CN113267372A - 能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置及取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置及取样方法，所述取样装置包括：轴向测力组件、轴向保压组件、径向保压组件、取样组件以及支撑底座组件；所述轴向测力组件、轴向保压组件、取样组件以及支撑底座组件沿轴向依次安装；所述轴向测力组件的测力杆与轴向保压组件的上压土杆沿轴向设置并接触连接，上压土杆的径向顶压连接有压紧螺栓；所述径向保压组件的气囊呈径向环抱状安装在取样组件的取土刀内，气囊外接流体压力源组件；所述支撑底座组件对接安装在取土刀底部。本发明实现了取样过程中土样的初始应力状态不变，且能够方便地将土样直接应用在三轴试验仪器上，直接进行三轴剪切试验。

Description

能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置及取样方法

技术领域

本发明属于土体工程性质研究及岩土工程勘察过程中的土样取样技术领域，具体涉及能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置及取样方法。

背景技术

在土体工程性质研究及岩土工程勘察工作中，需要从特定地点的特定深度位置处取出所需土壤样品，通过对该土壤样品包括力学性质等在内的特性进行分析，可以获得该取样深度处土体的强度及变形特征等分析数据，是研究土体工程性质的基础，也为工程建筑的设计提供相应的依据。

土壤三轴剪切设备是一种常用的土体力学性质测试仪器，其测试样品的尺寸多为直径39.1mm、高度80mm的圆柱体土柱。

现有取样技术中，多采用探槽、探井方法取样，即在指定位置处开挖探槽或探井，在其底部或侧壁挖取块状土样，然后在实验室内将大体积土样进行切削，切削后得到所需规格尺寸的土壤样品。

上述现有的取样方式中，块状土样挖取以及室内切削的过程中，土样早已失去了原有的初始应力状态，即使试验过程中，使土样恢复至初始应力状态，由于经历了卸压、增压的过程，土样的性质将发生改变，与实际状态的数据存在较大偏差，难以为土体工程性质的研究提供可靠的依据，尤其是在岩土工程勘察工作中，初始应力状态的破坏导致土体力学性质产生偏差，为了保证建筑物的安全性，工程建筑的设计过于保守，工程造价相应增加。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置及取样方法，本发明实现了取样过程中土样的初始应力状态不变，且能够方便地将土样直接应用在三轴仪上，直接进行三轴剪切试验。

结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，包括：轴向测力组件1、轴向保压组件2、径向保压组件3、取样组件4以及支撑底座组件5；

所述轴向测力组件1、轴向保压组件2、取样组件4以及支撑底座组件5沿轴向依次安装；

所述轴向测力组件1的测力杆101与轴向保压组件2的上压土杆202沿轴向设置并接触连接，上压土杆202的径向顶压连接有压紧螺栓203；

所述径向保压组件3的气囊301呈径向环抱状安装在取样组件4的取土刀401内，气囊301外接流体压力源组件；

所述支撑底座组件5对接安装在取土刀401底部。

进一步地，所述轴向测力组件1还包括：测力杆支撑座102以及测力表103；

所述测力杆101通过螺纹垂直活动连接在测力杆支撑座102上；

所述测力表103安装在测力杆101上。

进一步地，所述轴向保压组件2还包括：上压杆支撑座201；

所述上压杆支撑座201螺纹固定连接在轴向测力组件1的测力杆支撑座102底部；

所述上压土杆202垂直滑动连接在压杆支撑座201上，上压土杆202顶部与测力杆101底部相对应，在上压土杆202的外侧设有刻度线；

所述压紧螺栓203通过螺纹垂直连接在上压杆支撑座201的侧壁上，压紧螺栓203的端部与调压腔室内的上压土杆202接触连接。

进一步地，所述流体压力源组件包括：管路开关303、储压罐304以及保压气泵305；

所述气囊301的连接口通过管路与储压罐304的下连接口相连接，所述管路开关303安装在储压罐304与气囊301之间的连接管路上；

所述储压罐304内的压力介质为水；

所述储压罐304的上连接口通过管路与外部的保压气泵305相连接。

进一步地，所述径向保压组件3还包括：气囊支撑套筒302；

所述气囊支撑套筒302套装在气囊301内侧，且气囊支撑套筒302随上压土杆202同步上移。

进一步地，所述取土刀401底部刀头为锥形，取土刀401中心贯穿地开有轴向的取土通道，所述取土通道的内径尺寸与待取土样的外径尺寸相当，取土刀401的取土通道中段内侧壁开有环形筒状的气囊安装槽。

