对土工试验取土刀的改造探索

田 帅

（九州职业技术学院 221116）

0 引言

对于从事建筑行业现场施工以及高职院校土建类专业学生来说，《土力学与地基基础》及其需要取土的土工试验都不会陌生,比如在教学中用得较多的施工取土与试验取土。

0.1 施工取土

在现场施工时，土方回填时一般用控制压实系数和控制承载能力两种指标来控制土方回填的质量，当回填土上部没有建筑物或构筑物时采用压实系数控制质量，回填土上有建筑物或构筑物时则需要控制压实系数并控制承载能力；土的压实系数是由土的压实密度与土的最大干密度之比获得的，土的压实密度由现场直接测得，土的最大干密度由实验室测得；不论是测试土的压实密度还是最大干密度都需要在现场取土。

0.2 试验取土

根据民办徐州九州职业技术学院建筑工程技术专业培养计划的安排，《土力学与地基基础》基本放置在大二的上学期进行，同时该课程对于检测土的有关工程性质的土工试验教学课时达12课时。笔者在该课程的教学中，通过对所有的试验教学统计，发现对于土样的制备和收取，学生需要做到次数达20次之多。比如在进行土的密度试验、容重、压缩、剪切和渗透、固结等试验中，均需要用到取土环刀进行土样制备。

1 传统取土方式方法的问题

一般土工试验取土用工具为环刀，内径在6～8cm，高2～3cm，壁厚1.52mm。它是用来取未扰动状态下的原状土作为实验土样的一种常用仪器。原状土是土的原位应力状态虽出现一定程度转变，但土的架构、密度、含水量转变相对不大，学者张英勃认为，及时取的土样没有物理因素与化学构成的改变，但须符合室内检验的各种需求[1]，但现实中的情况是往往无法符合室内检验的要求，从而导致试验结果有一定误差。

对于现场施工者来说，现有的取土方法是，土的最大干密度取土采用环刀取样的方法从现场取土，土的压实密度的现场控制则用灌砂法或灌水法在现场测得，灌砂法或灌水法在现场取土时要用在塑料袋在现场用砂子或水测量体积，操作麻烦，准确度受到限制

在笔者现实的试验教学过程中，由于学生取土经验不足，地面原状土偏硬等原因，导致学生在取土样时，往往不能取到理想的一级土样[2]，从而影响了试验结果准确性。甚至有些时候，学生由于取土用力过猛过大，还会出现取土环刀被破坏或者伤到取土者的危险情况。

2 对传统取土装置的改造思路

近年来，在我国建筑工程勘察与设计领域，已经有不少行业学者对工程土样制备的方式方法及其取得土样对工程的影响都进行了广泛的研究。徐晓宇[3]，罗如平[4]等认为取土的设备装置对土样的剪切指标，原状土的扰动变形都有较大的影响。但在土工试验的教学领域，目前对学生取土装置的方法研究或工具改造方面还相对不多，在这样的情况下，笔者结合数年的试验教学经验，对传统的取土装置及用法进行了大胆的改造。

2.1 改造使用预期

土工试验的取土装置及用法是让土工试验取土方便、快捷而设计的。装置由取土设施、动力设施、动力保护设施组成；取土设施由取土刀和取土盘组成；取土刀穿过取土盘底部的孔，在取土盘的下方；取土时，只要按动手把上的动力装置开关，切土刀就将土切入取土盘，取土的体积等于切土刀的体积，称量所取的土的质量就能快速计算出土的密度。

图1 土工试验的取土装置示意图 图2 土工试验的取土装置工作示意图

图中：1-取土设施；11-取土刀；12-取土盘；2-动力设施；21-电机；22-轴一；23-轴二；24-轴三；25-齿轮一；26-齿轮二；27-齿轮三；28-齿轮四；29-齿轮五；210-齿轮六；211-动力开关；3-动力保护设施；31-动力箱；32-手把

2.2 装置具体构造说明

采用如图1、图2所示的土工试验的取土装置，取土设施由取土刀和取土盘组成的；取土刀穿过取土盘底部的孔，在取土盘的下方；动力设施由电机、轴一、轴二、轴三、齿轮一、齿轮二、齿轮三、齿轮四、齿轮五、齿轮六与动力开关组成的；动力保护设施由动力箱与手把组成的；取土盘在动力保护设施的下方的外部，除轴三穿过动力箱底部的孔与取土刀在动力箱外部连接外，其余电机、轴一、轴二、轴三、齿轮一、齿轮二、齿轮三、齿轮四、齿轮五、齿轮六与动力开关全部安装在动力箱内部；动力箱的一侧与手把的一端垂直固结，在与手把连接处的动力箱的一侧有孔，导线穿过小孔，连接电机与动力开关；在动力箱的内部，轴一一端与电机同心同轴固结，另一端与齿轮一固结；轴二一端与齿轮二、另一端与齿轮三同心同轴固结；齿轮一与齿轮二咬合，齿轮三根据需要分别与齿轮四、齿轮五、齿轮六咬合；轴三一端与齿轮四、齿轮五、齿轮六固结，另一端与取土刀的顶端固结。

