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1、(10)申请公布号 CN 102419267 A (43)申请公布日 2012.04.18 CN 102419267 A *CN102419267A* (21)申请号 201110419916.7 (22)申请日 2011.12.15 G01N 1/08(2006.01) (71)申请人 南京大学 地址 210093 江苏省南京市鼓楼区汉口路 22 号 (72)发明人 曹亮 赵晓豹 张文彬 李晓昭 彭劼 吴文博 李家奇 周扬一 王鹏 孙海泉 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 楼高潮 (54) 发明名称 基于微观结构分析的室内模型试验取土装置 及取土方法 。
2、(57) 摘要 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、。
3、 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。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 5 页 CN 102419279 A1/2 页 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。
4、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。
5、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 。
6、（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 。
7、（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，。
8、 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。
9、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 权 利 要 求 书 CN 102419267 A CN 102419279 A2/2 页 3 塞 （6） 将土样从取土管 （5） 内缓缓推出 ； 7。
10、） 、 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。 权 利 要 求 书 CN 102419267 A CN 102419279 A1/5 页 4 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 0001 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 0002 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。
11、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。 0003 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。
12、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。 0004 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。
13、。 0005 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 0006 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。 0007 为了实现。
14、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 说 明 书 CN 102419267 A CN 102419279 A2/5 页 5 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。
15、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。
16、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。 0008 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， 。
17、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。
18、。 0009 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 。
19、； 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 说 明 书 CN 102419267 A CN 102419279 A3/5 页 6 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。
20、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。 0010 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。
21、， 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 0011 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。
22、， 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 0012 下面结合附图和具体实施例， 对本发明作进一步详细说明。 0013 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 =100cm100cm70cm ； 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。
23、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。
24、 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 =150cm150cm0.3cm， 滑道 17 由槽钢制作， 焊接在底板 13 上 ； 滑道 17 尺寸为长 宽 高 =150cm4cm6cm， 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 说 明 书 CN 102419267 A CN 102419279 A4/5 页 7 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。
25、 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。 0014 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、 。
26、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，。
27、 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。
28、 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。 0015 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。
29、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。
30、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。
31、， 在充气压力下使活塞 6 将土样从取 说 明 书 CN 102419267 A CN 102419279 A5/5 页 8 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。 说 明 书 CN 102419267 A CN 102419279 A1/5 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102419267 A CN 102419279 A2/5 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 102419267 A CN 102419279 A3/5 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 102419267 A CN 102419279 A4/5 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 102419267 A CN 102419279 A5/5 页 13 图 5 说 明 书 附 图 CN 102419267 A 。