角度取土裝置及其操作方法與流程

本發明屬于土工試驗領域，涉及一種沿任一傾斜方向的角度取土裝置及其操作方法，主要用于在不同的非豎直方向上獲取土樣，以便進行各種各向異性研究。

背景技術：

隨著建筑物規模的擴大和設計要求的提高，全面系統的掌握土體特性越來越重要。土體為碎散性材料，其各向異性、非線性特性極大影響了土體的力學性能。驗證并獲取土體的各向異性參數是進行巖土工程設計的重要步驟。獲取擾動小、精度高且與地面呈一定角度的原裝土樣是進行土體各向異性試驗研究的前提。

目前，取土裝置只能獲取豎直方向的土樣，采集與地面呈一定角度的土樣裝置還是空白。常用的取某確定角度淺層土樣方法是先將土體挖至試驗所需深度，在該深度的土體中以某土樣角度的余角為坡角挖坡，再將環刀或者取土器垂直于所挖坡的表面壓入土中取土。利用這種方法獲取土樣的過程比較繁瑣、且土樣擾動較大、坡角確定困難、環刀壓入深度不能計量。而且，采用該類方法獲取的土樣嚴重影響試驗結果的準確性。因而，迫切需要一種能夠采集與水平地面呈一定傾斜角度的取土裝置，該裝置為測試原狀土的力學和水力學各向異性提供試樣。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種角度取土裝置及其操作方法，以解決現有技術對淺層原狀土取樣時過程比較繁瑣、土樣擾動較大、坡角確定困難、環刀壓入深度不能計量等問題。

為解決上述問題，本發明采用的技術方案是提供一種角度取土裝置，其中：該裝置包括固定裝置和取土裝置兩部分，所述固定裝置為直角三角形四面體框架，形成等腰三角形的底面，在所述框架的底面三交點處分別設有與所在底面垂直的入土尖，在所述等腰三角形的底面短邊的中點處設有水準管；所述取土裝置位于固定裝置一側，取土裝置的圓柱橫桿和帶套筒轉桿的一端分別連接在框架直角面的一邊固定裝置豎桿上，另一端分別連接有角鋼豎桿，帶套筒轉桿與角鋼豎桿、固定裝置豎桿連接處為可轉動連接，圓柱橫桿、帶套筒轉桿、角鋼豎桿與固定裝置豎桿圍合成四邊形；在角鋼豎桿與帶套筒轉桿交點的角鋼豎桿側面上設有角度表盤，在角鋼豎桿固定裝置豎桿與帶套筒轉桿交匯處通過螺紋銷釘相互連接；從帶套筒轉桿的套筒頂部穿入套箍，套箍內的卡槽插入環刀。

同時提供一種根據上述角度取土裝置的操作方法。

本發明的效果是該裝置結構簡單、造價低廉、原理鮮明。采用該裝置取樣操作簡捷，能夠快速、準確地確定所取土樣與水平地面的傾斜角度和土樣深度，為測試原狀土的力學和水力學各向異性提供試樣。對取自某區域的5組角度與深度均相同的土樣進行試驗測試各土樣的抗剪強度，得到試驗的平均抗剪強度為76.34kPa，各組數據間的方差為0.452，抗剪強度最大差值為0.9kPa。能夠滿足工程對于土體各向異性試驗的精度要求。

附圖說明

圖1為本發明的角度取土裝置結構示意圖；

圖2為本發明的角度取土裝置帶套筒轉桿結構示意圖；

圖3為本發明的角度取土裝置結構主視圖；

圖4為本發明的角度取土裝置結構側視圖；

圖5為本發明的角度取土裝置螺栓銷釘位置示意圖；

圖6為本發明的角度取土裝置角度表盤詳圖；

圖7為本發明的角度取土裝置套箍結構示意圖。

圖中：

1.固定裝置 2.取土裝置 3.入土尖 4.水準管 5.圓柱橫桿

6.帶套筒轉桿 7.角鋼豎桿 8.固定裝置豎桿 9.角度表盤

10.螺紋銷釘 11.套箍 12.環刀 13.角度定位線

具體實施方式

結合附圖對本發明的角度取土裝置及其操作方法進行說明。

本發明的角度取土裝置結構是，該裝置包括固定裝置1和取土裝置2兩部分，如圖1所示。固定裝置1為由角鋼焊接而成的直角四面體骨架。取土裝置2位于固定裝置1的外側，并經圓柱橫桿5和帶套筒轉桿6與固定裝置1連接，其中圓柱橫桿5與固定裝置豎桿8剛接，帶套筒轉桿6與固定裝置豎桿8為可轉動連接。

所述固定裝置1為由角鋼焊接而成的直角四面體骨架，在四面體骨架的底面各定點布置垂直于角鋼底面的入土尖3用于保證固定裝置1與土體的牢固接觸，在底面兩直角邊的中點布置水準管4用于保證固定裝置1的傾斜度。

