實用新型組合環(huán)刀在土壤取樣方面的研制與應(yīng)用*

姚天寶，任建民，於文歡，金德

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

環(huán)刀法在土體原位試驗、容重測定以及壓實土密實度檢測中，是一種非常常用并且經(jīng)典的方法。在常規(guī)的外業(yè)環(huán)刀取土過程中，環(huán)刀刃口朝下，環(huán)刀上口用木板、鐵板或其它工具蓋上，用錘子擊打木板、鐵板或其它工具使環(huán)刀向土壤移動完成環(huán)刀取土過程。這種取土方法的缺點(diǎn)是［1］:取土擾動大，破壞了采集原狀土的根本要求，使測試分析失去精確性;剪切阻力大，取樣慢，費(fèi)時、費(fèi)力，效率很低;在取土的過程中環(huán)刀容易變形，取土難度大，并且深層的原狀土無法采集。多功能對開式環(huán)刀取土器，在一定程度上解決了取土擾動大、測試精確性低以及環(huán)刀容易變形的問題，但是仍然存在剪切阻力大、取樣慢的問題。而實用新型多功能組合環(huán)刀不僅解決了取土擾動大、測試精確性低以及環(huán)刀容易變形的問題，而且實現(xiàn)了剪切阻力小、取樣快，為土壤容重、路基壓實度檢測等提供了方便、快捷的途徑。

1 環(huán)刀裝置及改進(jìn)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本實用新型多功能組合環(huán)刀取土裝置如圖1所示［1］，包括由兩個兩端設(shè)有凸起的對開式半管組成的內(nèi)設(shè)環(huán)刀的環(huán)刀外殼，環(huán)刀外殼的一端與中空的圓柱形刀頭相連，(刀頭的一端為內(nèi)、外壁均設(shè)有坡角的斜坡口)，其另一端與設(shè)有排氣孔的底座相連，底座的底部與手柄連接，手柄上設(shè)有套環(huán)，連桿套絲和荷載錘。

1.2 結(jié)構(gòu)功能與優(yōu)越性

本實用新型環(huán)刀主要體現(xiàn)了實用、新型、多功能的特點(diǎn)，其主要體現(xiàn)在環(huán)刀刀頭和環(huán)刀體積的改進(jìn)與創(chuàng)新上［1］。

(1)由于本實用新型的刀頭的前端改進(jìn)為內(nèi)、外壁均設(shè)有坡角的斜坡口(切口數(shù)量不同)，所以取土?xí)r剪切阻力小，取土快。

(2)改進(jìn)的環(huán)刀刀頭有梅花狀型、鋸齒狀型(用于接鉆機(jī)頭)、和尖狀型(狼牙狀)、針管狀(便于側(cè)面取土)，這些刀頭鋒利無比，解決了在較堅硬土壤層中普通環(huán)刀取土難，剪切阻力大、取樣慢的問題。

(3)由于本實用新型的手柄上設(shè)有套環(huán)，套絲和荷載錘。使用時在套環(huán)上栓上鋼絲繩，在手柄上套荷載錘，利用荷載錘重力加速度g(荷載錘質(zhì)量不等)，方便對取樣難度大或深層的原狀土的采集，底座帶有機(jī)械安裝絲，可用機(jī)械取樣。

(4)本實用新型結(jié)構(gòu)的纖細(xì)化改進(jìn)，在規(guī)范規(guī)定的環(huán)刀體積范圍內(nèi)，縮小環(huán)刀內(nèi)、外直徑的同時，加長環(huán)刀刀身，使環(huán)刀纖細(xì)化，不僅解決土壤擾動大問題，同時方便取樣難度大或深層的原狀土的采集。

2 工程應(yīng)用

甘肅省女子戒毒勞動教養(yǎng)管理所一改造工程，地基壓實填土為灰土，施工時，由于所用土料偏濕，含水率過高，為此需對壓實土進(jìn)行密實度檢測，其檢測方法用經(jīng)典環(huán)刀法。因此，作者用普通環(huán)刀與經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化后的環(huán)刀分別對各層土進(jìn)行試驗檢測，并進(jìn)行對比分析。

2.1 壓實土密實度試驗

試驗區(qū)土體經(jīng)回填碾壓整平后，在現(xiàn)場用普通環(huán)刀和優(yōu)化環(huán)刀取40個點(diǎn)進(jìn)行取土，分別測其實際干密度與含水率。取代表性土體送至實驗室做擊實試驗［2］，以干密度為縱坐標(biāo)，含水率為橫坐標(biāo)，繪制干密度與含水率的關(guān)系曲線(如圖2)，曲線上峰值點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)分別為最大干密度ρdm和最佳含水率ω0。土面區(qū)密實度為碾壓實際達(dá)到的干密度ρd與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實實驗所得的最大干密度ρdm的比值［2］，即

