法。

背景技术

土工模型试验是人们认识土体及土与结构相互作用宏观行为的重要手段，由于实际岩土工程问题规模较大，土工模型试验通常采用缩尺模型。所谓土的微观结构一般是指微结构单元体的大小、形状、表面特征及其定量比例关系，也包括各单元体之间在空间上的排列方式及其相互作用形式。土的各种物理力学性质与微观结构组成密切相关，认识土的宏观特性首先必须对土的微观结构有深刻的了解。在土力学研究中，基于室内模型试验的土体微观结构参数研究，对于把握其宏观物理力学性质，建立及校验本构模型都有十分重要的意义。

目前，国内在这方面的研究主要集中在利用模型试验箱的透明壁面，拍取土体的横截面图像进行处理和分析，从而获取土体的微观结构参数。这种方法试验操作较为复杂，现场照相机及辅助照明设施的安装受场地条件所限。另外，土体与壁面存在摩擦且壁面对土体变形具有约束效应，透过模型箱透明壁面摄取的数字图像并不能反映模型箱内部土体的真实应力环境。

若能在模型箱内选取能代表土样微观结构变化的特征部位，将土体无扰动取出，制样后利用扫描电镜技术进行微观结构分析，可为分析土体宏观力学参数与微观结构变化间的定量关系提供重要的试验依据。扫描电镜技术是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像，可以观察直径为 0～30mm 的粘性土试样，制样方法简单，微观图像富有立体感、真实感、易于识别和解释。该技术是目前土的微观结构研究中最普遍，也是最重要的研究手段之一。

目前国内外的取土器多用于工程地质钻探，一般多为厚壁敞口和薄壁敞口取土器，这种取土器本身性能就不是很理想，并且多数取土器无压入及反力装置而普遍采用轻锤多击法取样，对采集的土样结构扰动极大。考虑到用于微观结构定量分析的样品应最大限度地减少由于结构不合理引起的扰动，所以，该类取土装置的结构设计与取土方法并不能满足室内模型试验场地小型化、取土位置精细化的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服上述取土装置及取样方法的缺陷，提供一种基于室内模型试验、可对模型箱内土体进行不同位置、深度处进行取土的试验装置及取土方法。

为了实现本发明的目的，采用了以下技术方案：

一种基于微观结构分析的室内模型试验取土装置，包括模型箱、取土器、反力支架；其中，反力支架包括底板、左右两根可伸缩式支撑杆、顶梁、四个滑轮和两个滑道；可伸缩式支撑杆分为上杆和下杆，下杆的下端为人字形开叉，人字形开叉的下端分别装有一个滑轮；两根可伸缩式支撑杆的滑轮分别放置在滑道中，两个滑道平行焊接于底板上；滑道的两个侧壁分别设有一排等间距的插销孔，滑轮中心轴为空心圆轴，用插销插入滑道上的插销孔及滑轮上的空心圆轴；可伸缩式支撑杆上杆设有一排等间距布设的插销孔，下杆的上端设有一个插销孔，通过插销与上杆紧固连接；两根所述可伸缩式支撑杆上杆的顶端分别与顶梁的两端焊接；顶梁上设有一排等间距布设的螺孔，电动推杆的顶端与顶梁上的螺孔通过螺栓紧固连接；上述取土器包括管靴、取土管、活塞、连接帽、双通接头、橡胶软管、电动气泵、电动推杆和插销；其中，管靴设于取土管的下端，为单倾斜刃口；取土管内设置一活塞，可上下移动；取土管上端与连接帽以螺纹相连接，连接帽上端有一圆柱形凸块，凸块上有一圆柱形凹槽，凹槽两侧各有一个插销孔；电动推杆下端设有一通孔，并通过插销与连接帽相连；连接帽一侧设有一带有内螺纹的通孔，该通孔与取土管的内腔相连通；通孔与双通接头一端的外螺纹相连接，橡胶软管的一端与双通接头套接，另一端与电动气泵的气嘴套接；其中，管靴与取土管为整体制作，管靴、取土管为薄壁受压元件；取土管的内壁光滑，内径相同，外径的上端小于下端。

管靴为单倾斜刃口，减少了贯入阻力；管靴、取土管为薄壁受压元件，减小了下压过程中对土样造成的挤压扰动；管靴、取土管具有较高的整体刚度，能适应上部较大压力不发生变形；管靴、取土管内光滑，减了摩擦阻力和对取土管内土样的扰动；取土管上端外径小于下端外径，即设有一个小锥度，保证取土管在压入和拔出过程中与周围土体保持一定间距，减少了取土管外壁与土体的接触和摩擦，便于提土前将土样扭断；取土管上端与连接帽以螺纹紧固连接，保持密闭；电动推杆通过插销与连接帽相连，作为贯入和提土的动力装置；电动气泵在取土上提时抽气提供向上的吸力，取样时使取土器内腔形成负压区，活塞和土样有被拉引的趋势以便取土；在取土器向上提土过程中，可维持提样力与掉样力的平衡关系，使取土器内土样不易脱落，同时避免了真空吸力直接作用于土样造成不均匀扰动；取土器取土结束后，电动气泵往取土管内充气提供向外的推力，由活塞将土样从取土管内推出。

