CN112255013B - 一种野外浅层原状土取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种野外浅层原状土取样装置，属于土样试验仪器领域，包括取土支架、取样筒、千斤顶、主动传力轴、传力横梁、中心柱、水平连接杆、滑动块、被动传力轴、螺纹帽、水准泡、卡块、弹簧钢丝及起拔器；可以在野外取得原状土土样，用千斤顶提供主动力解决了由于力的施加不均匀使得土样扰动严重，以及当取强度较高的土样时，压入困难，采样效率低等问题；直接采用适用于环刀或三轴土样尺寸的取样筒取土，避免了在削取特定尺寸土样时对土样产生的二次扰动。在旋转上提取样筒时，取样筒上的卡块沿取样筒筒体周向滑动拉出弹簧钢丝切断筒底土，避免了筒底土与下层土体分离时土样受到的扰动，提高了取土的成功率。

Description

一种野外浅层原状土取样装置

技术领域

本发明涉及土样试验仪器领域，特别是涉及一种野外浅层原状土取样装置。

背景技术

在工程地质及岩土工程领域，需对土体进行野外取样，并对其进行室内试验，以获取土样的物理力学性质参数，为工程设计提供依据。土工试验不仅是岩土工程、工程地质相关工程实践的必要工作内容，而且在实验教学和科研中必不可少，因此结构不受扰动的原状土样的获取是重要的工作内容之一。为获得原状土土样的相关数据，给工程建设和科学研究提供依据，合理且实用的取土器显得尤为重要。

土样的原状结构是查明土的性质，包括物理、力学性质的前提。工程和科研工作中常用环刀样品及三轴样品进行土体力学性质测试。工程中一般通过钻机或人工开挖方式进行原状土样的采取。对于浅层土样，使用钻机或通过开挖探槽方式取样时，将会消耗不必要的人力及物力。直接通过底部带有环形刃口的、相应尺寸的、可拆卸取样筒取得环刀与三轴样品，避免了采用大型机械设备或人员来带的费用，也避免了实验时对钻机或探槽所取得的原状土采用削土刀削样对土样产生的二次扰动。室内可通过所取得的土样来做土体密度、压缩、剪切、渗透以及微观结构等试验，所获得的土体性质参数可以为后期试验及工程提供依据，便于进一步进行科学研究和工程建设。因此，用于获取浅层原状土样的便利且实用的取土器尤为重要。

目前，野外通常采用人力(静力或动力)将环刀取样器压入土体中的方法获取浅层土样，虽然其携带和使用方便，但是由于力的施加不均匀使得土样扰动严重；当取强度较高的土样时，人力压入十分困难，并且取出环刀时环刀底土体和下层土分离不彻底常导致土样结构受到扰动，采样效率过低不适于野外大量土样的获得。另一方面，所取土样仅为环刀样品，不能进行三轴测试。目前，在土工领域内鲜有针对野外取浅层原状三轴及环刀土样的取土器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用千斤顶直接在野外取得浅部土层原状三轴样品或环刀样品的装置，用千斤顶提供大小和速率均匀施加的力作为主动力，以解决目前野外取样过程中遇到的对较硬土体取样时，人力难以压入、样品结构扰动，以及采用机械等开挖方式获得原状土样后，需用削土刀切削土样至特定尺寸而对土样产生二次扰动等一系列问题。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种野外浅层原状土取样装置，其特征在于，包括：取土支架、取样筒、千斤顶、主动传力轴、传力横梁、中心柱、水平连接杆、滑动块、螺纹帽、水准泡、卡块、弹簧钢丝、被动传力轴及起拔器；所述取土支架包括顶座和底座，顶座和底座形状一致，顶座和底座的横截面为圆形，顶座和底座之间通过支杆连接，底座上开设有供取样筒穿过的取样筒配合孔，且取样筒配合孔的孔壁上具有沿纵向贯通供卡块通过的方形槽；所述取样筒上端具有螺纹，取样筒的底部具有环形刃口，取样筒是由两个半圆筒壁形成的圆筒形结构，两个半圆筒壁对接边缘通过纵长的凸棱和卡槽配合连接；所述中心柱呈垂直设置在取土支架底座的上表面中心位置，且中心柱的底端固定在取土支架的底座上，中心柱上设置有竖直滑槽和标尺，标尺的0刻线设置在水平连接杆起始位置；所述水平连接杆呈水平设置，水平连接杆的一端通过中心柱上的竖直滑槽与中心柱滑动配合，水平连接杆的另一端与滑动块铰接；所述千斤顶的底部固定在取土支架底座的上表面，千斤顶的安放位置与取样筒配合孔以中心柱为对称中心线呈对称布置；所述传力横梁铰接在中心柱的中点上，传力横梁靠近千斤顶的一端通过主动传力轴固定在千斤顶的顶部托座上，传力横梁靠近取样筒的一端开设有与滑动块配合的滑槽；所述被动传力轴的一端铰接在滑动块上，被动传力轴的另一端通过滚珠轴承与螺纹帽连接；所述螺纹帽为上端封闭、下端敞口的中空圆柱形结构，螺纹帽的敞口端设置有用于连接取样筒的螺纹，螺纹帽的封闭端开设有两个呈对称设置的排气孔；所述水准泡设置在取土支架底座的上表面；所述卡块通过设置在取样筒外壁下部的环形滑槽与取样筒滑动连接，环形滑槽与取样筒同轴布置，卡块的底部具有刃口；所述弹簧钢丝容置在卡块内部，弹簧钢丝的一端固定在卡块内部，弹簧钢丝的另一端穿出卡块连接于取样筒底部的环形刃口处，弹簧钢丝随卡块的移动伸缩，弹簧钢丝最大伸长量等于取样筒的直径；取样完成后，所述起拔器与取样筒同轴螺纹连接，起拔器用于将取样筒从土体中旋出。