进一步地，所述取样组件4还包括：断土刀402；

所述取土刀401的下端侧壁上沿水平横向开有断土插槽，片状的断土刀402插装在所述断土插槽内。

进一步地，所述支撑底座组件5包括：下压土杆501和下压杆底座502；

所述下压杆底座502螺纹连接在取土刀401底部；

所述下压土杆501通过螺纹垂直活动连接在下压杆底座502上，所述下压土杆501的底部设有支撑座，随着下压土杆501相对于下压杆底座502向上运动，下压杆底座502的底部支撑在下压土杆501底部的支撑座上。

能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置的取样方法，具体过程如下：

步骤一：在取土地点挖探井或探槽至取样所需深度，并将底部平整；

步骤二：打开并调节流体压力源组件，使气囊301中的压力达到预设围压；

步骤三：调节压紧螺栓203旋入上压杆支撑座201内的长度，控制压紧螺栓203作用在上压土杆202上，并调节上压土杆202沿轴向移动的阻力，与此同时，调节轴向测力组件1，使上压土杆202向测力组件1施加的反向轴向力达到预设轴向压力后，保持压紧螺栓203位置相对固定；

步骤四：将轴向测力组件1从装置上拆除，并将取土刀401垂直于取样地面面伸入土壤中；

步骤五：随着取土刀401底部刀头压入土壤中，柱状的土样经刀头进入取土刀401内部的取土通道内，并推动上压土杆202上移，土样顺利进入气囊301后，取土刀401停止运动；

步骤六：通过断土刀402将取土刀401内的土样切断；

步骤七：将取土刀401从土壤中取出后，将支撑底座组件5的下压杆底座502对接安装在取土刀401底部，并将通过螺纹连接在下压杆底座502上的下压土杆501顶压在土样底部；

步骤八：控制下压土杆501上移直至下压杆底座502的底部支撑在下压土杆501底部的支撑座上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述土壤取样装置，在土壤取样的轴向方向上通过测力组件，预先设定上压土杆沿轴向施加给土样的轴向力，并配以压紧螺栓和下压土杆，确保所取出土壤样品的轴向上始终保持初始轴向应力状态。

2、本发明所述土壤取样装置，通过环抱设置在取土刀内侧的气囊，并配以保压机构，确保所取出土壤样品的径向上始终保持初始径向应力状态。

3、本发明所述土壤取样装置，完成土壤取样后，可直接将三轴仪的轴向力施加端连接在上压土杆上，并将下压土杆置于三轴测试设备的底座上，实现通过上压土杆直接施加测试的轴向力，还可直接将三轴测试设备的液压源直接与气囊相连通，实现通过气囊向土壤样品直接施加围压，即所述取样装置可直接应用在三轴仪上，方便测试的同时，避免移动土样造成土样应力状态的变化，影响测量数据的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置结构示意图；

图2为本发明所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，调压完毕准备开始取样时的结构示意图；

图3a为本发明所述土壤取样装置(不含径向压力源)的取土状态时的结构示意图；

图3b为图3a中土壤取样装置(不含径向压力源)的局部放大结构示意图；

图4为本发明所述土壤取样装置(含径向压力源)的取土状态时的结构示意图；

图5为本发明所述土壤取样装置取土完毕后，采用断土刀将样品切断的结构示意图；

图6为本发明所述土壤取样装置切断样品后，土样底部通过下压土杆支撑的结构示意图；

图7为本发明所述土壤取样装置取样完毕后，下压土杆向上推进土样并支撑在下压土杆底座上的结构示意图；

图中：

1-轴向测力组件， 2-轴向保压组件， 3-径向保压组件，

4-取样组件， 5-支撑底座组件；

101-测力杆， 102-测力杆支撑座， 103-测力表；

201-上压杆支撑座， 202-上压土杆， 203-压紧螺栓；

301-气囊， 302-气囊支撑套筒 303-管路开关，

304-储压罐， 305-保压气泵；

401-取土刀， 402-断土刀；

501-下压土杆， 502-下压杆底座。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例一：

本实施例一公开了能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，如图1所示，所述土壤取样装置包括：轴向测力组件1、轴向保压组件2、径向保压组件3、取样组件4以及支撑底座组件5。

