實(shí)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(yàn)、容重測(cè)定以及壓實(shí)土密實(shí)度檢測(cè)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(guò)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(dòng)完成環(huán)刀取土過(guò)程。這種取土方法的缺點(diǎn)是［1］:取土擾動(dòng)大，破壞了采集原狀土的根本要求，使測(cè)試分析失去精確性;剪切阻力大，取樣慢，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，效率很低;在取土的過(guò)程中環(huán)刀容易變形，取土難度大，并且深層的原狀土無(wú)法采集。多功能對(duì)開(kāi)式環(huán)刀取土器，在一定程度上解決了取土擾動(dòng)大、測(cè)試精確性低以及環(huán)刀容易變形的問(wèn)題，但是仍然存在剪切阻力大、取樣慢的問(wèn)題。而實(shí)用新型多功能組合環(huán)刀不僅解決了取土擾動(dòng)大、測(cè)試精確性低以及環(huán)刀容易變形的問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)了剪切阻力小、取樣快，為土壤容重、路基壓實(shí)度檢測(cè)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(shí)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(gè)兩端設(shè)有凸起的對(duì)開(kāi)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(shí)用新型環(huán)刀主要體現(xiàn)了實(shí)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(shí)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(wú)比，解決了在較堅(jiān)硬土壤層中普通環(huán)刀取土難，剪切阻力大、取樣慢的問(wèn)題。

(3)由于本實(shí)用新型的手柄上設(shè)有套環(huán)，套絲和荷載錘。使用時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)，加長(zhǎng)環(huán)刀刀身，使環(huán)刀纖細(xì)化，不僅解決土壤擾動(dòng)大問(wèn)題，同時(shí)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(dòng)教養(yǎng)管理所一改造工程，地基壓實(shí)填土為灰土，施工時(shí)，由于所用土料偏濕，含水率過(guò)高，為此需對(duì)壓實(shí)土進(jìn)行密實(shí)度檢測(cè)，其檢測(cè)方法用經(jīng)典環(huán)刀法。因此，作者用普通環(huán)刀與經(jīng)過(guò)改進(jìn)優(yōu)化后的環(huán)刀分別對(duì)各層土進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 壓實(shí)土密實(shí)度試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)土體經(jīng)回填碾壓整平后，在現(xiàn)場(chǎng)用普通環(huán)刀和優(yōu)化環(huán)刀取40個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取土，分別測(cè)其實(shí)際干密度與含水率。取代表性土體送至實(shí)驗(yàn)室做擊實(shí)試驗(yàn)［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(shí)度為碾壓實(shí)際達(dá)到的干密度ρd與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)所得的最大干密度ρdm的比值［2］，即

圖1 實(shí)用新型多功能組合環(huán)刀裝置示意圖

圖2 擊實(shí)試驗(yàn)所得的擊實(shí)曲線

分別對(duì)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(cè)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(duì)比分析［3］，見(jiàn)表1。

3 數(shù)據(jù)分析

檢測(cè)過(guò)程中如實(shí)記錄了各層土中干密度、土壤含水率、檢測(cè)時(shí)間、土壤擾動(dòng)面積的數(shù)據(jù)，并對(duì)其每一層數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(shí)驗(yàn)室測(cè)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(shí)系數(shù)0.94。測(cè)得第二層壓實(shí)土的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，所繪的干密度和含水率見(jiàn)圖3。

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

3.2 測(cè)定速度的比較

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

表1 二層數(shù)據(jù)整理結(jié)果表

圖3 檢測(cè)成果對(duì)照?qǐng)D

3.3 擾動(dòng)面積的比較

采用新型環(huán)刀測(cè)定壓實(shí)土密實(shí)度，除了提高功效外，還極大地減少了擾動(dòng)土壤的面積。這是因?yàn)樾滦铜h(huán)刀取樣器直徑較小，刀頭為雙面刀頭，鋒利無(wú)比，取土?xí)r始終在一個(gè)大小相近孔內(nèi)取土，擾動(dòng)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(dòng)面積，而且多余的棄土也要占用更大的面積。

測(cè)定分析結(jié)果說(shuō)明，新型的環(huán)刀取樣器測(cè)定所需的面積基本是一個(gè)恒值，隨檢測(cè)點(diǎn)變化不大，而傳統(tǒng)的環(huán)刀法測(cè)定壓實(shí)土密實(shí)度時(shí)所需的面積在某一范圍內(nèi)變化較大(見(jiàn)圖5)。

4 結(jié)論

在壓實(shí)土密實(shí)度檢測(cè)過(guò)程中，每層都取40個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其中第一、三、四層用新型環(huán)刀檢測(cè)，第二層用普通環(huán)刀和新型環(huán)刀對(duì)比所得，并記錄整個(gè)檢測(cè)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(cè)得的干密度、含水率等檢測(cè)數(shù)據(jù)都比普通環(huán)刀的數(shù)據(jù)更接近實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，所以檢測(cè)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(dòng)面積小，取樣快，省時(shí)、省力，效率很高。

圖4 速度對(duì)照?qǐng)D

圖5 擾動(dòng)土面積對(duì)照?qǐng)D

(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(cè)，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(zhǎng)期的野外檢測(cè)中，積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)，申請(qǐng)了新型環(huán)刀國(guó)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(guó)，20120735451.6［P］.2012.

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

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

［4］富天生，霍曉斌.環(huán)刀法測(cè)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(bào)，2010(5):16-18.

［6］薛冰濱.壓實(shí)填土密實(shí)度檢測(cè)存在的問(wèn)題及解決辦法［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011(7):99-100.