對(duì)土工試驗(yàn)取土刀的改造探索

田 帥

（九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 221116）

0 引言

對(duì)于從事建筑行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工以及高職院校土建類專業(yè)學(xué)生來說，《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》及其需要取土的土工試驗(yàn)都不會(huì)陌生,比如在教學(xué)中用得較多的施工取土與試驗(yàn)取土。

0.1 施工取土

在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，土方回填時(shí)一般用控制壓實(shí)系數(shù)和控制承載能力兩種指標(biāo)來控制土方回填的質(zhì)量，當(dāng)回填土上部沒有建筑物或構(gòu)筑物時(shí)采用壓實(shí)系數(shù)控制質(zhì)量，回填土上有建筑物或構(gòu)筑物時(shí)則需要控制壓實(shí)系數(shù)并控制承載能力；土的壓實(shí)系數(shù)是由土的壓實(shí)密度與土的最大干密度之比獲得的，土的壓實(shí)密度由現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)得，土的最大干密度由實(shí)驗(yàn)室測(cè)得；不論是測(cè)試土的壓實(shí)密度還是最大干密度都需要在現(xiàn)場(chǎng)取土。

0.2 試驗(yàn)取土

根據(jù)民辦徐州九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的安排，《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》基本放置在大二的上學(xué)期進(jìn)行，同時(shí)該課程對(duì)于檢測(cè)土的有關(guān)工程性質(zhì)的土工試驗(yàn)教學(xué)課時(shí)達(dá)12課時(shí)。筆者在該課程的教學(xué)中，通過對(duì)所有的試驗(yàn)教學(xué)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于土樣的制備和收取，學(xué)生需要做到次數(shù)達(dá)20次之多。比如在進(jìn)行土的密度試驗(yàn)、容重、壓縮、剪切和滲透、固結(jié)等試驗(yàn)中，均需要用到取土環(huán)刀進(jìn)行土樣制備。

1 傳統(tǒng)取土方式方法的問題

一般土工試驗(yàn)取土用工具為環(huán)刀，內(nèi)徑在6～8cm，高2～3cm，壁厚1.52mm。它是用來取未擾動(dòng)狀態(tài)下的原狀土作為實(shí)驗(yàn)土樣的一種常用儀器。原狀土是土的原位應(yīng)力狀態(tài)雖出現(xiàn)一定程度轉(zhuǎn)變，但土的架構(gòu)、密度、含水量轉(zhuǎn)變相對(duì)不大，學(xué)者張英勃認(rèn)為，及時(shí)取的土樣沒有物理因素與化學(xué)構(gòu)成的改變，但須符合室內(nèi)檢驗(yàn)的各種需求[1]，但現(xiàn)實(shí)中的情況是往往無法符合室內(nèi)檢驗(yàn)的要求，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果有一定誤差。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工者來說，現(xiàn)有的取土方法是，土的最大干密度取土采用環(huán)刀取樣的方法從現(xiàn)場(chǎng)取土，土的壓實(shí)密度的現(xiàn)場(chǎng)控制則用灌砂法或灌水法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得，灌砂法或灌水法在現(xiàn)場(chǎng)取土?xí)r要用在塑料袋在現(xiàn)場(chǎng)用砂子或水測(cè)量體積，操作麻煩，準(zhǔn)確度受到限制

在筆者現(xiàn)實(shí)的試驗(yàn)教學(xué)過程中，由于學(xué)生取土經(jīng)驗(yàn)不足，地面原狀土偏硬等原因，導(dǎo)致學(xué)生在取土樣時(shí)，往往不能取到理想的一級(jí)土樣[2]，從而影響了試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。甚至有些時(shí)候，學(xué)生由于取土用力過猛過大，還會(huì)出現(xiàn)取土環(huán)刀被破壞或者傷到取土者的危險(xiǎn)情況。

2 對(duì)傳統(tǒng)取土裝置的改造思路

近年來，在我國(guó)建筑工程勘察與設(shè)計(jì)領(lǐng)域，已經(jīng)有不少行業(yè)學(xué)者對(duì)工程土樣制備的方式方法及其取得土樣對(duì)工程的影響都進(jìn)行了廣泛的研究。徐曉宇[3]，羅如平[4]等認(rèn)為取土的設(shè)備裝置對(duì)土樣的剪切指標(biāo)，原狀土的擾動(dòng)變形都有較大的影響。但在土工試驗(yàn)的教學(xué)領(lǐng)域，目前對(duì)學(xué)生取土裝置的方法研究或工具改造方面還相對(duì)不多，在這樣的情況下，筆者結(jié)合數(shù)年的試驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)的取土裝置及用法進(jìn)行了大膽的改造。

