CN114414287A - 一种易运输扰动小的现场原状土块取样装置及其取样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种易运输扰动小的现场原状土块取样装置及其取样方法，取样装置是由箱盖、三个箱体板、切土板和密封板构成的具有空腔的全封闭箱体，全封闭箱体内设有包裹膜，箱盖顶部的中心位置设有传力杆。取样方法包括确定取样区域并做好相应标记；对所述取样区域进行开挖、平整，形成取样操作空间及环境，确定取样深度，并预留原状土块取样保护层厚度；在所述取样区域周围开挖隔离槽，将所述取样区域与周围土体分离开；采用取样装置进行取样，将完成取样的取样装置运至室内实验室，将所述原状土块取出。取样装置内置包裹膜和密封板缓解了取样、运输及存储中原始土块中水分的蒸发，并增强了取样装置对原状土块的原始状态密封性能。
Description
技术领域
本发明属于土工试验取土方法，尤其涉及一种易运输扰动小的现场原状土块取样装置及其取样方法。
背景技术
随着土体材料的理论研究和工程实践不断推广应用，其复杂的工程力学性质备受大家的关注。经过上个世纪至今，在土力学研究方面积累了大量的研究基础与研究经验，并弄清了土体复杂微观和细观的结构特征，为研究土体力学特性奠定了坚实的基础。总体而言，土木工程领域的科研人员和专业技术人员对土体力学性质研究主要通过实验研究和数值分析，但由于数值分析太过于理想化，通常将土体看作均匀的、连续的材料，与土体复杂的、不均匀、不连续等实际性质不符，因此采用数值分析研究土体的力学性质存在较大误差。
当前，对于土体的复杂力学特性处于深入研究阶段，土工试验研究方法依然是土体力学性质研究最常用、最重要的研究方法。科研人员和专业技术人员弄清土体力学特性的内部作用机制，首先需研究土体的宏观力学特征，其次通过宏观力学特征再开展深入研究，所以说土工试验研究土体力学性质关键的步骤之一且必须保证研究过程中土体的原始状态。在科学研究和工程建设中，由于受仪器设备的影响，土体力学性质研究工作不可能就地或现场试验，一般需要针对实际工程点对点获取运输，所以土体由于远距离运输而产生的扰动问题十分突出。与此同时，研究土体力学性质时，需要进行大量试验，由于土体的三相组成特征，其内部的水分极易蒸发影响土体的原始状态，这就导致取样数量过少，不能达到试验目的，取样数量过多，现场的原状土块密封工作不易开展。研究表明，为保证土体在实验室的力学性质与实际受力状态接近或相近，土工试验要求原状土块取样到土工试验制样间隔不易过长，因此对于土工试验时需要大批量制备试样进行试验，当前原状土块的取土方式主要为单一取样方式，很难满足这一要求，且极大降低了土工试验的制样效率，将严重影响土体的力学性能研究。
综上所述，当前原状土块取样技术存在的问题主要是：现有的原状土块取样方法具有难运输、原状土块易扰动、制样效率较低等问题十分突出，尚未得到有效解决，很难保证原状土块的原始状态或接近原始状态，将严重制约土工试验的试验周期、试验效果，导致所测土体力学性质与土体原始状态下的力学性质存在较大差异。
解决上述原状土块取样方法所存在问题的难度和意义：
原状土块的取样过程作为土工试验的重要组成部分，将直接影响土工试验结果，因此合理、安全、可靠的取样方法对土工试验具有重要意义。在原状土块的取样过程中，如何更好地在扰动小的情况下对所取原状土块进行密封、包裹是原状土块取样成功的关键。目前，塑料袋包裹是对所取原状土块进行密封、包裹是最常用的处理方式，但该方法最大的问题在于密封处理时特别容易扰动土样，包裹很容易破坏原状土块的原始结构，同理运输过程中很容易破坏原状土块，从而很难保证使实验原状土块尽可能的接近土体原始状态。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明要解决的第一个技术问题是：如何给定一种结构简单且方便现场取样装置。
