一种环刀制样器及其使用方法与流程

本发明涉及土工实验研究领域，特别涉及一种环刀制样器及其使用方法。

背景技术：

工程上和实验室实验过程中为了对重塑土进行土工特性实验(如重塑土渗透等)，其中最关键的一点就是制备土样，而制备土样又常以环刀作为主要仪器。传统制样通常是依据实验所要求的干密度，将一定质量的湿土采用击实仪进行击实、削土进行取样(类似于原状样的取法)，或者将土体置于环刀内分层击实进行制样或一次击实制样；前者在制样过程中耗时长且需要大量的土样，后者则由于分层击实需要对层与层接触面进行刮毛，一次击实虽然不用刮毛，但由于上表面所受压力较大，易形成较为密实的土层面，不利于渗透，进而不能较为准确地反映所制试样状态下土体的渗透性能，且过程复杂，二者所制样品均难以满足均匀性的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种环刀制样器及其使用方法，该环刀制样器结构灵巧，连接稳定，易拆卸，便于操作，能够使制得的样品更加均匀；该使用方法操作简单，能够迅速而准确地制备出满足需求的土样。

本发明是通过以下技术方案来实现：

包括环刀、环刀卡槽、底座及若干可拆卸的套管；环刀卡槽与套管之间通过连接件上下可拆卸地连接；环刀可拆卸地设置在环刀卡槽内，环刀内径与套管内径相同，环刀高度与环刀卡槽高度相同；

所述底座由底板，底板与套管接触连接，底板上设有套筒，可升降圆柱穿过底板且能够在套筒内上下升降运动，可升降圆柱直径与套管内径相同。

优选地，所述套管与所述环刀卡槽的高度相同。

优选地，所述套管与所述环刀卡槽的轴心相同。

优选地，所述套管包括两个半圆形弧板，所述两个半圆形弧板可拆卸地连接。

优选地，所述套管及所述环刀卡槽的上下两侧均分别设置有宽边，所述宽边上均匀地设置有多个连接孔；所述连接孔与螺栓或螺丝配合。进一步优选地，所述设置了连接孔的宽边为法兰盘。进一步优选，所述连接孔的数量至少为3个；更进一步地，所述连接孔的数量为4个。进一步优选地，均匀地设置有多个连接孔，是指多个连接孔均匀地分布在一个圆上，该圆的圆心在套管的轴心上，该圆的平面为套管的一个径向平面。进一步优选地，不同套管及环刀卡槽上的宽边相同，所设置的连接孔的位置和大小也相同。进一步优选地，所述连接孔可以为通孔，则所述通孔与螺栓相配合，所述螺栓贯通相邻的两个宽边上相互配合的两个通孔，使得相邻的两个宽边相互固定；连接孔也可以为螺纹孔，则螺纹孔能够与螺丝配合，螺丝连接相邻两个宽边上相互配合的螺纹孔，使得相邻的两个宽边相互固定。进一步优选地，所述连接孔的数量为4个。进一步优选地，当所述套管包括两个半圆形弧板时，宽边也分为两个半圆环；作为更进一步的优化方案，当连接孔的数量为四个时，连接孔设置在所述半圆环的1/4位置处和3/4位置处。

优选地，环刀卡槽内径与环刀外径相同。环刀卡槽的上部具有一凹槽，环刀的上端具有边沿，凹槽的尺寸和形状与环刀的边沿相同，使得环刀的边沿能够容置在凹槽内。

优选地，可升降圆柱侧面设有正螺纹，套筒内壁设有与可升降圆柱上正螺纹相配合的反螺纹。更进一步优选地，可升降圆柱为实心圆柱。进一步优选地，可升降圆柱能够伸入套管内，所伸入的最大高度不小于所述套管的高度。

