本发明涉及岩土工程及环境工程技术领域，更具体地，涉及一种可分层弱扰动采集处于塑性状态的黏土、淤泥以及污泥的原状软土取样器，可用于污泥填埋场、软土质地基以及实验室的高含水率土样分层弱扰动采集。
背景技术：
在岩土工程领域的软基排水固结沉降，环境保护领域的污泥脱水以及科学研究领域的实验室污泥脱水试验，需要定期监测垂直方向上高含水率软土的含水率变化情况，以便实时跟踪排水效果从而确定施工周期以及制定排水方案。准确测定不同位置软土的含水率在此过程中十分关键，而高含水率的软土在采集过程若受到过大扰动会出现动力液化现象，使软土结构内部的水分析出，造成所采集土样与原状土样存在含水率差异，对监测结果造成较大干扰，同时针对实验室污泥脱水试验的研究，其除要降低动力液化现象对含水率的影响外，还对土样原始内部结构的完整性有较高的要求，因土样微观结构对土体内部水分的存在形式有较大影响，而不同的水分存在形式所需的脱水方式存在本质差异，室内污泥脱水试验需要弄清水分存在形式并研究相应的有效脱水方法，故在科学研究中需要尽可能的避免原状试样产生结构上的扰动。而现有的高含水率软土采集装置，虽然有的可以满足分层取样需要，但是在软土采集过程中普遍会对原状土样产生极大的扰动，特别是对原状试样的结构，基本无法保持原状。故急需研制一种可在软基排水施工现场、污泥处理厂及实验室使用的弱扰动高含水率软土原状试样采集装置，尽可能解决对原状土扰动的问题。
技术实现要素：
本发明为了克服现有高含水率软土取样器对原状试样扰动过大的缺陷，并且满足分层逐个取样的要求，提出了一种可以在现场以及实验室使用的分层弱扰动原状软土取样器及其取样方法，以解决目前实际工程中对软土内实际水分含量监测的不准确以及实验室中土样结构的扰动过大等问题。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种分层弱扰动原状软土取样器，包括圆筒管刀、分层隔板刀、长柄取样刀和导轨装置；
其中所述圆筒管刀管壁内的左右两侧沿其轴线方向设置有垂直导槽，分层隔板刀通过圆筒管刀内的垂直导槽设置在圆筒管刀内；
所述分层隔板刀在不同的高度上均匀开设有多条水平的条状开口；所述分层隔板刀的中部从上到下垂直开设有一条狭长导缝，狭长导缝与条状开口交汇；
长柄取样刀包括小半圆形刀片、长柄和用于连接小半圆形刀片、长柄的薄刃，长柄取样刀设置在圆筒管刀内，长柄取样刀的小半圆形刀片全部穿过分层隔板刀的条状开口，长柄取样刀的薄刃部分穿过分层隔板刀的狭长导缝；
长柄取样刀的长柄的一端穿出圆筒管刀后与导轨装置连接，导轨装置用于对长柄取样刀在水平方向、垂直方向上的位置进行调整。
同时，本发明提供的取样方法的方案如下：
s1.清理待取样软土表面，去除坚硬表层，使其平坦；
s2.将圆筒管刀用重锤垂直压入软土地层到预定深度；
s3.将分层隔板刀沿圆筒管刀上的两条垂直导槽垂直压入软土地层至预定深度；将圆筒管刀内的土样分隔成两部分，小半圆的部分为待采土样，大半圆的部分为待清理土样；
s4.使用钢管插取法清除分层隔板刀大半圆一侧的软土，为长柄取样刀深入圆筒管刀内部腾出活动空间；
s5.将长柄取样刀由分层隔板刀大半圆一侧清理出的空间进入圆筒管刀，并调整导轨装置使长柄取样刀的小半圆形刀片对准分层隔板刀上开设位置最高的条状开口，并使小半圆形刀片整体穿过该条状开口；长柄取样刀的薄刃恰好进入分层隔板刀上的垂狭长导缝；
s6.调整导轨装置使长柄取样刀的小半圆形刀片及其上的软土缓慢匀速运至地表可采集处，并将样品小心采集并标记好深度进行存放；
s7.按照步骤s5~s6的方式自上至下进行逐层取样，直至预定深度的样品取样完成后将各个装置拆除。
优选地，所述的导轨装置包括框架主体、焊接在框架主体四个角的钢筋尖脚、与框架主体连接的筒状导环、设置在框架主体上的导轨、与所述导轨滑动连接的横梁、设置在横梁中部的旋钮装置，所述旋钮装置与所述长柄取样刀的长柄连接。通过导轨、横梁、旋钮装置可实现对长柄取样刀在平面方向、垂直方向上的调整，而增设筒状导环可在进行步骤s2的时候，使得圆筒管刀穿过筒状导环再进行打设，保证其打设方向的垂直。
优选地，所述圆筒管刀管壁内的两条垂直导槽间的连线在圆筒管刀的横截面上为一条弦，弦长设为2r*cos70°，r表示圆筒管刀的半径。
