CN107367412B - 适用于土工试验标准试样的制样和取样组合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于土工试验标准试样的制样和取样组合装置及方法，本发明采用“螺旋动力推进，顶板均力推出”的设计指导原理，利用结构简单的零部件制备了一种高效快速的制样装置。其构造特征是：薄壁取土器的一端为顶端带刃的薄壁，便于薄壁取土器压入地层。薄壁取土器内部垫有圆形顶土板，螺旋推动杆穿过荷载台内丝孔和取样板中心孔后可与顶土板接触，并通过转动螺旋推动杆的方式将薄壁取土器内的土样顶出。在土样下降一定距离后利用割样刀对土体进行切割进而得到土工试样的标准试样。针对不同地层的土体对象，本发明均能够快速高效制备标准土样，以便用于土工试验。制备的标准试样尺度精确，切面光滑，与原始土体差异性较小。

Description

适用于土工试验标准试样的制样和取样组合装置及方法

技术领域

本发明公开了一种土体制样装置，涉及土木工程领域，尤其适用土木工程试验如三轴抗压试验、无侧限单轴抗压试验等标准样品的制备。

背景技术

在土木工程试验中，通过采取标准土样来完成对土质性能的研究是最为常见的一种方法，多采用环刀法来完成土样采取工作。环刀法虽然具有操作简单的优点，但其取土时还存在以下缺点：1、环刀法采用手压或锤击式的方式取样，降低了环刀压入特定深度土层的精准度，制备的土样长短不一，试样土体受到挤压密实度增大难以真实反映原始地层特性等缺陷；2、在对质地较硬土体的取样过程中，环刀内土样难以完整脱出，甚至脱出过程中对土样造成挤密和扰动等影响，土样完整性无法保证，影响实测数据的准确性。因此，土木工程试验中急需发明一种精确高效的土样制样装置，确保试验用土体样本的规范性。

在申请号为CN201520903220.5的专利中公开了一种便于采集不同深度土壤样品的手压式取土器，该取土器利用手压的方式精准采集田间不同深度的土壤样品，主要适用于农业生产技术领域，不适用于制备土工试验的标准试样。

在申请号为201520241999.9的专利中公开了一种由固定套管、锤击部位、施力部件、齿轮传力轴、推动活塞和薄壁取土器等部件组成的原状取土器。根据土样的软硬程度，该取土器可通过脚踏或锤击的方式切入土体中。该取土器能够快速、平稳的采集扰动小的原状土，但对取样深度控制精准度无法保证，制备试样不是标准试样，试样还需后续精细化加工处理。

在申请号为201510883468.4的专利中公开了一种由底座、取土动力装置、脱土动力装置、筒套和可旋转滑动安装于所述脱土动力装置的输出端上的推杆等部件组成的取土装置。该取土装置通过电动机提供动力、主动-从动锥齿轮传递动力、筒套受力压入土层和推杆推出土样四部分协调作业。该取土装置主要是用于地质勘探领域，多用于对不同土质结构的取样研究，但用该装置取得的土体不是标准试样，无法直接用于试验。

发明内容

为了解决已有取土方法难以实现较硬土体取样以及对试样造成挤压和整体损伤的问题，本发明提供一种方便快捷的土体制样装置。该制样装置构造简单，在保证试样完整性的前提下快速制备出适用土工试验的标准试样，显著提高了试验效率。

本发明解决其应用问题所采用的技术方案是：

一种制土样和取样组合装置，包括相互配合使用的薄壁取土器、顶土板、荷载盖、取样板、螺旋推动杆和主体支架；所述的主体支架包括一个承载台，所述承载台的圆周方向上设有多个支撑杆，每个支撑杆的末端安装有锚固装置；在所述的承载台的下方设有与支撑杆相连的取样板，在所述的取样板中部设有一个割样刀；所述螺旋推动杆穿过承载台、取样板以及载荷盖后与顶土板相连，所述的载荷盖卡装在所述取土器外圈的顶部；且所述的顶土板在螺旋推动杆的推动下沿着所述的取土器内壁上下滑动。

