一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置及其使用方法

技术领域

本发明属于粘土微观结构研究技术领域，尤其涉及一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置及其使用方法，制备的样品可用于分析粘土的微观结构。

背景技术

土体的微观结构是决定土体工程性质的重要内在因素，其对土体的物理和力学特性均有显著的影响。因此，对土体进行微观结构的研究具有非常重要的意义。

目前，土体微观结构主要通过SEM（扫描电子显微镜，Scanning electronmicroscope）和MIP（压汞法，Mercury intrusion porosimetry）进行研究。制备SEM和MIP试验所需的试样一般采用冻干法进行冷冻，即利用液氮对试样进行快速冷冻，使土体中液体变为无体积膨胀的非结晶态冰，再利用真空冷冻干燥仪使土样的非结晶态冰升华，以此得到符合试验要求的土样，尽可能降低对土样微观结构的破坏。

目前的制备方法是将固结后的土样卸荷后，将土样切割成微观测试所需的一定尺寸，再放入液氮罐里进行冷冻。这种方法存在以下不足：

1）将土样拆下过程中应力卸载是不可避免的，而土是弹塑性体，会诱发土颗粒弹性变形和膨胀，从而影响特定应力状态下土体真实的微观结构。已有试验已经观察到应力卸载过程中土颗粒存在反弹现象（DelageandLefebvre，1984），研究者认为这种反弹现象将对土体的微观结构产生不可忽略的影响（JunKangChow，2019）。

2）目前的制备方法是试样从固结仪或其它施加固结应力的装置取出后，先切分成所需微观观测尺寸的土样，然后再进行冷冻烘干，在此过程中，土样容易受到扰动，土样会产生变形，这会严重影响土样的微观结构。

3）一般情况下，分别制作SEM和MIP试验所需的试样，由于试样的不均匀性和取样位置的不同，造成两种试样微观性状无法进行对比与分析。

因此，针对以上现状，迫切需要开发一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置及其使用方法，以克服当前实际应用中的不足。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置及其使用方法，旨在解决现阶段制样装置及制样方法不能锁定应力状态的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置，包括底座，还包括：

试样容置组件，所述试样容置组件置于底座上，试样容置组件用于试样组件的放置；

加载组件，所述底座上还安装有加载组件，加载组件用于对所述试样容置组件内放置的试样组件施加压力，使得试样组件进行固结；

冷冻组件，所述冷冻组件与所述试样容置组件连接，冷冻组件用于对所述试样容置组件内放置的试样组件进行冷冻处理。

进一步的技术方案，所述试样容置组件包括密封盖和试样盒，所述试样盒的内底部开设有用于所述试样组件放置的放置槽；所述试样盒的端部可拆卸且密封固定有密封盖。

进一步的技术方案，所述底座的上侧开设有用于试样盒放置的卡槽；所述试样容置组件还包括固定螺栓，所述密封盖通过多个固定螺栓与所述试样盒的端部固定。

进一步的技术方案，所述试样组件包括试样顶盖、上透水石、环刀和下透水石，所述上透水石和下透水石分别置于试样的顶部和底部，且所述下透水石放置于所述试样盒内底部开设的放置槽中，所述环刀套设于试样的外侧，环刀用于取样以及固结过程中的限位，所述试样顶盖设于上透水石的顶部。

进一步的技术方案，所述上透水石的底部设有两段棱，用于冷冻后的试样沿着棱印一分为二；所述试样顶盖的顶部设有半球形凹槽，且半球形凹槽外侧的所述试样顶盖上开设有透水孔。

进一步的技术方案，所述加载组件包括荷载片、荷载片固定柱、位移传感器、传感器限位环、荷载托盘、加载杆、加载杆限位环和限位立柱，所述底座上固定有多根限位立柱，所述荷载托盘位于试样容置组件的上方，且荷载托盘与多根限位立柱均滑动连接，所述荷载托盘的上侧设有荷载片，荷载片通过所述荷载片固定柱进行限位，其中一根所述限位立柱上还套设有传感器限位环，且所述传感器限位环能够沿着所述限位立柱进行移动调节，传感器限位环上固定有与所述荷载托盘连接的位移传感器，所述荷载托盘的下侧固定有加载杆，加载杆从所述试样容置组件的密封盖滑动穿过并能够抵接在试样顶盖上，所述密封盖上还设有用于对加载杆锁紧和固定的加载杆限位环。

进一步的技术方案，所述限位立柱于试样容置组件的外侧周向均匀分布有四根；所述加载杆的下端呈半球形，且所述加载杆的下端能够与所述试样顶盖顶部的半球形凹槽抵接；所述荷载片从下到上尺寸依次递减，且所述荷载片与所述试样顶盖竖直对应，荷载片采用圆盘状结构；所述荷载片固定柱固定于荷载托盘上，且所述荷载片套设于荷载片固定柱上；所述加载杆与所述荷载片固定柱竖直对应。

