CN102854046B - 一种制备环刀原状土试样的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备环刀原状土试样的装置及方法，该装置包括工作台、支撑柱、土样下垫板、传力架、压头、杠杆、弹簧卡子及其它常用制备土样的工具，材质选用钢、铝、合金等均可。使用本发明的装置和方法可实现在不完全打开样品盒的条件下制备环刀原状试样，有效降低了试样制备过程中土样品遭破坏的机会，对黄土、裂隙黏土等容易碎裂的土样，均能制备出高质量的环刀试样，制样成功率高，废品率低。对于粘聚力很低的砂土，也能用普通的取土器采取原状砂土样品，进而制备成环刀原状砂土试样。

Description

一种制备环刀原状土试样的装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程勘察领域，尤其是一种用于制备环刀原状土试样的装置及方法。

背景技术

目前工程勘察土工试验在钻探现场采取原状土样品，原状土样品送到试验室后，首先要打开样品盒，然后根据试验需要用环刀制备原状土试样进行土的物理或力学性质试验。这种制备环刀原状土试样的方法存在以下缺点：

1.对于结构强度低、具有竖向裂隙的新黄土，打开样品盒后，土样会出现竖向开裂，造成样品被破坏而报废；对于开缝式样品盒，黏性较大的黏土样品，土样粘在样品盒壁上，开盒后，样品容易开裂而报废，而多次取样会造成较大的经济支出。

2.对于粘聚力很小的砂土，由于样品盒打开后，砂土很容易散开，因此目前只能将环刀嵌于取砂器内，在现场直接采取环刀样品。由于取砂器内嵌环刀，且取砂器管靴的内径与环刀的内径相等，为厚壁取土器，因此土样周边扰动较大。并且取砂器作为砂土样品的包装盒连同砂样一起被送往试验室，因此取砂样较多时，需配备较多的取砂器。

3.制备环刀试样时，需要人力将环刀压入土样中，对于硬土样品，将环刀压入土中的阻力较大，制备环刀样品费力。

通过检索，尚未发现与本专利申请相关的公开专利文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种取样速度快、效果好，适合在试验室内制备环刀原状土样品的装置及方法，本装置适用于无缝圆管样品盒和开缝圆管样品盒包装的各类原状黏性土、粉土和砂土。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于制备环刀原状土试样的装置，其特征在于：包括工作台、支撑柱、土样下垫板、传力架、压头及杠杆，在工作台底板上安置支撑柱，在支撑柱上依次安置土样下垫板、带有土样品的圆筒样品盒、制备原状试样的环刀、传力架、压头和杠杆，该杠杆阻力臂一端与工作台的立柱铰接。

而且，还包括弹簧卡子，该弹簧卡子由一个开口圆环和两个手柄组成，手柄安装在开口圆环的开口端，弹簧卡子的开口圆环套装在样品盒的外侧；常态时卡子圆环内直径小于样品盒外直径，使用时将卡子胀开后卡子圆环内直径大于样品盒端盖外直径。

而且，工作台由底板和立柱构成，底板为一平面钢板，其上固装圆筒状槽，槽的内直径大于最粗样品盒的外直径，槽的深度低于样品盒的高度；位于圆筒状槽轴心的底板上同轴开有一圆形孔，该圆形孔的直径小于支撑柱的内直径；立柱垂直于底板，固装在底板一端，立柱上固装一组水平横梁呈格栅状，杠杆阻力臂铰装在水平横梁上。

而且，所述的支撑柱为圆筒状，其下端开口呈圆环形，该下端置放在工作台的圆筒状槽内；支撑柱的上端固装一平盖，该平盖的中心同轴开有一圆孔，支撑柱高度高于样品盒的高度，支撑柱的外直径小于样品盒的内直径。

而且，所述的土样下垫板为一平面圆板，该圆板直径小于样品盒内直径，圆板下端面中心位置同轴固装一实心圆柱，该圆柱直径小于支撑柱平盖中心的圆孔直径，圆柱端部制成弧形，该圆柱插装在支撑柱平盖中心圆孔内。

