本發(fā)明屬于土工試驗(yàn)領(lǐng)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(jìn)行各種各向異性研究。

背景技術(shù)：

隨著建筑物規(guī)模的擴(kuò)大和設(shè)計(jì)要求的提高，全面系統(tǒng)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(xué)性能。驗(yàn)證并獲取土體的各向異性參數(shù)是進(jìn)行巖土工程設(shè)計(jì)的重要步驟。獲取擾動(dòng)小、精度高且與地面呈一定角度的原裝土樣是進(jìn)行土體各向異性試驗(yàn)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(yàn)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(huán)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(dòng)較大、坡角確定困難、環(huán)刀壓入深度不能計(jì)量。而且，采用該類方法獲取的土樣嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)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(cè)試原狀土的力學(xué)和水力學(xué)各向異性提供試樣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(xiàn)有技術(shù)對(duì)淺層原狀土取樣時(shí)過程比較繁瑣、土樣擾動(dòng)較大、坡角確定困難、環(huán)刀壓入深度不能計(jì)量等問題。

為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)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(diǎn)處分別設(shè)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(diǎn)處設(shè)有水準(zhǔn)管；所述取土裝置位于固定裝置一側(cè)，取土裝置的圓柱橫桿和帶套筒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)桿與角鋼豎桿、固定裝置豎桿連接處為可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，圓柱橫桿、帶套筒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)桿交點(diǎn)的角鋼豎桿側(cè)面上設(shè)有角度表盤，在角鋼豎桿固定裝置豎桿與帶套筒轉(zhuǎn)桿交匯處通過螺紋銷釘相互連接；從帶套筒轉(zhuǎn)桿的套筒頂部穿入套箍，套箍?jī)?nèi)的卡槽插入環(huán)刀。

同時(shí)提供一種根據(jù)上述角度取土裝置的操作方法。

本發(fā)明的效果是該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、原理鮮明。采用該裝置取樣操作簡(jiǎn)捷，能夠快速、準(zhǔn)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(cè)試原狀土的力學(xué)和水力學(xué)各向異性提供試樣。對(duì)取自某區(qū)域的5組角度與深度均相同的土樣進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試各土樣的抗剪強(qiáng)度，得到試驗(yàn)的平均抗剪強(qiáng)度為76.34kPa，各組數(shù)據(jù)間的方差為0.452，抗剪強(qiáng)度最大差值為0.9kPa。能夠滿足工程對(duì)于土體各向異性試驗(yàn)的精度要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的角度取土裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的角度取土裝置帶套筒轉(zhuǎn)桿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的角度取土裝置結(jié)構(gòu)主視圖；

圖4為本發(fā)明的角度取土裝置結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖5為本發(fā)明的角度取土裝置螺栓銷釘位置示意圖；

圖6為本發(fā)明的角度取土裝置角度表盤詳圖；

圖7為本發(fā)明的角度取土裝置套箍結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1.固定裝置 2.取土裝置 3.入土尖 4.水準(zhǔn)管 5.圓柱橫桿

6.帶套筒轉(zhuǎn)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(huán)刀 13.角度定位線

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的角度取土裝置及其操作方法進(jìn)行說明。

本發(fā)明的角度取土裝置結(jié)構(gòu)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(cè)，并經(jīng)圓柱橫桿5和帶套筒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)桿6與固定裝置豎桿8為可轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)布置水準(zhǔn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)桿6與角鋼豎桿7為可轉(zhuǎn)動(dòng)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(yù)留一個(gè)圓孔，并將帶套筒轉(zhuǎn)桿6兩端分別穿過角鋼豎桿7和固定裝置豎桿8的預(yù)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(zhuǎn)桿6的套筒軸線垂直于轉(zhuǎn)桿部分，如圖2所示。帶套筒轉(zhuǎn)桿6的套筒的內(nèi)徑與套箍11外徑相同，且?guī)淄厕D(zhuǎn)桿6的轉(zhuǎn)桿表面刻有一條平行于帶套筒轉(zhuǎn)桿的角度定位線13，如圖5所示。帶套筒轉(zhuǎn)桿6的套筒垂直于水平地面時(shí)，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(zhuǎn)桿6交點(diǎn)的角鋼豎桿7側(cè)面上，如圖4所示。在角度表盤9上按照順時(shí)針標(biāo)注0°～180°，如圖6所示。在帶套筒轉(zhuǎn)桿6與角鋼豎桿7和固定裝置豎桿8交點(diǎn)處均設(shè)置一個(gè)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(zhuǎn)桿6的轉(zhuǎn)桿軸向垂直，將螺紋銷釘10擰入螺紋孔，待調(diào)整好取土角度擰緊螺紋銷釘10，如圖5所示。套箍11外壁設(shè)有刻度線，套箍11下端設(shè)置環(huán)刀卡槽，環(huán)刀卡槽開槽厚度等于環(huán)刀12壁的厚度，如圖7所示。將環(huán)刀12上部插入套箍11內(nèi)的卡槽，把組裝好的套箍11與環(huán)刀12從帶套筒轉(zhuǎn)桿6的套筒頂部穿入，即形成本發(fā)明提供的取土裝置。

