CN111579289A - 低黏性土原状样的取土装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低黏性土原状样的取土装置及其方法，包括伸入地面的取土器，用于定位取土器的定位支座及位于定位支座的上方与取土器固定连接用于驱动取土器下行的竖向压杆，所述取土器包括与加压竖轴固定连接的取土器顶板，固定于取土器顶板下部固定有取土器外筒和与取土器外筒内同轴设置的取土器内筒，取土器内筒下方具有能由两侧向中部延伸的一对半圆切片，所述半圆切片由驱动装置驱动相向或背向移动实现对取土器内筒土体横向切割，本发明能方便实现取土过程中的精度和平稳性，保证加压竖杆沿竖直方向切削土体，半圆切片切断土样处于闭合取土器内筒内，最大限度地减小扰动，并防止取土器提拉过程中松散土粒的掉落，提高准确性。
Description
技术领域
本发明涉及低黏性土原状样的取土装置及其方法。
背景技术
在岩土工程技术领域，常规三轴试验是测量土体强度指标的重要试验手段；但能否取得无扰动（或少扰动）的原状土样，对三轴试验结果影响甚大。对于黏性土通常使用薄壁取土器，通过静压方式取得大块原状土样，后在实验室内精心切削成标准试样（直径可为3.9cm或6.2cm，高度可为直径的2.0倍），再套上橡胶模即可开展三轴试验。但对于自身黏聚力较小、近似于散体材料的低黏性土，无法通过实验室内切削方式形成标准试样；通常直接将取土器尺寸设计与标准试样尺寸一致（直径可为6.2cm或10.1cm，高度可为直径的2.0倍），在实验室内推出土样后直接套上橡胶模即可开展三轴试验。因此，对低黏性土而言，如何取得无扰动（或少扰动）的原状土样，对其取土装置提出了较高要求。
若使用底部敞口的常规取土器，将其贯入土层后采用扭转方式切断土样，采用提拉方式取出土样，上述过程中不可避免对土样造成较大扰动。已有文献或专利对上述传统取土器置做出改进：专利CN204439397U采用上侧挡板闭合形成真空原理；专利CN209538153U通过双扭簧反弹带动底部三角板闭合；专利CN201678994U对余土管做特殊处理使取土器内形成负压。但上述改进或是结构复杂，可靠性不高，或是在某些细节方面仍无法达到精确取无扰动样的要求。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决现有的低黏性土取土装置容易造成较大扰动从而影响试验精度的技术问题。
本发明的具体实施方案是：低黏性土原状样的取土装置，包括伸入地面的取土器，用于定位取土器的定位支座及位于定位支座上方与取土器固定连接用于驱动取土器下行的竖向压杆，所述竖向压杆包括加压竖轴及固定于加压竖轴上的沿圆周方向布设的定位扇叶；
所述定位支座罩于加压竖轴的外部，定位支座包括定位筒，所述定位筒内具有与定位扇叶配合嵌入定位扇叶边缘的筒内凹槽，所述定位筒的外周延伸有定位筒支座，所述定位支座包括向周侧延伸的支撑柱，所述支撑柱螺纹连接有支座可调螺杆；
所述取土器包括与加压竖轴固定连接的取土器顶板，固定于取土器顶板下部固定有取土器外筒和与取土器外筒内同轴设置的取土器内筒，取土器内筒底部与取土器外筒之间留有间隙，取土器内筒下方具有能由两侧向中部延伸的一对半圆切片，所述半圆切片由驱动装置驱动相向或背向移动实现对取土器内筒土体横向切割。
进一步的，所述驱动装置包括位于两个半圆切片两侧各设置的一对剪刀杆，同侧的两个剪刀杆交叉且中部铰接连接，所述剪刀杆下端分别交叉固定连接与圆切片内侧，所述剪刀杆上端伸出取土器顶板外部，所述取土器顶板上开设有一对以供剪刀杆伸出的槽缝。
进一步的，所述取土器外筒下部具有向内侧延伸的环形阶面，所述间隙位于环形阶面与取土器内筒的下沿之间，所述半圆切片置于环形阶面上。
进一步的，所述取土器外筒底部向内缩口形成锥状的外筒刃脚，且环形阶面内侧与取土器外筒下沿经环形板固定连接，所述环形阶面内径、取土器外筒内筒内径及外筒刃脚内腔等径。
