一种土壤密实度检测的取土方法与流程

本发明涉及一种机械化作业工艺，尤其是一种土壤密实度检测的取土方法。

背景技术：

对于水利建设中，尤其是大坝建设工程中存在大量的土壤密实度检测工作。土壤密实度检测工作是对压实后(如通过振动压路机压实)的土壤在深度方向逐层取样进行土壤密实度分析，该土壤密实度分析是检验大坝质量的关键。

环刀取土是测定土壤容重、含水量、水分渗透性、密实度等土壤物理性质的重要取土方法。现有环刀取土方法为通过锤击将环刀敲入待检测区土壤中，再将环刀挖出土壤，最后用割刀修剪环刀上下的多余土壤，这种方法耗时耗力，效率低下，对于大坝、水库等大型水工结构进行实地检测中工作量大，劳动强度高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高效、简单的土壤密实度检测的取土方法。

本发明提供一种土壤密实度检测的取土方法，所述方法包括以下步骤：

s101、在待取土区域切出切槽，所述切槽将切槽内的土壤与周边土壤在横向方向隔离开来；

s102、将取土器沿竖向方向插入所述切槽内的土壤中，并逐渐沿土壤深度方向运动；

s103、待土壤填充所述取土器预定体积后，将所述取土器提离地面；

s104、将取土器内的土柱取出。

进一步地，所述切槽为中空的圆筒形切槽。

进一步地，所述切槽的内径大于所述取土器的外径。

进一步地，所述切槽的深度大于所述取土器的高度。

进一步地，所述切槽的壁厚大于所述取土器的壁厚。

进一步地，在步骤s103中，通过所述取土器上的观测窗观测所述取土器内的土壤位在所述取土器内的高度，当高度达到预设高度，土壤填充所述取土器预定体积。

进一步地，在步骤s103中，当土壤填充所述取土器预定体积后且在取出所述取土器之前，向所述取土器的径向方向向内施加外力以使所述取土器产生沿径向向内的收缩变形，使得所述取土器对其内部的土壤进行挤压。

进一步地，所述取土器包括施力部、环切刀、环刀、旋转装置和固定装置，所述施力部与所述环切刀连接，所述环刀与所述环切刀通过所述旋转装置连接，所述固定装置用于固定所述环刀置于所述环切刀的内部，向所述环切刀施力可使所述环切刀沿其环面方向产生收缩形变；所述环刀内的土壤为所述土柱，所述土柱作为待检测土壤。

进一步地，所述将取土器内的土柱取出步骤具体包括：

移除所述固定装置，并施加外力至所述环刀，使所述环刀绕所述旋转装置从所述环切刀的内部旋出；

移除所述旋转装置，取下所述环刀；

取出所述环刀内的土柱。

本发明的取土方法，在用取土器取土之前增加了开切槽这一预处理工序，由于所述切槽将切槽内的土壤与周边土壤在横向方向隔离开来，即在切槽内的土壤和周边土壤之间有间隙，该间隙的宽度即为切槽的壁厚，当将取土器插入切槽内的土壤中时，取土器的壁会挤压土壤，将部分土壤挤入间隙内，大大减小了取土器在土壤中的阻力，便于取土器的插入和取出。将传统取土工艺分解成系列简单工序，简单易行，工作效率高。

附图说明

图1是本发明实施例的取土方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的切槽装置的结构示意图；

图3是图2中的螺母与切刀的连接结构示意图；

图4是本发明实施例的取土装置的结构示意图；

图5是图1的左视图(局部剖视)；

图6是本发明示例性的取土装置的环刀旋出的示意图；以及

图7是本发明的取土装置的取土方法流程图。

符号说明

1、施力部2、环切刀2a、矩形切口2b、顶孔

2c、开口位置3、旋转装置4、固定装置5、环刀

6、收缩部10、切刀101、内凹卡槽102、防脱部

201、侧壁202、手柄204、开口30、转轴

40、施力部501、第一锥齿502、第二锥齿60、切刀轴

601、滑槽701、螺母702、限位部703、凸伸部

80、导向部82、轴承83、套筒

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明实施例提供一种土壤密实度检测的取土方法，请参阅图1，所述取土方法包括以下步骤：

s101、在待取土区域切出切槽，所述切槽将切槽内的土壤与周边土壤在横向方向隔离开来；

s102、将取土器沿竖向方向插入所述切槽内的土壤中，并逐渐沿土壤深度方向运动；

s103、待土壤填充所述取土器预定体积后，将所述取土器提离地面；

s104、将取土器内的土柱取出。

需要说明的是，所述“切槽将切槽内的土壤与周边土壤在横向方向隔离开来”指的是所述切槽围成一定的空间，位于该空间内的土壤即为切槽内的土壤，位于该空间外的土壤即为周边土壤。所述横向方向指的是垂直于土壤深度的方向。所述竖向方向指的是沿着土壤深度的方向。