进一步，所述取土支架的高度为400mm；顶座和底座的直径为400mm，厚度为20mm。

进一步，所述取样筒配合孔11的直径为71.8mm。

进一步，所述取样筒具有两种规格：第一种规格的取样筒，外径为71.8mm，内径为61.8mm，筒厚5mm，筒高50mm；第二种规格的取样筒，外径为49.1mm，内径为39.1mm，筒厚5mm，筒高120mm，采用第二种规格的取样筒取样时，取样筒配合孔内预先设置有环形垫片，环形垫片上具有供卡块通过的方形槽。

进一步，所述标尺的量程为0～15cm。

进一步，所述水准泡的中心和取土支架底座的中心连线垂直于取样筒配合孔的中心和千斤顶的安放位置中心连线。

进一步，所述环形滑槽在取样筒上的位置距离取样筒底端15mm。

进一步，所述卡块的高度为30mm、长度为10mm、宽度为10mm。

进一步，所述弹簧钢丝的初始长度为5mm。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提供的野外浅层原状土取样装置，可以在野外取得原状土土样。用千斤顶提供主动力解决了采用人力(静力或动力)将环刀取样器压入土体中的方法获取浅层土样时由于力的施加不均匀使得土样扰动严重，以及当取强度较高的土样时，人力压入十分困难，采样效率过低等问题；直接采用适用于环刀或三轴土样尺寸的取样筒取土，避免了在削取特定尺寸土样时对土样产生的二次扰动。同时对于浅层土样，通过带有千斤顶的装置取得环刀与三轴样品，避免了使用钻机或通过开挖探槽方式取样时以及试样运输过程中消耗的不必要的人力、物力。在旋转上提取样筒时，取样筒上的卡块绕取样筒筒体水平滑动拉出弹簧钢丝切断筒底土，避免了筒底土与下层土体分离时土样受到的扰动，提高了取土的成功率。

附图说明

以下结合附图进一步解释本发明的原理和特征，构成本申请的一部分，所列举的具体实施方案只用于帮助理解本发明，并非用于限定本发明的范围，在附图中：

图1为野外浅层原状土取样装置未安装取样筒时的结构示意图；

图2为取样筒的结构示意图；

图3为取样筒的分解图；

图4为取样筒的主视图；

图5为图4的局部放大图；

图6为取样筒的剖视图；

图7为螺纹帽与被动传力轴的滚珠轴承连接关系主视图；

图8为螺纹帽与被动传力轴的滚珠轴承连接关系俯视图；

图9为本发明实施例中卡块位于初始位置示意图；

图10为在图9的基础上卡块逆时针旋转一段距离后拉动弹簧钢丝切土的状态图；

图11为在图10的基础上卡块逆时针旋转一段距离后拉动弹簧钢丝切土的状态图；

图12为环形垫片的结构示意图；

图13为环形垫片的剖视图；

图14为起拔器的结构示意图；

图中各标记如下：1-取土支架；2-千斤顶；3-主动传力轴；4-传力横梁；5-中心柱；6-水平连接杆；7-滑动块；8-被动传力轴；9-螺纹帽；10-水准泡；11-取样筒配合孔；12-半圆筒壁；13-卡槽；14-卡块；15-弹簧钢丝；16-环形垫片；17-排气孔；18-起拔器；1801-转动手柄。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程和元件并没有进行详尽的说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13及图14所示，野外浅层原状土取样装置，包括取土支架1、取样筒、千斤顶2、主动传力轴3、传力横梁4、中心柱5、水平连接杆6、滑动块7、被动传力轴8、螺纹帽9、水准泡10、卡块14、弹簧钢丝15及起拔器18。