而且，所述传力架由顶板、肋板和两个圆环组成，顶板为圆形平板，顶板和两个圆环同轴设置，肋板呈放射状，肋板的上端均固装在顶板上，且肋板的上端突出于顶板上表面，圆环安装在肋板上，传力架整体呈圆台状；肋板有带台阶和不带台阶两种，其间隔布置；下圆环的内直径大于样品盒的外直径，上圆环置于肋板内侧或外侧，上圆环置于肋板内侧时为环刀状，其内直径大于取土环刀外直径，上圆环的下端为外斜刃口。

而且，所述压头呈圆台状，圆台下端圆平面直径小于传力架顶板直径，压头上端为圆球状。

而且，所述杠杆阻力臂一端上表面横向设计一条槽，该横向条槽的断面呈弧形，该横向条槽用于与工作台立柱上的水平横梁铰接；杠杆的下底面纵向设计一条槽，杠杆通过纵向条槽与压头的圆球顶端相配合。

一种制备环刀原状土试样的方法，其特征在于：

(1).样品盒下端朝上，打开样品盒下端盖，将土样下垫板的平面与土样的下端面吻合在一起，用手托着土样下垫板，将土样连同土样下垫板倒转，使土样下垫板的圆柱插装在支撑柱平盖的圆孔内，从而使样品盒置于支撑柱上，打开样品盒的上端盖；

(2).将制备试样的环刀置于土样的上端面中心位置；

(3).安放传力架，使下圆环套住样品盒，上圆环套住环刀；对于上圆环在肋板外侧的情况，用台阶限位环刀；

(4).安置压头和杠杆，用手下压杠杆动力臂的端部，压力通过压头、传力架，推动制备土样环刀和样品盒同步下行，完成环刀试样的压入；

(5).环刀压入土中达到要求后，顺序移去杠杆、压头和传力架，修平环刀上端的试样平面，盖上小玻璃片；

(6).环刀下端与样品盒的上端有适当的高差，用适当大的平刀将带有试样的环刀铲出，环刀上端盖紧玻璃片，将环刀反转过来，下端朝上，修整环刀下端面试样；至此，一个环刀试样制备完成；

(7).修整样品盒上端土样的端面，重复上述步骤(2)至步骤(7)，继续制备下一个环刀试样。

而且，对于开缝样品盒，在进行步骤(1)之前需要先将两个弹簧卡子套装在样品盒上。

本发明的优点和积极效果是：

1.本装置主要由工作台、支撑柱、土样下垫板、传力架、压头、杠杆及弹簧卡子构成，用手通过对杠杆动力臂加压，传力架可对环刀和样品盒施加向下的压力，即可完成原状土取样。由于制备环刀原状土试样过程中不需要完全打开样品盒，因此有效降低了试样制备过程中土样品遭破坏的机会，对黄土、裂隙黏土等容易碎裂的土样，均能制备出高质量的环刀试样，制样速度快，成功率高，废品率低，取样成本低。

2.对于粘聚力很低的砂土，也能用普通的取土器采取原状砂土样品，进而制备成环刀原状砂土试样，这样钻探现场就不需要配备专用取砂器，方便钻探。同时用普通取土器取得的原状砂土样品的直径大于环刀直径，减轻了土样径向边缘扰动引起的质量问题。

3.对于坚硬的粘性土，可通过调整杠杆的动力臂长度，使得环刀压入土样更容易，取样过程省时省力。

4.对于软土采用薄壁无缝管取样的情况，可减轻软土从无缝土样管推出到制备环刀试样之间对土样的扰动。

5.传力架中的肋板有带台阶和不带台阶两种，间隔布置。其作用有三个，一是联接顶板和圆环，组成传力架的整体结构；二是传递上部所加的力，推动环刀和样品盒在制备样品过程中同步向下移动；三是通过其上端突出顶板上面，限位顶板上部的压头。下部大圆环的内直径略大于样品盒的外直径，起到传力架与土样的定位作用。对于新黄土、软土等上部圆环置于肋板内侧，为环刀状，其内直径略大于取土环刀外直径，下端为外斜刃口，在制备土样过程中，传力架上的刃口高度略高于取土环刀的刃口高度，这个圆环有两个作用，一是定位取土环刀，使取土环刀位于土样中心位置；二是切削取土环刀外部的多余土。对于硬土上部圆环置于肋板外侧，仅起加固传力架结构的作用。

