CN112781967B - 一种可变倾角的互层土制样装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变倾角的互层土制样装置及使用方法，所述制样装置包括第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁、底板、透水石Ⅰ及取土器，所述第二侧壁和第四侧壁各开有多个长轴尺寸不同的椭圆形取土孔，所述取土器包含一端开口的圆柱型套筒，所述圆柱型套筒通过取土孔进行不同倾角的互层土取样，解决了通过不同倾角的互层土来研究互层土力学特性的技术问题；所述制样装置的使用方法包括如下步骤：S1组装制样箱；S2制备第一类土和第二类土；S3在制样箱内壁涂凡士林；S4互层土的制备；S5施压成型；S6：不同倾角互层土取样。本发明的取样装置操作简单，可以快捷高效地获取互层面与水平面成不同倾角的圆柱形互层土试样。

Description

一种可变倾角的互层土制样装置及使用方法

技术领域

本发明涉岩土工程领域，尤其涉及一种可变倾角的互层土制样装置及使用方法。

背景技术

在我国沿江、沿湖、沿海地区由于沉积环境的变化和海洋动力作用，堆积着一种黏土和砂土交替出现的土层，俗称千层饼土，即所谓互层土。这种土层往往分布较广、厚度较大、性质特殊。该种土层既具有一般软弱土的性质，也具有互层结构带来的独特性质，而且它埋藏较浅，往往是建构筑物基础的持力层、隧道结构的埋置层、基坑开挖的穿过层，其力学特性对于工程结构安全至关重要。互层土的力学特性与其受到的主应力方向密切相关，在某一特定方向上互层土的力学特性最差。然而，当前对互层土的力学特性研究还很不充分，加载方向对其力学特性的影响研究更是非常欠缺。对互层土进行力学特性研究最理想的是获取原状试样进行实验。然而，实际操作中发现，这种互层土在取样过程中很容易被扰动且扰动后无法恢复。一种有效地获取原状样的方法是冻结取样，但是对于互层土操作困难，无法实施。为此，人工制备互层土成为实验研究互层土力学特性及其各向异性的关键一步。

经检索，申请日为2020年3月9日，公开号为CN111307548A，名称为“一种黏土与砂土的互层土制样装置及其使用方法”的中国发明专利申请公开了一种可制备黏土与砂土互层土圆柱形试样的装置与方法，但该方法只能制备互层面为水平面的试样，不能制备互层面与水平面成不同倾角的圆柱试样，因此无法解决通过不同倾角的互层土来研究互层土的主应力方向、互层土强度、轴压以及围压等力学特性的技术问题。

发明内容

为了上述问题，本发明提出一种可变倾角的互层土制样装置及使用方法，该取样装置操作简单，可以快捷高效地获取互层面与水平面成不同倾角的圆柱形互层土试样。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案如下：

一种可变倾角互层土的制样装置，包括第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁、底板、透水石Ⅰ及取土器，所述第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁依次固定连接形成两端开口的长方体制样箱，所述第二侧壁和第四侧壁各开有多个长轴尺寸不同的椭圆形取土孔所述取土孔的长轴方向为竖直方向，所述第二侧壁和第四侧壁设置可拆卸的孔帽，所述孔帽内嵌于取土孔内用于封闭第二侧壁和第四侧壁，所述底板成矩形且四周设有矩形凹槽，所述制样箱底部嵌入凹槽内，所述透水石Ⅰ呈长方体放置于凹槽围成的矩形内；

所述取土器包含一端开口的圆柱型套筒，所述圆柱型套筒的外径不大于取土孔的短轴内径，所述圆柱型套筒通过所述取土孔进行互层土取样。

进一步地，所述第一侧壁及第三侧壁中有一侧壁设有多个位置相对应的水平方向的矩形狭缝，所述狭缝呈等间隔分布用于插入钢板。

进一步地，所述狭缝两端垂直设置沿水平方向的托架，所述托架的长度不小于所述钢板运动方向的长度。

进一步地，所述第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁由透明材料制成，所述第一侧壁及第三侧壁外壁沿着水平方向设有刻度线，所述刻度线的最小单位为毫米。