要解决的第二个技术问题是：如何提供一种方便运输，且对原状土块扰动小的取样方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：一种易运输扰动小的现场原状土块取样装置，包括传力杆、箱盖、箱靴、切土板、密封板和三个箱体板；所述传力杆位于箱盖顶部的中心位置，且传力杆与箱盖固定连接，所述箱盖底部三条边的边缘位置设有卯眼，卯眼沿所在边长度方向设置，三个箱体板的顶部均具有榫头，所述榫头与卯眼滑动配合，位于左右两侧的箱体板的外侧具有竖直方向设置的密封槽，所述密封板与密封槽滑动配合；在每个箱体板下方对应的连接有箱靴，且箱靴顶部的宽度大于箱体板的宽度，每个所述箱靴的内侧设有切土槽和固定槽，所述切土槽和固定槽均沿所在箱靴顶部长边的长度方向设置，其中在竖直方向上固定槽位于切土槽的上方；所述箱盖、三个箱体板、切土板和密封板构成具有空腔的全封闭箱体，所述包裹膜设置在全封闭箱体内。
作为优选，所述箱靴的纵截面为三角形。
作为优选，所述切土板的后侧设有板靴，该板靴的纵截面为三角形。
为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下技术方案：一种易运输扰动小的现场原状土块取样方法，采用上述的现场原状土块取样装置进行，该取样方法包括如下步骤：
S101：确定取样区域并做好相应标记；
S102：对所述取样区域进行开挖、平整，形成取样操作空间及环境，确定取样深度，并预留原状土块取样保护层厚度；
S103：在所述取样区域周围开挖隔离槽，将所述取样区域与周围土体分离开，所述隔离槽深度大于取样深度；
S104：将所述取样装置沿所述取样区域的垂直方向施加静压力，使取样装置沿取样深度方向运动，当取样装置达到预设取样深度后停止加压，对所述切土板施加水平静压力，使切土板沿左右两侧的切土槽缓慢移动，待切土板的板靴到达与后侧切土槽内后，停止向所述的切土板施加压力，移除加压装置后，将密封板沿密封槽下移，对取样装置进行密封，再将取样装置沿垂直方向取出，移出取样区域；
S105：将完成取样的取样装置运至室内实验室，将所述原状土块取出。
作为优选，所述S102中保护层厚度设置不小于5cm。
作为优选，所述S103中隔离槽截面面积大于取样装置的截面面积，并且隔离槽的边与取样装置外框距离大于3cm。
相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：
1.本发明通过在取样装置中内置包裹膜，采用切土板将原始土块脱离原始地面，设置密封板对取样装置进行密封，进一步缓解了取样、运输及存储中原始土块中水分的蒸发，并增强了取样装置对原状土块的原始状态密封性能。
2.本发明的取样装置构件简单，操作方便，对原状土块扰动小，原状土块样本大，很大程度减小了试验误差，同时本发明取样装置的所取原状土块完整性好，保证了所取原状土块质量较好，另外取样装置可按批取样，有效解决了土工试验样本少的问题。
3.本发明提供现场原状土块取样方法，采用特定的原状土块取样装置对现场原状土块进行取样，大幅提高了取样的质量，简化了取样过程，有效提高了原状土块取样过程中的取样效率。另一方面，本发明提供的原状土块取样方法操作简单、取样效率高，便于研究人员及实验人员使用。使用本发明提供的现场原状土块取样方法进行取样，能较好保持所取原状土块的原始状态，减小原状土块的水分蒸发，能有效降低取样操作对原状土块的扰动，本发明取样方法不会因为包裹对原状土块造成二次扰动。
附图说明
图1是原状土块取样装置的三维轴测示意图。
图2是原状土块取样装置的剖面示意图。