2.3 装置组成部件功能及说明

①上述的取土刀是螺旋柱状刀具，采用长60毫米，直径60-80毫米的锋钢制作，取土刀的下端制作成切土刃口，当旋转的取土刀垂直置于土层表面时，容易切入土中；柱表面加工成螺旋槽，当取土刀旋转进入土体后，被切削的土体就顺着螺旋槽进入取土盘；取土刀上顶部有孔且孔中带花键键槽，深度为15-20毫米，花键键槽的形状和尺寸与轴三上花键的形状尺寸配套；通过花键取土刀顶部与轴三同心同轴固结；通过轴三与齿轮四、齿轮五、齿轮六连接成整体。取土盘是盘底中央有孔的盘状部件，优先推荐采用硬质塑料板制作，取土盘的外径 180-200毫米高25-30毫米，盘边有扣件，通过扣件与动力箱底部连接，盘底中央的孔的直径与取土刀的外径相等。

②轴一是上端部与电机同心同轴固结，下部带花键并通过花键与齿轮一同心同轴连接的轴状部件，优先推荐采用直径30-40毫米长40-50毫米的钢筋制作，轴一下部的花键的外径与轴一的外径相同，花键槽深3-4毫米；轴二是上部和下部均带花键并通过花键分别与齿轮二、齿轮三均同心同轴连接的轴状部件；优先推荐采用直径30-40毫米长50-60毫米的钢筋制作，轴二上部和下部的花键的外径与轴二的外径相同，花键槽深 3-4毫米；轴三是上部带花键并通过花键分别在上部与齿轮四、齿轮五、齿轮六同心同轴连接，下端与取土刀同心同轴连接的轴状部件，优先推荐采用直径30-40毫米长100-150毫米的钢筋制作，轴三上部和下部的花键的外径与轴三的外径相同，花键槽深 3-4毫米；轴一在电机的作用下发生旋转，并带动齿轮一转动；轴二在齿轮二旋转时被带动旋转，并带动齿轮三旋转；轴三在齿轮四或齿轮五或齿轮六旋转时被带动旋转，并带动取土刀旋转，切削土体，并将被切削的土体送到取土盘中。

③齿轮一、齿轮二、齿轮三、齿轮四、齿轮五、齿轮六均是短平的圆柱状体，圆柱状体外部一圈具有平行于中心的齿，中心部位有孔，孔中有花键键槽，花键键槽分别与轴一、轴二、轴三上的花键配套；齿轮一在轴一旋转时被带动旋转，同时通过与齿轮二的咬合作用，带动齿轮二旋转；齿轮二带动轴二23旋转并通过轴二带动齿轮三旋转；齿轮三旋转时通过与齿轮四或齿轮五或齿轮六的咬合作用，带动齿轮四或齿轮五或齿轮六旋转，并通过齿轮四或齿轮五或齿轮六带动取土刀旋转；齿轮一和齿轮二的直径、齿数相配合，齿轮三与齿轮四、齿轮五、齿轮六的直径、齿数相配合。

④动力箱是底部和一侧有孔的箱体部件，优先推荐采用采用2-3毫米的钢板制作，动力箱的外径180-200毫米高120-150毫米，箱底边有扣件，通过扣件与取土盘顶边部连接，动力箱底部孔的直径与轴三的直径相等，轴三从孔中穿出过取土盘与取土刀连接；一侧的孔在连接手把的部位，导线从孔中穿过，连接电机与动力开关，使电机受动力开关的控制；动力箱带孔的一侧与手把的一端固结。

⑤手把是杆状部件，优先推荐采用直径30-50毫米壁厚3-3.5毫米的钢管制作，手把中空，一侧有孔，孔中安装着动力开关。

3.4 装置具体实践与用法

本次改造的取土装置的具体用法是，施工现场人员或学生在做土工试验需要取土样时，将土工试验的取土装置组装好，在取样现场将表面 100毫米厚的覆土层去掉，平整待取土的表面，将土工试验的取土装置的取土刀垂直置于待取土的表面，按下动力开关，使取土刀的刀口切入土体中，被切土沿着取土刀的螺旋槽进入取土盘中，当取土盘接触被切土体的表面时，松开动力开关，使取土刀 1的刀体从被切土体的孔中抽出，取土完成；将取土盘取下，称量取土盘收集到的土样的重量，除以取土孔洞的体积，即是被取土体的密度。

3 取土装置的使用效果及不足

本次改造的取土装置，能较好的让相关取土者在土工试验时方便、快捷取土，并且使取土体积得到准确计量。在我院建筑工程技术专业等班级的土工试验取土环节中，学生使用非常容易，易上手且无任何操作危险性，相关的土工试验进行顺利，试验结果较为准确，较好的服务了实践教学工作。同时，根据此次改造取土装置的具体实施与用法，本人将其在国家知识产权局进行了专利申请，目前该装置及其特有的操作用法已经申请了专利，专利申请号为 201810472106.X（发明专利），201820733166.8（实用新型专利）。

从大量的取土试验应用中，我们也发现该装置还存在一些设计上的不足之处，如取土范围相对狭窄，设备因需供电导致工作半径较小，取土后装置清洗麻烦等缺陷。通过本人以后不断的改进和优化设计，相信此次改造的取土装置会有更好的工作表现。技术成熟后，将逐步推广应用到工程检测领域中。