进一步的，所述加压竖轴的上端固定有加压把手，加压竖轴的上部表面设置有刻度，加压竖轴的底部具有螺纹及螺纹连接的锁紧螺帽。
进一步的，所述定位筒的外部固定有测量水平度的水准泡，所述支座可调螺杆下端固定有支撑垫。
进一步的，取土器顶板中央设有镂空圆孔，其直径与取土器内筒直径一致，所述取土器顶板上螺栓固定连接有H 形钢架，所述H形钢架的中部具有螺孔，所述加压竖轴的下端具有与螺孔配合的螺纹。
进一步的，所述加压竖轴上还套设有刻度把手，刻度把手的侧部具有锁紧刻度把手的锁紧螺栓。
本发明还包括一种低黏性土原状样的取土方法，利用如上所述的低黏性土原状样的取土装置，具体步骤包括：
（1）将定位支座装置放置在地面上，竖向压杆通过定位扇叶沿着筒内凹槽插入定位筒中，将H形钢架与取土器顶板固定连接，加压竖轴底部与H形钢架固定连接，调节三个定位筒支座上的可调螺杆，使得水准泡居中，保证定位筒放置水平状态；
（2）滑动刻度把手于定位筒顶端相碰，通过刻度把手读取加压竖轴上初始刻度，初始刻度已扣除外筒刃脚高度影响，再根据取土深度要求，滑动刻度把手于目标刻度，并通过其上锁紧螺栓固定刻度把手，将两组剪刀杆滑至槽缝两端，通过加压把手实现对加压竖轴的静压，将取土器压入土层直至刻度把手于定位筒顶端相碰，即外筒刃脚下端深入土内满足要求的取土深度；
（3）将两组剪刀杆从两侧滑至槽缝中部，使两组半圆切片闭合，通过加压把手将加压竖轴提起，将取土器提到地面上，分离加压竖轴与H形钢架，并卸下H形钢架，再将两组剪刀杆滑至槽缝两端，在实验室内推出取土器内土样，完成取土，重复上述步骤，即可取得不同深度的原状土样。
重复上述步骤，即可取得不同深度土层的原状土样。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）通过刻度把手与加压竖轴刻度的配合，可精确获得特定高度/深度的土样。
2）通过定位支座与定位扇叶的配合，克服取土过程中人为晃动，保证加压竖杆沿竖直方向切削土体。
3）当取土器达到预定深度后，通过剪刀杆带动半圆切片，切断土样并闭合取土器内筒，最大限度地减小扰动，并防止取土器提拉过程中松散土粒的掉落。
利用本发明所述低黏性土原状样的取土装置，可精确获得原状土样；从而为进一步精确分析低黏性土的力学特性提供了基础条件。
附图说明
图1为竖向压杆示意图。
图2为定位支座示意图。
图3为取土器内部取土器顶板及剪刀杆在半圆切片外张构造示意图。
图4为取土器内部取土器顶板及剪刀杆在半圆切片闭合状态构造示意图
图5为取土器内筒与取土器外筒配合状态示意图。
图6为取土器内筒与取土器外筒配合状态局部剖面示意图。
图7为低黏性土原状样的取土装置使用时示意图。
图中：1-竖向压杆，11-加压把手，12-加压竖轴，13-刻度把手，14-定位扇叶，15-竖轴底端螺帽；2-定位支座，21-定位筒，22-筒内凹槽，23-水准泡，24-定位筒支座，25-支座可调螺杆；3-取土器，31-取土器顶板，32- H形钢架，33-顶板连接螺帽，34-剪刀杆，35-剪刀杆交叉轴，36-半圆切片，37-取土器内筒，38-取土器外筒，39-外筒刃脚。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1～7所示，低黏性土原状样的取土装置，包括伸入地面的取土器3，用于定位取土器的定位支座2及位于定位支座的上方与取土器固定连接用于驱动取土器下行的竖向压杆1；
所述竖向压杆1包括：加压把手11、加压竖轴12、刻度把手13、定位扇叶14，加压竖轴底端具有外螺纹并螺纹连接有竖轴底端螺帽15。加压竖轴的上半段表面带有刻度，配合刻度把手，可准确确定取土深度；