一种基于微观结构分析的室内模型试验取土装置的取土方法，取土步骤如下：

1）、将模型箱安置于底板的中央，在模型箱内放置试验土样，并将土样表面整平；通过移动滑轮将取土器移动至模型箱的取土位置上方；用插销插入滑道上的插销孔及滑轮上的空心圆轴，使滑轮与滑道固定；

2）、在管靴和取土管的内外壁涂抹少许凡士林；通过插销将可伸缩式支撑杆上杆与下杆固定，使管靴刃口正好贴于取土位置土体表面，取土管内的活塞因重力而自动下降至取土表面；

3）、将橡胶软管与双通接头的连接断开，然后开启电动推杆，电动推杆的下端缓慢匀速下降，将管靴和取土管静压入土；

4）、待取土管压入到取土深度处，断开电动推杆与连接帽的插销连接，然后将插销插入连接帽上的插销孔旋转2周，使取土管中的土样与箱内土样扭断分离；

5）、用插销将电动推杆与连接帽连接，并将橡胶软管与双通接头套接，然后同时打开电动推杆和电动气泵，电动推杆下端缓慢匀速上升，使取土器向上提土；同时电动气泵从取土管内抽出气体，提供向上拉力并防止提土过程中落土现象的发生；最终，取土管被电动推杆从模型箱内的土体中被缓缓拔出，关闭电动气泵；

6）、将电动推杆和连接帽中间的插销拔掉；将取土器除电动推杆外的部件置于切土台上，开启电动气泵往取土管内充气，在充气压力下使活塞将土样从取土管内缓缓推出；

7）、用钢丝锯切除土样两端受挤压部分，以及四周受侧壁摩擦力扰动的部分，即可得到无扰动土样；根据扫描电镜样品制备要求，制取试验所需观测处的细长条状试样，用来进行扫描电镜分析，获得土样的微观结构。

本发明的有益效果在于从取土装置的材料、尺寸、结构形式以及操作步骤来控制取土效果，能较好地适应室内模型试验的场地条件。该取土装置的贯入、提样、退样的全过程耗时短、操作简单，并且该试验装置具有易于加工、取样可靠率高等优点，很容易取到模型箱内任意位置处，用于微观分析的无扰动土样。本试验装置及取土方法在软塑、可塑和硬塑状粘性土以及粉质粘土、粉土的岩土模型试验中均可采用。

附图说明

图1：基于室内模型试验的取土装置系统示意图；

图2：自行设计的取土器结构示意图；

图3：自行设计的连接帽结构示意图；

图4：反力支架安装正视图；

图5：反力支架安装侧视图；

附图标记：1-模型槽，2-取土管，3-反力支架，4-管靴，5-取土管，6-活塞，7-连接帽，8-双通接头，9-橡胶软管，10-电动气泵，11-电动推杆，12-插销，13-底板，14-可伸缩式支撑杆，15-顶梁，16-滑轮，17-滑道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明的一种基于室内模型试验的微观土样取土装置包括模型箱1、取土器2和反力支架3；其中，模型箱1由有机玻璃定制而成，尺寸为长×宽×高=100cm×100cm×70cm；模型箱1的内部设置试验土样，采用软塑状的温州粘性土，填土高度为65cm，初始含水率约为57%；进行真空预压处理后，试验土样呈可塑状，含水率为35%，填土高度为60cm；为深入探讨真空预压试验的微观作用机理及有效加固深度，拟在模型箱中心位置处获取长度为40cm的土样；