进一步的技术方案，所述冷冻组件包括液氮罐、真空过滤罐、真空泵、液氮输入管、连接管和真空管，所述液氮罐通过液氮输入管与所述试样盒的内侧下部连接，所述真空过滤罐通过连接管与所述试样盒的内侧上部连接，所述真空泵还通过真空管与所述真空过滤罐连接。

进一步的技术方案，所述液氮输入管上设有第一阀门，液氮输入管从密封盖一侧的通气孔伸入到试样盒的内侧下部，且液氮输入管与密封盖密封连接；所述连接管上设有第二阀门，连接管的一端与真空过滤罐的内侧下部连接，连接管的另一端从密封盖另一侧的通气孔伸入到试样盒的内侧上部，且连接管与密封盖密封连接；所述真空管上设有第三阀门，真空管远离真空泵的一端与所述真空过滤罐的内侧上部连接。

本发明实施例的另一目的在于，一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、将制备好的粘土样母体去掉上下扰动面，用环刀在核心区域取样后，在试样底部安装下透水石，在试样顶部安装上透水石，并放置在试样盒的放置槽内；

步骤2、将试样盒放置在底座的卡槽上后，向试样盒内加入适量的水，保持试样处于饱和状态；

步骤3、依次安装试样顶盖和密封盖，并拧紧固定螺栓；

步骤4、安装加载组件，将荷载托盘滑动套设在限位立柱上，且通过加载杆限位环固定加载杆；

步骤5、制样时，松开加载杆限位环，加载杆缓慢接触试样顶盖，位移传感器读数清零，随后在荷载托盘上加装预设重量的荷载片，开始试样的固结，固结过程中观察试样盒内水量情况以及位移传感器读数，并作记录；

步骤6、固结完成后，排掉试样盒内的水，将密封盖一侧的通气孔通过液氮输入管连接液氮罐，另一侧的通气孔通过连接管连接真空过滤罐，且真空过滤罐通过真空管连接真空泵，启动真空泵，并打开第一阀门、第二阀门和第三阀门，液氮会在负压的作用下进入试样盒内；

步骤7、待试样盒内液氮达到所需体积后，关闭所有阀门以及真空泵，同时断开真空泵与真空过滤罐的连接，保持管路通畅；

步骤8、试样冷冻结束后，连接真空泵与真空过滤罐，启动真空泵，并打开第二阀门和第三阀门，排掉试样盒内的剩余液氮，试样完成冷冻；

步骤9、卸掉荷载片，提升加载杆，拆除试样顶盖并将试样取出，上透水石底部的棱在冷冻后的粘土试样上对应留有凹痕，大拇指按在凹痕的两侧，将试样掰成两半；

步骤10、对其中一半试样进行喷金及抽真空处理，并通过导电胶带固定至试样架上，满足测试要求后可进行SEM试验，另一半试样直接用于MIP试验；

步骤11、随后对SEM和MIP试验数据进行分析，得到试验应力状态下土样的微观结构特征。

本发明实施例提供的一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置，制备的微观观测样品可以锁定试样的应力状态，固结后直接在装置内进行冷冻烘干，不会因为在冷冻烘干前切分土样而扰动土样微观结构，便于分析一维固结压力下试样的孔径和微观组构特征，避免因固结压力卸载导致粘土样品孔隙发生改变，从而对微观组构分析造成的影响，使试验结果更加准确和可靠；试样一分为二，便于后续MIP和SEM分析试验的同时开展，从而保证研究对象的均匀和一致，得到试验应力状态下更加真实的微观结构及参数，利于更好地进行微观结构数据的对比与分析，大幅增加试验的精确度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置的工作系统示意图；

图2为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置的主视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中底座部分的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中底座部分的主视剖视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中试样盒部分的俯视结构示意图；

图6为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中试样盒部分的主视剖视结构示意图；

图7为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中密封盖部分的俯视结构示意图；

图8为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中密封盖部分的主视剖视结构示意图；

图9为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中加载组件部分的俯视结构示意图；

图10为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中加载组件部分的主视剖视结构示意图；

图11为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中环刀部分的俯视结构示意图；

图12为本发明实施例提供的锁定应力状态的粘土微观试验制样装置中环刀部分的主视剖视结构示意图。

图中：1-荷载片，2-荷载片固定柱，3-位移传感器，4-传感器限位环，5-荷载托盘，6-加载杆，7-加载杆限位环，8-固定螺栓，9-密封盖，10-通气孔，11-试样顶盖，12-试样盒，13-上透水石，14-环刀，15-试样，16-限位立柱，17-底座，18-下透水石，19-液氮罐，20-真空过滤罐，21-真空泵，22-液氮输入管，23-连接管，24-真空管，25-第一阀门，26-第二阀门，27-第三阀门。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1-图2所示，为本发明一个实施例提供的一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置，包括底座17，还包括：