圖1 實用新型多功能組合環(huán)刀裝置示意圖

圖2 擊實試驗所得的擊實曲線

分別對每一層各點(diǎn)處用普通環(huán)刀和優(yōu)化改進(jìn)后環(huán)刀檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并剔除異常數(shù)據(jù)后，得到第二層的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析［3］，見表1。

3 數(shù)據(jù)分析

檢測過程中如實記錄了各層土中干密度、土壤含水率、檢測時間、土壤擾動面積的數(shù)據(jù)，并對其每一層數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析［4］。

3.1 與普通環(huán)刀干密度和含水率數(shù)據(jù)比較

由實驗室測得該填土灰土的干密度為1.50 g/cm3，含水率為19.4%，最大干密度為1.60 g/cm3，壓實系數(shù)0.94。測得第二層壓實土的數(shù)據(jù)見表1，所繪的干密度和含水率見圖3。

由圖3可知，改進(jìn)優(yōu)化后測得的壓實土的干密度和含水率值更接近實驗室得到的干密度數(shù)據(jù)，這說明改進(jìn)后的環(huán)刀取土器測得的數(shù)據(jù)更為精確、可靠。

3.2 測定速度的比較

本試驗由兩個規(guī)格相同的普通環(huán)刀和兩個優(yōu)化環(huán)刀進(jìn)行，時間為累計時間，普通環(huán)刀直徑大，沒有鋒利的刀頭，所以費(fèi)時、費(fèi)力，累計時間較長，優(yōu)化環(huán)刀克服了這些缺點(diǎn)，在同樣壓實層內(nèi)，相同點(diǎn)數(shù)所用的時間幾乎不到普通環(huán)刀的一半，因此更加省時省力，其功效是普通環(huán)刀的2倍(見圖4)。

表1 二層數(shù)據(jù)整理結(jié)果表

圖3 檢測成果對照圖

3.3 擾動面積的比較

采用新型環(huán)刀測定壓實土密實度，除了提高功效外，還極大地減少了擾動土壤的面積。這是因為新型環(huán)刀取樣器直徑較小，刀頭為雙面刀頭，鋒利無比，取土?xí)r始終在一個大小相近孔內(nèi)取土，擾動面積不變，而采用傳統(tǒng)的環(huán)刀法不僅挖掘剖面本身需要一定的擾動面積，而且多余的棄土也要占用更大的面積。

測定分析結(jié)果說明，新型的環(huán)刀取樣器測定所需的面積基本是一個恒值，隨檢測點(diǎn)變化不大，而傳統(tǒng)的環(huán)刀法測定壓實土密實度時所需的面積在某一范圍內(nèi)變化較大(見圖5)。

4 結(jié)論

在壓實土密實度檢測過程中，每層都取40個檢測點(diǎn)，其中第一、三、四層用新型環(huán)刀檢測，第二層用普通環(huán)刀和新型環(huán)刀對比所得，并記錄整個檢測數(shù)據(jù)［5］，得出如下結(jié)論:

(1)在相同厚度，相同性質(zhì)的填土層上，新型改進(jìn)環(huán)刀所測得的干密度、含水率等檢測數(shù)據(jù)都比普通環(huán)刀的數(shù)據(jù)更接近實驗室數(shù)據(jù)，所以檢測數(shù)據(jù)更精確，可信度更高。

(2)在相同條件下，新型改進(jìn)環(huán)刀剪切阻力小，土壤擾動面積小，取樣快，省時、省力，效率很高。

圖4 速度對照圖

圖5 擾動土面積對照圖

(3)本文所改進(jìn)的環(huán)刀，由于其環(huán)刀組合的形式多樣性，可適用于各種土質(zhì)檢測，其用途廣泛，具有很廣闊的應(yīng)用前景。

(4)作者和金德先生在長期的野外檢測中，積累寶貴的經(jīng)驗，申請了新型環(huán)刀國家專利，并已經(jīng)獲得批準(zhǔn)，再次感謝金德先生的大力支持。

［1］金德，姚天寶.新型環(huán)刀取土器:中國，20120735451.6［P］.2012.

［2］金德，姚天寶.新型取土裝置:中國，20120735757.1［P］.2012.

［3］GBT 50123-1999.土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］富天生，霍曉斌.環(huán)刀法測定密度的影響因素探討［J］.吉利水利，2013(5):02.

［5］黃毅，鄒洪濤.新型土壤容重取樣器的研制與應(yīng)用［J］.水土保持通報，2010(5):16-18.

［6］薛冰濱.壓實填土密實度檢測存在的問題及解決辦法［J］.中國農(nóng)村水利水電，2011(7):99-100.