本发明的取土方法，在用取土器取土之前增加了开切槽这一预处理工序，由于所述切槽将切槽内的土壤与周边土壤在横向方向隔离开来，即在切槽内的土壤和周边土壤之间有间隙，该间隙的宽度即为切槽的壁厚，当将取土器插入切槽内的土壤中时，取土器的壁会挤压土壤，将部分土壤挤入间隙内，大大减小了取土器在土壤中的阻力，便于取土器的插入和取出。将传统取土工艺分解成系列简单工序，简单易行，工作效率高。

在实际施工过程中，可采用切槽装置切出所述切槽，不同的切槽装置可能会获得不同的切槽形状。为了便于切槽装置的切槽工作，所述切槽为中空的圆筒形切槽。例如，切槽装置具有一个或两个或者多个刀片，刀片在动力驱动下做圆周的旋转运动，在竖向方向不断的进给，如此，则可很容易地切出中空的圆筒形切槽。例如，请参阅图2和图3,本发明的第二实施例提供一种切槽装置,所述切槽可通过该切槽装置来实现。所述切槽装置包括：安装架、转轴30、施力部40、切刀轴60、切刀10、锥齿传动部以及轴向驱动机构。所述安装架用于提供零部件的安装支撑以及撑地作用，所述安装架包括至少两个间隔设置的侧壁201，所述侧壁201之间具有容纳空间且底部(图2的下部)具有开口204，所述容纳空间用于容纳安装零部件(如转轴30、施力部40、切刀轴60、切刀10、锥齿传动部以及轴向驱动机构等)，所述安装架的开口204的端部用于支撑于待切槽土壤表面；所述转轴30与所述切刀轴60正交布置，所述转轴30与所述切刀轴60之间通过所述锥齿传动部转动连接，所述转轴30的两端可转动地支撑于所述两个侧壁201上，所述施力部40与所述转轴30固定连接，所述切刀10滑动地连接在所述切刀轴60远离所述锥齿传动部的一端，且所述切刀10跟随所述切刀轴60同步转动，所述轴向驱动机构螺旋连接于所述切刀轴60上，所述轴向驱动机构在所述切刀轴60转动时沿所述切刀轴60的轴向移动，所述切刀10的上端空套入所述轴向驱动机构，所述轴向驱动机构驱动所述切刀10轴向移动。本发明的切槽装置使用时，将安装架的开口204的一端支撑于待切槽土壤表面，通过脚蹬或者手摇所述施力部40产生的转矩，转矩通过轴向驱动机构驱动所述切刀10向下运动切入土壤内，转矩驱动切刀轴旋转带动切刀10旋转，完成切槽后，反方向施力，即可实现切刀10螺旋向上运动进而退出土壤。不需使用额外动力源，即可推动切刀10在土壤中切出一定深度的环形槽，为环刀取土减小了土壤对环刀的摩擦阻力，具有使用简单方便，可靠性高的优势。

为了便于所述切槽装置的携带和搬运，所述切槽装置还包括手柄202，所述手柄202设置在所述安装架的顶端(图2的上端)且与所述安装架固定连接。所述切刀10具有至少一个朝向土壤的切削刃，在所述切刀轴60的驱动下做圆周运动，以在土壤中切出环形槽。

所述锥齿传动部包括第一锥齿501和第二锥齿502，所述第一锥齿501与所述转轴30固定连接，例如通过平键或花键连接，以保持所述第一锥齿501和所述转轴30同步转动；所述第二锥齿502与所述切刀轴60固定连接，例如通过平键或花键连接，以保持所述第二锥齿502和所述切刀轴60同步转动；所述第一锥齿501和第二锥齿502啮合。所述第一锥齿501和第二锥齿502的啮合驱动所述切刀轴60。

为了增加所述切刀轴60的运动稳定性，所述切槽装置还包括导向部80，所述导向部80与所述侧壁201固定连接，所述导向部80的内部具有贯穿孔，所述切刀轴60穿设于所述贯穿孔内。在所述切刀轴60转动时，所述导向部80对所述切刀轴60的运动起导向作用，防止所述切刀轴60偏离其轴向而导致所述第一锥齿501和第二锥齿502脱离啮合状态。进一步地，为了减小所述切刀轴60的表面与所述贯穿孔的内壁之间摩擦力，所述切刀轴60与所述贯穿孔的内壁之间设置有轴承82。可以理解的是，所述导向部80的设置应不能妨碍所述轴向驱动机构对所述切刀10的驱动，因此，所述导向部80位于所述锥齿传动部与所述轴向驱动机构之间。