所述取土支架1包括顶座和底座，顶座和底座形状一致，顶座和底座的横截面为圆形，顶座和底座之间通过支杆连接，取土支架1的高度为400mm，顶座和底座的直径为400mm，厚度为20mm，底座上开设有供取样筒穿过的取样筒配合孔11，且取样筒配合孔11的孔壁上具有沿纵向贯通供卡块14通过的方形槽，取样筒配合孔11的直径为71.8mm，使用时可在内部放置外径为71.8mm，内径为49.1mm，高为20mm的环形垫片16，用以改变取样筒配合孔11的孔径。

所述取样筒上端具有螺纹，取样筒的底部具有环形刃口，方便压入土中，取样筒是由两个半圆筒壁12形成的圆筒形结构，两个半圆筒壁12对接边缘通过纵长的凸棱和卡槽13配合连接，上下滑动卡槽13可将取样筒拆开，图3为将取样筒拆卸为两个半圆筒壁12的示意图，使土样容易取出且不受扰动，取样筒的底部环形刃口较薄，使得取样筒容易压入土体，且压入土体过程中减少对周围土体的扰动，取样筒具有两种规格：第一种规格的取样筒，外径为71.8mm，内径为61.8mm，筒厚5mm，筒高50mm，第一种规格的取样筒所取土样为环刀样，第二种规格的取样筒，外径为49.1mm，内径为39.1mm，筒厚5mm，筒高120mm，第二种规格的取样筒所取土样为三轴样，使用第二种规格的取样筒取样时，将外径71.8mm，内径49.1mm，高20mm的环形垫片16放入取样筒配合孔11内即可控制取样筒位置满足要求，环形垫片16上具有供卡块14通过的方形槽。

所述中心柱5呈垂直设置在取土支架1底座的上表面中心位置，且中心柱5的底端固定在取土支架1的底座上，中心柱5上设置有竖直滑槽和标尺，标尺的量程为0～15cm，0刻线设置在水平连接杆6起始位置，将取样筒压入土体的过程中，通过读取标尺上水平连接杆6位置变化量，即得到取样筒被压入的高度，从而控制取样筒筒体整体被压入，达到取样的高度。

所述水平连接杆6呈水平设置，水平连接杆6的一端通过中心柱5上的竖直滑槽与中心柱5滑动配合，水平连接杆6的另一端与滑动块7铰接，用以保证取样筒的水平位置不变，能持续通过取样筒配合孔11，通过水平连接杆6在中心柱5的标尺上移动的距离读数，控制取样筒完整地被压入土体，达到取样高度。

所述千斤顶2的底部固定在取土支架1底座的上表面，千斤顶2的安放位置与取样筒配合孔11以中心柱5为对称中心线呈对称布置，千斤顶2通过其上的液压旋钮可调整自身高度，工作时，旋紧千斤顶2，通过千斤顶2的摇动手轮使千斤顶2上升，千斤顶2产生的力通过传力横梁4经由螺纹帽9传递给取样筒，推动取样筒进入土体，通过水平连接杆6在中心柱5标尺上的读数，控制取样筒在千斤顶2的压力下被压入土体的高度，保证取样筒被完整地压入土体，达到取样的高度。

所述传力横梁4铰接在中心柱5的中点上，传力横梁4靠近千斤顶2的一端通过主动传力轴3固定在千斤顶2的顶部托座上，均匀地传递千斤顶2提供的主动力，传力横梁4靠近取样筒的一端开设有与滑动块7配合的滑槽，滑动块7可沿该滑槽移动，维持取样筒的水平位置不变。

所述被动传力轴8的一端铰接在滑动块7上，被动传力轴8的另一端通过滚珠轴承与螺纹帽9连接，铰接的被动传力轴8也可通过转动使来自千斤顶2的推力平稳且平均的传递给取样筒。