所述定位支座2包括：定位筒21，筒内凹槽22，固定在定位筒21外表面的水准泡23，定位筒支座24，支座可调螺杆25。定位支座包括向周侧延伸的支撑柱，所述支撑柱螺纹连接有支座可调螺杆，通过调节三个定位筒支座上的可调螺杆，使得水准泡居中，保证定位筒放置水平状态；定位筒内壁具有筒内凹槽，用于配合定位扇叶，筒内凹槽22起到导向定位扇叶14的作用，可保证加压竖杆沿竖直方向切削土体。
所述取土器3包括：取土器顶板31，固定在取土器顶板31上的H形钢架32，顶板连接螺帽33，剪刀杆34，剪刀杆交叉轴35，半圆切片36，取土器内筒37，取土器外筒38及外筒刃脚39。
取土器顶板中央设有镂空圆孔，其直径与取土器内筒直径一致；可通过顶板的连接螺帽与H形钢架螺纹接。H形钢架中央设有螺孔，加压竖轴底端具有的外螺纹与螺孔配合并通过竖轴底端螺帽15固定。
取土器内筒与取土器顶板焊接，其直径与标准试样直径尺寸一致；取土器外筒与取土器顶板焊接，其尺寸略大于取土器内筒，同侧的两个剪刀杆交叉且中部铰接连接，所述剪刀杆下端分别交叉固定连接与圆切片内侧，所述剪刀杆上端伸出取土器顶板外部，所述取土器顶板上开设有一对以供剪刀杆伸出的槽缝。
所述取土器外筒下部具有向内侧延伸的环形阶面，所述间隙位于环形阶面与取土器内筒的下沿之间，所述半圆切片置于环形阶面上，其取土器内筒与取土器外筒间空隙可容纳剪刀杆，取土器内筒与取土器外筒底部间隙用于容纳半圆切片；
所述取土器外筒底部向内缩口形成锥状的外筒刃脚，外筒刃脚与取土器外筒焊接或一体成型，环形阶面内侧与取土器外筒下沿经环形板固定连接，所述环形阶面内径、取土器外筒内筒内径及外筒刃脚内腔等径，可减小取土器下压过程中的贯入阻力。
取土器顶31板设有两道槽缝，可供剪刀杆在其间往复运动；取土器顶板还设有四根螺杆，
剪刀杆可绕其交叉轴做往复运动，并带动其下部的半圆切片切削土体，同时防止取土器提拉过程中松散土粒的掉落。
下面结合附图1-附图4和实施例，对本发明作进一步说明。
1）制作竖向压杆
制作竖向压杆，其上部为半径及长度13mm*180mm的加压把手，并居中焊接在半径及长度为13mm、650mm的加压竖轴的顶端，中上部套置刻度把手，刻度把手突出部位长宽高为76mm*16mm*16mm，圆环部分内外径及高为15mm、28mm、16mm，并在圆环部分中部有半径8mm螺栓，扇叶半径、宽度及高度为72mm、10mm、60mm的定位扇叶顶端焊接在加压竖轴距顶端200mm处，加压竖轴最下部旋有内径为13mm的竖轴底端螺帽，以上构件均由轻质钢材制成。
加压竖轴的上半段带刻度，配合刻度把手，可准确确定取土深度；加压竖轴的底端带螺纹，配合竖轴底端螺帽，可将加压竖轴旋固在取土器上。
2）制作定位支座装置2
定位支座是由内外径及高为66mm*76mm*350mm的定位筒，其内侧壁分布有三个沿竖直方向相间120°宽度及深度12mm*6mm筒内凹槽，三个定位筒支座通过三根钢梁焊接于定位筒外侧壁相间120°且距底端105mm处。
定位筒支座上部是内外径24mm*30mm*180mm的支座套筒，中部的支座可调螺杆内径为24mm，下部的圆形承台支柱是内外径及高为18mm*24mm*400m中空不锈钢管，底部是15mm*30mm的圆柱承台。圆柱承台与圆形承台支柱焊接，并通过圆形承台支柱旋装于支座套筒中。以上构件均由轻质钢材制成。
定位筒上部外侧壁距定位筒顶端10mm处安装水准泡。水准泡采用GB/T1146-2009规定的标准尺寸，其直径及高度为17mm*10mm。通过调节三个定位筒支座上的可调螺杆，使得水准泡居中，保证定位筒放置水平状态；定位筒内壁刻有凹槽，配合定位扇叶，可保证加压竖杆沿竖直方向切削土体。
3）制作取土器
取土器上部是截面长宽高95mm*10mm*10mmH形钢架，中央设有半径为13mm的螺纹连接孔，四角预留半径为4mm螺孔，下部是取土筒，取土筒上部是半径及高为63.5mm、8mm的取土筒顶板，中央设有半径为30.9mm镂空圆孔，两侧设有长及宽为35mm、6mm两道槽缝，四角位置还设有半径及高度为4mm、40mm的螺杆，将H形钢架四角螺孔插入螺杆中，旋紧顶板连接螺帽，使H形钢架与取土器旋接。