进一步地，为了对所述第二锥齿502起支撑作用，防止所述第二锥齿502在重力作用下向下运动而脱离与所述第一锥齿501的啮合，所述切槽装置包括套筒83，所述套筒83套设于所述切刀轴60上，所述套筒83的一端抵接所述轴承82的端面，所述套筒83的另一端抵接所述第二锥齿502的端面，即所述套筒83夹设在所述轴承82与所述第二锥齿502之间。通过导向部80对所述轴承82起固定作用，所述轴承82对所述套筒83起轴向支撑作用，因此套筒83不会在重力作用下而向下运动，所述第二锥齿502在所述套筒83的支撑作用下，不会在重力作用下向下运动，因此，所述套筒83将所述第二锥齿502和切刀轴60进行轴向(图2的上下方向)定位，即所述第二锥齿502和所述切刀轴60不会沿轴向发生位移。

所述轴向驱动机构包括螺母701以及限位部702，所述限位部702与所述安装架的侧壁201固定连接，所述限位部702具有沿所述切刀轴60的轴向延伸的限位孔，所述螺母701位于所述限位孔内，即所述螺母701嵌设于所述限位孔内，所述螺母701的至少部分周向表面与所述限位部702的内表面抵接以阻止所述螺母701的转动，所述螺母701与所述切刀轴60通过螺纹副连接。当所述切刀轴60转动时，由于限位部702限制了所述螺母701的转动，所述螺母701在所述螺纹副的作用下，在所述限位孔内沿所述切刀轴60的轴向滑动(图2中的上、下位移)。所述螺母701的外轮廓形状可以呈多边形(例如，标准的正六边形螺母)，所述限位孔的形状与所述螺母701的外轮廓匹配，如此则可阻止所述螺母701的转动。

所述切刀轴60与所述切刀10连接的一端的表面设置有沿所述切刀轴60的轴向延伸的滑槽601，所述切刀10与所述切刀轴60通过平键连接，所述平键带动所述切刀10绕切刀10轴线旋转。所述螺母701面向所述切刀10的端部设置有沿所述螺母701的径向向外延伸且凸伸于所述螺母701的表面的凸伸部703，所述切刀10的对应的端部设置有内凹卡槽101和防脱部102，所述凸伸部703位于所述内凹卡槽101内，即与所述内凹卡槽101嵌套连接，所述防脱部102设置于内凹卡槽101的外侧边缘且向所述螺母701的径向向内延伸以阻止所述凸伸部703脱离所述内凹卡槽101，所述内凹卡槽101绕自身轴线旋转过程中不与所述凸伸部703干涉。如图2所示，本发明的实施例中，所述凸伸部703为凸台结构，进一步地，可以是圆形凸台结构，所述内凹卡槽101呈圆环形状，所述圆形凸台嵌在所述圆环形的内凹卡槽101内，如此设计，当所述切刀10在所述切刀轴60的驱动下转动时，所述内凹可槽和防脱部102可相对所述凸台结构自由旋转，不会带动所述凸台结构跟随转动。

通过上述的切槽装置即可轻松在待取土区域的切出切槽。上述的切槽装置只是一个实施例，所述切槽还可通过其他结构获得。

为了便于后续的取土器的取土工作，所述切槽的内径大于所述取土器的外径。所述切槽在竖向方向上的投影为圆形，切槽具有一定的壁厚，所述切槽的内径指的是圆环形切槽的内壁所形成的圆形的直径。如此，能保障所述取土器能在所述切槽内的土壤中取到完整的土壤。进一步，为了保证土壤能填充所述取土器内的预定体积，所述切槽的深度大于所述取土器的高度。需要说明的是，所述切槽的深度指的是切槽沿土壤深度方向上的尺寸，所述取土器的高度指的是取土器采集土壤的有效部分的高度。更进一步，所述切槽的壁厚大于所述取土器的壁厚，比如，取土器的厚度为2mm,则切槽的厚度则需大于2mm,当取土器插入切槽内的土壤中时，会挤压取土器的外壁外面的土壤，由于切槽的存在，给土壤的运动预留了空间，使得外壁外面的土壤产生的位移可全部被切槽吸收，这样，土壤中由于取土器的挤压力产生的反作用力得到了有效的释放，该反作用力就不会作用于取土器，大大减小了土壤会取土器的摩擦力，进而大大降低了取土器的插入和取出的阻力。

为了能获知所述土壤是否填充到了所述取土器的预定体积，所述取土器上设置有观测窗，通过所述观测窗即可观测所述取土器内的土壤位在所述取土器内的高度，因取土器的尺寸是已知的，当土壤达到预设高度时，土壤即填充所述取土器预定体积。

