CN100570320C - 原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器 - Google Patents

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本发明公开了一种原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器。它具有护筒,护筒上端设有刃口,护筒下端通过护筒底托-护筒定位螺丝与拆卸式护筒底托相连接,拆卸式护筒底托上方设有拆卸式盛土托,拆卸式盛土托上设有释压孔,护筒中间设有主钻头,主钻头由螺旋钻头、内缘刀锋组成,并与钻杆连接,钻杆穿过拆卸式盛土托、拆卸式护筒底托,并分别通过盛土托-钻杆定位螺丝、护筒底托-钻杆定位螺丝固定,拆卸式刀锋片由外缘刀锋、水平刀锋组成,并通过刀锋定位螺丝与主钻头刚性连接。护筒为圆筒形。该切取器能成功制备原状软粘土空心圆柱试样,切割过程中对试样产生的扰动、挤土影响均很小,为复杂应力条件下原状软粘土的试验研究提供了设备保证。

Description

原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器
技术领域
本发明涉及一种原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器。
背景技术
将土塑成空心圆柱形试样,为实验室内模拟土体在复杂应力路径条件下的受力状态、开展相关的性状研究提供了可能。然而国内外针对原状粘土空心圆柱试样开展的实验研究较少,其中一个重要原因是针对粘土试样内芯的切取尚无适用于各种土质的“万能”技术。就原理上而言对原状粘土试样的取芯方法主要有机械式和电渗式两种。机械式取芯法以英国帝国理工学院的研究成果为代表,应用对象是强度很高的伦敦超固结粘土,其法利用7个直径不同的钻刀,从小到大依次对试样进行取芯,通过渐进式的修正来实现期望空心内径的规格。电渗式取芯法以以色列科学技术研究所的研究成果为代表,针对粘土土质为天然含水量高达80%~100%,液限85%~90%,塑限32~36%的高灵敏性软土,试样规格为高12cm×外直径7cm×内直径5cm。采用电渗法来对此类土进行制样的原理是:对试样施加直流电源正负两极,利用电势降使试样中的水从正极流向负极,这种流动过程由于粘土的渗透性低而并不显著影响试样的含水量,却可以在负极产生润滑作用。当切割试样内芯的时候,把一根由探针引导穿过试样正中的电线连上负极,利用张紧的电线切割内壁,如此内芯与试样孔壁在润滑作用下较易分离,对试样的扰动也小。
然而上述两种方法都不能直接适用于我国东南沿海地区的用以克服尺寸效应和端部效应的大规格尺寸软粘土试样制备(通常试样高度在20cm以上)。实践操作发现,对大尺寸软粘土试样,机械式分步钻杆取芯法有以下不足:1)分步钻杆取芯,使试样在第一次小孔取芯后就失了可以对位的孔心,即意味着钻杆在后续钻孔过程中缺少了着力支撑点,这对于软粘土而言,容易导致无法保持取芯面的垂直推进,而造成偏孔;2)分步多次成孔法增加了对试样扰动的概率;3)更关键的问题是单一采用钻刀取土,由于软粘土的粘性较大,被切割下来的孔芯土屑不会在重力作用下脱落,而是二次粘附于内壁,与孔壁土附着阻碍钻孔进行。一旦钻刀对残留有附着土屑的孔壁进行作业,土屑与孔壁土将搅成一体,试样将受到很大扰动,甚至破坏。
