對土工試驗取土刀的改造探索

田 帥

（九州職業技術學院 221116）

0 引言

對于從事建筑行業現場施工以及高職院校土建類專業學生來說，《土力學與地基基礎》及其需要取土的土工試驗都不會陌生,比如在教學中用得較多的施工取土與試驗取土。

0.1 施工取土

在現場施工時，土方回填時一般用控制壓實系數和控制承載能力兩種指標來控制土方回填的質量，當回填土上部沒有建筑物或構筑物時采用壓實系數控制質量，回填土上有建筑物或構筑物時則需要控制壓實系數并控制承載能力；土的壓實系數是由土的壓實密度與土的最大干密度之比獲得的，土的壓實密度由現場直接測得，土的最大干密度由實驗室測得；不論是測試土的壓實密度還是最大干密度都需要在現場取土。

0.2 試驗取土

根據民辦徐州九州職業技術學院建筑工程技術專業培養計劃的安排，《土力學與地基基礎》基本放置在大二的上學期進行，同時該課程對于檢測土的有關工程性質的土工試驗教學課時達12課時。筆者在該課程的教學中，通過對所有的試驗教學統計，發現對于土樣的制備和收取，學生需要做到次數達20次之多。比如在進行土的密度試驗、容重、壓縮、剪切和滲透、固結等試驗中，均需要用到取土環刀進行土樣制備。

1 傳統取土方式方法的問題

一般土工試驗取土用工具為環刀，內徑在6～8cm，高2～3cm，壁厚1.52mm。它是用來取未擾動狀態下的原狀土作為實驗土樣的一種常用儀器。原狀土是土的原位應力狀態雖出現一定程度轉變，但土的架構、密度、含水量轉變相對不大，學者張英勃認為，及時取的土樣沒有物理因素與化學構成的改變，但須符合室內檢驗的各種需求[1]，但現實中的情況是往往無法符合室內檢驗的要求，從而導致試驗結果有一定誤差。

對于現場施工者來說，現有的取土方法是，土的最大干密度取土采用環刀取樣的方法從現場取土，土的壓實密度的現場控制則用灌砂法或灌水法在現場測得，灌砂法或灌水法在現場取土時要用在塑料袋在現場用砂子或水測量體積，操作麻煩，準確度受到限制

在筆者現實的試驗教學過程中，由于學生取土經驗不足，地面原狀土偏硬等原因，導致學生在取土樣時，往往不能取到理想的一級土樣[2]，從而影響了試驗結果準確性。甚至有些時候，學生由于取土用力過猛過大，還會出現取土環刀被破壞或者傷到取土者的危險情況。

2 對傳統取土裝置的改造思路

近年來，在我國建筑工程勘察與設計領域，已經有不少行業學者對工程土樣制備的方式方法及其取得土樣對工程的影響都進行了廣泛的研究。徐曉宇[3]，羅如平[4]等認為取土的設備裝置對土樣的剪切指標，原狀土的擾動變形都有較大的影響。但在土工試驗的教學領域，目前對學生取土裝置的方法研究或工具改造方面還相對不多，在這樣的情況下，筆者結合數年的試驗教學經驗，對傳統的取土裝置及用法進行了大膽的改造。

2.1 改造使用預期

土工試驗的取土裝置及用法是讓土工試驗取土方便、快捷而設計的。裝置由取土設施、動力設施、動力保護設施組成；取土設施由取土刀和取土盤組成；取土刀穿過取土盤底部的孔，在取土盤的下方；取土時，只要按動手把上的動力裝置開關，切土刀就將土切入取土盤，取土的體積等于切土刀的體積，稱量所取的土的質量就能快速計算出土的密度。

圖1 土工試驗的取土裝置示意圖 圖2 土工試驗的取土裝置工作示意圖

圖中：1-取土設施；11-取土刀；12-取土盤；2-動力設施；21-電機；22-軸一；23-軸二；24-軸三；25-齒輪一；26-齒輪二；27-齒輪三；28-齒輪四；29-齒輪五；210-齒輪六；211-動力開關；3-動力保護設施；31-動力箱；32-手把

2.2 裝置具體構造說明

采用如圖1、圖2所示的土工試驗的取土裝置，取土設施由取土刀和取土盤組成的；取土刀穿過取土盤底部的孔，在取土盤的下方；動力設施由電機、軸一、軸二、軸三、齒輪一、齒輪二、齒輪三、齒輪四、齒輪五、齒輪六與動力開關組成的；動力保護設施由動力箱與手把組成的；取土盤在動力保護設施的下方的外部，除軸三穿過動力箱底部的孔與取土刀在動力箱外部連接外，其余電機、軸一、軸二、軸三、齒輪一、齒輪二、齒輪三、齒輪四、齒輪五、齒輪六與動力開關全部安裝在動力箱內部；動力箱的一側與手把的一端垂直固結，在與手把連接處的動力箱的一側有孔，導線穿過小孔，連接電機與動力開關；在動力箱的內部，軸一一端與電機同心同軸固結，另一端與齒輪一固結；軸二一端與齒輪二、另一端與齒輪三同心同軸固結；齒輪一與齒輪二咬合，齒輪三根據需要分別與齒輪四、齒輪五、齒輪六咬合；軸三一端與齒輪四、齒輪五、齒輪六固結，另一端與取土刀的頂端固結。