2.1 改造使用預(yù)期

土工試驗(yàn)的取土裝置及用法是讓土工試驗(yàn)取土方便、快捷而設(shè)計(jì)的。裝置由取土設(shè)施、動(dòng)力設(shè)施、動(dòng)力保護(hù)設(shè)施組成；取土設(shè)施由取土刀和取土盤組成；取土刀穿過取土盤底部的孔，在取土盤的下方；取土?xí)r，只要按動(dòng)手把上的動(dòng)力裝置開關(guān)，切土刀就將土切入取土盤，取土的體積等于切土刀的體積，稱量所取的土的質(zhì)量就能快速計(jì)算出土的密度。

圖1 土工試驗(yàn)的取土裝置示意圖 圖2 土工試驗(yàn)的取土裝置工作示意圖

圖中：1-取土設(shè)施；11-取土刀；12-取土盤；2-動(dòng)力設(shè)施；21-電機(jī)；22-軸一；23-軸二；24-軸三；25-齒輪一；26-齒輪二；27-齒輪三；28-齒輪四；29-齒輪五；210-齒輪六；211-動(dòng)力開關(guān)；3-動(dòng)力保護(hù)設(shè)施；31-動(dòng)力箱；32-手把

2.2 裝置具體構(gòu)造說明

采用如圖1、圖2所示的土工試驗(yàn)的取土裝置，取土設(shè)施由取土刀和取土盤組成的；取土刀穿過取土盤底部的孔，在取土盤的下方；動(dòng)力設(shè)施由電機(jī)、軸一、軸二、軸三、齒輪一、齒輪二、齒輪三、齒輪四、齒輪五、齒輪六與動(dòng)力開關(guān)組成的；動(dòng)力保護(hù)設(shè)施由動(dòng)力箱與手把組成的；取土盤在動(dòng)力保護(hù)設(shè)施的下方的外部，除軸三穿過動(dòng)力箱底部的孔與取土刀在動(dòng)力箱外部連接外，其余電機(jī)、軸一、軸二、軸三、齒輪一、齒輪二、齒輪三、齒輪四、齒輪五、齒輪六與動(dòng)力開關(guān)全部安裝在動(dòng)力箱內(nèi)部；動(dòng)力箱的一側(cè)與手把的一端垂直固結(jié)，在與手把連接處的動(dòng)力箱的一側(cè)有孔，導(dǎo)線穿過小孔，連接電機(jī)與動(dòng)力開關(guān)；在動(dòng)力箱的內(nèi)部，軸一一端與電機(jī)同心同軸固結(jié)，另一端與齒輪一固結(jié)；軸二一端與齒輪二、另一端與齒輪三同心同軸固結(jié)；齒輪一與齒輪二咬合，齒輪三根據(jù)需要分別與齒輪四、齒輪五、齒輪六咬合；軸三一端與齒輪四、齒輪五、齒輪六固結(jié)，另一端與取土刀的頂端固結(jié)。

2.3 裝置組成部件功能及說明

①上述的取土刀是螺旋柱狀刀具，采用長(zhǎng)60毫米，直徑60-80毫米的鋒鋼制作，取土刀的下端制作成切土刃口，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的取土刀垂直置于土層表面時(shí)，容易切入土中；柱表面加工成螺旋槽，當(dāng)取土刀旋轉(zhuǎn)進(jìn)入土體后，被切削的土體就順著螺旋槽進(jìn)入取土盤；取土刀上頂部有孔且孔中帶花鍵鍵槽，深度為15-20毫米，花鍵鍵槽的形狀和尺寸與軸三上花鍵的形狀尺寸配套；通過花鍵取土刀頂部與軸三同心同軸固結(jié)；通過軸三與齒輪四、齒輪五、齒輪六連接成整體。取土盤是盤底中央有孔的盤狀部件，優(yōu)先推薦采用硬質(zhì)塑料板制作，取土盤的外徑 180-200毫米高25-30毫米，盤邊有扣件，通過扣件與動(dòng)力箱底部連接，盤底中央的孔的直徑與取土刀的外徑相等。

②軸一是上端部與電機(jī)同心同軸固結(jié)，下部帶花鍵并通過花鍵與齒輪一同心同軸連接的軸狀部件，優(yōu)先推薦采用直徑30-40毫米長(zhǎng)40-50毫米的鋼筋制作，軸一下部的花鍵的外徑與軸一的外徑相同，花鍵槽深3-4毫米；軸二是上部和下部均帶花鍵并通過花鍵分別與齒輪二、齒輪三均同心同軸連接的軸狀部件；優(yōu)先推薦采用直徑30-40毫米長(zhǎng)50-60毫米的鋼筋制作，軸二上部和下部的花鍵的外徑與軸二的外徑相同，花鍵槽深 3-4毫米；軸三是上部帶花鍵并通過花鍵分別在上部與齒輪四、齒輪五、齒輪六同心同軸連接，下端與取土刀同心同軸連接的軸狀部件，優(yōu)先推薦采用直徑30-40毫米長(zhǎng)100-150毫米的鋼筋制作，軸三上部和下部的花鍵的外徑與軸三的外徑相同，花鍵槽深 3-4毫米；軸一在電機(jī)的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)齒輪一轉(zhuǎn)動(dòng)；軸二在齒輪二旋轉(zhuǎn)時(shí)被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)齒輪三旋轉(zhuǎn)；軸三在齒輪四或齒輪五或齒輪六旋轉(zhuǎn)時(shí)被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)取土刀旋轉(zhuǎn)，切削土體，并將被切削的土體送到取土盤中。