所述轴向测力组件1包括：测力杆101、测力杆支撑座102以及测力表103；其中：

所述测力杆101竖直穿过测力杆支撑座102顶板，并与测力杆支撑座102螺纹连接，随着测力杆101相对于测力杆支撑座102旋转，测力杆101相对于测力杆支撑座102轴向直线移动；所述测力表103安装在测力杆101上，用于测量测力杆101收到的轴向压力。

所述轴向保压组件2包括：上压杆支撑座201、上压土杆202和压紧螺栓203；其中：

所述上压杆支撑座201沿轴向安装在测力杆支撑座102底部，所述上压杆支撑座201顶部与所述测力杆支撑座102底部螺纹连接固定；所述上压土杆202竖直穿过压杆支撑座201的顶板与中间平行设置的隔板，并相对于压杆支撑座201的顶板和中间隔板沿轴向自由滑动；所述上压土杆202顶部的上压头穿过压杆支撑座201的顶板后伸入所述测力杆支撑座102内，在上压土杆202的上压头顶面开有与测力杆101底部相匹配的定位凹槽，所述定位凹槽沿轴向正对着测力杆101底部；所述上压土杆202的外侧沿轴向设有刻度线，通过素数刻度线可识别上压土杆202沿轴向运动的距离；

所述压紧螺栓203垂直穿过上压杆支撑座201的侧壁并伸入上压杆支撑座201的顶板与中间隔板之间形成的调压腔室，压紧螺栓203与上压杆支撑座201的侧壁螺纹连接，压紧螺栓203的端部与调压腔室内的上压土杆202接触连接，通过调节压紧螺栓203旋入上压杆支撑座201内的长度，进而控制压紧螺栓203与上压土杆202之间的压力，最终控制上压土杆202相对于上压杆支撑座201沿轴向运动所受到的轴向力；所述上压土杆202的底部设有上压板，所述上压板的尺寸形状为与待取土样的顶部尺寸形状相同的39.1mm圆形。

所述径向保压组件3包括：气囊301、气囊支撑套筒302、管路开关303、储压罐304以及保压气泵305；其中：

所述气囊301呈360°环抱状地安装在取土刀401内侧，且所述气囊301的轴向长度不小于待取土样的轴向长度；所述气囊支撑套筒302套装在气囊301内侧，且气囊支撑套筒302底端位于上压土杆202底部上压板的顶部端面上，即随着上压土杆202沿轴向向上移动，上压土杆202底部的上压板将带动气囊支撑套筒302沿轴向相对于气囊301向上移动；

所述气囊301的连接口通过管路与储压罐304的下连接口相连接，所述管路开关303安装在储压罐304与气囊301之间的连接管路上，所述管路开关303采用手动开关；所述储压罐304内的压力介质为水；所述储压罐304的上连接口通过管路与外部的保压气泵305相连接，通过所述保压气泵305控制进入储压罐304内的气体压力，通过进入储压罐304内的气体压力调节从储压罐304流出并经管路开关303流入气囊301内的水压，进而实现控制经气囊301向外施加的沿径向的压力。

所述取样组件4包括：取土刀401和断土刀402；其中：

所述取土刀401沿轴向安装在上压杆支撑座201底部，取土刀401底部取土端为锥形，以便于取土刀伸入土壤进行取样，所述取土刀401中心贯穿地开有轴向的取土通道，所述取土通道的内径尺寸与待取土样的外径尺寸相当，即为39.1mm；所述取土刀401的取土通道中段内侧壁开有环形筒状的气囊安装槽，用于安装所述气囊301；

在所述取土刀401的下端侧壁上沿水平横向开有断土插槽，所述断土插槽的横向尺寸大于待取土样的外径尺寸，当土样进入取土刀401的取土通道至指定位置后，将片状的断土刀402插入取土刀401的断土插槽内，实现将取土刀401的取土通道内的土样切断，便于土样取出。

所述支撑底座组件5包括：下压土杆501和下压杆底座502；其中：

所述下压杆底座502沿轴向设置在取土刀401的下端，所述下压杆底座502与取土刀401底部通过螺纹装配连接；

所述下压土杆501沿轴向竖直穿过所述下压杆底座502，并与下压杆底座502螺纹配合连接，随着下压土杆501相对于下压杆底座502旋转，下压土杆501相对于下压杆底座502轴向直线移动；所述下压土杆501的顶部设有下压板，所述下压板的尺寸形状与待取土样的底部尺寸形状相同的39.1mm圆形，所述下压土杆501的底部设有支撑座，且所述支撑座位于下压杆底座502底部，当所述下压土杆501相对于下压杆底座502向上旋拧移动，并与已被切断的土样底部相接触后，随着下压土杆501继续相对于下压杆底座502向上旋拧移动，下压土杆501将土样沿着取土刀401内侧的取土通道向上推移，直至下压杆底座502的底部稳固的支撑在下压土杆501底部的支撑座上，以实现对其上方零部件及内部土样的稳固支撑。