2.3 裝置組成部件功能及說明

①上述的取土刀是螺旋柱狀刀具，采用長60毫米，直徑60-80毫米的鋒鋼制作，取土刀的下端制作成切土刃口，當旋轉的取土刀垂直置于土層表面時，容易切入土中；柱表面加工成螺旋槽，當取土刀旋轉進入土體后，被切削的土體就順著螺旋槽進入取土盤；取土刀上頂部有孔且孔中帶花鍵鍵槽，深度為15-20毫米，花鍵鍵槽的形狀和尺寸與軸三上花鍵的形狀尺寸配套；通過花鍵取土刀頂部與軸三同心同軸固結；通過軸三與齒輪四、齒輪五、齒輪六連接成整體。取土盤是盤底中央有孔的盤狀部件，優先推薦采用硬質塑料板制作，取土盤的外徑 180-200毫米高25-30毫米，盤邊有扣件，通過扣件與動力箱底部連接，盤底中央的孔的直徑與取土刀的外徑相等。

②軸一是上端部與電機同心同軸固結，下部帶花鍵并通過花鍵與齒輪一同心同軸連接的軸狀部件，優先推薦采用直徑30-40毫米長40-50毫米的鋼筋制作，軸一下部的花鍵的外徑與軸一的外徑相同，花鍵槽深3-4毫米；軸二是上部和下部均帶花鍵并通過花鍵分別與齒輪二、齒輪三均同心同軸連接的軸狀部件；優先推薦采用直徑30-40毫米長50-60毫米的鋼筋制作，軸二上部和下部的花鍵的外徑與軸二的外徑相同，花鍵槽深 3-4毫米；軸三是上部帶花鍵并通過花鍵分別在上部與齒輪四、齒輪五、齒輪六同心同軸連接，下端與取土刀同心同軸連接的軸狀部件，優先推薦采用直徑30-40毫米長100-150毫米的鋼筋制作，軸三上部和下部的花鍵的外徑與軸三的外徑相同，花鍵槽深 3-4毫米；軸一在電機的作用下發生旋轉，并帶動齒輪一轉動；軸二在齒輪二旋轉時被帶動旋轉，并帶動齒輪三旋轉；軸三在齒輪四或齒輪五或齒輪六旋轉時被帶動旋轉，并帶動取土刀旋轉，切削土體，并將被切削的土體送到取土盤中。

③齒輪一、齒輪二、齒輪三、齒輪四、齒輪五、齒輪六均是短平的圓柱狀體，圓柱狀體外部一圈具有平行于中心的齒，中心部位有孔，孔中有花鍵鍵槽，花鍵鍵槽分別與軸一、軸二、軸三上的花鍵配套；齒輪一在軸一旋轉時被帶動旋轉，同時通過與齒輪二的咬合作用，帶動齒輪二旋轉；齒輪二帶動軸二23旋轉并通過軸二帶動齒輪三旋轉；齒輪三旋轉時通過與齒輪四或齒輪五或齒輪六的咬合作用，帶動齒輪四或齒輪五或齒輪六旋轉，并通過齒輪四或齒輪五或齒輪六帶動取土刀旋轉；齒輪一和齒輪二的直徑、齒數相配合，齒輪三與齒輪四、齒輪五、齒輪六的直徑、齒數相配合。

④動力箱是底部和一側有孔的箱體部件，優先推薦采用采用2-3毫米的鋼板制作，動力箱的外徑180-200毫米高120-150毫米，箱底邊有扣件，通過扣件與取土盤頂邊部連接，動力箱底部孔的直徑與軸三的直徑相等，軸三從孔中穿出過取土盤與取土刀連接；一側的孔在連接手把的部位，導線從孔中穿過，連接電機與動力開關，使電機受動力開關的控制；動力箱帶孔的一側與手把的一端固結。

⑤手把是桿狀部件，優先推薦采用直徑30-50毫米壁厚3-3.5毫米的鋼管制作，手把中空，一側有孔，孔中安裝著動力開關。

3.4 裝置具體實踐與用法

本次改造的取土裝置的具體用法是，施工現場人員或學生在做土工試驗需要取土樣時，將土工試驗的取土裝置組裝好，在取樣現場將表面 100毫米厚的覆土層去掉，平整待取土的表面，將土工試驗的取土裝置的取土刀垂直置于待取土的表面，按下動力開關，使取土刀的刀口切入土體中，被切土沿著取土刀的螺旋槽進入取土盤中，當取土盤接觸被切土體的表面時，松開動力開關，使取土刀 1的刀體從被切土體的孔中抽出，取土完成；將取土盤取下，稱量取土盤收集到的土樣的重量，除以取土孔洞的體積，即是被取土體的密度。

3 取土裝置的使用效果及不足

本次改造的取土裝置，能較好的讓相關取土者在土工試驗時方便、快捷取土，并且使取土體積得到準確計量。在我院建筑工程技術專業等班級的土工試驗取土環節中，學生使用非常容易，易上手且無任何操作危險性，相關的土工試驗進行順利，試驗結果較為準確，較好的服務了實踐教學工作。同時，根據此次改造取土裝置的具體實施與用法，本人將其在國家知識產權局進行了專利申請，目前該裝置及其特有的操作用法已經申請了專利，專利申請號為 201810472106.X（發明專利），201820733166.8（實用新型專利）。

從大量的取土試驗應用中，我們也發現該裝置還存在一些設計上的不足之處，如取土范圍相對狹窄，設備因需供電導致工作半徑較小，取土后裝置清洗麻煩等缺陷。通過本人以后不斷的改進和優化設計，相信此次改造的取土裝置會有更好的工作表現。技術成熟后，將逐步推廣應用到工程檢測領域中。