可攜式淺層軟土原狀取樣裝置及取樣方法與流程

2023-05-05 11:24:16 1

本發明涉及一種取樣裝置及取樣方法，尤其是一種可攜式淺層軟土原狀取樣裝置和取樣方法。屬巖土工程領域，適用於巖土工程勘察表層和淺層原狀取土，也適用於土工試驗及科研用淺層原狀土取樣。

背景技術：

原狀土取樣是巖土工程勘察以及科學研究的基礎內容。原狀土由於其特有的結構性以及物理力學性質，成為土質學、土力學、工程地質學、土壤學等學科科學研究的要件。也正因為其獨特複雜的工程力學性質，在原狀土的取樣過程中要儘量減少擾動，保證其天然結構不受破壞，如何快速且無擾動的採取原狀樣，是保證工程地質調查和科學試驗研究準確性與可靠性的前提。

新近沉積軟土，因其特殊複雜的力學性質和較高的致災性，具有非常重要的科學意義和實用價值。但由於其高含水率、大孔隙比、高壓縮性、靈敏度高，取樣過程中易被擾動；處於流塑和軟塑狀態的軟土在取土過程中極易沿取樣器內壁滑落；且土樣在與取樣器分離、以及土樣封存過程中極易被擾動。因而亟需一種高效簡易的取樣裝置，一套依託取樣裝置而形成的快速可靠的取樣方法，解決淺層軟土原狀樣取樣難的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足，針對目前高含水率淺層軟土在取樣時容易沿取樣器內壁滑落；原狀土柱在修整、分離的過程中易被擾動；取樣器內腔難以清理等問題，提出解決方法。保證取樣器離開取土面時，土樣不會因含水量高的特性從取樣器內掉出。減小土樣在採集、分離和封存過程受到的擾動。該裝置構造簡單，操作簡便，方法簡單，易於掌握。實現了試樣採樣-試樣分離-試樣封存一體化，具有廣闊的應用前景。

為實現上述技術目的，本發明採用以下技術方案。

可攜式淺層軟土原狀取樣裝置，主要包括取樣器、定位器和分離器。

取樣器包括把手、取樣杆、轉向座、傳力座、活塞、擋板和取樣筒。取樣杆上端設置把手，取樣杆下端與轉向座、活塞一體化焊接，轉向座下端為傳力座，傳力座頂部設置卡槽和活塞孔，轉向座嵌入傳力座卡槽並可沿卡槽上下滑動，活塞插入傳力座內且與傳力座滑動連接。活塞底端與擋板通過螺紋連接固定。傳力座錐面的四個方向對稱設置有排氣孔，與傳力座內腔貫通。排氣孔的出口處對應設置擋片，擋片與傳力座錐面鉸接且恰好能覆蓋排氣孔。傳力座底端通過螺紋與取樣筒連接固定，取樣筒內為有機玻璃製成的對開內襯管，內襯管緊貼取樣筒內壁，通過上端的中空塑料板和下端的插銷固定，取樣筒下端為縮口段。

定位器包括水平臺和支架，水平臺的限位孔與取樣筒外壁緊密貼合，水平臺面板上有一橫一縱兩個水平泡，可以確定水平臺是否水平。三角形支架與水平臺通過定位螺孔連接，支架一端設置腳片，支架與支架、支架與地面之間通過長銷釘穿過腳片連接固定。

分離器包括底板、固定筒、支撐環、推土板、螺杆和手搖柄。底板的一側設置固定筒，固定筒一端設置螺紋，可與取樣筒通過螺紋固定連接，筒內設置螺紋孔道，可以確保螺杆的旋進與後縮。螺杆穿過固定筒，一端與推土板固定連接，另一端與手搖柄固定連接。底板的另一側設置支撐環，用於支撐取樣筒。搖動手搖柄使螺杆旋進，通過推土板前進即可推出取樣筒中的內襯管和土樣。

所述轉向座可以嵌入傳力座的卡槽內，轉向座可以在卡槽內上下滑動，通過取樣杆旋轉轉向座可以帶動傳力座及取樣筒轉動，實現取樣器整體的旋轉。

所述排氣孔擋片與傳力座錐面鉸接，鉸點在排氣孔出口上部，使得擋片恰好能覆蓋排氣孔。下壓取土時由於內腔的空氣壓力會將擋片頂開，通過排氣孔排水排氣，取樣器上提時擋片覆蓋排氣孔，避免空氣進入傳力座內腔。