实施例二：

本实施例二公开了能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置的取样方法，所述取样方法采用如上述实施例一中所述的土壤取样装置来实现，具体取样过程步骤如下：

步骤一：在取土地点挖探井或探槽至取样所需深度，并将底部平整；

步骤二：将储压罐304与气囊301之间连接管路上管路开关303打开，调节保压气泵305，控制储压罐中304中的压力增加至预设径向压力，与此同时，气囊301中的压力也达到预设径向压力；

所述预设径向压力是通过旁压试验测得取土深度处土的水平向压力；

步骤三：调节压紧螺栓203旋入上压杆支撑座201内的长度，以控制压紧螺栓203作用在上压土杆202上并调节上压土杆202沿轴向移动的阻力，与此同时，旋拧测力杆101，使上压土杆202的顶部定位槽与上方测力杆101的底部定位槽接触，并传递轴向压力，直至测力表103测得上压土杆202向测力杆101施加的反向轴向力达到预设轴向压力，保持压紧螺栓203位置相对固定；

所述预设轴向压力通过土的重度及取样深度计算得到；

步骤四：如图2、图3a和图3b所示，待压紧螺栓203位置调整完毕后，将包括测力杆101、测力杆支撑座102以及测力表103在内的轴向测力组件1从所述装置上拆除，并将取土刀401垂直于取样底面伸入土壤中；

步骤五：如图4所示，随着取土刀401底部刀头压入土壤中，柱状的土样经刀头进入取土刀401内部的取土通道内，随着土样的进入，上压土杆202在土样的运动顶压下沿着轴向向上移动，并将气囊支撑套筒302从气囊301中间带出，土样顺利进入气囊301中间位置，并被向外保持预设径向压力的气囊301呈360°环抱包裹，由于力的作用是相互的，上压土杆202在被土样向上推动运行的过程中，土样始终受到上压土杆202所施加的预设轴向压力，通过识别上压土杆202上的刻度，当上压土杆202在土样的作用下沿轴向运动至预设距离后，即土样的长度达到预设采样长度后，取土刀401停止运动；

步骤六：如图5所示，清理取土刀401外侧的土壤，并将断土刀402插入取土刀401的断土插槽内，将取土刀401的取土通道内的土样切断；

步骤七：如图6所示，将取土刀401从土壤中取出，并清理去除外侧多余土壤，将下压杆底座502对接旋拧固定在取土刀401底部后，进一步旋拧下压土杆501直至下压土杆501顶部的下压板顶压在断土刀402上后，将断土刀402从取土刀401的断土插槽内取出；

步骤八：如图7所示，断土刀402取出后，下压土杆501顶部下压板直接顶压在圆柱状的土样底部，并进一步旋拧下压土杆501直至下压杆底座502的底部稳固的支撑在下压土杆501底部的支撑座上，此时，土样恰好位于气囊301中部，且土样保持在初始的应力状态下。

通过上述实施例一所述的取样装置，并安装上述实施例二所述的取样方法获取土样后，可将装有土样的取样装置直接与三轴仪连接，对其内部的土样进行测试，其中，三轴仪的轴向力施加端连接在上压土杆上，并将下压土杆底部支撑座置于三轴仪的底座上，实现通过上压土杆直接施加测试的轴向力进行剪切试验，还可直接将三轴测试设备的液压源直接与气囊相连通，实现通过气囊向土壤样品直接施加径向压力，所述取样装置直接应用在三轴仪上，方便测试的同时，避免移动土样造成土样应力状态变化，影响测量数据的可靠性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，其特征在于：