进一步的，所述的薄壁取土器主要是筒状结构的本体，所述的本体的两端敞口，其中插入到土体的一端设计成圆刃结构。

进一步的，所述的顶土板包括一个盘状结构的本体，在所述的本体的端面上预留有一个圆孔。

进一步的，所述的荷载盖是一个传递螺旋推动杆顶力的形状似“n”的钢铁片，在所述的荷载盖顶部有一深槽，供螺旋推动杆穿过，在所述的荷载盖下端两侧有一对称的卡爪。

进一步的，所述的螺旋推动杆包括一个带有刻度的螺杆，在螺杆的一端与X型手柄相连，另一端与顶杆相连。

进一步的，所述的支撑杆包括三个，三个支撑杆在空间呈三角锥台型，上述的三条支撑杆末端均有一个锚固孔板，所述的支撑杆上端汇集于荷载台边缘。

进一步的，所述的螺纹推动杆的直径小于主体支架中取样板上的中心圆孔的直径。

进一步的，所述的取样板上中心圆孔的直径大于薄壁取土器的内径，小于薄壁取土器的外径。

进一步的，所述的主体支架上端的荷载台的螺纹孔与所述的螺杆进行螺纹配合。

进一步的，所述的顶土板的圆孔直径与螺旋推动杆顶杆的直径相等。

所述的薄壁取土器、顶土板、荷载盖、螺旋推动杆、主体支架组合在一起可实现对待测土体的制样作业，所述的顶土板与薄壁取土器同轴安装，且顶土板套装在薄壁取土器未带有环刃的内部，光滑平面朝向待作业土层；将带有顶土板的薄壁取土器安装在荷载盖下端带有卡爪的卡槽中，并将上述组装完后的薄壁取土器放置于待测土体上，带有环刃的一端朝下；制土时，利用锚栓将主体支架通过末端的锚孔固定在上述薄壁取土器的上方，将螺旋推动杆的杆顶穿过所述的主体支架上端荷载台中心的内丝螺纹孔、取样板中心孔与荷载盖上的深槽配合。

所述的薄壁取土器、顶土板、螺旋推动杆和主体支架组合在一起用于取土；所述的顶土板与薄壁取土器同轴安装，且顶土板套装在薄壁取土器未带有环刃的内部，光滑平面朝向待脱土样；所述的螺旋推动杆安装在主体支架的荷载板的外部，螺旋推动杆的顶杆穿过主体支架上的带有内丝的圆孔、取样板中心圆孔并卡装在顶土板的圆孔内，且螺旋推动杆的杆端与主体支架上端荷载板上的螺纹孔配合，实现对顶土板的推动。

利用上述装置进行制样的方法：首先将薄壁取土器安装在荷载盖下方的卡槽中，然后将顶土板缓缓滑入到薄壁取土器中，并将组装好的薄壁取土器放置于待测土体上，最后将主体支架固定在待测土样周围，将螺旋推动杆的杆端穿过主体支架上方的内丝螺纹孔旋转进薄壁取土器中的顶土板中，通过旋转螺旋推动杆的方式切入土体中，当薄壁取土器上端荷载盖的卡爪接触到土体时停止作业。

利用上述装置进行取样的方法：将薄壁取土器一侧的荷载盖拧下，将带有顶土板的薄壁取土器放置于主体支架中的荷载台和取样板之间，然后将螺旋推动杆穿过主体支架上端荷载台中的内丝螺纹孔旋入，待顶杆插入顶土板中央预留的圆孔时，缓慢旋转螺旋推动杆对压土片施力进而推动薄壁取土器中的土体缓缓下移，待推动杆下降一定距离后用位于取样板中部的割样刀对土样进行平面切割，最后旋转推动杆得到标准原状土样。

本发明的有益效果是，

在制样过程中，本装置通过转动推动杆缓慢施加荷载的方式将薄壁取土器压入待测土体，当薄壁取土器上端荷载盖的卡爪接触到土体时停止旋转，这在减少对土体的挤密作用的同时也保证了试样长度的精准性；在脱样过程中，利用螺旋推动杆上的刻度以及取样板中的割样刀等组件对薄壁取土器中多余的土体进行平面切割处理，随后转动推动杆使标准土样缓缓顶出，满足快速精确、对土体扰动小的工作要求。同时，制备的土样总体完整，整个制样流程操作简单、高效，制样装置制作简单，造价低廉，适合大规模推广应用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1.制样装置的制样结构示意图；