图3是原状土块取样装置的顶部俯视图。
图4是图1 A处的放大图。
图5是图3 B处的放大图。
图6是切土板的纵截面图。
图7是一种易运输扰动小的现场原状土块取样方法的流程简图。
图中，传力杆-1、箱盖-2、矩形凹槽-3、顶盖连接螺丝-4、箱体板-5、箱靴连接螺丝-6、箱靴-7、包裹膜固定槽-8、切土板-9、包裹膜-10、密封板-11、密封槽-12、切土槽-13、板靴14。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
本发明中 ‘前’、‘后’、‘左’、‘右’、‘上’、‘下’均指在图2中的方位，其中‘前’是指在图2中相对于纸面朝外，‘后’是指在图2中相对于纸面朝里。
为满足最新国家规范《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）土工试验的试样制备要求，尽可能降低对所取原状土块的扰动且便于运输，提高试验结果的可靠度，同时提升土工试样的制备效率。本发明给出了一种易运输扰动小的现场原状土块取样方法及装置，能合理完成原状土块的取样过程。
实施例1：参见图1-5，一种易运输扰动小的现场原状土块取样装置，包括传力杆1、箱盖2、箱靴7、切土板9、密封板11和三个箱体板5。
所述传力杆1位于箱盖2顶部的中心位置，箱盖2的顶部的中心位置即整个取样装置顶部的中心位置，传力杆1与箱盖2固定连接，从而可以保证轴向静载压力均匀传递给所述箱盖2，保证箱体板5沿垂直方向移动。所述箱盖2底部三条边的边缘位置设有卯眼，卯眼沿所在边长度方向设置，三个箱体板5的顶部均具有榫头，所述榫头与卯眼滑动配合，具体实施时，为了箱体板5与箱盖2连接的更加牢固，可以再通过螺钉4与对应的螺纹进行加固连接，请参见图3，左右两侧均有三颗螺钉连接，后侧采用四颗螺钉连接。
位于左右两侧的箱体板5的外侧具有竖直方向设置的密封槽12，所述密封板11与密封槽12滑动配合；密封槽12的宽度控制在5mm-8mm之间，最好为5mm，密封槽12的作用在于为密封板11提供固定的轨道及约束。
在每个箱体板5下方对应的连接有箱靴7，且箱靴7顶部的宽度大于箱体板5的宽度，箱靴7的纵截面为三角形，并且该三角形的顶点朝下。具体实施时，箱靴7通过耦合连接固定在所述箱体板5的下端，箱靴7顶部位于箱体板5内侧的宽度为控制在5mm-8mm之间，箱靴7顶部位于箱体板5内侧的宽度最好为5mm，具体可根据所述包裹膜10规格确定。每个所述箱靴7的内侧设有切土槽13和固定槽8，所述切土槽13和固定槽8均沿所在箱靴7顶部长边的长度方向设置，其中在竖直方向上固定槽8位于切土槽13的上方，切土槽13和固定槽8的高度控制在5mm-8mm之间，切土槽13和固定槽8的高度最好为5mm，具体可根据所述切土板9的厚度确定，所述切土板9与切土槽13滑动配合；所述切土槽13为切土板9提供固定的切土轨道及约束，所述固定槽8对所述包裹膜10有固定作用，切土板9通过静载压力对所述原状土块进行切割，其作用在于将原状土块与天然地面原始土体分离开。
所述箱盖2、三个箱体板5、切土板9和密封板11构成具有空腔的全封闭箱体，所述包裹膜10设置在全封闭箱体内。所述包裹膜10通过固定槽8固定于取样装置的腔体内，包裹膜10的作用为了将位于全封闭箱体内的原状土块进行包裹，从而保持原状土块的原有特征，减少取样、运输以及存储中原状土块的水封蒸发。所述包裹膜10可以为保鲜膜，在取样时通过卡扣固定在块取样装置的内壁，当块取样装置达到所述取样深度后将原状土块包裹起来，减少外部环境及取样操作引起的水分蒸发。
具体的，参见图6，切土板9的后侧设有板靴14，该板靴14的纵截面为三角形，使用时，板靴14纵截面形成的三角形顶点朝向位于后侧的箱靴7上的切土槽13。板靴14的具体结构与箱靴7相同，板靴14的作用主要是为了切土板9更方便的进入原状土体中。