取土筒中部由内外径及高为63.5mm*65mm*130mm的取土器外筒和内外径及高为30.9mm*32.9mm*130mm的取土器内筒组成，底部预留3.5mm环缝，取土筒下部是顶端、底端半径及高为65mm*30.9mm*40mm的外筒刃脚，取土筒内部放置半径及厚度为32mm、3mm的两半圆切片，通过两端连接头分别与两个3mm*5mm*165mm的剪刀杆焊接。以上构件均由轻质钢材制成。
取土器内筒与取土器顶板焊接，其直径与标准试样直径尺寸一致；取土器外筒与取土器顶板焊接，其尺寸略大于取土器内筒，其内外筒间空隙可容纳剪刀杆和半圆切片；外筒刃脚与取土器外筒焊接，可减小取土器下压过程中的贯入阻力。
4）取原状土
将定位支座装置放置在地面上，竖向压杆通过定位扇叶沿着筒内凹槽插入定位筒中，将H形钢架插入取土筒顶板的四个螺杆中，依次旋紧四个顶板连接螺帽，再将加压竖轴底部旋进H形钢架中部的连接孔，拧紧竖轴底端螺帽加以固定，根据不同的场地条件，通过调节三个定位筒支座上的可调螺杆，使得水准泡居中，保证定位筒放置水平状态；定位筒内壁刻有凹槽，配合定位扇叶，可保证加压竖杆沿竖直方向切削土体；
滑动刻度把手于定位筒顶端相碰，通过刻度把手读取加压竖轴上初始刻度，初始刻度已扣除40mm的外筒刃脚高度影响，再根据取土深度要求（取土深度=目标刻度-初始刻度），滑动刻度把手于目标刻度，并通过其上锁紧螺栓固定刻度把手，将两组剪刀杆滑至槽缝两端，通过加压把手实现对加压竖轴的静压，将取土器压入土层直至刻度把手于定位筒顶端相碰，即外筒刃脚下端深入土内满足要求的取土深度；
将两组剪刀杆从两侧滑至槽缝中部，使两组半圆切片闭合，通过加压把手将加压竖轴提起，将取土器提到地面上，依次旋松竖轴底端螺帽、顶板连接螺帽，使加压竖轴与取土器分离，并卸下H形钢架，再将两组剪刀杆滑至槽缝两端，在实验室内推出取土器内土样，完成取土，重复上述步骤，即可取得不同深度的原状土样。
重复上述步骤，即可取得不同深度土层的原状土样。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.低黏性土原状样的取土装置，其特征在于，包括伸入地面的取土器，用于定位取土器的定位支座及位于定位支座的上方与取土器固定连接用于驱动取土器下行的竖向压杆，所述竖向压杆包括加压竖轴及固定于加压竖轴上的沿圆周方向布设的定位扇叶；
所述定位支座罩于加压竖轴的外部，定位支座包括定位筒，所述定位筒内具有与定位扇叶配合嵌入定位扇叶边缘的筒内凹槽，所述定位筒的外周延伸有定位筒支座，所述定位支座包括向周侧延伸的支撑柱，所述支撑柱螺纹连接有支座可调螺杆；
所述取土器包括与加压竖轴固定连接的取土器顶板，固定于取土器顶板下部固定有取土器外筒和与取土器外筒内同轴设置的取土器内筒，取土器内筒底部与取土器外筒之间留有间隙，取土器内筒下方具有能由两侧向中部延伸的一对半圆切片，所述半圆切片由驱动装置驱动相向或背向移动实现对取土器内筒土体横向切割。
2.根据权利要求1所述的低黏性土原状样的取土装置，其特征在于，所述驱动装置包括位于两个半圆切片两侧各设置的一对剪刀杆，同侧的两个剪刀杆交叉且中部铰接连接，所述剪刀杆下端分别交叉固定连接与圆切片内侧，所述剪刀杆上端伸出取土器顶板外部，所述取土器顶板上开设有一对以供剪刀杆伸出的槽缝。
3.根据权利要求1所述的低黏性土原状样的取土装置，其特征在于，所述取土器外筒下部具有向内侧延伸的环形阶面，所述间隙位于环形阶面与取土器内筒的下沿之间，所述半圆切片置于环形阶面上。
4.根据权利要求3所述的低黏性土原状样的取土装置，其特征在于，所述取土器外筒底部向内缩口形成锥状的外筒刃脚，且环形阶面内侧与取土器外筒下沿经环形板固定连接，所述环形阶面内径、取土器外筒内筒内径及外筒刃脚内腔等径。