进一步地，所述孔帽沿着轴线方向设有2个对称的挂耳1个弧形把手，所述孔帽通过挂耳和第二侧壁及第四侧壁进行螺丝固定。

进一步地，所述取土器还包括把手，所述圆柱型套筒包含两端开口的带刃口套筒和一端开口的过渡套筒，所述带刃口套筒的刀刃端位于圆柱型套筒的底部，所述带刃口套筒和过渡套筒可拆卸连接，所述把手呈T字型，所述把手的底端和过渡套筒的顶端焊接。

本发明还提供一种可变倾角互层土的制样装置的使用方法，包含以下步骤：

S1：组装制样箱：将透水石Ⅰ放置在底板中央且位于凹槽围成的矩形内，将第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁拼装并用螺丝或者螺栓固定形成制样箱，然后将制样箱的底部嵌入底板的凹槽内；

S2：制备第一类土和第二类土，第一类土和第二类土均为水饱和状态，搅拌均匀后放入密封袋中密封24小时后待用；

S3：在制样箱内壁均匀涂上一层凡士林；

S4：制备互层土试样：将第一类土缓慢均匀填入制样箱中并抹平表面，从第一侧壁狭缝中插入钢板，钢板位置恰好在第一层土的顶面，将第二类土缓慢均匀填入制样箱中的钢板上并抹平表面，从第一侧壁狭缝中插入第二片钢板，钢板位置恰好在第二层土的顶面，将第一层、第二层土之间的钢板缓慢抽出置于制样箱侧壁的托架上；同样的方法制得第n层第一类及第二类互层土，直至互层土填满整个制样箱，其中n为2、3、4、5、6、7中的任何一个数；

S5：施压成型：在互层土顶部放置透水石Ⅱ，同时在透水石Ⅱ上施加竖直向下的压力固结互层土。

S6：不同倾角互层土取样：卸下孔帽，将取土器缓慢推入取土孔，直至带刃口套筒完全贯入制样箱中，随后手持把手将取土器缓慢从制样箱中取出；将带刃口套筒从取土器中卸下，将带刃口套筒两端多余部分土体切除，将试样从带刃口套筒中推出，两端各切掉扰动较大部分，即形成互层土试样。

进一步地，所述第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁由透明材料制成，所述第一侧壁及第三侧壁外壁沿着水平方向设有刻度线，所述刻度线的最小单位为毫米，所述步骤S4中，土层厚度由制样箱上的刻度控制。

进一步地，所述取土器还包括把手和过渡套筒，所述带刃口套筒和过渡套筒可拆卸连接，所述把手呈T字型，所述把手的底端和过渡套筒的顶端焊接。

本发明的有益效果在于：

1、利用取土器的圆柱型套筒通过椭圆形取土孔进行互层土取样，根据取土孔长轴尺寸的不同可以实现取土器进入互层土的倾角不同，从而实现了多个倾角的互层土取样，从而解决了无法解决通过不同倾角的互层土来研究互层土的主应力方向、互层土强度、轴压以及围压等力学特性的技术问题；

2、不同土层之间放置了钢板，避免了上层土填入、摊铺、抹平、压实等操作对下层土的扰动；

3、在第二侧壁及第四侧壁开有多个椭圆形取土孔，可一次性获取多个试样，提高互层土制样的效率和质量。

4、通过用对互层土顶部加压固结压力可给予互层土一定的初始强度，有利于后续取土和切削操作。

附图说明

图1是一实施例中制样装置的整体结构图；

图2是图1中不同长轴尺寸的孔帽；

图3是一实施例中取土器的整体结构图；

图4是图1中取土器插入制样箱的取样状态图；

图5是一实施中制样装置进行制样过程示意图。

图中标号：1、制样箱，2、底板，3、凹槽，4、透水石Ⅰ，5、第一侧壁，6、第二侧壁，7、第三侧壁，8、第四侧壁，9、钢板，10、托架，11、取土器，12-1、第一取土孔，12-2、第二取土孔，12-3、第三取土孔，12-4、第四取土孔，12-5、第五取土孔，12-6、第六取土孔，13-1、第一孔帽，13-11、挂耳，13-12、弧形把手，13-2、第二孔帽，13-3、第三孔帽，13-4、第四孔帽，13-5、第五孔帽，13-6、第六孔帽，14圆柱型套筒、14-1、带刃口套筒、14-2过渡套筒，15、把手，16、十字叉，17、狭缝，18、透水石Ⅱ。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，实施例中的水平、竖直、第一、第二、第三、第四、第五及第六仅仅是为了更好地说明方向及起区分作用，不能作为本发明的限制依据。