③齒輪一、齒輪二、齒輪三、齒輪四、齒輪五、齒輪六均是短平的圓柱狀體，圓柱狀體外部一圈具有平行于中心的齒，中心部位有孔，孔中有花鍵鍵槽，花鍵鍵槽分別與軸一、軸二、軸三上的花鍵配套；齒輪一在軸一旋轉(zhuǎn)時(shí)被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過與齒輪二的咬合作用，帶動(dòng)齒輪二旋轉(zhuǎn)；齒輪二帶動(dòng)軸二23旋轉(zhuǎn)并通過軸二帶動(dòng)齒輪三旋轉(zhuǎn)；齒輪三旋轉(zhuǎn)時(shí)通過與齒輪四或齒輪五或齒輪六的咬合作用，帶動(dòng)齒輪四或齒輪五或齒輪六旋轉(zhuǎn)，并通過齒輪四或齒輪五或齒輪六帶動(dòng)取土刀旋轉(zhuǎn)；齒輪一和齒輪二的直徑、齒數(shù)相配合，齒輪三與齒輪四、齒輪五、齒輪六的直徑、齒數(shù)相配合。

④動(dòng)力箱是底部和一側(cè)有孔的箱體部件，優(yōu)先推薦采用采用2-3毫米的鋼板制作，動(dòng)力箱的外徑180-200毫米高120-150毫米，箱底邊有扣件，通過扣件與取土盤頂邊部連接，動(dòng)力箱底部孔的直徑與軸三的直徑相等，軸三從孔中穿出過取土盤與取土刀連接；一側(cè)的孔在連接手把的部位，導(dǎo)線從孔中穿過，連接電機(jī)與動(dòng)力開關(guān)，使電機(jī)受動(dòng)力開關(guān)的控制；動(dòng)力箱帶孔的一側(cè)與手把的一端固結(jié)。

⑤手把是桿狀部件，優(yōu)先推薦采用直徑30-50毫米壁厚3-3.5毫米的鋼管制作，手把中空，一側(cè)有孔，孔中安裝著動(dòng)力開關(guān)。

3.4 裝置具體實(shí)踐與用法

本次改造的取土裝置的具體用法是，施工現(xiàn)場(chǎng)人員或?qū)W生在做土工試驗(yàn)需要取土樣時(shí)，將土工試驗(yàn)的取土裝置組裝好，在取樣現(xiàn)場(chǎng)將表面 100毫米厚的覆土層去掉，平整待取土的表面，將土工試驗(yàn)的取土裝置的取土刀垂直置于待取土的表面，按下動(dòng)力開關(guān)，使取土刀的刀口切入土體中，被切土沿著取土刀的螺旋槽進(jìn)入取土盤中，當(dāng)取土盤接觸被切土體的表面時(shí)，松開動(dòng)力開關(guān)，使取土刀 1的刀體從被切土體的孔中抽出，取土完成；將取土盤取下，稱量取土盤收集到的土樣的重量，除以取土孔洞的體積，即是被取土體的密度。

3 取土裝置的使用效果及不足

本次改造的取土裝置，能較好的讓相關(guān)取土者在土工試驗(yàn)時(shí)方便、快捷取土，并且使取土體積得到準(zhǔn)確計(jì)量。在我院建筑工程技術(shù)專業(yè)等班級(jí)的土工試驗(yàn)取土環(huán)節(jié)中，學(xué)生使用非常容易，易上手且無任何操作危險(xiǎn)性，相關(guān)的土工試驗(yàn)進(jìn)行順利，試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，較好的服務(wù)了實(shí)踐教學(xué)工作。同時(shí)，根據(jù)此次改造取土裝置的具體實(shí)施與用法，本人將其在國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局進(jìn)行了專利申請(qǐng)，目前該裝置及其特有的操作用法已經(jīng)申請(qǐng)了專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮?201810472106.X（發(fā)明專利），201820733166.8（實(shí)用新型專利）。

從大量的取土試驗(yàn)應(yīng)用中，我們也發(fā)現(xiàn)該裝置還存在一些設(shè)計(jì)上的不足之處，如取土范圍相對(duì)狹窄，設(shè)備因需供電導(dǎo)致工作半徑較小，取土后裝置清洗麻煩等缺陷。通過本人以后不斷的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，相信此次改造的取土裝置會(huì)有更好的工作表現(xiàn)。技術(shù)成熟后，將逐步推廣應(yīng)用到工程檢測(cè)領(lǐng)域中。