优选地，所述均匀开设的多条条状开口中，任意两条相邻的条状开口之间的间距为10cm。
优选地，所述小半圆形刀片为半径与圆筒管刀半径r相等的小半圆，弦长设为2r*cos70°-1cm。
优选地，所述长柄取样刀的长柄上开设有齿槽，可通过旋动旋钮装置在垂直方向上移动。
同时，本发明还提供了一种同样能实现以上取样功能的另一方案的取样器及其取样方法，其具体的方案如下：
一种分层弱扰动原状软土取样器，包括横截面不对称的圆筒管刀、分层隔板刀，其中所述横截面不对称的圆筒管刀的横截面由一个大半圆与一个小半圆通过直角折边连接而成，分层隔板刀设置在圆筒管刀内。
该方案的取样器的取样方法如下：
s1.清理待取样的软土表面，去除坚硬表层，使其平坦；
s2.将横截面不对称的圆筒管刀用重锤垂直压入软土地层直至到达预定深度；
s3.将分层隔板刀沿横截面不对称圆筒管刀的两条较短的直角折边垂直压入软土地层至预定深度，将横截面不对称的圆筒管刀内的土样分隔成两部分，小半圆的部分为待采土样，大半圆的部分为待清理土样；
s4.将插入软土地层中的横截面不对称圆筒管刀连带插入其中的分层隔板刀及其内部的软土用机械一并拔出；
s5.将横截面不对称圆筒管刀竖直放置，使用钢管插取清除分层隔板刀大半圆部分的软土；
s6.将分层隔板刀两端固定在横截面不对称圆筒管刀的首尾两端，使其不发生相对错动后，将横截面不对称圆筒管刀缓慢放置水平，大半圆一侧在下，小半圆一侧在上；
s7.将分层隔板刀两端从横截面不对称圆筒管刀的两端同时松开，通过重力作用及人为控制使小半圆一侧的软土与分层隔板刀缓慢下落，软土与横截面不对称圆筒管刀分离并落于分层隔板刀之上，此时将载有原状软土的分层隔板刀从横截面不对称圆筒管刀内缓慢水平抽出，获取整根原状软土，之后从其上按需要切取不同厚度的原状软土。
优选地，所述取样器还包括有支架及设置在支架上的筒状导环。增设筒状导环可在进行步骤s2的时候，使得圆筒管刀穿过筒状导环再进行打设，保证其打设方向的垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明不仅可以做到分层取样目的，并且可以在采样过程中有效的降低对高含水率软土样品的扰动，特别是对其初始结构会有一个较好的保存，这对准确获取软土含水率以及通过软土结构研究水分在其内部的存在形式得到有效的保障。同时本发明结构简单，易携带，可广泛用于原位软土采集以及实验室软土采集。
附图说明
图1为取样器的整体结构示意图。
图2为导轨装置的结构示意图。
图3为圆筒管刀的结构示意图。
图4为分层隔板刀的结构示意图。
图5为长柄取样刀的结构示意图。
图6为横截面不对称圆筒管刀的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1~5所示，本发明提供了一种分层弱扰动原状软土取样器，包括圆筒管刀2、分层隔板刀3、长柄取样刀4和导轨装置1；其中所述圆筒管刀2管壁内的左右两侧沿其轴线方向设置有垂直导槽12，分层隔板刀3通过圆筒管刀2内的垂直导槽12设置在圆筒管刀2内；所述分层隔板刀3在不同的高度上均匀开设有多条水平的条状开口14；所述分层隔板刀3的中部从上到下垂直开设有一条狭长导缝13，狭长导缝13与条状开口14交汇；长柄取样刀4包括小半圆形刀片17、长柄15和用于连接小半圆形刀片17、长柄15的薄刃16，长柄取样刀4设置在圆筒管刀2内，长柄取样刀4的小半圆形刀片17全部穿过分层隔板刀3的条状开口14，长柄取样刀4的薄刃16部分穿过分层隔板刀3的狭长导缝13；长柄取样刀4的长柄15的一端穿出圆筒管刀2后与导轨装置1连接，导轨装置1用于对长柄取样刀4在水平方向、垂直方向上的位置进行调整。上述部件在实际应用中可根据实验室需求及现场需求将各部件设计成不同尺寸及长度。
该取样器的取样方法如下所示：
s1.清理待取样软土表面，去除坚硬表层，使其平坦；
s2.将圆筒管刀2用重锤垂直压入软土地层到预定深度；
s3.将分层隔板刀3沿圆筒管刀2上的两条垂直导槽12垂直压入软土地层至预定深度；将圆筒管刀2内的土样分隔成两部分，小半圆的部分为待采土样，大半圆的部分为待清理土样；
s4.使用钢管插取法清除分层隔板刀3大半圆一侧的软土，为长柄取样刀4深入圆筒管刀2内部腾出活动空间；