图2.制样装置的取样结构示意图；

图3.薄壁取土器的俯视图；

图4.薄壁取土器的左视图；

图5.顶土板的俯视图；

图6.顶土板的左视图；

图7.螺旋推动杆的俯视图；

图8螺旋推动杆的左视图；

图9荷载盖的俯视图；

图10荷载盖的左视图；

图11荷载台的俯视图；

图12荷载台的左视图；

图13割样板的俯视图；

图14割样板的左视图；

图15割样板结构示意图；

图中：1薄壁取土器，2顶土板，3螺旋推动杆，4荷载盖，5荷载台，6取样板，7割样刀，8支撑杆，9锚固孔板，1-1筒状结构的本体，2-1顶土板本体，2-2圆孔，3-1X型手柄，3-2螺杆，3-3顶杆，3-4刻度，4-1荷载板上深槽，4-2荷载板下凹槽，4-3卡爪。5-1螺纹孔，5-2荷载台主体，5-3荷载台与支撑杆的锚固点，6-1中心圆孔，6-2割样板间缝，6-3割样刀与取样板衔接点，6-4取样板与支撑杆的锚固点。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在以下缺点：1、环刀法采用手压或锤击式的方式取样，降低了环刀压入特定深度土层的精准度，制备的土样长短不一，试样土体受到挤压密实度增大难以真实反映原始地层特性等缺陷；2、在对质地较硬土体的取样过程中，环刀内土样难以完整脱出，甚至脱出过程中对土样造成挤密和扰动等影响，土样完整性无法保证，影响实测数据的准确性，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于土工试验标准试样的制样和取样组合装置及方法。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。下面将对实施例或者现有技术描述中所需要使用的附图做简单的说明。显而易见，下面将要描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示，表示的是制样时所采用的装置结构图，其包括制土装置的薄壁取土器1、顶土板2、荷载盖4、螺旋推动杆3和由荷载台5、取样板6、割样刀7、支撑杆8、锚固孔板9组成的主体支架，它们按图示依此相连组成了制土器的制土装置。

顶土板2与薄壁取土器1同轴安装，且顶土板2套装在薄壁取土器的未有环刃一端的内部，光滑面朝向待作业土体；所述的荷载盖4安装在薄壁取土器的没有环刃一端的外部，螺旋推动杆3的连杆穿过主体支架上端荷载台5上的螺纹孔和取样板6上的中心圆孔，缓缓旋入荷载板上方的深槽中。

如图2所示，表示的是脱样时所采用的装置结构图；其分别包括表示取土装置的薄壁取土器1、顶土板2、螺旋推动杆3和由荷载台5、取样板6、割样刀7、支撑杆8、锚固孔板9组成的主体支架，它们按图示依此相连组成了制土器取土装置。

顶土板2与薄壁取土器1同轴安装，且顶土板2套装在薄壁取土器的未有环刃端的内部，光滑平面朝向土体；将薄壁取土器1一侧的荷载盖4拧下，将带有顶土板2的薄壁取土器1放置于主体支架中的荷载台5和取样板6之间，保证荷载台的内丝螺孔、薄壁取土器和荷载台圆孔三者的圆心在同一条垂直线上，然后将螺旋推动杆3穿过主体支架上端荷载台5中的内丝螺纹孔旋入，穿过取样板6中间空孔后，待顶杆3-3插入顶土板2中央预留的圆孔2-2时，缓慢旋转螺旋推动杆3对顶土板2施力进而推动薄壁取土器1中的土体缓缓下移，待螺旋推动杆3下降29mm后，旋转割样刀7对土样进行平面切割，最后旋转螺旋推动杆3得到标准原状土样。

图3、4表示的是薄壁取土器的俯视图和左视图，其中薄壁取土器包括筒状结构的本体1-1，所述的本体的两端敞口，其中一端设计为刃口状1-2，便于薄壁取土器在螺旋压力的作用下压入土体；

薄壁取土器的长度为140mm，内直径为50mm，外径为54mm，环刃刃角为45°，环刃最大厚度为2mm；本体为不锈钢304材质件，不会对土体样品造成污染，而且取土器材质坚硬，不易被弯曲、扭曲。

图5、图6表示的是顶土板的俯视图和左视图，其中包括一个盘状结构的顶土板本体2-1，在所述的顶土板本体2-1的端面上预留有一个圆孔2-2。

顶土板本体的高度(直径)为50mm，宽度(厚度)为20mm，所述的顶土板能自由在薄壁取土器中滑动，并为待脱土样提供均衡的推动力，顶土板一侧中心处预留圆孔2-2的深度和宽度均为10mm，预留孔径的长度和宽度与螺旋推动器顶杆3-3的长度和宽度一致，保持了盛土装置的整体性。

图7、图8表示的是螺旋推动杆的俯视图和左视图，螺旋推动杆包括一个螺杆3-2和刻度尺3-4，在螺杆的一端与X型手柄3-1相连，另一端与顶杆3-3相连。

其中X型手柄，其两两垂直交错，大小相当，长度(高度)和宽度(直径)均分别为200mm、20mm，螺旋推动器的螺杆，长度(高度)为400mm,宽度(直径)为20mm，螺杆上刻有最小刻度为1mm的刻度尺，确保标准土样制备的精确性；螺旋推动器的顶杆，其大小与顶土板一侧预留空孔和荷载盖上端预留深槽的直径和深度的数值相同。