试样容置组件，所述试样容置组件置于底座17上，试样容置组件用于试样组件的放置；

加载组件，所述底座17上还安装有加载组件，加载组件用于对所述试样容置组件内放置的试样组件施加压力，使得试样组件进行固结；

冷冻组件，所述冷冻组件与所述试样容置组件连接，冷冻组件用于对所述试样容置组件内放置的试样组件进行冷冻处理。

如图1-图8所示，作为本发明的一种优选实施例，所述试样容置组件包括密封盖9和试样盒12，所述试样盒12的内底部开设有用于所述试样组件放置的放置槽，可以根据试样组件的形状将放置槽设置为圆形，使得试样组件保持稳定状态；所述试样盒12的端部可拆卸且密封固定有密封盖9，试样盒12和密封盖9由现有常用的材质制成即可，能维持液氮的低温状态，不作具体限定和赘述。

在一个实施例中，所述底座17的上侧开设有用于试样盒12放置的卡槽，具体可以开设在底座17的中心处，卡槽可以为圆形，使得试样盒12保持稳定。

在一个实施例中，所述试样容置组件还包括固定螺栓8，所述密封盖9通过多个固定螺栓8与所述试样盒12的端部固定；具体的，可以在密封盖9的外侧均匀布置多个固定螺栓8，而后与试样盒12螺纹连接即可；可以按需在密封盖9的下侧布置密封圈（未示出），提升连接的可靠性。

如图1-图2、图11-图12所示，作为本发明的一种优选实施例，所述试样组件包括试样顶盖11、上透水石13、环刀14和下透水石18，所述上透水石13和下透水石18分别置于试样15的顶部和底部，且所述下透水石18放置于所述试样盒12内底部开设的放置槽中，所述环刀14套设于试样15的外侧，环刀14用于取样以及固结过程中的限位，即提供侧限条件，所述试样顶盖11设于上透水石13的顶部。

在一个实施例中，所述上透水石13的底部设有两段短小的棱（未示出），用于冷冻后的试样15沿着棱印掰开，可以一分为二。

在一个实施例中，所述试样顶盖11的顶部设有半球形凹槽，且半球形凹槽外侧的所述试样顶盖11上开设有透水孔，便于均匀传递荷载及消散孔隙水压力。具体的，优选将半球形凹槽设于试样顶盖11的顶部中间，透水孔优选周向均匀分布，提升传递荷载及消散孔隙水压力的效果。

如图1-图2、图9-图10所示，作为本发明的一种优选实施例，所述加载组件包括荷载片1、荷载片固定柱2、位移传感器3、传感器限位环4、荷载托盘5、加载杆6、加载杆限位环7和限位立柱16，所述底座17上固定有多根限位立柱16，所述荷载托盘5位于试样容置组件的上方，且荷载托盘5与多根限位立柱16均滑动连接，所述荷载托盘5的上侧设有荷载片1，荷载片1通过所述荷载片固定柱2进行限位，其中一根所述限位立柱16上还套设有传感器限位环4，且所述传感器限位环4能够沿着所述限位立柱16进行移动调节，传感器限位环4上固定有与所述荷载托盘5连接的位移传感器3，所述荷载托盘5的下侧固定有加载杆6，加载杆6从所述试样容置组件的密封盖9滑动穿过并能够抵接在试样顶盖11上，所述密封盖9上还设有用于对加载杆6锁紧和固定的加载杆限位环7，在未制样时，可避免加载杆6抵接在试样顶盖11上。另外，对于传感器限位环4和加载杆限位环7的结构不作限定，传感器限位环4可以锁紧在限位立柱16上即可，加载杆限位环7可以使得加载杆6无法相对密封盖9滑动即可，可以参照现有技术采用套环和螺栓组合结构，不作赘述。

在一个实施例中，所述限位立柱16于试样容置组件的外侧周向均匀分布有四根，对应在荷载托盘5开设四个孔即可，限位立柱16从荷载托盘5的孔穿过，保证其对荷载托盘5的限位与支撑效果，防止加载发生偏移。

在一个实施例中，所述加载杆6的下端呈半球形，且所述加载杆6的下端能够与所述试样顶盖11顶部的半球形凹槽抵接，此设计能够使得荷载传递更加均匀和有效。

在一个实施例中，所述荷载片1从下到上尺寸依次递减，且所述荷载片1与所述试样顶盖11竖直对应，荷载片1优选采用圆盘状结构；所述荷载片固定柱2固定于荷载托盘5上，且所述荷载片1套设于荷载片固定柱2上，实现对于荷载片1的有效限位。所述加载杆6与所述荷载片固定柱2竖直对应，提升整体的加载均匀性。