优选地，可升降圆柱的底部具有一支撑圆台。

优选地，套筒的内径与套管的宽边的外径相同。进一步优选地，上开设有槽，该槽两侧设置有刻度。更进一步优选地，套筒的高度不小于所述套管的高度。

所述的环刀制样器的使用方法，其包括步骤：

1)将若干套管组合成为一个套管组合，将连接好的套管组合与底座连接，可升降圆柱的顶端不进入套管内；

2)将所需土样加入到套管组合内，按照预先设定好的干密度和高度进行击实；

3)去掉套管，取不同高度的土样测其干密度并绘制干密度曲线；该干密度曲线展示干密度与土样高度的关系；

4)依据干密度曲线求得满足条件的土样所处的土柱的高度；

5)将安装了环刀的环刀卡槽与套管组成新的套管组合，并将该新的套管组合与底座连接；通过调节可升降圆柱使环刀和可升降圆柱顶端的距离符合步骤4)求得的高度；

6)将所需土样加入到新的套管组合内，按照预先设定好的干密度和高度进行击实；

7)将套管组合从上向下依次拆分至环刀卡槽并削去环刀卡槽上部土体；拆掉环刀卡槽下部套管，削去环刀卡槽下部土体；

8)取出环刀，环刀内为满足条件的土样。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的新型环刀制样器，包括环刀、环刀卡槽、底座及若干可拆卸的套管，底座包括可升降圆柱及套筒。本发明中通过将不同套管相连接，安置在底座上，将样品放入，击实、拆分，进而可以确定其满足均匀性要求的土体高度，可以比较直观的反应柱体内土体的密实程度。本发明中通过将环刀卡槽与套管连接，实现了可以将满足条件的样品取出，进而进行相关的土工实验。本发明还可通过底座来调节套管内的土柱高度，便于将并不是一个整数而又满足条件的样品置于环刀卡槽的环刀里取出。通过该环刀制样器所制得的土样，其不仅节省土样，而且能够准确地反映所制试样状态下土体的渗透性能，制备过程简单，制备的样品更为均匀。

进一步的，所述套管包括两个半圆形弧板，其便于半圆形弧板的拆卸，使得套管组合的拆分更为简单，也可以防止套管组合在拆分时损伤样品。

进一步地，可升降圆柱底部还设有支撑圆台，便于底座放置平稳。

本发明提供的所述新型的环刀制样器的使用方法，先将若干套管组合成具有一定高度的套管组合，该套管组合与底座配合后，放入样品并击实，拆分后获得不同高度位置处的样品密度，进而可以确定能够满足均匀性要求的土体所映出的高度位置(目标位置)；然后将套管组合中目标位置处或目标位置上限位置处所对应的套管置换为安装了环刀的环刀卡槽，并通过调整可升降圆柱进入最下端套管的高度，使得环刀处于目标位置，然后向新的套管组合中放入样品并击实，拆分后环刀中的土样为能够满足均匀性要求的土体。通过该方法，可以简单而准确得制备出满足需求的土样。

附图说明

图1为本发明提供的一种新型环刀制样器的结构拆分图。

图2为一种套管结构示意图，其中，a)为一种套管结构俯视图；b)为所示套管横向放置的结构示意图；c)为所示套管结构主视图；d)为b)的a-a剖切示图。

图3为一种环刀卡槽结构示意图，其中，a)为一种环刀卡槽结构俯视图；b)为所示环刀卡槽横向放置的结构示意图；c)为所示环刀卡槽结构主视图；d)为b)的a-a剖切示图。

图4为一种底板的结构主视图，其中，a)为底板的结构主视图，b)为a)的a-a剖切示图。

图5为图4所示底板的结构俯视图。

图6为一种新型环刀制样器整体结构示意图，其中，a)为环刀制样器结构主视图；b)为a)的b-b剖切示图。

其中，1为套管；2为环刀卡槽；3为可升降圆柱；4为套筒；5为支撑圆台；6为宽边；7为连接孔；8为凹槽；9为底板；10为圆柱螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图1～6及具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

在本文中，所述的上下的概念是相对的，其用于表示不同部件或同一部件中不同组成之间的相对位置关系，其反映的是位置上的相互关系，而不是绝对的空间位置。在本文中，其对上下的概念是采用了如此的参考系，在该参考系中，所述环刀制样器在使用时，套管是设置在底座的上面的，且依据该参考系做出了如下的假设，套管的连接，以及套管与环刀卡槽之间的连接，是通过上下连接地方式进行的。

实施例1

参见图1，一种环刀制样器，包括环刀、环刀卡槽2、底座及若干可拆卸的套管1；环刀卡槽2与套管1之间通过连接件上下可拆卸地连接；环刀可拆卸地设置在环刀卡槽2内，环刀内径与套管1内径相同，环刀高度与环刀卡槽2高度相同；

参见图4和图5，图4中，a)为底板的结构主视图，b)为a)的a-a剖切示图。底座由底板9，底板9与套管1接触连接，底板9上设有套筒4，可升降圆柱3穿过底板9且能够在套筒4内上下升降运动，可升降圆柱3直径与套管1内径相同。

如此，套管1之间可以上下连接形成套管组合，环刀卡槽2也可以与套管1上下连接形成新的套管组合；当环刀置于环刀卡槽2中并与套管1形成套管组合后，其与相同高度的完全由套管1组成的套管组合的性能相同。