如图1，4，5所示，反力支架3包括底板13、两根可伸缩式支撑杆14、顶梁15、四个滑轮16和两个滑道17；两根可伸缩式支撑杆14为圆柱形不锈钢管，分上杆和下杆，上杆长90cm，内径24mm，外径29mm，下杆长100cm，内径30mm，外径35mm；下杆的下端为60°的人字形开叉；人字形开叉的下端分别有一个直径为5cm、宽度为1cm的滑轮16；人字形开叉的两个滑轮16中心的间距为20cm，两根可伸缩式支撑杆14的滑轮分别放置在滑道17中，两个滑道17平行焊接于底板13上；底板13尺寸为长×宽×厚=150cm×150cm×0.3cm，滑道17由槽钢制作，焊接在底板13上；滑道17尺寸为长×宽×高=150cm×4cm×6cm，四个滑轮16的中心轴为空心圆轴，内径为8mm，滑道17的两个侧壁上分别设有36个直径为8mm的插销孔，孔间距为4cm，用插销插入滑道17上的插销孔及滑轮16上的空心圆轴；两根可伸缩式支撑杆14下杆的上端设有一个直径为8mm的插销孔，上杆的下端依次设有20个直径为8mm的插销孔，孔间距为4cm，通过插销与下杆固定，可选用上杆上不同的插销孔来调整伸缩式支撑杆件14的高度；两根可伸缩式支撑杆14上杆上端与顶梁15焊接；顶梁15为长度1.2m的不锈钢角钢，顶梁15上设有25个直径为8mm的螺孔，间距为4cm；用螺栓将电动推杆11与顶梁15上的螺孔紧固连接，可选用顶梁15上不同的螺孔位置来调整电动推杆11的横向位置。

如图2，3所示，取土器2包括管靴4、取土管5、活塞6、连接帽7、双通接头8、橡胶软管9、电动气泵10、电动推杆11和插销12。其中，管靴4、取土管5所用材料为303不锈钢，运用热处理工艺，加硬到HRC50，具有较高的整体刚度；取土管5的长度为425mm，内径为49mm；取土管5上端外径为53mm，下端外径为55mm；管靴4设于取土管5下端，为刃角5°的单倾斜刃口；管靴4长度为35mm，管靴4与取土管5整体制作；管靴4、取土管5内孔采用深孔镗，而后研磨，内壁粗糙度为0.8；活塞6材料为7075航空超硬铝，加工前进行热变形处理，其受压变形量小，密度小，硬度大，耐磨性高；活塞6与取土器2内壁紧密贴合，可在在管靴4与取土管5内自由移动；连接帽7材料为302不锈钢，内径为53mm，外径为60mm；连接帽7内侧设有螺纹，与取土管5外侧的螺纹相连接；连接帽7上端有一直径为36mm的圆柱形凸块，凸块上有一直径为24mm的圆柱形凹槽，凹槽两侧各有一个插销孔；电动推杆11下端的直径为23mm，并设有一通孔，通过插销12与连接帽7相连；连接帽7一侧设有一直径为10mm带有内螺纹的通孔，通孔与取土管5内腔连通，通孔与双通接头8一端的外螺纹相连接；橡胶软管9的内径为16mm，一端与双通接头8套接，另一端与电动气泵10的气嘴套接；电动气泵10选用ACO-018A型电磁式空气泵，电压为220V，频率为50Hz，电流为2.30A，功率为520W，排气压力为0.04MPa，气嘴外径为16mm。

本发明的基于微观结构分析的室内模型试验取土方法步骤如下：

1）、将模型箱1安置于底板13的中央，在模型箱1内放置试验土样，并将土样表面整平；通过移动滑轮16将取土器2移动至模型箱1的取土位置上方；用插销插入滑道17上的插销孔及滑轮16上的空心圆轴；使滑轮16与滑道17固定；

2）、在管靴4和取土管5的内外壁涂抹少许凡士林；通过插销将可伸缩式支撑杆14上杆与下杆固定，使管靴4刃口正好贴于取土位置土体表面，取土管5内的活塞6因重力而自动下降至取土表面；

3）、将橡胶软管9与双通接头8的连接断开，然后开启电动推杆11，电动推杆11的下端缓慢匀速下降，将管靴4和取土管5静压入土；

4）、待取土管5压入到40cm深度处，断开电动推杆11与连接帽7的插销连接，然后将插销12插入连接帽7上的插销孔旋转2周，使取土管5中的土样与箱内土样扭断分离；

5）、用插销12将电动推杆11与连接帽7连接，并将橡胶软管9与双通接头8套接，然后同时打开电动推杆11和电动气泵10，电动推杆11下端缓慢匀速上升，使取土器2向上提土；同时电动气泵10从取土管5内抽出气体，提供向上拉力并防止提土过程中落土现象的发生；最终，取土管5被电动推杆11从模型箱1内的土体中被缓缓拔出，关闭电动气泵10；

6）、将电动推杆11和连接帽7中间的插销12拔掉；将取土器2除电动推杆11外的部件置于切土台上，开启电动气泵10往取土管5内充气，在充气压力下使活塞6将土样从取土管5内缓缓推出；

7）、用钢丝锯切除土样两端受挤压部分，以及四周受侧壁摩擦力扰动的部分，即可得到无扰动土样；根据扫描电镜样品制备要求，制取试验所需观测处的细长条状试样，用来进行扫描电镜分析，获得土样的微观结构。