如图1-图2所示，作为本发明的一种优选实施例，所述冷冻组件包括液氮罐19、真空过滤罐20、真空泵21、液氮输入管22、连接管23和真空管24，所述液氮罐19通过液氮输入管22与所述试样盒12的内侧下部连接，所述真空过滤罐20通过连接管23与所述试样盒12的内侧上部连接，所述真空泵21还通过真空管24与所述真空过滤罐20连接。在应用时，配合密封盖9和试样盒12，可以使得冷冻时的液氮不会快速挥发，也可以维持液氮的低温状态；真空泵21的控制型号及电路连接不作具体限定，在实际应用时可灵活设置，涉及到的电路、电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无须赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。

在一个实施例中，所述液氮输入管22上设有第一阀门25，液氮输入管22从密封盖9一侧的通气孔10伸入到试样盒12的内侧下部，且液氮输入管22与密封盖9密封连接；所述连接管23上设有第二阀门26，连接管23的一端与真空过滤罐20的内侧下部连接，连接管23的另一端从密封盖9另一侧的通气孔10伸入到试样盒12的内侧上部，且连接管23与密封盖9密封连接；所述真空管24上设有第三阀门27，真空管24远离真空泵21的一端与所述真空过滤罐20的内侧上部连接。

如图1-图12所示，本发明的一个实施例还提供了一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、将制备好的粘土样母体去掉上下扰动面，用环刀14在核心区域取样后，在试样15底部安装下透水石18，在试样15顶部安装上透水石13，并放置在试样盒12的放置槽内；其中，环刀14取样的建议尺寸为：直径20mm，厚度10mm。此处为考虑便于SEM和MIP试验的示例尺寸；

步骤2、将试样盒12放置在底座17的卡槽上后，向试样盒12内加入适量的水，保持试样15处于饱和状态；

步骤3、依次安装试样顶盖11和密封盖9，并拧紧固定螺栓8；

步骤4、安装加载组件，将荷载托盘5滑动套设在限位立柱16上，且通过加载杆限位环7固定加载杆6，以防止试验前对试样15进行加载；

步骤5、制样时，松开加载杆限位环7，加载杆6缓慢接触试样顶盖11，位移传感器3读数清零，随后在荷载托盘5上加装预设重量的荷载片1，开始试样15的固结，固结过程中观察试样盒12内水量情况以及位移传感器3读数，并作记录；

步骤6、固结完成后，排掉试样盒12内的水，将密封盖9一侧的通气孔10通过液氮输入管22连接液氮罐19，另一侧的通气孔10通过连接管23连接真空过滤罐20，且真空过滤罐20通过真空管24连接真空泵21，启动真空泵21，并打开第一阀门25、第二阀门26和第三阀门27，液氮会在负压的作用下进入试样盒12内；

步骤7、待试样盒12内液氮达到所需体积（根据试样盒12容积大小灵活调整即可，不作限定）后，关闭所有阀门以及真空泵21，试样盒12及密封盖9能维持液氮低温状态，同时断开真空泵21与真空过滤罐20的连接，保持管路通畅，避免因液氮吸热和气化导致试验装置内气压过大，不会对试验装置及实验人员造成伤害；

步骤8、试样15冷冻结束后，连接真空泵21与真空过滤罐20，启动真空泵21，并打开第二阀门26和第三阀门27，排掉试样盒12内的剩余液氮，此时的试样15已完成冷冻；

步骤9、卸掉荷载片1，提升加载杆6，拆除试样顶盖11并将试样15取出，由于试样15的上透水石13底部设有两段短小的棱，冷冻后的粘土试样15上会有对应的两个凹痕，大拇指按在粘土试样15凹痕的两侧，将试样15掰成两半；

步骤10、对其中一半试样15进行喷金及抽真空处理，并通过导电胶带固定至试样架上，满足测试要求后可进行SEM试验，另一半试样15可直接用于MIP试验；

步骤11、随后可对SEM和MIP试验数据进行分析，得到试验应力状态下土样的微观结构特征。

本发明上述实施例中提供了一种锁定应力状态的粘土微观试验制样装置及其使用方法，制备的微观观测样品可以锁定试样15的应力状态，固结后的试样15直接在装置内进行冷冻烘干，不会因为在冷冻烘干前切分土样而扰动土样微观结构，便于分析一维固结压力下试样15的孔径和微观组构特征，避免因固结压力卸载导致粘土样品孔隙发生改变，从而对微观组构分析造成的影响，使试验结果更加准确可靠；试样一分为二，便于后续MIP（压汞法）和SEM（扫描电子显微镜）分析试验的同时开展，从而保证研究对象的均匀和一致，得到试验应力状态下更加真实的微观结构及参数，利于更好地进行微观结构数据的对比与分析，大幅增加试验的精确度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。