利用该易运输扰动小的现场原状土块取样装置的操作方法，主要包括以下步骤：
步骤一：取样装置的取样准备，将所述取样装置进行组合，同时将包裹膜10通过固定槽8在装置内安装完毕，取样装置处于待取样状态。
步骤二：根据取样区域尺寸，将所述取样装置放置在取样区域正上方，通过静载加压装置向所述取样装置施加压力，使所述取样装置的箱靴7沿垂直方向运动至设计的取样深度及保护层，此时停止向取样装置施加压力，移除加压装置。
步骤三：检查取样装置周围的情况，确认切土槽13及临空操作面。
步骤四：对所述切土板9施加水平静载压力，使切土板9沿切土槽13缓慢移动，待切土板9的板靴14到达所述取样装置的对侧，即待切土板9的板靴14到达与后侧切土槽13内后，停止向所述切土板9施加压力，移除加压装置。
步骤五：将密封板11沿密封槽12下移，对取样装置进行密封。
步骤六：沿垂直方向缓慢提升取样装置，移出取样区域。
采用本发明限定的取样装置进行取样的具体操作方法为：根据实施例2取样方法中所标记的取样区域平面尺寸及相关的预处理，取样人员操作时，选择合适的取样装置尺寸，与预处理标记尺寸一致，进一步地拆除所述取样装置的切土板9和密封板11，安装箱靴7，将取样装置的包裹膜10固定在取样装置的腔体内，将拆除密封板11的一侧面向临空操作面，将箱靴7对准已经标记好的取样区域尺寸，准备轴向静载加压。将轴向静载加压装置与传力杆1进行连接，确认周围取样环境后进行轴向静载加压。施加轴向静载压力时，取样人员注意观察取样装置的箱体板5是否沿垂直方向下移，控制轴向静载加压速率。取样人员还应观察箱靴7与预设取样深度的差值，待箱靴7与取样深度一致时，停止轴向静载加压。进一步地，观察取样装置的腔体内原状土块的状态，此时将切土板9沿切土槽13水平施加静载压力，待切土板9完全进入后，停止水平静载加压。进一步地将密封板11沿密封槽12向下移动，将取样装置进行密封，形成密闭空间保证取样装置的密封性，减小水分蒸发。利用修土工具将取样装置周围土体分离出去，向上提升取样装置，完成取样。
实施例2：参见图7，一种易运输扰动小的现场原状土块取样方法，采用实施例1所述的现场原状土块取样装置进行，根据最新国家标准《土工试验方法标准》（GB/T 501232019）中三轴试验对试样尺寸的要求，实施例1中所述取样装置的规格尺寸为：长400mm×宽300mm×高100mm，组成原状土块取样腔体，该取样方法包括如下步骤：
S101：确定取样区域并做好相应标记；具体的，根据土工试验要求或地质勘察结果确定取样区域并做好取样标记，所述取样标记是由现场考察结果将所述取样区域进行定位保护，所述警示标志对取样区域进行定位保护，避免遭到破坏。取样区域一般为工程建设中处于开阔或半开阔地带，取样标记对科学研究或工程建设应具有代表性，并且取样区域周边的土体区域也应做相应的处理，保证所述取样过程不受影响。
S102：对所述取样区域进行开挖、平整，形成取样操作空间及环境，确定取样深度，并预留原状土块取样保护层厚度；具体的，利用修土工具对取样区域进行现场平整、开挖，为下一步的取样装置操作提供操作空间及环境，所述修土工具包括修土刀、铁锹、锄头、钢丝锯等。取样区域标记好后，根据土工试验设计方案或工程建设需要确定取样深度，取样深度关系到试验结果的准确与否，因此现场取样深度设置保护层厚度，保护层厚度减少取样过程对原状土块的扰动。
具体的，保护层厚度设置不小于5cm。所述取样深度能满足土工试验围压或工程建设需求（持力层、地基、边坡等土层结构）的力学特征要求，预留保护层厚度设置一般不得小于5cm。