图9、图10表示的是荷载盖的俯视图和左视图，包括一个盘状结构的深槽4-1，在所述的盘状深槽4-1的反面两侧设有两个对称的卡爪4-3，在所述的卡爪4-3之间为凹形深槽4-2。

其中荷载盖的盘状深槽4-1，其内径为10mm，外径为26mm，高度为10mm，其与螺旋推动杆顶端的顶杆的大小一致，在所述的盘状深槽4-1的反面两侧设有两个对称的卡爪，在所述卡爪4-3之间有一凹槽，其直径为54mm，高度为20mm，其与薄壁取土器未有环刃一端的大小一致。所述的荷载盖主体高度(直径)为58mm，宽度(厚度)为10mm。

主体支架由和荷载台5、取样板6、割样刀7、支撑杆8、锚固孔板9组成。

荷载台5包括一个盘状结构的顶土板本体，在所述的顶土板本体的端面上预留有一个内丝圆孔，四周与支撑杆锚固。

荷载台5本体的直径为80mm，宽度(厚度)为20mm，顶土板一侧中心位置预留的圆孔内部打磨内丝。圆孔的深度和宽度均为20mm，预留孔径的长度和宽度与螺旋推动器顶杆3-2的宽度一致，保持了螺旋推动杆3能与内丝螺旋配合。

取样板6在荷载台5的下方，所述的取样板6其中包括一个正三角形状的取样板本体，在所述的取样板本体上预留有一个圆孔6-1和割样刀与取样板衔接点6-3，所述的取样板三角分别与支撑杆锚固6-4，取样板的侧面中心处有割样刀7和活动间隙6-2，如图15所示。

取样板6本体在荷载台5垂直下方140mm处，为一厚度为20mm正三角形状的本体，其三角形的顶点分别与主体支架的三条支撑杆成锚固关系6-4。取样板6中心点处预留圆孔6-1，圆孔的深度为20mm，直径为52mm，在取样板侧面距上端10mm处有一厚度为1mm的割样刀7活动间隙6-2，所述的活动间隙的高度为1mm。

割样刀7是一把一端铰链在取样板6平面内并能在中间空隙中自由转动的刀片，所述的刀具厚度为1mm。在螺纹推动杆旋转29mm后，可利用割样刀沿着取样板的平面对薄壁取土器内的土体进行平面切割，使割样刀上面的土样满足50*100mm的标准要求。

支撑杆9是作为主体支架的主要组成部分，三个支撑杆在空间呈三角锥台型，并且每两条支撑杆之间在空间呈120°，三角锥台型增强了制土装置在工作中的稳定性。三条支撑杆在上方锚固在荷载台5的边缘，并同时与下方的取样板相连，支撑杆的末端带有锚固孔板，可使用普通锚栓通过锚孔将其稳固于作业场地。支撑杆为可拆卸式结构，可通过锚栓固定在支撑杆中的预留等距圆孔中达到在有限距离中自由延长的目的，此种设计能更好的在适用施工现场的复杂环境下进行取样。

制样装置的主体构件为不锈钢304材质件，材质坚硬，不易被弯曲、扭曲。

如图1所示，表示的是制样时所采用的装置结构图，其分别包括制土装置的薄壁取土器1、顶土板2、荷载盖4、螺旋推动杆3和由荷载台5、取样板6、割样刀7、支撑杆8、锚固孔板9组成的主体支架，它们按图示依此相连组成了制土器的制土装置。

顶土板2与薄壁取土器1同轴安装，且顶土板2套装在薄壁取土器的未有环刃一端的内部，光滑面朝向待作业土体；所述的荷载盖4安装在薄壁取土器的没有环刃一端的外部，螺旋推动杆3的连杆穿过主体支架上端荷载台5上的带有内丝的螺纹孔和取样板6上的圆孔，缓缓旋入荷载板上方的深槽中。

如图2所示，表示的是脱样时所采用的装置结构图；其分别包括表示取土装置的薄壁取土器1、顶土板2、螺旋推动杆3和由荷载台5、取样板6、割样刀7、支撑杆8、锚固孔板9组成的主体支架，它们按图示依此相连组成了制土器取土装置。