所述螺纹帽9为上端封闭、下端敞口的中空圆柱形结构，螺纹帽9的敞口端设置有用于连接取样筒的螺纹，螺纹帽9可自由拧动，装卸取样筒，螺纹帽9的封闭端开设有两个呈对称设置的排气孔17，方便排气，在取样筒被压入时排气，平衡气压。

所述水准泡10设置在取土支架1底座的上表面，水准泡10的中心和取土支架1底座的中心连线垂直于取样筒配合孔11的中心和千斤顶2的安放位置中心连线，用于调平整个野外浅层原状土取样装置。

所述卡块14通过设置在取样筒外壁下部的环形滑槽与取样筒滑动连接，环形滑槽与取样筒同轴布置，环形滑槽所在的高度距离取样筒底端15mm，卡块14的高度为30mm、长度为10mm、宽度为10mm，卡块14可绕取样筒筒体水平滑动拉出卡块14内的弹簧钢丝15，卡块14的底部具有刃口，方便卡块14随取样筒一起被压入土体。

所述弹簧钢丝15容置在卡块14内部，弹簧钢丝15的一端固定在卡块14内部，弹簧钢丝15的另一端穿出卡块14连接于取样筒底部的环形刃口处，弹簧钢丝15的初始长度为5mm，弹簧钢丝15随卡块14的移动伸缩，伸长量可达取样筒的直径大小；转动取样筒时卡块14受周围土体限制做绕取样筒筒体水平滑动，拉出弹簧钢丝15，弹簧钢丝15切过整个取样筒筒底，切断筒底土和下层土体连接的部分，便于完整的取出筒内土体，图9、图10及图11示出卡块14拉动弹簧钢丝15切土过程示意图。

本发明的工作原理和过程：

首先，在取样地点依据取土计划挖相应深度的直径大于本装置的坑槽，将坑底面土清理平整，用以放置野外浅层原状土取样装置，通过取土支架1底座上的水准泡10调整土面，调平取样装置。千斤顶2固定在和取样筒配合孔11对称的位置上，调整高度，方便下一步安装取样筒；将底部带有环形刃口的取样筒上端和螺纹帽9连接，安装在取样装置上，螺纹帽9和其上被动传力轴8通过滚珠轴承相连，可自由拧动，达到拆卸取样筒的目的。随后将千斤顶2升高至合适的位置，旋紧千斤顶2上的液压旋钮，摇动千斤顶的手轮使千斤顶缓慢升高，通过水平连接杆6，读取中心柱5上的标尺数值，确定压入高度，控制取样筒全部压入土体，达到取样高度。在此过程中千斤顶2对主动传力轴3产生推力，传力横梁4将力传递给被动传力轴8，被动传力轴8进而把推力传递给取样筒，通过滑动块7的移动和水平连接杆6沿中心柱5竖直向下滑动来限制取样筒的水平位置，使其能持续地通过取样筒配合孔11。滑动块7和被动传力轴8采用铰接连接方式则保证了在传力横梁4转动过程中取样筒的受力始终沿其母线方向，使千斤顶2所产生的力平稳并且以平均速度将取样筒压入土体中。

在此野外浅层原状土取样装置工作时，取样筒被完整地压入土体后，可将螺纹帽9拧开，旋松千斤顶2的液压旋钮使千斤顶2卸力并降低千斤顶2至原始位置，卸下取土装置，将起拔器18和取样筒螺纹连接，然后旋转转动手柄1801，取样筒上的卡块14此时受周围土体限制不能随筒体转动，从而相对筒体做沿滑槽的水平滑动，拉出卡块14内的弹簧钢丝15切断筒底土体，使筒内土完整地随筒体上移，继续旋转转动手柄1801，直至筒体被提出。上下滑动被取出的取样筒的两个半圆壁12，拆分开取样筒，将土体完整地取出，用密封保鲜膜包裹装入塑料袋中，从而进行室内试验得出试验所需的各项参数。

利用本发明可以降低土样结构受扰动程度，使室内试验所得参数更加精确，有效应用于土工试验和工程实践中。此外，该发明取土装置高度为400mm，底面直径为400mm，取样装置体积小，携带、使用均为方便。同时，在整个试验中该取土装置操作简单，实用性强，且该发明取样装置制作成本低，可以大量推广应用。

Claims (9)