6.传力架中两个台阶之间的高度差为25mm，环刀的高度为20mm，这样制备环刀试样过程中，样品盒上沿始终略低于取土环刀的下沿，本例高差为5mm，这样既能保证顺利起出制备好的试样，又能保证土样不裂、不散。

7.本发明是一种用于制备环刀原状土试样的装置及方法，本装置为工具式，其单件轻巧、制造容易、操作方便、使用省力，使用本装置及方法可以在不完全打开样品盒的条件下制备环刀原状试样，从而起到提高取样效率、改善取样效果、提高取样成功率、减轻土样径向边缘扰动等作用。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为工作台的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4为支撑柱的剖面图；

图5为土样下垫板的剖面图；

图6为传力架的结构图；

图7为图6的A-A向剖视图；

图8为压头的主视图；

图9为杠杆的主视图；

图10为图9的俯视图；

图11为图10的B-B向剖视图；

图12为弹簧卡子的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种用于制备环刀原状土试样的装置，包括工作台1、支撑柱2、土样下垫板3、传力架4、压头5、杠杆6、弹簧卡子7和其它常用制备土样的其它工具，材质选用钢、铝、合金等均可。在工作台底板上安置支撑柱，在支撑柱上依次安置土样下垫板、带有土样品10的圆筒样品盒9、制备原状试样的环刀8、传力架、压头和杠杆，该杠杆阻力臂一端与工作台的立柱铰接。其具体结构及连接关系为：

工作台由底板11和立柱12构成。底板为一厚度为5mm的平面钢板，其上安装有圆筒状槽13，圆筒状槽可以为一个，也可以为同轴设置的多个，圆筒状槽可以焊接在底板上，也可以采用螺纹啮合方式安装在底板上。最大槽的内直径略大于最粗样品盒的外直径，槽的深度略低于样品盒的高度，制备试样过程中，样品盒嵌于圆筒状槽内，圆筒状槽起到稳固土样的作用；对于小直径土样，可在圆筒状槽内加放内直径略大于样品盒的套筒，以便稳固土样品。位于圆筒状槽轴心的底板上同轴开有一圆形孔14，圆形孔的直径小于支撑柱的内直径。立柱垂直于底板，固装在底板的一端，立柱由10号槽钢制成，在槽钢两翼板间焊装一组水平横梁15呈格栅状，横梁由直径16mm的圆钢制成，杠杆阻力臂铰装在水平横梁上。圆筒状槽的作用是将土样定位在工作台上的适当位置。圆形孔的作用是将散落下来的废土屑清理到底板以下，孔下面可以放置一个盘子盛废土屑，这样便于清理圆筒状槽里的废土屑。立柱上的横梁是杠杆阻力臂的铰接点，设置一组横梁可根据土样高度选择适宜的位置使用，本例横梁间距为35mm。

支撑柱为圆筒状，其下端开口呈圆环形，该下端置放在工作台的圆筒状槽内；支撑柱上端固装平盖，平盖的中心同轴开有一圆孔16。当圆筒状槽内有土屑时，用手旋转并下压下端呈环形开口的支撑柱，这样很容易将支撑柱平稳地置于圆筒状槽内。上端盖上的圆孔与土样下垫板上的圆柱17呈滑动配合，以便将土样定位在支撑柱的中心。支撑柱高度略高于样品盒的高度，支撑柱外直径略小于土样的直径。

土样下垫板为一平面圆板，圆板直径小于样品盒内直径1~4mm，软土、砂土等容易从垫板与样品盒之间空隙漏土屑的取小值，黄土、硬土取大值。圆板用4mm厚的钢板。圆板下端面中心位置，同轴固装一实心圆柱，该圆柱直径略小于支撑柱平盖中心的圆孔的直径，该圆柱插装在圆孔内，二者滑动配合，圆柱端部制成弧形。