5.根据权利要求1所述的低黏性土原状样的取土装置，其特征在于，所述加压竖轴的上端固定有加压把手，加压竖轴的上部表面设置有刻度，加压竖轴的底部具有螺纹及螺纹连接的锁紧螺帽。
6.根据权利要求3所述的低黏性土原状样的取土装置，其特征在于，所述定位筒的外部固定有测量水平度的水准泡，所述支座可调螺杆下端固定有支撑垫。
7.根据权利要求3所述的低黏性土原状样的取土装置，其特征在于，取土器顶板中央设有镂空圆孔，其直径与取土器内筒直径一致，所述取土器顶板上螺栓固定连接有H 形钢架，所述H形钢架的中部具有螺孔，所述加压竖轴的下端具有与螺孔配合的螺纹。
8.根据权利要求3所述的低黏性土原状样的取土装置，其特征在于，所述加压竖轴上还套设有刻度把手，刻度把手的侧部具有锁紧刻度把手的锁紧螺栓。
9.一种低黏性土原状样的取土方法，其特征在于，利用如权利要求7所述的低黏性土原状样的取土装置，具体步骤包括：
（1）将定位支座装置放置在地面上，竖向压杆通过定位扇叶沿着筒内凹槽插入定位筒中，将H形钢架与取土器顶板固定连接，加压竖轴底部与H形钢架固定连接，调节三个定位筒支座上的可调螺杆，使得水准泡居中，保证定位筒放置水平状态；
（2）滑动刻度把手于定位筒顶端相碰，通过刻度把手读取加压竖轴上初始刻度，初始刻度已扣除外筒刃脚高度影响，再根据取土深度要求，滑动刻度把手于目标刻度，并通过其上锁紧螺栓固定刻度把手，将两组剪刀杆滑至槽缝两端，通过加压把手实现对加压竖轴的静压，将取土器压入土层直至刻度把手于定位筒顶端相碰，即外筒刃脚下端深入土内满足要求的取土深度；
（3）将两组剪刀杆从两侧滑至槽缝中部，使两组半圆切片闭合，通过加压把手将加压竖轴提起，将取土器提到地面上，分离加压竖轴与H形钢架，并卸下H形钢架，再将两组剪刀杆滑至槽缝两端，在实验室内推出取土器内土样，完成取土，重复上述步骤，即可取得不同深度的原状土样；
（4）重复上述步骤，即可取得不同深度土层的原状土样。
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| CN111579289B CN111579289B (zh) | 2024-06-04 |
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Citations (8)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005120819A (ja) * | 2003-09-24 | 2005-05-12 | Onoda Chemico Co Ltd | 地盤改良工法及びその装置 |
| CN103900877A (zh) * | 2014-03-21 | 2014-07-02 | 浙江水利水电学院 | 三轴压缩试验原状试样制备装置及其制备方法 |
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| CN107677502A (zh) * | 2017-10-13 | 2018-02-09 | 鲁东大学 | 一种桩基取土器 |
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Patent Citations (8)
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 朱士良;胡熙喆;王大会;: "48m单线预应力混凝土简支槽型梁施工技术研究", 公路交通科技(应用技术版), no. 11, 15 November 2019 (2019-11-15) * |
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