實用新型組合環刀在土壤取樣方面的研制與應用*

姚天寶，任建民，於文歡，金德

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070)

環刀法在土體原位試驗、容重測定以及壓實土密實度檢測中，是一種非常常用并且經典的方法。在常規的外業環刀取土過程中，環刀刃口朝下，環刀上口用木板、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刀向土壤移動完成環刀取土過程。這種取土方法的缺點是［1］:取土擾動大，破壞了采集原狀土的根本要求，使測試分析失去精確性;剪切阻力大，取樣慢，費時、費力，效率很低;在取土的過程中環刀容易變形，取土難度大，并且深層的原狀土無法采集。多功能對開式環刀取土器，在一定程度上解決了取土擾動大、測試精確性低以及環刀容易變形的問題，但是仍然存在剪切阻力大、取樣慢的問題。而實用新型多功能組合環刀不僅解決了取土擾動大、測試精確性低以及環刀容易變形的問題，而且實現了剪切阻力小、取樣快，為土壤容重、路基壓實度檢測等提供了方便、快捷的途徑。

1 環刀裝置及改進

1.1 結構組成

本實用新型多功能組合環刀取土裝置如圖1所示［1］，包括由兩個兩端設有凸起的對開式半管組成的內設環刀的環刀外殼，環刀外殼的一端與中空的圓柱形刀頭相連，(刀頭的一端為內、外壁均設有坡角的斜坡口)，其另一端與設有排氣孔的底座相連，底座的底部與手柄連接，手柄上設有套環，連桿套絲和荷載錘。

1.2 結構功能與優越性

本實用新型環刀主要體現了實用、新型、多功能的特點，其主要體現在環刀刀頭和環刀體積的改進與創新上［1］。

(1)由于本實用新型的刀頭的前端改進為內、外壁均設有坡角的斜坡口(切口數量不同)，所以取土時剪切阻力小，取土快。

(2)改進的環刀刀頭有梅花狀型、鋸齒狀型(用于接鉆機頭)、和尖狀型(狼牙狀)、針管狀(便于側面取土)，這些刀頭鋒利無比，解決了在較堅硬土壤層中普通環刀取土難，剪切阻力大、取樣慢的問題。

(3)由于本實用新型的手柄上設有套環，套絲和荷載錘。使用時在套環上栓上鋼絲繩，在手柄上套荷載錘，利用荷載錘重力加速度g(荷載錘質量不等)，方便對取樣難度大或深層的原狀土的采集，底座帶有機械安裝絲，可用機械取樣。

(4)本實用新型結構的纖細化改進，在規范規定的環刀體積范圍內，縮小環刀內、外直徑的同時，加長環刀刀身，使環刀纖細化，不僅解決土壤擾動大問題，同時方便取樣難度大或深層的原狀土的采集。

2 工程應用

甘肅省女子戒毒勞動教養管理所一改造工程，地基壓實填土為灰土，施工時，由于所用土料偏濕，含水率過高，為此需對壓實土進行密實度檢測，其檢測方法用經典環刀法。因此，作者用普通環刀與經過改進優化后的環刀分別對各層土進行試驗檢測，并進行對比分析。

2.1 壓實土密實度試驗

試驗區土體經回填碾壓整平后，在現場用普通環刀和優化環刀取40個點進行取土，分別測其實際干密度與含水率。取代表性土體送至實驗室做擊實試驗［2］，以干密度為縱坐標，含水率為橫坐標，繪制干密度與含水率的關系曲線(如圖2)，曲線上峰值點的縱、橫坐標分別為最大干密度ρdm和最佳含水率ω0。土面區密實度為碾壓實際達到的干密度ρd與室內標準擊實實驗所得的最大干密度ρdm的比值［2］，即

圖1 實用新型多功能組合環刀裝置示意圖

圖2 擊實試驗所得的擊實曲線

分別對每一層各點處用普通環刀和優化改進后環刀檢測的數據進行整理，并剔除異常數據后，得到第二層的數據進行對比分析［3］，見表1。

3 數據分析

檢測過程中如實記錄了各層土中干密度、土壤含水率、檢測時間、土壤擾動面積的數據，并對其每一層數據進行對比分析［4］。

3.1 與普通環刀干密度和含水率數據比較

由實驗室測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，壓實系數0.94。測得第二層壓實土的數據見表1，所繪的干密度和含水率見圖3。

由圖3可知，改進優化后測得的壓實土的干密度和含水率值更接近實驗室得到的干密度數據，這說明改進后的環刀取土器測得的數據更為精確、可靠。

3.2 測定速度的比較

本試驗由兩個規格相同的普通環刀和兩個優化環刀進行，時間為累計時間，普通環刀直徑大，沒有鋒利的刀頭，所以費時、費力，累計時間較長，優化環刀克服了這些缺點，在同樣壓實層內，相同點數所用的時間幾乎不到普通環刀的一半，因此更加省時省力，其功效是普通環刀的2倍(見圖4)。

表1 二層數據整理結果表

圖3 檢測成果對照圖

3.3 擾動面積的比較

采用新型環刀測定壓實土密實度，除了提高功效外，還極大地減少了擾動土壤的面積。這是因為新型環刀取樣器直徑較小，刀頭為雙面刀頭，鋒利無比，取土時始終在一個大小相近孔內取土，擾動面積不變，而采用傳統的環刀法不僅挖掘剖面本身需要一定的擾動面積，而且多余的棄土也要占用更大的面積。

測定分析結果說明，新型的環刀取樣器測定所需的面積基本是一個恒值，隨檢測點變化不大，而傳統的環刀法測定壓實土密實度時所需的面積在某一范圍內變化較大(見圖5)。

4 結論

在壓實土密實度檢測過程中，每層都取40個檢測點，其中第一、三、四層用新型環刀檢測，第二層用普通環刀和新型環刀對比所得，并記錄整個檢測數據［5］，得出如下結論:

(1)在相同厚度，相同性質的填土層上，新型改進環刀所測得的干密度、含水率等檢測數據都比普通環刀的數據更接近實驗室數據，所以檢測數據更精確，可信度更高。

(2)在相同條件下，新型改進環刀剪切阻力小，土壤擾動面積小，取樣快，省時、省力，效率很高。

圖4 速度對照圖

圖5 擾動土面積對照圖

(3)本文所改進的環刀，由于其環刀組合的形式多樣性，可適用于各種土質檢測，其用途廣泛，具有很廣闊的應用前景。

(4)作者和金德先生在長期的野外檢測中，積累寶貴的經驗，申請了新型環刀國家專利，并已經獲得批準，再次感謝金德先生的大力支持。

［1］金德，姚天寶.新型環刀取土器:中國，20120735451.6［P］.2012.

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

［3］GBT 50123-1999.土工試驗方法標準［S］.

［4］富天生，霍曉斌.環刀法測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用［J］.水土保持通報，2010(5):16-18.

［6］薛冰濱.壓實填土密實度檢測存在的問題及解決辦法［J］.中國農村水利水電，2011(7):99-100.