所述中空塑料板外徑與取樣筒內徑相同，中空塑料板內徑小於內襯管內徑和傳力座內徑。

所述插銷為四個，繞取樣筒外壁圓周均勻對稱分布。

所述取樣筒和傳力座外壁兩側均標有刻度，可以計算取樣深度。取樣筒底部縮口段的刃口角度為5～10°。

所述內襯管應配有封存蓋，分為上蓋(81)和下蓋(82)，以實現土樣的封裝。

作為優選，所述內襯管的直徑為70mm，高度280mm，對於Φ39.1×80mm的三軸試樣可以一次成樣3個；對於Φ61.8×125mm的三軸試樣可以一次成樣2個。

所述分離器的推土板直徑大於中空塑料板內徑，小於取樣筒和固定筒內徑。支撐環內徑與取樣筒外徑相同。

可攜式淺層軟土原狀取樣裝置實現的取樣方法，包括以下步驟：

a.場地處理：根據試驗研究對象和土工試驗試樣要求，選取合適場地進行取樣，選取地勢平坦、土質均勻的位置，清除表層雜土，平整出露地面。如需取埋深稍深土樣，則需結合麻花鑽、洛陽鏟等清除上覆土層，再平整出露面，使出露面地勢平坦，方便取土。

b.裝置準備：架設定位器，當橫縱水平泡的空氣泡均位於液面正中時，說明水平臺已經水平，將長銷釘通過支架腳片限位孔打入地下，保持水平臺水平和位置固定。組裝取樣器，插入插銷，將內襯管內壁塗抹凡士林，裝入取樣筒，上覆中空塑料板，將取樣筒與傳力座連接固定。將取樣器插入水平臺限位孔。

c.壓入土層：通過把手均勻施力，將取樣器緩慢平穩的壓入土體，要注意兩側施力均勻，可由取樣筒兩側的刻度判斷取樣器兩側是否下沉速率一致，保證取樣器緩慢均勻下沉至預期取土深度。

d.取樣器下壓過程中會有水和氣通過排氣孔排出，隨著取樣器逐步進入土層，取樣器內部空腔逐漸減少，空腔內產生的壓力也由排氣孔釋放。當內襯管內充滿土體後，上提取樣杆，帶動轉向座和活塞一齊向上運動。活塞上表面恰好與傳力座內腔上壁緊密貼合，封閉排氣孔，同時傳力座外表面的擋片覆蓋排氣孔，也起到隔絕空氣的作用，從而在傳力座內腔形成真空，利用負壓提升作用保證取樣器內的土樣不會滑落。

e.通過把手向上施力，將取樣器緩慢平穩拔出。如果摩擦阻力過大，通過轉向座旋轉帶動傳力座和取樣筒，以旋轉的方式將取樣器旋出，應儘量保證施力均勻，使取樣器緩慢平穩的上升，直至完全從土中拔出。

f.將取出的取樣器平放，拆下取樣筒，首先用刮土刀將中空塑料板之上的廢土清理乾淨，將插銷之下的廢土適當清理，注意不要擾動內襯管中的土樣。

g.土樣分離：將取樣筒穿過支撐環，旋緊連接在分離裝置的固定筒上，拔去插銷。搖動手搖柄，螺杆帶動推土板不斷向取樣筒內部前進，將內襯管及內襯管中的原狀樣逐漸從取樣筒的縮口段推出。由於內襯管為半開有機玻璃管，為了防止內襯管在脫出取樣筒後因失去約束打開，應在內襯管剛從縮口段出露時，以鋼絲鋸沿內襯管底端刮去餘土，使得土樣面與內襯管底端埠平齊，加蓋內襯管下蓋，當內襯管完全脫出後，刮去內襯管頂端餘土，加蓋內襯管上蓋。由於內襯管為透明的有機玻璃管，可以觀察所取軟土是否符合要求，如果內襯管內土樣土質不均或有大量缺失，則應重取；如果內襯管內土樣均勻完好，則將內襯管頂部和底部貼好標籤，妥善封存。

h.清除取樣筒內部餘土，另取內襯管，內壁塗凡士林，裝入取樣筒，將取樣筒與傳力座連接固定，繼續取樣。

i.當取樣達到所需數量後，拆卸取樣器，拆下擋板後，傳力座可與取樣杆分離，清洗傳力座和取樣筒的內腔和外壁，晾乾，取樣筒插銷的螺孔處塗油，將各裝置妥善保存。

本發明的有益效果：本發明提供的可攜式淺層軟土原狀取樣裝置，利用活塞和擋板在傳力座內腔形成真空，利用內腔的負壓提升作用防止土樣滑落，解決了取樣器上提時軟土土樣沿筒壁滑脫的問題。利用轉向座與傳力座的嵌入連接實現了取樣筒與取樣杆同步旋轉，方便取土。通過內襯管與土樣分離器實現了土樣採集—土樣分離—土樣封存的一體化操作程序，提高了取土效率，內襯管為透明對開有機玻璃管，可以直接對其內土樣進行觀測，確定其是否符合要求，與金屬管相比更加可靠快捷。設備簡單，方便拆卸，操作容易。取樣方法安全可靠，較好保持了土體原狀結構，保證了土樣質量。利於行業內推廣應用。