在取土裝置2中，圓柱橫桿5、帶套筒轉桿6、角鋼豎桿7與固定裝置豎桿8圍合成四邊形。帶套筒轉桿6與角鋼豎桿7為可轉動連接，即角鋼豎桿7底端和固定裝置豎桿8中部的角鋼面分別預留一個圓孔，并將帶套筒轉桿6兩端分別穿過角鋼豎桿7和固定裝置豎桿8的預留圓孔。圓柱橫桿5與角鋼豎桿7為剛接，即角鋼豎桿7頂部與固定裝置豎桿8頂部通過圓柱橫桿5焊接，如圖3所示。帶套筒轉桿6的套筒軸線垂直于轉桿部分，如圖2所示。帶套筒轉桿6的套筒的內徑與套箍11外徑相同，且帶套筒轉桿6的轉桿表面刻有一條平行于帶套筒轉桿的角度定位線13，如圖5所示。帶套筒轉桿6的套筒垂直于水平地面時，角度定位線13指著角度表盤9的90°，如圖4所示。角度表盤9位于角鋼豎桿7與帶套筒轉桿6交點的角鋼豎桿7側面上，如圖4所示。在角度表盤9上按照順時針標注0°～180°，如圖6所示。在帶套筒轉桿6與角鋼豎桿7和固定裝置豎桿8交點處均設置一個孔徑大小與螺紋銷釘10相匹配的螺紋孔，螺紋孔位于角鋼面上，且螺紋孔軸向與帶套筒轉桿6的轉桿軸向垂直，將螺紋銷釘10擰入螺紋孔，待調整好取土角度擰緊螺紋銷釘10，如圖5所示。套箍11外壁設有刻度線，套箍11下端設置環刀卡槽，環刀卡槽開槽厚度等于環刀12壁的厚度，如圖7所示。將環刀12上部插入套箍11內的卡槽，把組裝好的套箍11與環刀12從帶套筒轉桿6的套筒頂部穿入，即形成本發明提供的取土裝置。

本發明的角度取土裝置操作方法，該方法包括以下步驟：

(1)將所述角度取土裝置置于平整的場地，觀察固定裝置底面兩直角邊中點布置的水準管內液泡是否同時居中。如果水準管內液泡不同時居中，取下角度取土裝置，將固定裝置底面的土體進行適當修整，放置取土裝置觀察水準管內液泡，直至水準管內液泡均居中時停止操作。

(2)根據土工試驗規范的要求確定取土深度h和土樣與水平地面的角度θ，按照公式(1)計算出套箍移動的距離L

L＝h/sinθ(1)

式(1)中，土樣與水平地面的角度θ，單位為(°)；土樣深度h和套箍移動的距離L單位為cm。

(3)根據步驟(2)中的角度θ轉動帶套筒轉桿6，通過帶套筒轉桿6表面的角度定位線13與角度表盤9的夾角確定角度θ，并用螺紋銷釘10將確定好的角度固定。

(4)將套箍11下端的內壁和環刀12內壁涂凡士林層，將環刀12上部插入套箍11內的卡槽，把組裝好的套箍11與環刀12從帶套筒轉桿6的套筒頂部穿入，環刀12面朝向土體，待環刀12接觸土表面時記錄帶套筒轉桿6的套筒頂面所指套箍11的刻度值。

(5)對套箍11的頂面進行錘擊，通過錘擊前后帶套筒轉桿6的套筒頂部所指套箍11刻度值的改變量，判斷環刀12壓入土中的深度。為防止錘擊不當造成的套箍11損壞，錘擊過程中可在套箍11頂面放置木板進行減震。

(6)錘擊完成后撤去角度取土裝置，用松土裝置將套箍11周圍土體疏松并將套箍11與環刀12自土中取出。將套箍11與環刀12分離，對環刀12土樣進行修整即可得到與水平地面呈一定角度的淺層原狀土樣。

實施例：取距離地表深度為15cm、與水平地面呈30°的土樣為例進行說明。

(1)將角度取土裝置通過底座下方的入土尖3插入土中，通過觀察水準管4并操作固定裝置1來保證取土裝置2的傾斜度。

(2)根據所取土樣深度15cm土和土樣與水平地面的角度30°，按照公式(1)計算出套箍11移動的距離L為30cm。

(3)轉動帶套筒轉桿6，使套筒轉桿的角度定位線13與角度表盤9上0°刻度線夾角為30°，將螺紋銷釘10擰緊。

(4)將套箍11下端卡環刀的內壁和環刀12內壁涂凡士林，將環刀12上部插入套箍11內的卡槽，把組裝好的套箍11與環刀12從帶套筒轉桿6的套筒頂部穿入，環刀12面朝向土體，待環刀12接觸土表面時記錄套筒6頂面所指套箍的刻度值為13.2cm。

(5)在套箍11頂面放置木板，對木板進行錘擊，當套筒6頂面所指套箍的刻度13為43.2cm，停止錘擊。

(6)取下木板后撤去角度取土裝置，用松土裝置將套箍11周圍土體疏松，使用鐵釬將套箍11與環刀12自土中挖出。將套箍11與環刀12分離，對環刀土樣進行修整即可得到與水平地面呈一定角度的淺層原狀土樣。

在相鄰土體范圍內，采集5組距離地表深度為15cm、與水平地面呈30°的土樣，對各組土樣進行100kPa豎向壓力下，剪切速率為12r/min的直剪試驗，得到抗剪強度如表1所示。

表1土樣抗剪強度表

分析表1中數據可知，本組試驗的平均抗剪強度為76.34kPa，各組數據間的方差為0.452，抗剪強度最大差值為0.9kPa。能夠滿足工程對于土體各向異性試驗的精度要求。

本發明具備結構簡單、造價低廉、原理鮮明且取樣簡捷的特點，通過本裝置能夠快速、準確地確定所取土樣與水平地面的夾角，進而獲取淺層原狀土土樣，為測試原狀土的力學和水力學各向異性提供試樣。