S103：在所述取样区域周围开挖隔离槽，将所述取样区域与周围土体分离开，所述隔离槽深度大于取样深度；取样区域平整后，利用修土工具开挖周边土体形成隔离槽，其作用是将取样区域与周边土体分离开，隔离槽宽度应大于保护层厚度的取值，隔离槽深度应大于取样深度的取值。
具体的，隔离槽截面面积大于取样装置的截面面积，并且隔离槽的边与取样器外框距离大于3cm。开槽不易太深，减少对原状土块的扰动，开槽构成的截面面积应大于取样装置的截面面积，且开槽的边与所述取样器外框距离易大于3cm，可降低取样时由于外部土体对所取原状土块的挤压。
S104：将所述取样装置沿所述取样区域的垂直方向施加静压力，具体的，箱盖通过传力杆与静载加压设备连接，轴向静载力施加方向与所述取样区域垂直。使取样装置沿取样深度方向运动，当取样装置达到预设取样深度后停止加压，对所述切土板9施加水平静载压力，使切土板9沿左右两侧的切土槽13缓慢移动，待切土板9的板靴14到达与后侧切土槽13内后，停止施所述的切土板施加压力，移除加压装置，将密封板11沿密封槽12下移，对取样装置进行密封，再将取样装置沿垂直方向取出，移出取样区域；临空操作面要垂直与取样区域水平面，依据临空操作面外侧留有足够的操作空间及环境。密封板11沿竖直方向的密封槽12插入对原状土块进行密封，切土板9沿水平方向上的切土槽13将原状土块剥离原始土层。
根据所述取样区域的现场操作灵活性情况，确定一个临空操作面，方便取样装置具体的取样操作。根据原状土块的具体需求，选取合适的取样装置截面尺寸；然后根据临空操作面，将取样装置垂直放置在取样区域，取样装置应与取样区域标记的尺寸对准，取样装置外表面涂抹少许凡士林，通过液压千斤顶静载加压装置对取样装置施加垂直轴压，待取样器下端到达步骤二确定的取样深度后停止施加压力，此时原状土块被所述包裹膜膜起来，保证原状土块的原始状态。利用修土工具将取样装置外侧保护层厚度对应的土体移除。
S105：将完成取样的取样装置运至室内实验室，将所述原状土块取出。具体的，将取样完成后的取样装置固定在运输车辆或手推车上特殊位置上运回至室内实验室，运输完成后即可根据需要对原状土块进行相关应用。运输过程中还设置了特殊垫层，提高原状土块在运输过程中的抗干扰能力，方便远距离运输，所述垫层分为三层，第一层为固定层，固定层通过螺钉与运输车厢连接；第二层为缓冲层，减少了对原状土块的扰动；第三层为保护层。
为便于理解，对实施例2中的部分用词做如下解释，所述“警示标志”是指对原状土块取样区域进行取样标记和定位保护，采用石灰或等同材料进行标记，同时确定取样区域的尺寸，为原状土块取样装置的取样工作划定区域。所述“取样操作空间及环境”是指为所述取样装置提供合理的工作空间。所述“取样深度”是指实验人员根据试验方案或工程建设需要而确定的，在S102中所述“保护层厚度”应大于5cm。所述“隔离槽”的作用是指将标记好的即将取样的原状土块与周围土体分离开，形成取样空间，其宽度应为所述箱体板5的2倍。所述“临空操作面”是指所述切土板9的操作空间。所述“垂直方向”是指与土体分层相垂直的方向。
本发明的取样方法，其关键特征在于正式取样时，已经对取样区域进行预处理，包括标记、开挖以及平整等基本取样场地措施，此外还设置了隔离槽，该隔离槽降低了取样装置轴向加压移动时的难度，解除取样装置沿垂直方向移动时产生的侧向约束，同时在取样装置箱体板5外侧与内侧均涂抹了凡士林，很大程度上降低了取样装置箱体板5与预留保护层间的摩擦力，该方法操作简单，扰动性小，极大提高了原状土块的取样质量与取样效率。继而本发明的取样方法可很好保证所取原状土块的原始状态。