附圖說明

圖1是本發明之可攜式淺層軟土原狀取樣裝置總體結構示意圖。

圖2是取樣器下壓過程結構示意圖。

圖3是取樣器上提過程結構示意圖。

圖4是轉向座的結構立體圖。

圖5是擋板的結構立體圖。

圖6是內襯管、插銷和取樣筒的接觸關係示意圖。

圖7是轉向座與傳力座結構連接立體圖。

圖8是取樣筒的結構立體圖。

圖9是內襯管和封存蓋的結構立體圖。

圖10是水平臺與支架的結構俯視圖。

圖11是分離器的結構立體圖。

具體實施方式

下面結合附圖，說明本發明的具體實施方式。

如圖1～圖11所示，本實施例的可攜式淺層軟土原狀取樣裝置包括取樣器、定位器和分離器。

取樣器包括把手1、取樣杆2、轉向座3、傳力座4、活塞5、擋板6和取樣筒7。取樣杆2上端設置有把手1，取樣杆2下端與轉向座3、活塞5一體化焊接，轉向座3下端為傳力座4，傳力座4頂部設置有卡槽41和活塞孔44，轉向座3嵌入傳力座卡槽41並可沿卡槽41上下滑動，活塞5插入傳力座4內且與傳力座4滑動連接。活塞5底端與擋板6通過螺紋連接固定。傳力座4錐面的四個方向對稱設置有排氣孔42，與傳力座內腔貫通。排氣孔42的出口處對應設置擋片43，擋片43與傳力座錐面鉸接且恰好能覆蓋排氣孔42。傳力座4底端通過螺紋與取樣筒7連接固定，取樣筒7內為有機玻璃製成的對開內襯管8，內襯管8緊貼取樣筒7內壁，通過上端的中空塑料板71和下端的插銷72固定，取樣筒7下端為縮口段73。

定位器包括水平臺9和支架10，水平臺9的限位孔92與取樣筒7外壁緊密貼合，水平臺面板上有一橫一縱兩個水平泡91，可以確定水平臺是否水平。三角形支架10與水平臺9通過定位螺孔連接，支架10一端設置腳片101，支架與支架、支架與地面之間通過長銷釘穿過腳片101連接固定。

分離器包括底板11、固定筒12、支撐環13、推土板14、螺杆15和手搖柄16。底板11的一側設置固定筒12，固定筒12一端設置螺紋，可與取樣筒7通過螺紋固定連接，筒內設置螺紋孔道，可以確保螺杆15的旋進與後縮。螺杆15穿過固定筒12，一端與推土板14固定連接，另一端與手搖柄16固定連接。底板11的另一側設置支撐環13，用於支撐取樣筒7。搖動手搖柄16使螺杆15旋進，通過推土板14前進即可推出取樣筒7中的內襯管8和土樣。

所述轉向座3可以嵌入傳力座4的卡槽41內，轉向座3可以在卡槽41內上下滑動，通過取樣杆2旋轉轉向座3可以帶動傳力座4及取樣筒7轉動，實現取樣器整體的旋轉。

所述排氣孔擋片43與傳力座4錐面鉸接，鉸點在排氣孔42出口上部，使得擋片43恰好能覆蓋排氣孔42。下壓取土時由於內腔的空氣壓力會將擋片43頂開，通過排氣孔42排水排氣，取樣器上提時擋片43覆蓋排氣孔42，避免空氣進入傳力座4內腔。

所述中空塑料板71外徑與取樣筒7內徑相同，中空塑料板71內徑小於內襯管8內徑和傳力座4內徑。

所述插銷72為四個，繞取樣筒7外壁圓周均勻對稱分布。

所述取樣筒7和傳力座4外壁兩側均標有刻度，可以計算取樣深度。取樣筒7底部縮口段73的刃口角度為5～10°。

所述內襯管8應配有封存蓋，分為上蓋(81)和下蓋(82)，以實現土樣的封裝。

作為優選，所述內襯管8的直徑為70mm，高度280mm，對於Φ39.1×80mm的三軸試樣可以一次成樣3個；對於Φ61.8×125mm的三軸試樣可以一次成樣2個。