顶土板2与薄壁取土器1同轴安装，且顶土板2套装在薄壁取土器的未有环刃端的内部，光滑平面朝向土体；将薄壁取土器1一侧的荷载盖4拧下，将带有顶土板2的薄壁取土器1放置于主体支架中的荷载台5和取样板6之间，然后将螺旋推动杆3穿过主体支架上端荷载台5中的内丝螺纹孔旋入，穿过取样板6中间空孔后，待顶杆3-3插入顶土板2中央预留的圆孔2-2时，缓慢旋转螺旋推动杆3对顶土板2施力进而推动薄壁取土器1中的土体缓缓下移，待螺旋推动杆3下降29mm后用割样刀7对作业土样进行平面切割，最后旋转螺旋推动杆3得到最50*100mm的标准试验土样。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因为限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或者间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.适用于土木试验标准试样的制样和取样组合装置的方法，该制样和取样组合装置，包括相互配合使用的薄壁取土器、顶土板、荷载盖、取样板、螺旋推动杆和主体支架；所述的主体支架包括一个承载台，所述承载台的圆周方向上设有多个支撑杆，每个支撑杆的末端安装有锚固装置；在所述的承载台的下方设有与支撑杆相连的取样板，在所述的取样板中设有一个割样刀；所述螺旋推动杆穿过承载台、取样板以及载荷盖后与顶土板相连，所述的载荷盖卡装在所述取土器外圈的顶部；且所述的顶土板在螺旋推动杆的推动下沿着所述的取土器内壁上下滑动，其特征在于，

进行制样的方法：首先将薄壁取土器安装在荷载盖下方的卡槽中，然后将顶土板缓缓滑入到薄壁取土器中，并将组装好的薄壁取土器放置于待测土体上，最后将主体支架固定在待测土样周围，将螺旋推动杆的杆端穿过主体支架上方的内丝螺纹孔旋转进薄壁取土器中的顶土板中，通过旋转螺旋推动杆的方式切入土体中，当薄壁取土器上端荷载盖的卡爪接触到土体时停止作业；

进行取样的方法：将薄壁取土器一侧的荷载盖拧下，将带有顶土板的薄壁取土器放置于主体支架中的荷载台和取样板之间，然后将螺旋推动杆穿过主体支架上端荷载台中的内丝螺纹孔旋入，待顶杆插入顶土板中央预留的圆孔时，缓慢旋转螺旋推动杆对压土片施力进而推动薄壁取土器中的土体缓缓下移，待推动杆下降一定距离后用位于取样板中部的割样刀对土样进行平面切割，最后旋转推动杆得到标准原状土样。

2.根据权利要求1所述的适用于土木试验标准试样的制样和取样组合装置的方法，其特征在于，所述的薄壁取土器主要是筒状结构的本体，所述的本体的两端敞口，其中插入到土体的一端设计成圆刃结构。

3.根据权利要求1所述的适用于土木试验标准试样的制样和取样组合装置的方法，其特征在于，所述的顶土板包括一个盘状结构的本体，在所述的本体的端面上预留有一个圆孔。

4.根据权利要求1所述的适用于土木试验标准试样的制样和取样组合装置的方法，其特征在于，所述的荷载盖是一个传递螺旋推动杆顶力的形状似“n”的钢铁片，在所述的荷载盖顶部有一深槽，供螺旋推动杆穿过，在所述的荷载盖下端两侧有一对称的卡爪。

5.根据权利要求1所述的适用于土木试验标准试样的制样和取样组合装置的方法，其特征在于，所述的螺旋推动杆包括一个带有刻度的螺杆，在螺杆的一端与X型手柄相连，另一端与顶杆相连。

6.根据权利要求1所述的适用于土木试验标准试样的制样和取样组合装置的方法，其特征在于，所述的支撑杆包括三个，三个支撑杆在空间呈三角锥台型，上述的三个支撑杆末端均有一个锚固孔板，所述的支撑杆上端汇集于荷载台边缘。

7.根据权利要求1所述的适用于土木试验标准试样的制样和取样组合装置的方法，其特征在于，所述的螺纹推动杆的直径小于主体支架中取样板上的中心圆孔的直径。

8.根据权利要求1所述的适用于土木试验标准试样的制样和取样组合装置的方法，其特征在于，所述的取样板上中心圆孔的直径大于薄壁取土器的内径，小于薄壁取土器的外径。

9.根据权利要求5所述的适用于土木试验标准试样的制样和取样组合装置的方法，其特征在于，所述的主体支架上端的荷载台的螺纹孔与所述的螺杆进行螺纹配合；所述的顶土板的圆孔直径与螺旋推动杆顶杆的直径相等。