在现有取土工艺中，当取土器提离地面时，取土器内的土壤很容易松散，进而影响土壤的密实度检测。为了避免现有取土工艺中的缺陷，本发明实施例中，当土壤填充所述取土器预定体积后且在取出所述取土器之前，向所述取土器的径向方向向内施加外力以使所述取土器产生沿径向向内的收缩变形，使得所述取土器对其内部的土壤进行挤压(此工序为护芯工序)，从而阻止取土器内部的土柱散落(因收缩变形程度有限，不会影响土壤密实度检测结果)。

所述使所述取土器产生沿径向向内的收缩变形可通过多种方式实现。例如，请参阅图4、图5以及图6，本发明的另一个实施例中，所述取土器包括施力部1、环切刀2、环刀5、旋转装置3和固定装置4，所述施力部1与所述环切刀2连接，所述环刀5与所述环切刀2通过所述旋转装置3连接，所述固定装置4用于固定所述环刀5置于所述环切刀2的内部，具体地，所述环切刀2沿其高度方向具有狭长口，向所述环切刀2施力可使所述环切刀2沿其环面方向产生收缩形变；所述环刀内2的土壤为所述土柱，所述土柱作为待检测土壤。

具体地，本发明中的取土器中，施力部1(例如为手柄)与环切刀2的上端面连接，连接的方式例如为焊接、螺接等；旋转装置3例如为转轴，固定装置4例如为插销，环切刀2上设置有两个孔，环刀5上设置与环切刀2对应的两个孔，转轴可以同时穿入环切刀2和环刀5的一个孔中，使环刀5可以绕转轴相对于环切刀2旋转，插销可同时穿入环切刀2和环刀5的另一个孔中，使环刀5和环切刀2相对固定；切刀2为开口薄壁结构，在其外壁上设置有矩形切口2a、顶孔2b和开口位置2c，矩形切口2a的尺寸与环刀5的外轮廓尺寸相当，通过从顶孔2b处推动环刀5，使环刀5绕旋转装置3能从矩形切口2a旋出，从顶孔2b的对侧往顶孔2b方向推动环刀5，使环刀5绕旋转装置3能从矩形切口2a旋入；收缩部6例如为抱箍，抱箍沿环切刀2的环面的上部分区域设置，拧紧抱箍的螺栓，环切刀2在抱箍的挤压作用下可产生收缩形变。

需要说明的是，本实施例中，所述取土器采集土壤的有效部分的高度即指的是从环切刀2的底部至所述环刀5的顶端所对应的环切刀2的位置之间的高度。

请参阅图7，本发明的利用上述取土装置的取土方法(包括s102、s103、s104步骤)具体可以为：

s01、向所述施力部1施加压力，使所述环切刀2竖直向下切入切槽内的土壤中；

s02、待环切刀2切至所需的土壤深度，停止向所述施力部1施加外力，向所述环切刀2的环面方向施加外力使所述环切刀2产生收缩形变，使所述环切刀2对其内部的土壤进行挤压；

s03、向所述施力部1施加拉力，使所述环切刀2提离地面；

s04、移除所述固定装置4，并施加外力至所述环刀5，使所述环刀5绕所述旋转装置3从所述环切刀2的内部旋出；

s05、移除所述旋转装置3，取下所述环刀5。

s06、取出环刀5内的土柱

利用取土装置的取土方法具体操作为：作业开始时，操作员向施力部施力，例如手持手柄将环切刀2的底部开口垂直向下放置，转动手柄施加压力将环切刀2切入土壤中，从环切刀2的开口位置2c中观察所需的深度例如土柱充满环刀5后，停止挤压手柄；将收缩部例如抱箍上的螺栓收紧，使环切刀2产生收缩变形，环切刀2对内部的土壤产生挤压作用，环刀5中的土壤受环刀5的外壁的阻挡保持原状，环切刀2的下部的土壤被环切刀2的外壁收缩变形压紧，环切刀2的下部压紧的土壤防止环刀5内部的土柱散落；施加拉力提起手柄，使环切刀2带着环刀5提离地面；移除固定装置，例如拔出插销，通过环切刀2外壁的顶孔2b推挤环刀5，使环刀5绕旋转装置例如转轴转动；环刀5从环切刀2的矩形切口2a处转出，在环刀5转出环切刀2的矩形切口2a的过程中，环切刀2的矩形切口2a修整环刀5上下沿的土壤，从而使环刀5内保持完整的取样土柱；拔出转轴，取下环刀5，对环刀5内部土柱作土壤密实度检验。

通过采用本发明的取土装置进行取土，能够防止环刀内土壤散落，通过环切刀的矩形切口处外壁修剪环刀上下边缘的土柱，具有取土效率高、土柱完整性好、土柱修剪快速的优势。

以上结合附图详细描述了本发明的一个优选实施方式，但是，并不限于上述实施方式中的具体细节。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。