实用新型组合环刀在土壤取样方面的研制与应用*

姚天宝，任建民，於文欢，金德

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)

环刀法在土体原位试验、容重测定以及压实土密实度检测中，是一种非常常用并且经典的方法。在常规的外业环刀取土过程中，环刀刃口朝下，环刀上口用木板、铁板或其它工具盖上，用锤子击打木板、铁板或其它工具使环刀向土壤移动完成环刀取土过程。这种取土方法的缺点是［1］:取土扰动大，破坏了采集原状土的根本要求，使测试分析失去精确性;剪切阻力大，取样慢，费时、费力，效率很低;在取土的过程中环刀容易变形，取土难度大，并且深层的原状土无法采集。多功能对开式环刀取土器，在一定程度上解决了取土扰动大、测试精确性低以及环刀容易变形的问题，但是仍然存在剪切阻力大、取样慢的问题。而实用新型多功能组合环刀不仅解决了取土扰动大、测试精确性低以及环刀容易变形的问题，而且实现了剪切阻力小、取样快，为土壤容重、路基压实度检测等提供了方便、快捷的途径。

1 环刀装置及改进

1.1 结构组成

本实用新型多功能组合环刀取土装置如图1所示［1］，包括由两个两端设有凸起的对开式半管组成的内设环刀的环刀外壳，环刀外壳的一端与中空的圆柱形刀头相连，(刀头的一端为内、外壁均设有坡角的斜坡口)，其另一端与设有排气孔的底座相连，底座的底部与手柄连接，手柄上设有套环，连杆套丝和荷载锤。

1.2 结构功能与优越性

本实用新型环刀主要体现了实用、新型、多功能的特点，其主要体现在环刀刀头和环刀体积的改进与创新上［1］。

(1)由于本实用新型的刀头的前端改进为内、外壁均设有坡角的斜坡口(切口数量不同)，所以取土时剪切阻力小，取土快。

(2)改进的环刀刀头有梅花状型、锯齿状型(用于接钻机头)、和尖状型(狼牙状)、针管状(便于侧面取土)，这些刀头锋利无比，解决了在较坚硬土壤层中普通环刀取土难，剪切阻力大、取样慢的问题。

(3)由于本实用新型的手柄上设有套环，套丝和荷载锤。使用时在套环上栓上钢丝绳，在手柄上套荷载锤，利用荷载锤重力加速度g(荷载锤质量不等)，方便对取样难度大或深层的原状土的采集，底座带有机械安装丝，可用机械取样。

(4)本实用新型结构的纤细化改进，在规范规定的环刀体积范围内，缩小环刀内、外直径的同时，加长环刀刀身，使环刀纤细化，不仅解决土壤扰动大问题，同时方便取样难度大或深层的原状土的采集。

2 工程应用

甘肃省女子戒毒劳动教养管理所一改造工程，地基压实填土为灰土，施工时，由于所用土料偏湿，含水率过高，为此需对压实土进行密实度检测，其检测方法用经典环刀法。因此，作者用普通环刀与经过改进优化后的环刀分别对各层土进行试验检测，并进行对比分析。

2.1 压实土密实度试验

试验区土体经回填碾压整平后，在现场用普通环刀和优化环刀取40个点进行取土，分别测其实际干密度与含水率。取代表性土体送至实验室做击实试验［2］，以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线(如图2)，曲线上峰值点的纵、横坐标分别为最大干密度ρdm和最佳含水率ω0。土面区密实度为碾压实际达到的干密度ρd与室内标准击实实验所得的最大干密度ρdm的比值［2］，即

图1 实用新型多功能组合环刀装置示意图

图2 击实试验所得的击实曲线

分别对每一层各点处用普通环刀和优化改进后环刀检测的数据进行整理，并剔除异常数据后，得到第二层的数据进行对比分析［3］，见表1。

3 数据分析

检测过程中如实记录了各层土中干密度、土壤含水率、检测时间、土壤扰动面积的数据，并对其每一层数据进行对比分析［4］。

3.1 与普通环刀干密度和含水率数据比较

由实验室测得该填土灰土的干密度为1.50 g/cm3，含水率为19.4%，最大干密度为1.60 g/cm3，压实系数0.94。测得第二层压实土的数据见表1，所绘的干密度和含水率见图3。

由图3可知，改进优化后测得的压实土的干密度和含水率值更接近实验室得到的干密度数据，这说明改进后的环刀取土器测得的数据更为精确、可靠。

3.2 测定速度的比较

本试验由两个规格相同的普通环刀和两个优化环刀进行，时间为累计时间，普通环刀直径大，没有锋利的刀头，所以费时、费力，累计时间较长，优化环刀克服了这些缺点，在同样压实层内，相同点数所用的时间几乎不到普通环刀的一半，因此更加省时省力，其功效是普通环刀的2倍(见图4)。

表1 二层数据整理结果表

图3 检测成果对照图

3.3 扰动面积的比较

采用新型环刀测定压实土密实度，除了提高功效外，还极大地减少了扰动土壤的面积。这是因为新型环刀取样器直径较小，刀头为双面刀头，锋利无比，取土时始终在一个大小相近孔内取土，扰动面积不变，而采用传统的环刀法不仅挖掘剖面本身需要一定的扰动面积，而且多余的弃土也要占用更大的面积。

测定分析结果说明，新型的环刀取样器测定所需的面积基本是一个恒值，随检测点变化不大，而传统的环刀法测定压实土密实度时所需的面积在某一范围内变化较大(见图5)。

4 结论

在压实土密实度检测过程中，每层都取40个检测点，其中第一、三、四层用新型环刀检测，第二层用普通环刀和新型环刀对比所得，并记录整个检测数据［5］，得出如下结论:

(1)在相同厚度，相同性质的填土层上，新型改进环刀所测得的干密度、含水率等检测数据都比普通环刀的数据更接近实验室数据，所以检测数据更精确，可信度更高。

(2)在相同条件下，新型改进环刀剪切阻力小，土壤扰动面积小，取样快，省时、省力，效率很高。

图4 速度对照图

图5 扰动土面积对照图

(3)本文所改进的环刀，由于其环刀组合的形式多样性，可适用于各种土质检测，其用途广泛，具有很广阔的应用前景。

(4)作者和金德先生在长期的野外检测中，积累宝贵的经验，申请了新型环刀国家专利，并已经获得批准，再次感谢金德先生的大力支持。

［1］金德，姚天宝.新型环刀取土器:中国，20120735451.6［P］.2012.

［2］金德，姚天宝.新型取土装置:中国，20120735757.1［P］.2012.

［3］GBT 50123-1999.土工试验方法标准［S］.

［4］富天生，霍晓斌.环刀法测定密度的影响因素探讨［J］.吉利水利，2013(5):02.

［5］黄毅，邹洪涛.新型土壤容重取样器的研制与应用［J］.水土保持通报，2010(5):16-18.

［6］薛冰滨.压实填土密实度检测存在的问题及解决办法［J］.中国农村水利水电，2011(7):99-100.