所述底板9与所述套管组合的最下端接触，实现对套管组合的支撑；可升降圆柱3的顶端与套管组合相配合，恰处于套管组合的最下端或伸入最下端的套管1中，使得套管组合的下端封堵。如此，可以通过调整可升降圆柱3的顶端的位置来调节套管组合内土样的高度。

在使用时，先将若干套管组合成一根长的套管组合，该套管组合与底座配合后，放入样品并击实，拆分后获得不同高度位置处的样品密度，进而可以确定能够满足均匀性要求的土体所对应的高度位置(目标位置)；然后将套管组合中目标位置处或目标位置上限位置处所对应的套管1置换为安装了环刀的环刀卡槽2，并通过调整可升降圆柱3进入最下端套管1的高度，使得环刀处于目标位置，然后向新的套管组合中放入样品并击实，拆分后环刀中的土样为能够满足均匀性要求的土体。通过该新型环刀制样器所制得的土样，其不仅节省土样，而且能够准确地反映所制试样状态下土体的渗透性能，制备过程简单，制备的样品更为均匀。

在这里，连接件是指能够实现部件之间实现连接地常规连接件，用于管道连接地卡箍等，或者是额外设置在套管1或环刀卡槽2上的卡扣等，再或者是设置在套管1或环刀卡槽2上的法兰环及紧固用的螺栓的组合等。用于两个管状部件之间的连接方式是多样的。

基于本实施例提供的环刀制样器的用途及使用方法，套管1及环刀卡槽2在组合之后，其应当具有相同的轴心。所述的套管1、环刀卡槽2以及环刀，其内部的空间均应当是圆柱状的空间，即呈现为截面为圆形的管道。由于套管1是可以通过组合的形式形成套管组合进行实际的应用，因此，所述的套管1的高度既可以是相同的，也可以是不同的。当套管1的高度不同时，应当采用适当的手段使得使用者可以知晓所使用的套管1的高度，如将该套管1的高度线刻在套管1的外壁上等，以便后续的制样时调节可升降圆柱3。

其中，在一种可行的实施方案中，套管1与环刀卡槽2的高度相同。这样可以方便套管组合的组装以及环刀卡槽2的替换，并便于计算可升降圆柱3的调节量。

参见图3，图中，a)为一种环刀卡槽结构俯视图；b)为所示环刀卡槽横向放置的结构示意图；c)为所示环刀卡槽结构主视图；d)为b)的a-a剖切示图。在一种可行的实施方案中，所述环刀卡槽2内径与环刀外径相同。如此，环刀可以稳定的固定在环刀卡槽2中。作为本可行的实施例中的一种进一步的方案，所述环刀的上端具有边沿，所述环刀卡槽2的上部具有一凹槽8，所述凹槽8的尺寸和形状与所述环刀的边沿相同，使得环刀的边沿能够容置在所述凹槽8内。如此，可以使得整个环刀稳定且完全的容置在环刀卡槽2中，使得容置了环刀的环刀卡槽2可以有效的与套管1相互配合。

实施例2

参见图6，图中，a)为环刀制样器结构主视图；b)为a)的b-b剖切示图。一种基于实施例1的环刀制样器，其中，所述套管1包括两个半圆形弧板，所述两个半圆形弧板可拆卸地连接。如此，当套管组合内部具有压实的样品并进行拆分时，可以直接将套管1的两个半圆形弧板拆开，使得其中的土样暴露并进行取样或切削，避免了直接分离相邻的两个装有土样的套管1时带来的对其中的土样的破坏，也简化了土样的清除方法。

在这里，所述的两个半圆形弧板可拆卸地连接，其具有多种的常规的实现方式，如采用卡箍等，这些常规的实现两个半圆形弧板合并为一个管道的方式在此不再赘述，其均在本发明的保护范围内。

参见图2，图中，a)为一种套管结构俯视图；b)为所示套管横向放置的结构示意图；c)为所示套管结构主视图；d)为b)的a-a剖切示图。作为一种可行的实现方案，所述套管1及所述环刀卡槽2的上下两侧均分别设置有宽边6，所述宽边6上均匀地设置有多个连接孔7；所述连接孔7与螺栓或螺丝配合。由于在本实施中所述套管1包括两个半圆形弧板，因此所述宽边6也分为两个半圆环，如此，相邻的两个套管1或套管1与环刀卡槽2之间，可以通过对齐的连接孔7与螺栓或螺丝相互配合实现固定。当所述的连接孔7的数量为3个以上时，其不仅仅解决了上下两个相邻部件之间的连接问题，而且，通过使得上下相邻的两个套管1的半圆形弧板的分割线交错设置，构成一个套管1的两个半圆形弧板将借助相邻的部件上的宽边5实现固定，进而同时解决了套管1本身的固定和相邻部件之间的连接两个问题，且使得上下连接更为紧密。在一种具体的应用中，所述的宽边6上的连接孔7的数量为4个，所述连接孔7设置在所述半圆环的1/4位置处和3/4位置处。此时，若将相邻的两个套管1的半圆形弧板分割线相互垂直放置，则一个套管1上的一个半圆形弧板与相邻的套管1的两个弧板均通过连接孔7实现固定连接，如此，相邻的套管1上的两个半圆形弧板实现了可拆卸地固定连接，在操作时，使用者只需要留意使得相邻两个套管1的半圆形弧板的分割线不重合，既可以保证达成该效果，这大大减小了使用者的安装时间，而且连接方式也非常稳定，且避免了过度固定带来的安装与拆卸的繁琐，便于操作。