本实施例中将制备直径39mm，高度80mm的砂土与黏土互层土，其中第一类土黏土，第二类对应砂土，每层土厚度均为20mm，且一次性制备层面倾角分别为0度、15度、30度、45度、60度、75度的6个砂土与黏土互层土。制样箱1材料为透明亚克力，由第一侧壁5、第二侧壁6、第三侧壁7及第四侧壁8围成的制样箱1对应的外轮廓长度180mm，外轮廓宽度150mm，高度300mm，各壁厚10mm。

如图1所示，一种可变倾角互层土的制样装置，包括第一侧壁5、第二侧壁6、第三侧壁7、第四侧壁8、底板2、透水石Ⅰ及取土器11，所述第一侧壁5、第二侧壁6、第三侧壁7、第四侧壁8依次连接形成两端开口的长方体制样箱1，所述制样箱1材料为透明亚克力，由第一侧壁5、第二侧壁6、第三侧壁7及第四侧壁8围成的制样箱1外轮廓长度180mm，外轮廓宽度150mm，高度300mm，各壁厚10mm，其中第一侧壁5开有垂直于侧壁的螺丝孔，第二侧壁6开有平行于侧壁的螺丝孔，第一侧壁5及第二侧壁6呈直角对接，利用螺丝分别通过第一侧壁5的螺丝孔及第二侧壁6的螺丝孔进固定，其他侧壁之间固定连接和上述方法相同就不在此赘述，在其他实施例中也可以直接利用直角钢板结合螺栓固定连接；所述底板2成矩形且四周设有矩形凹槽3，将上述制样箱1底部嵌入凹槽3内从而形成下端封闭的制样箱1，所述透水石Ⅰ为多孔陶质，长度为159.8mm，宽度为129.8mm，厚度20mm放置于凹槽3中心位置且在凹槽3围成的矩形内，所述透水石Ⅰ用于排出因土体固结而渗出的水。

如图2所示，所述第二侧壁6开有5个多个长轴尺寸不同的椭圆形取土孔，按照长轴尺寸从小到大分别为第一取土孔12-1、第二取土孔12-2、第三取土孔12-3、第四取土孔12-4及第五取土孔12-5、第四侧壁8开有1个长轴尺寸最大的第六取土孔12-6，上述各取土孔的长轴方向为竖直方向，取土孔短轴尺寸统一为40mm，第一取土孔12-1(0度取土孔)椭圆长轴尺寸为40mm，第二取土孔12-2(15度取土孔)椭圆长轴尺寸为41.4mm，第三取土孔12-3(30度取土孔)椭圆长轴尺寸为46.2mm，第四取土孔12-4(45度取土孔)椭圆长轴尺寸为56.6mm，第五取土孔12-5(60度取土孔)椭圆长轴尺寸为80mm，第六取土孔12-6(75度取土孔)椭圆长轴尺寸为154.5mm；所述第二侧壁6设置5个可拆卸的孔帽和第四侧壁8设置1个可拆卸的孔帽，所述孔帽内嵌于上述取土孔内用于封闭第二侧壁6和第四侧壁8，上述各孔帽沿着短轴线方向设有2个对称的挂耳13-11及1个弧形把手13-12，上述挂耳13-11也可沿着长轴线方向，所述孔帽通过挂耳13-11和第二侧壁6及第四侧壁8进行螺丝固定，螺丝直径为5mm，因此在本实施中将孔帽厚度设置比制样箱1壁厚大2mm，上述各孔帽也是椭圆形具体尺寸根据对应的取土孔尺寸来定；所述弧形把手13-12沿着轴线方向，方便孔帽的固定及拆卸。