而电渗式制样法的不足主要是:1)对我国东南沿海地区软粘土试样而言,很多土的含水量还远未达到可以使用该法的程度,即在通电渗流时,较难产生理想的润滑效果;2)电渗法要求在取芯的过程中用以切割内芯的电线在整个孔芯高度内均必须保持悬垂张紧状态。然而通过实际操作发现,电线只能在试样尺寸较小(通常高度小于15cm),且内芯与孔壁阻力很小时才能完全张紧,而对于高度较长而电渗效果也较弱的试样而言,在张拉过程中,电线在试样的中部段实际上是呈曲张状态,由此纵然切割试样,也很难保证试样内壁的标准形状。
针对上述问题,基于我国东南沿海地区软粘土特性,依据机械式原理,设计了一种原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器来完成原状软粘土试样的取芯。
发明内容
本发明的目的是提供一种原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器。
原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器具有护筒,护筒上端设有刃口,护筒下端通过护筒底托-护筒定位螺丝和护筒-护筒底托连接螺孔与拆卸式护筒底托相连接,拆卸式护筒底托上方设有拆卸式盛土托,拆卸式盛土托上设有释压孔,护筒中间设有主钻头,主钻头由螺旋钻头、内缘刀锋组成,并与钻杆连接,钻杆穿过拆卸式盛土托、拆卸式护筒底托并分别通过盛土托-钻杆定位螺丝、护筒底托-钻杆定位螺丝固定,拆卸式刀锋片由外缘刀锋、水平刀锋组成,并通过刀锋定位螺丝与主钻头刚性连接。护筒为圆筒形。
本发明具有的有益效果
本内芯切取器部件中螺旋钻头与试样底部中心点接触,便于确定取芯圆心位置;拆卸式刀锋片的活动构造以及特殊的内、外缘及水平刀锋特征便于依据孔径要求将土屑与试样内壁分割;而护筒的配置,能够隔离土屑,避免土屑与孔壁的二次粘附;筒口做成环刀刃口状,减少推进阻力;拆卸式的筒底构造,便于清理土屑;释压孔的设置可以减少取芯时地推进阻力。总而言之,本切取器的发明能成功完成原状软粘土空心圆柱试样的内芯切取工作,取芯过程对土产生的扰动、挤土效应均很小,解决了原状软粘土空心圆柱试样制备的核心难题,为试验室内开展包含主应力轴旋转在内的多种复杂应力条件下原状软粘土的性状研究提供了十分重要的设备保证。
附图说明
图1是本发明的整体结构平面图;
图2(a)是本发明的护筒的平面图;
图2(b)是本发明的护筒的剖面图;
图3(a)是本发明的主钻头的平面图;
图3(b)是本发明的钻杆的平面图;
图3(c)是本发明的拆卸式刀锋片的平面图;
图4(a)是本发明的拆卸式护筒底托的平面图;
图4(b)是本发明的拆卸式护筒底托的剖面图;
图5(a)是本发明的拆卸式盛土托的平面图;
图5(b)是本发明的拆卸式盛土托的剖面图;
图6是原状软粘土空心试样内芯切取过程示意图。
图中:主钻头1、拆卸式刀锋片2、刀锋定位螺丝3、护筒4、拆卸式盛土托5、盛土托-钻杆定位螺丝6、拆卸式护筒底托7、护筒底托-护筒定位螺丝8、护筒底托-钻杆定位螺丝9、钻杆10、螺旋钻头11、内缘刀锋12、外缘刀锋13、水平刀锋14、刃口15、释压孔16、护筒-护筒底托连接螺孔17、支撑定位杆18、主动转盘19、从动转盘20、不锈钢软箍21、两瓣式钢膜22、两瓣式卡位护环23、原状试样24、内芯切取器定位板25。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5、6所示,原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器具有护筒4,护筒4上端设有刃口15,护筒4下端通过护筒底托-护筒定位螺丝8和护筒-护筒底托连接螺孔17与拆卸式护筒底托7相连接,拆卸式护筒底托7上方设有拆卸式盛土托5,拆卸式盛土托5上设有释压孔16,护筒4中间设有主钻头1,主钻头1由螺旋钻头11、内缘刀锋12组成,并与钻杆10连接,钻杆10穿过拆卸式盛土托5、拆卸式护筒底托7并分别通过盛土托-钻杆定位螺丝6、护筒底托-钻杆定位螺丝9固定,拆卸式刀锋片2由外缘刀锋13、水平刀锋14组成,并通过刀锋定位螺丝3与主钻头1刚性连接。所述的护筒4为圆筒形。