传力架由顶板19、肋板20、上圆环21和下圆环22组成，顶板为圆形平板，顶板和两个圆环同轴设置，肋板呈放射状，本例有六个肋板，均匀对称布置，肋板的上端均焊接在顶板上，圆环焊接在肋板上，整体呈圆台状。肋板有带台阶23和不带台阶两种，其间隔布置，本例有三个肋板带台阶，不带台阶肋板的作用有两个，一是联接顶板和圆环，组成传力架的整体结构；二是通过其上端18突出顶板上面，限位顶板上部的压头。带台阶的肋板除上述两个作用外，还有传递上部所加的力、推动环刀和样品盒在制备样品过程中同步向下移动的作用。下部大圆环的内直径略大于样品盒的外直径，起到传力架与样品盒的配合定位作用。对于新黄土、软土等上圆环置于肋板内侧，为环刀状，其内直径略大于取土环刀的外直径，下端为外斜刃口，在制备土样过程中，上圆环的刃口高度略高于取土环刀的刃口高度，本例高差为5mm，上圆环有两个作用，一是平面定位取土环刀，使取土环刀位于土样的中心位置；二是切削取土环刀外部的多余土。对于硬土上圆环置于肋板外侧，仅起加固传力架结构的作用。本例中两个台阶之间的高度差为25mm，环刀的高度为20mm，这样制备环刀试样过程中，样品盒上沿始终略低于取土环刀的下沿，本例高差为5mm，这样既能保证顺利起出制备好的试样，又能保证土样不裂、不散。

压头呈圆台状，圆台下端圆平面直径略小于传力架顶板直径，压头上端为圆球状，以便垂直向下传力。

杠杆一端的上面横向设一条槽24，该横向条槽的断面呈弧形，以便与工作台立柱上的横梁配合。杠杆下面纵向设一条槽25，杠杆通过纵向条槽与压头的圆球顶端相配合，杠杆与压头形成沿杠杆方向滑动连接，垂直杠杆方向为铰接。

弹簧卡子专用于开缝的样品盒，卡子由一个开口圆环和两个手柄组成，在开口圆环的开口端安装手柄，弹簧卡子的开口圆环套装在样品盒的外侧。常态卡子内直径小于样品盒外直径，使用时先将卡子胀开，胀开后卡子圆环内直径略大于样品盒端盖外直径，以便顺利将卡子套在样品盒外，卡子为相同的两个，样品盒两端各设一个弹簧卡子，其作用是径向收紧开缝样品盒，在去掉样品盒端盖后，开缝土样筒不胀开，保持土样的原状，使用时弹簧卡子的开口部位尽量避开样品盒的开缝处。

制备环刀原状土试样的方法是：

(1).对于开缝样品盒，先将两个弹簧卡子7套装在样品盒9上。若采用不开缝样品盒，则省略此步骤。

(2).样品盒下端朝上，打开样品盒下端盖，将土样下垫板3的平面与土样10的下端面吻合在一起，用手托着土样下垫板3，将土样连同土样下垫板3倒转，使土样下垫板的圆柱插装在支撑柱平盖的圆孔16内，从而使样品盒置于支撑柱2上，打开样品盒的上端盖。

(3).将制备试样的环刀8置于土样10的上端面中心位置。

(4).安放传力架4，使下圆环22套住样品盒9，上圆环21套住环刀8；对于上圆环21在肋板外侧的情况，用台阶23限位环刀8。

(5).安置压头5和杠杆6，用手下压杠杆动力臂的端部，压力通过压头5、传力架4，推动制备土样环刀8和样品盒9同步下行，完成环刀试样的压入。本例传力架4有三个肋板设有传力台阶23，三个台阶均匀分布，使得作用在环刀8和样品盒9上的压力均匀、稳定。

(6).环刀8压入土中达到要求后，顺序移去杠杆6、压头5和传力架4，修平环刀8上端的试样平面，盖上小玻璃片。

(7).环刀8下端与样品盒9的上端有适当的高差，本例为5mm，用适当大的平刀将带有试样的环刀8铲出，环刀8上端盖紧玻璃片，将环刀8反转过来，下端朝上，修整环刀下端面试样。至此，一个环刀试样制备完成。

(8).修整样品盒9上端土样10的端面，重复上述步骤(3)至步骤(8)，继续制备下一个环刀试样。

Claims (8)