所述分離器的推土板14直徑大於中空塑料板71內徑，小於取樣筒7和固定筒12內徑。支撐環13內徑與取樣筒7外徑相同。

可攜式淺層軟土原狀取樣裝置的取樣方法，包括以下步驟：

a.場地處理：根據試驗研究對象和土工試驗試樣要求，選取合適場地進行取樣，選取地勢平坦、土質均勻的位置，清除表層雜土，平整出露地面。如需取埋深稍深土樣，則需結合麻花鑽、洛陽鏟等清除上覆土層，再平整出露面，使出露面地勢平坦，方便取土。

b.裝置準備：架設定位器，當橫縱水平泡91的空氣泡均位於液面正中時，說明水平臺9已經水平，將長銷釘通過支架腳片101限位孔打入地下，保持水平臺9水平和位置固定。組裝取樣器，插入插銷72，將內襯管8內壁塗抹凡士林，裝入取樣筒7，上覆中空塑料板71，將取樣筒7與傳力座4連接固定。將取樣器插入水平臺限位孔92。

c.壓入土層：通過把手1均勻施力，將取樣器緩慢平穩的壓入土體，要注意兩側施力均勻，可由取樣筒7兩側的刻度判斷取樣器兩側是否下沉速率一致，保證取樣器緩慢均勻下沉至預期取土深度。

d.取樣器下壓過程中會有水和空氣通過排氣孔42排出，隨著取樣器逐步進入土層，取樣器內部空腔逐漸減少，空腔內產生的壓力也由排氣孔42釋放。當內襯管8內充滿土體後，上提取樣杆2，帶動轉向座3和活塞5一齊向上運動。活塞5上表面恰好與傳力座4內腔上壁緊密貼合，封閉排氣孔42，同時傳力座4外表面的擋片43覆蓋排氣孔42，也起到隔絕空氣的作用，從而在傳力座4內腔形成真空，利用負壓提升作用保證取樣器內的土樣不會滑落。

e.通過把手1向上施力，將取樣器緩慢平穩拔出。如果摩擦阻力過大，通過轉向座3旋轉帶動傳力座4和取樣筒7，以旋轉的方式將取樣器旋出，應儘量保證施力均勻，使取樣器緩慢平穩的上升，直至完全從土中拔出。

f.將取出的取樣器平放，拆下取樣筒7，首先用刮土刀將中空塑料板71之上的廢土清理乾淨，將插銷72之下的廢土適當清理，注意不要擾動內襯管8中的土樣。

g.土樣分離：將取樣筒7穿過支撐環13，旋緊連接在分離器的固定筒12上，拔去插銷72。搖動手搖柄16，螺杆15帶動推土板14不斷向取樣筒7內部前進，將內襯管8及內襯管中的原狀樣逐漸從取樣筒7的縮口段73推出。由於內襯管8為半開有機玻璃管，為了防止內襯管8在脫出取樣筒7後因失去約束打開，應在內襯管8剛從縮口段73出露時，以鋼絲鋸沿內襯管8底端刮去餘土，使得土樣面與內襯管8底端埠平齊，加蓋內襯管下蓋82，當內襯管8完全脫出後，刮去內襯管8頂端餘土，加蓋內襯管上蓋81。由於內襯管8為透明的有機玻璃管，可以觀察所取軟土是否符合要求，如果內襯管8內土樣土質不均或有大量缺失，則應重取；如果內襯管8內土樣均勻完好，則將內襯管8頂部和底部貼好標籤，妥善封存。

h.清除取樣筒7內部餘土，另取內襯管，內壁塗凡士林，裝入取樣筒7，將取樣筒7與傳力座4連接固定，繼續取樣。

i.當取樣達到所需數量後，拆卸取樣器，拆下擋板6後，傳力座4可與取樣杆2分離，清洗傳力座4和取樣筒7的內腔和外壁，晾乾，取樣筒插銷72的螺孔處塗油，將各裝置妥善保存。

土樣的取樣深度是按如下方法確定的，測得被清除的表層雜土厚度h0。取樣器外壁上標有刻度，在內襯管8底端所對應的取樣筒7外壁位置標有零刻線，且刻度值沿外壁向上逐漸增大。當進土位置超過取樣筒7上沿，認為內襯管8內裝滿試樣，測得此時刻度線位置h1，已知內襯管8高度為h2。則所取土樣埋深為[h0+h1-h2，h0+h1]。

綜上所述，本發明提供的可攜式淺層軟土原狀取樣裝置，利用活塞和擋板在傳力座內腔形成真空，利用內腔的負壓提升作用防止土樣滑落，解決了取樣器上提時軟土土樣沿筒壁滑脫的問題。利用轉向座與傳力座的嵌入連接實現了取樣筒與取樣杆同步旋轉，方便取土。通過內襯管與土樣分離裝置實現了土樣採集—土樣分離—土樣封存的一體化操作程序，提高了取土效率，內襯管為透明對開有機玻璃管，可以直接對其內土樣進行觀測，確定其是否符合要求，與金屬管相比更加可靠快捷。設備簡單，方便拆卸，操作容易。取樣方法安全可靠，較好保持了土體原狀結構，保證了土樣質量。利於行業內推廣應用。