1.一种野外浅层原状土取样装置，其特征在于，包括：取土支架(1)、取样筒、千斤顶(2)、主动传力轴(3)、传力横梁(4)、中心柱(5)、水平连接杆(6)、滑动块(7)、被动传力轴(8)、螺纹帽(9)、水准泡(10)、卡块(14)、弹簧钢丝(15)及起拔器(18)；所述取土支架(1)包括顶座和底座，顶座和底座形状一致，顶座和底座的横截面为圆形，顶座和底座之间通过支杆连接，底座上开设有供取样筒穿过的取样筒配合孔(11)，且取样筒配合孔(11)的孔壁上具有沿纵向贯通供卡块(14)通过的方形槽；所述取样筒上端具有螺纹，取样筒的底部具有环形刃口，取样筒是由两个半圆筒壁(12)形成的圆筒形结构，两个半圆筒壁(12)对接边缘通过纵长的凸棱和卡槽(13)配合连接；所述中心柱(5)呈垂直设置在取土支架(1)底座的上表面中心位置，且中心柱(5)的底端固定在取土支架(1)的底座上，中心柱(5)上设置有竖直滑槽和标尺，标尺的0刻线设置在水平连接杆(6)起始位置；所述水平连接杆(6)呈水平设置，水平连接杆(6)的一端通过中心柱(5)上的竖直滑槽与中心柱(5)滑动配合，水平连接杆(6)的另一端与滑动块(7)铰接；所述千斤顶(2)的底部固定在取土支架(1)底座的上表面，千斤顶(2)的安放位置与取样筒配合孔(11)以中心柱(5)为对称中心线呈对称布置；所述传力横梁(4)铰接在中心柱(5)的中点上，传力横梁(4)靠近千斤顶(2)的一端通过主动传力轴(3)固定在千斤顶(2)的顶部托座上，传力横梁(4)靠近取样筒的一端开设有与滑动块(7)配合的滑槽；所述被动传力轴(8)的一端铰接在滑动块(7)上，被动传力轴(8)的另一端通过滚珠轴承与螺纹帽(9)连接；所述螺纹帽(9)为上端封闭、下端敞口的中空圆柱形结构，螺纹帽(9)的敞口端设置有用于连接取样筒的螺纹，螺纹帽(9)的封闭端开设有两个呈对称设置的排气孔(17)；所述水准泡(10)设置在取土支架(1)底座的上表面；所述卡块(14)通过设置在取样筒外壁下部的环形滑槽与取样筒滑动连接，环形滑槽与取样筒同轴布置，卡块(14)的底部具有刃口；所述弹簧钢丝(15)容置在卡块(14)内部，弹簧钢丝(15)的一端固定在卡块(14)内部，弹簧钢丝(15)的另一端穿出卡块(14)连接于取样筒底部的环形刃口处，弹簧钢丝(15)随卡块(14)的移动伸缩，弹簧钢丝(15)最大伸长量等于取样筒的直径；取样完成后，所述起拔器(18)与取样筒同轴螺纹连接，起拔器(18)用于将取样筒从土体中旋出。

2.根据权利要求1所述的野外浅层原状土取样装置，其特征在于：所述取土支架(1)的高度为400mm；顶座和底座的直径为400mm，厚度为20mm。

3.根据权利要求1所述的野外浅层原状土取样装置，其特征在于：所述取样筒配合孔(11)的直径为71.8mm。

4.根据权利要求1所述的野外浅层原状土取样装置，其特征在于：所述取样筒具有两种规格：第一种规格的取样筒，外径为71.8mm，内径为61.8mm，筒厚5mm，筒高50mm；第二种规格的取样筒，外径为49.1mm，内径为39.1mm，筒厚5mm，筒高120mm，采用第二种规格的取样筒取样时，取样筒配合孔(11)内预先设置有环形垫片(16)，环形垫片(16)上具有供卡块(14)通过的方形槽。

5.根据权利要求1所述的野外浅层原状土取样装置，其特征在于：所述标尺的量程为0～15cm。

6.根据权利要求1所述的野外浅层原状土取样装置，其特征在于：所述水准泡(10)的中心和取土支架(1)底座的中心连线垂直于取样筒配合孔(11)的中心和千斤顶(2)的安放位置中心连线。

7.根据权利要求1所述的野外浅层原状土取样装置，其特征在于：所述环形滑槽在取样筒上的位置距离取样筒底端15mm。

8.根据权利要求1所述的野外浅层原状土取样装置，其特征在于：所述卡块(14)的高度为30mm、长度为10mm、宽度为10mm。

9.根据权利要求1所述的野外浅层原状土取样装置，其特征在于：所述弹簧钢丝(15)的初始长度为5mm。

Images