本发明使用时:
(1)将拆卸式刀锋片2通过刀锋定位螺丝3与主钻头1刚性连接,连接时调节拆卸式刀锋片2与主钻头1的相对位置,使外缘刀锋13到主钻头1中心点的垂直距离小于护筒内壁半径0.5mm左右。
(2)将主钻头1与钻杆10刚性连接,之后将拆卸式盛土托5、护筒4、护筒底托7自下而上依次穿过钻杆10。
(3)通过护筒底托-护筒定位螺丝8和护筒-护筒底托连接螺孔17使护筒4与拆卸式护筒底托7刚性连接。
(4)将拆卸式盛土托5通过盛土托-钻杆定位螺丝6与钻杆10刚性连接。连接时拆卸式盛土托5与钻杆10的相对位置根据土质软硬程度调节:将拆卸式盛土托5与护筒底托7接触,当土质较软时,此时护筒刃口15边沿应略高于外缘刀锋13,反之则使外缘刀锋13略高于护筒刃口15。
(5)当拆卸式盛土托5与护筒底托7接触时,通过护筒底托-钻杆定位螺丝9将拆卸式护筒底托7与钻杆10刚性连接。
(6)将拼装完毕的内芯切取器安放与内芯切取器定位板25上。
(7)将原状试样24安放在制样台的主动转盘19与从动转盘20之间,进行原状试样24的外壁切割,待外壁成形后,在从动转盘20上放置卡位护环23,并在卡位护环23上安放两瓣式钢膜22合拢试样,采用不锈钢软箍21箍紧。
(8)对护筒4外壁以及螺旋钻头11、内缘刀锋12、外缘刀锋13、水平刀锋14、护筒刃口15涂抹凡士林,垂直推进钻杆4,使螺旋钻头11与原状试样24底部接触,之后采用螺旋推进姿势转杆取芯。
(9)对软粘土试样的每次旋切取芯深度不宜大于2cm。每次旋入后,将钻杆10反向旋出,旋松护筒底托-钻杆定位螺丝9,将钻杆10推上,使拆卸式盛土托5高于护筒刃口15,淘挖护筒内积土,清理完毕后,将钻杆10复位,通过护筒底托-钻杆定位螺丝9与护筒底托7旋紧,重复取芯工作。
(10)利用钻杆10进入试样内芯的深度来量测取芯深度,若取芯深度已超过试样标准高度的20mm时,则停止钻孔取芯。
(11)卸除不锈钢软箍21和两瓣式钢膜22,将试样取下,放入与空心试样高度与外径规格一致承膜筒,将试样上下端部削平,原状软粘土空心试样就制备完成。

Claims (2)

1.一种原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器,其特征在于具有护筒(4),护筒(4)上端设有刃口(15),护筒(4)下端通过护筒底托护筒定位螺丝(8)和护筒护筒底托连接螺孔(17)与拆卸式护筒底托(7)相连接,拆卸式护筒底托(7)上方设有拆卸式盛土托(5),拆卸式盛土托5上设有释压孔(16),护筒(4)中间设有主钻头(1),主钻头(1)由螺旋钻头(11)、内缘刀锋(12)组成,并与钻杆(10)连接,钻杆(10)穿过拆卸式盛土托(5)、拆卸式护筒底托(7),并分别通过盛土托钻杆定位螺丝(6)、护筒底托钻杆定位螺丝(9)固定,拆卸式刀锋片(2)由外缘刀锋(13)、水平刀锋(14)组成,并通过刀锋定位螺丝(3)与主钻头(1)刚性连接。
2.根据权利要求1所述的一种原状软粘土空心圆柱试样内芯切取器,其特征在于所述的护筒(4)为圆筒形。
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