其中，所述均匀地设置有多个连接孔7，是指多个连接孔7均匀地分布在一个圆上，该圆的圆心在套管1的轴心上，该圆的平面为套管1的一个径向平面；在这里，所述设置了连接孔7的宽边6为是一个法兰盘或类似法兰盘的不规则的板状物。因此，对于所述的宽边6，尽管呈圆环状的宽边6在加工、外观、安装等方面均具有优势，但是不规则形状的宽边6，如方形的宽边6等，其也是可以实现的。

在上述可行实施方案中，所述连接孔7可以为通孔，则所述通孔与螺栓相配合，所述螺栓贯通相邻的两个宽边6上相互配合的两个通孔，使得相邻的两个宽边6相互固定；所述连接孔7也可以为螺纹孔，则所述螺纹孔能够与螺丝配合，所述螺丝连接相邻两个宽边6上相互配合的螺纹孔，使得相邻的两个宽边6相互固定。

作为上述可行实施方案中的进一步的方案，不同套管1及环刀卡槽2上的宽边5相同，所设置的连接孔7的位置和大小也相同。这样，可以实现宽边5及连接孔7的统一化，使得使用者可以根据需要随意而合理的组合套管1及环刀卡槽2，而不再受到宽边5及连接孔7匹配状况的限制，也节省了使用者为匹配所耗费的时间和精力；不仅如此，这还可以简化环刀卡槽2的宽边5及其连接孔7的设置，使得其可以在一种规格条件下满足各个套管1的需求，而不需设置多种规格或设置冗余。

实施例3

一种基于实施例1或2的环刀制样器，其中，所述底板9与所述可升降圆柱3通过螺纹连接。如此，所述可升降圆柱3可以通过旋转而实现相对于底板9的升降。由于套管组合是以底板9为支撑，且所述可升降圆柱9能够进入套管组合内部，进而可升降圆柱3可以调节套管组合中某一位置处的土样距离可升降圆柱3的顶端的距离，调节其真实高度位置。

其中，在一种可行的实施方案中，所述可升降圆柱3侧面设置有正螺纹，所述底板9设置有圆柱螺纹孔10，圆柱螺纹孔10具有反螺纹，可升降圆柱3与圆柱螺纹孔10相配合。作为该可行的实施方案的更进一步的方案，所述可升降圆柱3为实心圆柱。实心圆柱可以承受成大的压力，其制作也更为简单。

其中，在一种可行的实施方案中，可升降圆柱3能够伸入套管1内，所伸入的最大高度不小于套管1的高度。如此，可升降圆柱3能够在至少一个套管1的高度范围内调节土样的实际高度，可以满足制作任意位置土样要求的任务。

其中，在一种可行的实施方案中，所述可升降圆柱3的底部具有一支撑圆台5。该支撑圆台5可以提供支撑，使得整个新型环刀制样器依靠该支撑圆台5的支撑而竖立起来。支撑圆台周边上没有锐角，减小了实验操作中作业人员被棱角误伤的几率。

实施例4

一种基于实施例3的环刀制样器，其中，所述底板9还包括一套筒4，所述套筒4的内径与所述套管1的宽边6的外径相同，其轴心与可升降圆柱3的轴心相同。如此，套管组合可以置于该套筒4内且使得可升降圆柱3恰可以进入套管组合的内腔中，如此，该套筒4可是实现对套管组合的固定。

其中，在一种可行的实施方案中，所述套筒4上开设有槽，该槽两侧设置有刻度，该刻度的起点为0，刻度读数自下而上依次增加，操作人员可以依据该刻度准确得测量出可升降圆柱3的上升高度，精确的控制可升降圆柱3进入到套管1或环刀卡槽2中的长度。需要注意，在使用时，操作人员可以依据该刻度先调整可升降圆柱3至适宜的位置，再将套管组合放置到该套筒4中。作为该可行的实施方案中的更进一步地方案，所述套筒4的高度不小于所述套管1的高度。如此，不仅该套筒4可以完整的容置至少一个套管1，而且其所设置的槽的高度也能达到至少一个套管1的高度，由此使得该槽的刻度能够充分满足可升降圆柱3的需求。