Claims (2)

1.一种基于微观结构分析的室内模型试验取土装置，其特征在于，该装置包括模型箱（1）、取土器（2）、反力支架（3）；其中，反力支架（3）包括底板（13）、左右两根可伸缩式支撑杆（14）、顶梁（15）、四个滑轮（16）和两个滑道（17）；可伸缩式支撑杆（14）分为上杆和下杆，下杆的下端为人字形开叉，人字形开叉的下端分别装有一个滑轮（16）；两根可伸缩式支撑杆（14）的滑轮分别放置在滑道（17）中，两个滑道（17）平行焊接于底板（13）上；滑道（17）的两个侧壁分别设有一排等间距的插销孔，滑轮（16）中心轴为空心圆轴，用插销插入滑道（17）上的插销孔及滑轮（16）上的空心圆轴紧固连接；可伸缩式支撑杆（14）上杆设有一排等间距布设的插销孔，下杆的上端设有一个插销孔，通过插销与上杆紧固连接；两根所述可伸缩式支撑杆（14）上杆的顶端分别与顶梁（15）的两端焊接；顶梁（15）上设有一排等间距布设的螺孔，电动推杆（11）的顶端与顶梁（15）上的螺孔通过螺栓紧固连接；上述取土器（2）包括管靴（4）、取土管（5）、活塞（6）、连接帽（7）、双通接头（8）、橡胶软管（9）、电动气泵（10）、电动推杆（11）和插销（12）；其中，管靴（4）设于取土管（5）的下端，为单倾斜刃口；取土管（5）内设置一活塞（6），可上下移动；取土管（5）上端与连接帽（7）以螺纹相连接，连接帽（7）上端有一圆柱形凸块，凸块上有一圆柱形凹槽，凹槽两侧各有一个插销孔；电动推杆（11）下端设有一通孔，并通过插销（12）与连接帽（7）相连；连接帽（7）一侧设有一带有内螺纹的通孔，该通孔与取土管（5）的内腔相连通；通孔与双通接头（8）一端的外螺纹相连接，橡胶软管（9）的一端与双通接头（8）套接，另一端与电动气泵（10）的气嘴套接；其中，管靴（4）与取土管（5）为整体制作，管靴（4）、取土管（5）为薄壁受压元件；取土管（5）的内壁光滑，内径相同，外径的上端小于下端。

2.一种基于微观结构分析的室内模型试验取土装置的取土方法，其特征在于，取土步骤如下：

1）、将模型箱（1）安置于底板（13）的中央，在模型箱（1）内放置试验土样，并将土样表面整平；通过移动滑轮（16）将取土器（2）移动至模型箱（1）的取土位置上方；用插销插入滑道（17）上的插销孔及滑轮（16）上的空心圆轴，使滑轮（16）与滑道（17）固定；

2）、在管靴（4）和取土管（5）的内外壁涂抹少许凡士林；通过插销将可伸缩式支撑杆（14）上杆与下杆固定，使管靴（4）刃口正好贴于取土位置土体表面，取土管（5）内的活塞（6）因重力而自动下降至取土表面；

3）、将橡胶软管（9）与双通接头（8）的连接断开，然后开启电动推杆（11），电动推杆（11）的下端缓慢匀速下降，将管靴（4）和取土管（5）静压入土；

4）、待取土管（5）压入到设计取土深度处，断开电动推杆（11）与连接帽（7）的插销连接，然后将插销（12）插入连接帽（7）上的插销孔旋转2周，使取土管（5）中的土样与箱内土样扭断分离；

5）、用插销（12）将电动推杆（11）与连接帽（7）连接，并将橡胶软管（9）与双通接头（8）套接，然后同时打开电动推杆（11）和电动气泵（10），电动推杆（11）下端缓慢匀速上升，使取土器（2）向上提土；同时电动气泵（10）从取土管（5）内抽出气体，提供向上拉力并防止提土过程中落土现象的发生；最终，取土管（5）被电动推杆（11）从模型箱（1）内的土体中被缓缓拔出，关闭电动气泵（10）；

6）、将电动推杆（11）和连接帽（7）中间的插销（12）拔掉；将取土器（2）除电动推杆（11）外的部件置于切土台上，开启电动气泵（10）往取土管（5）内充气，在充气压力下使活塞（6）将土样从取土管（5）内缓缓推出；

7）、用钢丝锯切除土样两端受挤压部分，以及四周受侧壁摩擦力扰动的部分，即可得到无扰动土样；根据扫描电镜样品制备要求，制取试验所需观测处的细长条状试样，用来进行扫描电镜分析，获得土样的微观结构。

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