所述取土器11包含一端开口的圆柱型套筒14，所述圆柱型套筒14的外径不大于取土孔的短轴内径，所述圆柱型套筒14通过所述取土孔进行互层土取样。

进一步地，所述第一侧壁5及第三侧壁7外壁沿着水平方向设有刻度线，所述刻度线的最小单位为毫米，方便控制土层厚度；所述第一侧壁5和第三侧壁7设有多个位置相对应的水平方向的矩形狭缝17，所述狭缝17呈等间隔分布用于插入钢板9；所述狭缝17两端垂直设置沿水平方向的托架10，所述托架10的长度不小于所述钢板9运动方向的长度；所述托架10用于方便钢板9从第一侧壁的矩形狭缝17沿着水平方向推入制样箱，同时也可以方便支撑抽离出制样箱的钢板9。

图3所述，取土器还包括把手15，所述圆柱型套筒14包含两端开口的带刃口套筒14-1和一端开口的过渡套筒14-2，所述带刃口套筒14-1的刀刃端位于圆柱型套筒14的底部，所述带刃口套筒14-1和过渡套筒14-2通过螺纹拆卸连接，其他实施例中也可以通过卡接等形式进行可拆卸连接，所述把手15呈T字型，所述把手15的底端和过渡套筒14-2的顶端通过十字叉16焊接；所述取土器钢质材料，带刃口套筒14-1内直径40mm，壁厚2mm，长度80mm，刃口角度15度(与竖直方向夹角)；过渡套筒14-2内直径40mm，壁厚2mm，长度165mm；钢杆直径为22mm，长度80mm，把手15长度直径为25mm，长度160mm。

本实施还提供一种可变倾角互层土的制样装置的使用方法，如图4及图5所示，包含以下步骤：

S1：组装制样箱1：将透水石Ⅰ放置在底板2中央且位于凹槽3围成的矩形内，将第一侧壁5、第二侧壁6、第三侧壁7和第四侧壁8拼装并用螺丝或者螺栓固定形成制样箱1，然后将制样箱1的底部嵌入底板2的凹槽3内；

S2：制备一定量的砂土和黏土材料均为水饱和状态，搅拌均匀后放入密封袋中密封24小时后待用；

S3：在制样箱1内壁均匀涂上一层凡士林

S4：制备互层土试样：将第一类土缓慢均匀填入制样箱1中并抹平表面，从第一侧壁5狭缝17中插入钢板9，钢板9位置恰好在第一层土的顶面，将第二类土缓慢均匀填入制样箱1中的钢板9上并抹平表面，从第一侧壁5狭缝17中插入第二片钢板9，钢板9位置恰好在第二层土的顶面，将第一层、第二层土之间的钢板9缓慢抽出置于制样箱1侧壁的托架10上；同样的方法制得第n层第一类及第二类互层土，直至互层土填满整个制样箱1，其中n为2、3、4、5、6、7中的任何一个数；

S5：施压成型：在互层土顶部放置透水石Ⅱ18，所述透水石Ⅱ18和透水石Ⅰ相同，同时在透水石Ⅱ18上施加20kPa竖直向下的压力固结互层土。

S6：不同倾角互层土取样：依次卸下第一孔帽13-1、第二孔帽13-2、第三孔帽13-3、第四孔帽13-4、第五孔帽13-5及第六孔帽13-6，将取土器圆柱型套筒14正好放置于各取土孔的中心位置，并取土器将缓慢推入取土孔，直至带刃口套筒14-1完全贯入制样箱1中，随后手持把手15将取土器缓慢从制样箱1中取出；将带刃口套筒14-1从取土器中卸下，将带刃口套筒14-1两端多余部分土体切除，将试样从带刃口套筒14-1中推出，两端各切掉扰动较大部分，即形成层面倾角分别为0度、15度、30度、45度、60度、75度的互层土试样。

进一步地，所述第一侧壁5、第二侧壁6、第三侧壁7、第四侧壁8由透明材料制成，所述第一侧壁5及第三侧壁7外壁沿着水平方向设有刻度线，所述刻度线的最小单位为毫米，所述步骤S4中，土层厚度由制样箱上的刻度控制。

进一步地，所述取土器11还包括把手15和过渡套筒14-2，所述带刃口套筒14-1和过渡套筒14-2可拆卸连接，所述把手15呈T字型，所述把手15的底端和过渡套筒14-2的顶端焊接。