本發(fā)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(chǎng)地，觀察固定裝置底面兩直角邊中點(diǎn)布置的水準(zhǔn)管內(nèi)液泡是否同時(shí)居中。如果水準(zhǔn)管內(nèi)液泡不同時(shí)居中，取下角度取土裝置，將固定裝置底面的土體進(jìn)行適當(dāng)修整，放置取土裝置觀察水準(zhǔn)管內(nèi)液泡，直至水準(zhǔn)管內(nèi)液泡均居中時(shí)停止操作。

(2)根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)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(jì)算出套箍移動(dòng)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(dòng)的距離L單位為cm。

(3)根據(jù)步驟(2)中的角度θ轉(zhuǎn)動(dòng)帶套筒轉(zhuǎn)桿6，通過帶套筒轉(zhuǎn)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(nèi)壁和環(huán)刀12內(nèi)壁涂凡士林層，將環(huán)刀12上部插入套箍11內(nèi)的卡槽，把組裝好的套箍11與環(huán)刀12從帶套筒轉(zhuǎn)桿6的套筒頂部穿入，環(huán)刀12面朝向土體，待環(huán)刀12接觸土表面時(shí)記錄帶套筒轉(zhuǎn)桿6的套筒頂面所指套箍11的刻度值。

(5)對(duì)套箍11的頂面進(jìn)行錘擊，通過錘擊前后帶套筒轉(zhuǎn)桿6的套筒頂部所指套箍11刻度值的改變量，判斷環(huán)刀12壓入土中的深度。為防止錘擊不當(dāng)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(jìn)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(huán)刀12自土中取出。將套箍11與環(huán)刀12分離，對(duì)環(huán)刀12土樣進(jìn)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(shí)施例：取距離地表深度為15cm、與水平地面呈30°的土樣為例進(jìn)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(zhǔn)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(jù)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(jì)算出套箍11移動(dòng)的距離L為30cm。

(3)轉(zhuǎn)動(dòng)帶套筒轉(zhuǎn)桿6，使套筒轉(zhuǎn)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(huán)刀的內(nèi)壁和環(huán)刀12內(nèi)壁涂凡士林，將環(huán)刀12上部插入套箍11內(nèi)的卡槽，把組裝好的套箍11與環(huán)刀12從帶套筒轉(zhuǎn)桿6的套筒頂部穿入，環(huán)刀12面朝向土體，待環(huán)刀12接觸土表面時(shí)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(duì)木板進(jìn)行錘擊，當(dāng)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(huán)刀12自土中挖出。將套箍11與環(huán)刀12分離，對(duì)環(huán)刀土樣進(jìn)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?fù)馏w范圍內(nèi)，采集5組距離地表深度為15cm、與水平地面呈30°的土樣，對(duì)各組土樣進(jìn)行100kPa豎向壓力下，剪切速率為12r/min的直剪試驗(yàn)，得到抗剪強(qiáng)度如表1所示。

表1土樣抗剪強(qiáng)度表

分析表1中數(shù)據(jù)可知，本組試驗(yàn)的平均抗剪強(qiáng)度為76.34kPa，各組數(shù)據(jù)間的方差為0.452，抗剪強(qiáng)度最大差值為0.9kPa。能夠滿足工程對(duì)于土體各向異性試驗(yàn)的精度要求。

本發(fā)明具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、原理鮮明且取樣簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)，通過本裝置能夠快速、準(zhǔn)確地確定所取土樣與水平地面的夾角，進(jìn)而獲取淺層原狀土土樣，為測(cè)試原狀土的力學(xué)和水力學(xué)各向異性提供試樣。