包括：轴向测力组件(1)、轴向保压组件(2)、径向保压组件(3)、取样组件(4)以及支撑底座组件(5)；

所述轴向测力组件(1)、轴向保压组件(2)、取样组件(4)以及支撑底座组件(5)沿轴向依次安装；

所述轴向测力组件(1)的测力杆(101)与轴向保压组件(2)的上压土杆(202)沿轴向设置并接触连接，上压土杆(202)的径向顶压连接有压紧螺栓(203)；

所述径向保压组件(3)的气囊(301)呈径向环抱状安装在取样组件(4)的取土刀(401)内，气囊(301)外接流体压力源组件；

所述支撑底座组件(5)对接安装在取土刀(401)底部。

2.如权利要求1所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，其特征在于：

所述轴向测力组件(1)还包括：测力杆支撑座(102)以及测力表(103)；

所述测力杆(101)通过螺纹垂直活动连接在测力杆支撑座(102)上；

所述测力表(103)安装在测力杆(101)上。

3.如权利要求1所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，其特征在于：

所述轴向保压组件(2)还包括：上压杆支撑座(201)；

所述上压杆支撑座(201)螺纹固定连接在轴向测力组件(1)的测力杆支撑座(102)底部；

所述上压土杆(202)垂直滑动连接在压杆支撑座(201)上，上压土杆(202)顶部与测力杆(101)底部相对应，在上压土杆(202)的外侧设有刻度线；

所述压紧螺栓(203)通过螺纹垂直连接在上压杆支撑座(201)的侧壁上，压紧螺栓(203)的端部与调压腔室内的上压土杆(202)接触连接。

4.如权利要求1所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，其特征在于：

所述流体压力源组件包括：管路开关(303)、储压罐(304)以及保压气泵(305)；

所述气囊(301)的连接口通过管路与储压罐(304)的下连接口相连接，所述管路开关(303)安装在储压罐(304)与气囊(301)之间的连接管路上；

所述储压罐(304)内的压力介质为水；

所述储压罐(304)的上连接口通过管路与外部的保压气泵(305)相连接。

5.如权利要求1或4所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，其特征在于：

所述径向保压组件(3)还包括：气囊支撑套筒(302)；

所述气囊支撑套筒(302)套装在气囊(301)内侧，且气囊支撑套筒(302)随上压土杆(202)同步上移。

6.如权利要求1所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，其特征在于：

所述取土刀(401)底部刀头为锥形，取土刀(401)中心贯穿地开有轴向的取土通道，所述取土通道的内径尺寸与待取土样的外径尺寸相当，取土刀(401)的取土通道中段内侧壁开有环形筒状的气囊安装槽。

7.如权利要求1或6所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，其特征在于：

所述取样组件4还包括：断土刀402；

所述取土刀401的下端侧壁上沿水平横向开有断土插槽，片状的断土刀402插装在所述断土插槽内。

8.如权利要求1或6所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置，其特征在于：

所述支撑底座组件(5)包括：下压土杆(501)和下压杆底座(502)；

所述下压杆底座(502)螺纹连接在取土刀(401)底部；

所述下压土杆(501)通过螺纹垂直活动连接在下压杆底座(502)上，所述下压土杆(501)的底部设有支撑座，随着下压土杆(501)相对于下压杆底座(502)向上运动，下压杆底座(502)的底部支撑在下压土杆(501)底部的支撑座上。

9.如权利要求1所述能够保持样品初始应力状态的土壤取样装置的取样方法，其特征在于：

步骤一：在取土地点挖探井或探槽至取样所需深度，并将底部平整；

步骤二：打开并调节流体压力源组件，使气囊(301)中的压力达到预设围压；

步骤三：调节压紧螺栓(203)旋入上压杆支撑座(201)内的长度，控制压紧螺栓(203)作用在上压土杆(202)上，并调节上压土杆(202)沿轴向移动的阻力，与此同时，调节轴向测力组件(1)，使上压土杆(202)向测力组件(1)施加的反向轴向力达到预设轴向压力后，保持压紧螺栓(203)位置相对固定；

步骤四：将轴向测力组件(1)从装置上拆除，并将取土刀(401)垂直于取样地面伸入土壤中；

步骤五：随着取土刀(401)底部刀头压入土壤中，柱状的土样经刀头进入取土刀(401)内部的取土通道内，并推动上压土杆(202)上移，土样顺利进入气囊(301)后，取土刀(401)停止运动；

步骤六：通过断土刀(402)将取土刀(401)内的土样切断；

步骤七：将取土刀(401)从土壤中取出后，将支撑底座组件(5)的下压杆底座(502)对接安装在取土刀(401)底部，并将通过螺纹连接在下压杆底座(502)上的下压土杆(501)顶压在土样底部；

步骤八：控制下压土杆(501)上移直至下压杆底座(502)的底部支撑在下压土杆(501)底部的支撑座上。

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