上所述仅为本申请的部分优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可变倾角互层土的制样装置，其特征在于，包括第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁、底板、透水石Ⅰ及取土器，所述第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁依次固定连接形成两端开口的长方体制样箱，所述第二侧壁和第四侧壁各开有多个长轴尺寸不同的椭圆形取土孔且所述取土孔的长轴方向为竖直方向，所述第二侧壁和第四侧壁设置可拆卸的孔帽，所述孔帽内嵌于取土孔内用于封闭第二侧壁和第四侧壁，所述底板成矩形且四周设有矩形凹槽，所述制样箱底部嵌入凹槽内，所述透水石Ⅰ呈长方体放置于凹槽围成的矩形内；

所述取土器包含一端开口的圆柱型套筒，所述圆柱型套筒的外径不大于取土孔的短轴内径，所述圆柱型套筒通过所述取土孔进行互层土取样。

2.根据权利要求1所述的可变倾角互层土的制样装置，其特征在于，所述第一侧壁及第三侧壁中有一侧壁设有多个位置相对应的水平方向的矩形狭缝，所述狭缝呈等间隔分布用于插入钢板。

3.根据权利要求2所述的可变倾角互层土的制样装置，其特征在于，所述狭缝两端垂直设置水平方向的托架，所述托架的长度不小于所述钢板运动方向的长度。

4.根据权利要求1所述的可变倾角互层土的制样装置，其特征在于，所述第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁由透明材料制成，所述第一侧壁及第三侧壁外壁沿着水平方向设有刻度线，所述刻度线的最小单位为毫米。

5.根据权利要求1所述的可变倾角互层土的制样装置，其特征在于，所述孔帽沿着轴线方向设有2个对称的挂耳及1个弧形把手，所述孔帽通过挂耳和第二侧壁及第四侧壁进行螺丝固定。

6.根据权利要求1所述的可变倾角互层土的制样装置，其特征在于，所述取土器还包括把手，所述圆柱型套筒包含两端开口的带刃口套筒和一端开口的过渡套筒，所述带刃口套筒的刀刃端位于圆柱型套筒的底部，所述带刃口套筒和过渡套筒可拆卸连接，所述把手呈T字型，所述把手的底端和过渡套筒的顶端焊接。

7.基于权利要求1-6任意一项所述的可变倾角互层土的制样装置的使用方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：组装制样箱：将透水石Ⅰ放置在底板中央且位于凹槽围成的矩形内，将第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁拼装并用螺丝或者螺栓固定形成制样箱，然后将制样箱的底部嵌入底板的凹槽内；

S2：制备第一类土和第二类土，第一类土和第二类土均为水饱和状态，搅拌均匀后放入密封袋中密封24小时后待用；

S3：在制样箱内壁均匀涂上一层凡士林；

S4：制备互层土试样：将第一类土缓慢均匀填入制样箱中并抹平表面，从第一侧壁狭缝中插入钢板，钢板位置恰好在第一层土的顶面，将第二类土缓慢均匀填入制样箱中的钢板上并抹平表面，从第一侧壁狭缝中插入第二片钢板，钢板位置恰好在第二层土的顶面，将第一层、第二层土之间的钢板缓慢抽出置于制样箱侧壁的托架上；同样的方法制得第n层第一类及第二类互层土，直至互层土填满整个制样箱，其中n为2、3、4、5、6、7中的任何一个数；

S5：施压成型：在互层土顶部放置透水石Ⅱ，同时在透水石Ⅱ上施加竖直向下的压力固结互层土；

S6：不同倾角互层土取样：卸下孔帽，将取土器缓慢推入取土孔，直至带刃口套筒完全贯入制样箱中，随后手持把手将取土器缓慢从制样箱中取出；将带刃口套筒从取土器中卸下，将带刃口套筒两端多余部分土体切除，将试样从带刃口套筒中推出，两端各切掉扰动较大部分，即形成互层土试样。

8.根据权利要求7所述的可变倾角互层土的制样装置的使用方法，其特征在于，所述第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁由透明材料制成，所述第一侧壁及第三侧壁外壁沿着水平方向设有刻度线，所述刻度线的最小单位为毫米，所述步骤S4中，土层厚度由制样箱上的刻度控制。

9.根据权利要求7所述的可变倾角互层土的制样装置的使用方法，其特征在于，所述取土器还包括把手和过渡套筒，所述带刃口套筒和过渡套筒可拆卸连接，所述把手呈T字型，所述把手的底端和过渡套筒的顶端焊接。

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