对现场原状土块的取样及运输既是对原状土体力学性质研究，也是土工试验的关键环节之一。首先，为保证土体原始状态特性，原状土块的取样或运输过程中应尽力减少对原状土块的扰动；其次，取样装置还应提供一个相对密封的环境，减少原状土块中水分蒸发；最后，当前大多数取样装置只能进行单个土样的提取，很难完成对土工试验过程中完成批量试样的现实需求。一方面，本发明提供一种易运输扰动小的现场原状土块取样方法，采用实施例1限定的原状土块取样装置对现场原状土块进行取样，大幅提高了取样的质量，简化了取样过程，有效提高了原状土块取样过程中的取样效率。另一方面，本发明通过在取样装置中内置保鲜膜袋，采用切土板将原始土块脱离原始地面，设置密封板对取样装置进行密封，进一步缓解了取样、运输及存储中原始土块中水分的蒸发，并增强了取样装置对原状土块的原始状态密封性能。且本发明将缓冲层设计于原状土块的运输过程中，减少了对原状土块的扰动。本发明提供的原状土块取样方法操作简单、取样效率高，便于研究人员及实验人员使用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种易运输扰动小的现场原状土块取样装置，其特征在于：包括传力杆（1）、箱盖（2）、箱靴（7）、切土板（9）、密封板（11）和三个箱体板（5）；
所述传力杆（1）位于箱盖（2）顶部的中心位置，且传力杆（1）与箱盖（2）固定连接，所述箱盖（2）底部三条边的边缘位置设有卯眼，卯眼沿所在边长度方向设置，三个箱体板（5）的顶部均具有榫头，所述榫头与卯眼滑动配合，位于左右两侧的箱体板（5）的外侧具有竖直方向设置的密封槽（12），所述密封板（11）与密封槽（12）滑动配合；
在每个箱体板（5）下方对应的连接有箱靴（7），且箱靴（7）顶部的宽度大于箱体板（5）的宽度，每个所述箱靴（7）的内侧设有切土槽（13）和固定槽（8），所述切土槽（13）和固定槽（8）均沿所在箱靴（7）顶部长边的长度方向设置，其中在竖直方向上固定槽（8）位于切土槽（13）的上方；
所述箱盖（2）、三个箱体板（5）、切土板（9）和密封板（11）构成具有空腔的全封闭箱体，所述包裹膜（10）设置在全封闭箱体内。
2.如权利要求1所述的易运输扰动小的现场原状土块取样装置，其特征在于：所述箱靴（7）的纵截面为三角形。
3.如权利要求1或2所述的易运输扰动小的现场原状土块取样装置，其特征在于：所述切土板（9）的后侧设有板靴（14），该板靴（14）的纵截面为三角形。
4.一种易运输扰动小的现场原状土块取样方法，其特征在于：采用权利要求3所述的现场原状土块取样装置进行，该取样方法包括如下步骤：
S101：确定取样区域并做好相应标记；
S102：对所述取样区域进行开挖、平整，形成取样操作空间及环境，确定取样深度，并预留原状土块取样保护层厚度；
S103：在所述取样区域周围开挖隔离槽，将所述取样区域与周围土体分离开，所述隔离槽深度大于取样深度；
S104：将所述取样装置沿所述取样区域的垂直方向施加静压力，使取样装置沿取样深度方向运动，当取样装置达到预设取样深度后停止加压，对所述切土板（9）施加水平静载压力，使切土板（9）沿左右两侧的切土槽（13）缓慢移动，待切土板（9）的板靴（14）到达与后侧切土槽（13）内后，停止施所述的切土板施加压力，移除加压装置，将密封板（11）沿密封槽（12）下移，对取样装置进行密封，再将取样装置沿垂直方向取出，移出取样区域；
S105：将完成取样的取样装置运至室内实验室，将所述原状土块取出。
5.如权利要求4所述的易运输扰动小的现场原状土块取样方法，其特征在于：所述S102中保护层厚度设置不小于5cm。
6.如权利要求4所述的易运输扰动小的现场原状土块取样方法，其特征在于：所述S103中隔离槽截面面积大于取样装置的截面面积，并且隔离槽的边与取样装置外框距离大于3cm。
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