软粘土定向微型取样器的制造方法
【专利摘要】软粘土定向微型取样器涉及一类软粘土定向微型取样装置，侧重微结构制样方法，适用于含水率高的软弱粘土体等软粘介质材料，准确、有方向性地制备软粘介质的微结构样品，为软粘介质的微观结构测试提供一种便捷有效的取样方法。该定向微型取样装置很好地避免了手工切削土样造成的形状大小不规则，有效避免了样品的微观结构方向不统一；有效避免了以往人工耗费大量时间反复冻融切样、旋转切样费时费工的弊端。使用该模具制备微型样品可以在模具内一次性地完成加工制作，简化了微结构试样切割、取样、制样过程，提高了工作效率、规范了试样规格尺寸；同时简易的定向标志为微型样品提供了定向数据。
【专利说明】软粘土定向微型取样器
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种软粘土定向微型取样方法，特别是含水率较高、定向固结特征明显的粘土亟待获取定向的微观结构特征，属于软粘介质材料的微观结构取样创新技术。
【背景技术】:
[0002]国内外对土的微观结构特征研究距今不到一个世纪，从初步的构想到真实地观察和研究，都依赖于大量的土样微观结构测试。太沙基于1925年首次提出土体具有蜂窝结构的微结构的概念后，20世纪50年代至60年代初人们应用光学显微镜技术对土体结构进行了观察，并提出了一些新的微观结构特征模型。随着扫描电子显微镜、计算机图形处理技术的发展，土体结构的更深一步的研究速度大大加快。
[0003]但目前研究中，对于含水率大、强度低的饱和软粘土来说，结构易破坏。如果直接进行风干或者烘干，土样也会产生明显的收缩变形。因此，关于高含水量的饱和粘性土取样的文献很少，仅有干燥制作方式的研究(如真空冷冻升华干燥仪，使土样中的液态水变成非结晶态冰的设计原理)，而取样技术直接影响土样微观结构的测试。徒手切样、制样的局限性在于，土体微观结构特征是基于大量土样测试的数理统计基础上得到的，受制样水平和尺寸环境等各方面因素制约，因此在切样和取样手段上还有待于提高。并且，每个观测土样的微观结构自身包含了定向应力历史特征，如果能将样品保持时空的一致性，将大大提高岩土宏观力学特征和微观结构特征之间的机理研究。
【发明内容】
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[0004]为了避免土样在自然风干过程中产生风化裂隙、避免土样烘干产生物质成分变异、避免土样在冷冻制样时反复的提取和冻融，本发明设计了一种专用的微观结构取样装置，见图1所示，可以直接方便地提取定向的微观结构样品。根据土样微观结构测试方法的规定，颗粒等效粒径大于粉土时，直接采用风干法制备干燥样品，不考虑水分变化对结构的影响，而对于软粘介质材料而言，细颗粒亲水性强，水分变化大大影响结构。
[0005]本发明中取样器由切样器和冷冻器组成，见图1。切样器的瓣模外表近似圆柱形的带刃模具，切样内部区域形成“带缺陷的圆筒”规格，见图1中的“A-A剖面”所示。试样在圆柱侧面携带一条方向标识，提供定向分析参数。为设计为有一个锯齿状的圆柱形，一方面作为定向标志，可以区分上下底面和水平方向，另一方面作为冷冻剂的渗流通道。
[0006]切样器由切样瓣模和套管组成，见图2。切样高度a (mm)，切样套管高度b (mm)，切样器内壁的最小直径c(mm)，且c不应小于颗粒等效直径30倍，满足最小尺寸要求，便于小区域观测，易于实行试验。
[0007]冷冻器如图3所示，内壁为隔热材料制作的保温层，冷冻器高度e (mm)，冷冻剂入口距离顶端高度为d(mm)，冷冻器直径为f (mm)，冷冻器底端为活页片，通过滑动切割底部软弱、粘性介质，达到顺利取样的目的。
[0008]实验装置(见图1)各部分功能说明如下:[0009]1.切样器顶面:切样时承受竖向压力
[0010]2.切样器内壁:用于切割及直接接触试样侧表面
[0011]3.瓣模:三片瓣模组合形成切样器
[0012]4.套管:固定切样器
[0013]5.冷冻器顶面:固定切样器外壁
[0014]6.冷冻剂注入阀门:预留的冷冻剂入口
[0015]7.冷冻器外壁:支撑整个取样器的支架，底端可弹性收缩切样
[0016]8.隔热层:维持冷冻器内部温度
[0017]9.冷冻剂盛载区域:作为冷冻剂注入后的留存区间
【专利附图】
【附图说明】:
[0018]图1实验装置及A-A剖面
[0019]图2切样器轴向纵剖面的尺寸结构图
[0020]图3冷冻器轴向纵剖面的尺寸结构图
【具体实施方式】:
[0021]取样操作步骤简要分3步，如图3所示。
[0022](I)定位&定向:将切样器和冷冻器组合，扭转切样器凹槽位置，三角形直角边对准正北方向，或者样品拟设的正方向；
[0023](2)切样:左手拇指放在切样器顶部，左手其余四指紧握冷冻器。拇指向下压入，模拟针管工作原理，切取样品；如果软粘介质含水率相对较低，此步骤即可完成操作。只需将装置取出，切样器套管卸除，切样器三瓣模拆开即可提取样品。
[0024](3)冷冻:对于含水率特别大的软粘介质材料，基于第(2)步切样，注入冷冻剂。等待冷冻剂消耗完毕，将装置取出，切样器套管卸除，切样器卸除套管，三瓣模拆开即可提取样品。
【权利要求】
1.一种采用冷凝方法定向切割微型土样的方法，其特征是为了避免手工切削土样造成的形状大小不规则不统一，避免以往人工耗费大量时间反复冻融切样、旋转切样费时费工的弊端，设计的一种专用微结构制取模具，通过该模具的控制，软粘土样被制成“有缺陷的圆柱体”规格，有效获取软粘土样微结构，并可以明确软粘介质或材料的定向结构特征。
2.根据权利I所要求的冷凝定向切割微型土样的方法，其特征在于土样在模具内直接完成制样工作，直接得到具有方向特征的结构，避免反复制取、冻融切割的人为扰动。
3.根据权利2的要求，其特征在于切样器由三瓣组合而成，内壁涂抹凡士林，取样后即可避免样品扰动，方便获得最终微型样品。
4.根据权利3的要求，其特征在于切样器的三瓣模片中的一片为内凹直角边，避免对称设计，明确样品水平定向特征。
5.根据权利3的要求，其特征在于样品截面具备天然顶底面，明确样品竖直定向特征。
6.根据权利I的要求，其特征在于考虑到土样软弱粘性特征，取样时直接用冷冻计制样，提高了制样效率。
7.根据权利6的要求，其特征在于冻样装置与切样装置连接一体，同时操作，简便易行，冷冻剂入口作为标志深度，提示样品取样高度满足要求。
【文档编号】G01N1/04GK103728153SQ201310756323
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】宋晶, 汤连生, 张鹏, 宋宁, 宋杰, 罗珍贵 申请人:中山大学, 中交第四航务工程勘察设计院有限公司, 广东省建筑设计研究院, 焦作黄河河务局武陟第一黄河河务局