实施例5

一种基于实施例4的环刀制样器，其中，所述套管1和环刀卡槽2的高度相同，其高度均为40mm；所述套管1的由两个半圆形弧板组成，其内直径为61.8mm；所述套管1的外直径为70mm；所述宽边5为法兰盘，所述法兰盘的外直径为84mm；所述法兰环上均匀地设置四个m4螺纹孔，四个螺纹孔分布在直径为77mm的圆上；其中，套管1的法兰盘被两个半圆形弧板分成两个半圆环，因此，每个半圆环上具有两个螺纹孔，分别位于1/4位置和3/4位置处。

其中，所述环刀卡槽2的内径与环刀的外径相同，即直径为63.8mm；环刀卡槽2的外直径与所述套管1的外直径相同，即为70mm；所述环刀卡槽2的上端设置有凹槽8，该凹槽8的尺寸与所述环刀的边沿形同，其高度为2mm，外直径为70mm，内直径为63.8mm；在这个实施方案中，宽边6的厚度大于2mm，为4～8mm；所述环刀的内直径与所述套管1的内直径相同，即为61.8mm，其外直径与所述环刀卡槽2的内直径相同，即为63.8mm；所述环刀的上端具有边沿，所述边沿的高度为2mm，外直径为70mm，内直径为61.8mm。

其中，所述底板9的厚度为40mm，所述套筒4的高度为40mm；底板9上设置的圆柱螺纹孔10的直径与可升降圆柱3的直径相同，均等于套管1的内直径，即为61.8mm；所述底板9为外直径120mm的圆环板，所述套筒4的外直径为120mm，内直径为84mm，所述底板9和所述套筒4是一体成型的。所述套筒4上设置两个槽，每个槽的两侧均设置有刻度，槽的高度为40mm。

其中，所述可升降圆柱3的高度为80mm；可升降圆柱3的底面连接支撑圆台5，支撑圆台5的直径为90～150mm。可升降圆柱3与支撑圆台5是一体成型的。

本发明所提供的的新型环刀制样器的使用方法，其包括如下步骤：

1)将一定数量的套管组合成为一个套管组合；连接好的套管组合与底座连接，可升降圆柱3的顶端不进入套管1内；此时，作为初始状态，可升降圆柱3的顶端与底板9的顶端持平。

在该步骤中，若套管1包括两个半圆形弧板，则相邻的套管1之间套管1的切割线应当错位设置，如此可以使得连接更为紧密。使用的套管组合的高度根据经验进行设定或进行尝试获得，实验人员可以根据该套管组合的高度合理安排套管1的数量。在图1和图6中，展示了采用4个套管1的情形。

2)将所需土样加入到套管组合内，按照预先设定好的干密度和高度进行击实。

3)去掉套管1，对制备好的土柱做干密度曲线分析，每次取5mm土柱高度测其干密度并绘制干密度曲线。尤其是当套管1包括两个半圆形弧板时，去掉套管1的方法极为简单，解除连接件后将弧板直接剥离即可，套管1对土样的损伤程度和损伤几率大为减小。

4)依据干密度曲线可以求得满足条件的土样所处的土柱的高度。

在一个特定的含水率条件下，目标土柱的干密度能够保持高度均匀；在本实施例中，采用的套管1和环刀卡槽2的高度为40mm；对于40mm高度的土柱而言，其上部5mm和下部5mm的干密度的求和平均干密度与预期干密度的误差在3％以内，该段40mm土样即可视为满足要求的土样。例如，当要求环刀内的土体密度的平均值为1.3g/cm³时，则此时若能保证上部5mm范围内的干密度为1.32g/cm3，下部5mm范围内的土体的干密度为1.28g/cm³，此时平均值取为1.3g/cm³认为是合理的，在误差允许的范围内

5)将安装了环刀的环刀卡槽2与上述套管1组成新的套管组合，并将该新的套管组合与底座连接，通过调节可升降圆柱3使得环刀中的土样距离可升降圆柱3顶端的距离为步骤4)中所求得的高度。

6)重复步骤2)。

7)将套管组合从上向下依次拆分至环刀卡槽2并削去环刀卡槽2上部土体；拆掉环刀卡槽2下部套管1，削去环刀卡槽2下部土体。

8)取出环刀，环刀内为满足条件的土样。