1.一种用于制备环刀原状土试样的装置，其特征在于：包括工作台、支撑柱、土样下垫板、传力架、压头及杠杆阻力臂，在工作台底板上安置支撑柱，在支撑柱上依次安置土样下垫板、带有土样品的圆筒样品盒、制备原状试样的环刀、传力架、压头和杠杆阻力臂，该杠杆阻力臂一端与工作台的立柱铰接，所述传力架由顶板、肋板、上圆环和下圆环组成，顶板为圆形平板，顶板和两个圆环同轴设置，肋板呈放射状，肋板的上端均固装在顶板上，且肋板的上端突出于顶板上表面，上圆环和下圆环均安装在肋板上，传力架整体呈圆台状；肋板有带台阶和不带台阶两种，其间隔布置；下圆环的内直径大于样品盒的外直径，上圆环置于肋板内侧或外侧，上圆环置于肋板内侧时为环刀状，其内直径大于取土环刀外直径，上圆环的下端为外斜刃口；所述压头呈圆台状，圆台下端圆平面直径小于传力架顶板直径，压头上端为圆球状。

2.根据权利要求1所述的用于制备环刀原状土试样的装置，其特征在于：还包括弹簧卡子，该弹簧卡子由一个开口圆环和两个手柄组成，手柄安装在开口圆环的开口端，弹簧卡子的开口圆环套装在样品盒的外侧；常态时弹簧卡子圆环内直径小于样品盒外直径，使用时将弹簧卡子胀开后弹簧卡子圆环内直径大于样品盒端盖外直径。

3.根据权利要求1所述的用于制备环刀原状土试样的装置，其特征在于：工作台由底板和立柱构成，底板为一平面钢板，其上固装圆筒状槽，圆筒状槽的内直径大于最粗样品盒的外直径，圆筒状槽的深度低于样品盒的高度；位于圆筒状槽轴心的底板上同轴开有一圆形孔，该圆形孔的直径小于支撑柱的内直径；立柱垂直于底板，固装在底板一端，立柱上固装一组水平横梁呈格栅状，杠杆阻力臂铰装在水平横梁上。

4.根据权利要求1所述的用于制备环刀原状土试样的装置，其特征在于：所述的支撑柱为圆筒状，其下端开口呈圆环形，该下端置放在工作台的圆筒状槽内；支撑柱的上端固装一平盖，该平盖的中心同轴开有一圆孔，支撑柱高度高于样品盒的高度，支撑柱的外直径小于样品盒的内直径。

5.根据权利要求1所述的用于制备环刀原状土试样的装置，其特征在于：所述的土样下垫板为一平面圆板，该圆板直径小于样品盒内直径，圆板下端面中心位置同轴固装一实心圆柱，该圆柱直径小于支撑柱平盖中心的圆孔直径，圆柱端部制成弧形，该圆柱插装在支撑柱平盖中心圆孔内。

6.根据权利要求1所述的用于制备环刀原状土试样的装置，其特征在于：所述杠杆阻力臂一端上表面横向设计一条槽，该横向条槽的断面呈弧形，该横向条槽用于与工作台立柱上的水平横梁铰接；杠杆阻力臂的下底面纵向设计一条槽，杠杆阻力臂通过纵向条槽与压头的圆球顶端相配合。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述的环刀原状土试样的制备装置进行原状土试样的制备方法，其特征在于：

⑴.样品盒下端朝上，打开样品盒下端盖，将土样下垫板的平面与土样的下端面吻合在一起，用手托着土样下垫板，将土样连同土样下垫板倒转，使土样下垫板的圆柱插装在支撑柱平盖的圆孔内，从而使样品盒置于支撑柱上，打开样品盒的上端盖；

⑵.将制备试样的环刀置于土样的上端面中心位置；

⑶.安放传力架，使下圆环套住样品盒，上圆环套住环刀；对于上圆环在肋板外侧的情况，用台阶限位环刀；

⑷.安置压头和杠杆，用手下压杠杆动力臂的端部，压力通过压头、传力架，推动制备土样环刀和样品盒同步下行，完成环刀试样的压入；

⑸.环刀压入土中达到要求后，顺序移去杠杆、压头和传力架，修平环刀上端的试样平面，盖上小玻璃片；

⑹.环刀下端与样品盒的上端有适当的高差，用适当大的平刀将带有试样的环刀铲出，环刀上端盖紧玻璃片，将环刀反转过来，下端朝上，修整环刀下端面试样；至此，一个环刀试样制备完成；

⑺.修整样品盒上端土样的端面；

⑻.重复上述步骤⑵至步骤⑺，继续制备下一个环刀试样。

8.根据权利要求7所述的用于制备环刀原状土试样的方法，其特征在于：对于开缝样品盒，在进行步骤⑴之前需要先将两个弹簧卡子套装在样品盒上。