s5.将长柄取样刀4由分层隔板刀3大半圆一侧清理出的空间进入圆筒管刀2，并调整导轨装置1使长柄取样刀4的小半圆形刀片17对准分层隔板刀3上开设位置最高的条状开口14，并使小半圆形刀片17整体穿过该条状开口14；长柄取样刀4的薄刃16恰好进入分层隔板刀3上的垂狭长导缝13；
s6.调整导轨装置1使长柄取样刀4的小半圆形刀片17及其上的软土缓慢匀速运至地表可采集处，并将样品小心采集并标记好深度进行存放；
s7.按照步骤s5~s6的方式自上至下进行逐层取样，直至预定深度的样品取样完成后将各个装置拆除。
在具体的实施过程中，所述的导轨装置1包括框架主体6、焊接在框架主体6四个角的钢筋尖脚7、与框架主体6连接的筒状导环8、设置在框架主体6上的导轨9、与所述导轨9滑动连接的横梁10、设置在横梁10中部的旋钮装置11，所述旋钮装置11与所述长柄取样刀4的长柄15连接。通过导轨9、横梁10、旋钮11装置可实现对长柄取样刀4在平面方向、垂直方向上的调整，而增设筒状导环8可在进行步骤s2的时候，使得圆筒管刀2穿过筒状导环8再进行打设，保证其打设方向的垂直。其中，筒状导环8的直径可根据圆筒管刀2的直径进行调整。分层隔板刀3底部为锋利刀刃，便于切割软土。条状开口14的宽度需与长柄取样刀4的小半圆形刀片17的弦长相吻合。
在本实施例中，导轨装置1、圆筒管刀2、分层隔板刀3、长柄取样刀4四个部件在尺寸上需要高度吻合，垂直导环的直径设置为，满足将直径为10cm，长度为100cm的圆筒管刀2插入软土中而不发生左右摆动，分层隔板刀3长度为100cm，宽度为8cm，厚度为0.1cm满足垂直插入宽度为8.1cm圆筒管刀2的导槽12而不发生晃动，分层隔板刀3上的狭长导缝13宽度为0.15cm，满足长柄取样刀4上的厚度为0.1cm的垂直薄刃16垂直移动，长柄取样刀4上的小半圆形刀片17对应的条状开口14之间的间隔为10cm，宽度为0.2cm，长度为7cm，可满足弦长为6cm，厚度为0.15cm的小半圆形刀片17通过，切割分层隔板刀3另一侧的软土，圆筒管刀2、分层隔板刀3、长柄取样刀4，在使用过程中均需要在表面涂抹凡士林以降低其与软土间的摩擦。
本实施例中，圆筒管刀2管壁内的两条垂直导槽12间的连线在圆筒管刀2的横截面上为一条弦，弦长设为2r*cos70°，r表示圆筒管刀2的半径。小半圆形刀片17为半径与圆筒管刀2半径r相等的小半圆，弦长设为2r*cos70°-1cm。长柄取样刀4的长柄15上开设有齿槽，可通过旋动旋钮装置在垂直方向上移动。
实施例2
本实施例提供了一种分层弱扰动原状软土取样器，如图4、6所示，该取样器包括有实施例1的分层隔板刀3和横截面不对称的圆筒管刀5，其中所述横截面不对称的圆筒管刀5的横截面由一个大半圆与一个小半圆通过直角折边18连接而成，分层隔板刀3设置在圆筒管刀5内。
取样器的取样方法如下：
s1.清理待取样的软土表面，去除坚硬表层，使其平坦；
s2.将横截面不对称的圆筒管刀5用重锤垂直压入软土地层直至到达预定深度；
s3.将分层隔板刀3沿横截面不对称圆筒管刀5的两条较短的直角折边18垂直压入软土地层至预定深度，将横截面不对称的圆筒管刀5内的土样分隔成两部分，小半圆的部分为待采土样，大半圆的部分为待清理土样；
s4.将插入软土地层中的横截面不对称圆筒管刀5连带插入其中的分层隔板刀3及其内部的软土用机械一并拔出；
s5.将横截面不对称圆筒管刀5竖直放置，使用钢管插取或真空软土取样器清除分层隔板刀3大半圆部分的软土；
s6.将分层隔板刀3两端固定在横截面不对称圆筒管刀5的首尾两端，使其不发生相对错动后，将横截面不对称圆筒管刀5缓慢放置水平，大半圆一侧在下，小半圆一侧在上；
s7.将分层隔板刀3两端从横截面不对称圆筒管刀5的两端同时松开，通过重力作用及人为控制使小半圆一侧的软土与分层隔板刀3缓慢下落，软土与横截面不对称圆筒管刀5分离并落于分层隔板刀3之上，此时将载有原状软土的分层隔板刀3从横截面不对称圆筒管刀5内缓慢水平抽出，获取整根原状软土，之后从其上按需要切取不同厚度的原状软土。
本实施例中，所述取样器还包括有支架及设置在支架上的筒状导环8。增设筒状导环可在进行步骤s2的时候，使得圆筒管刀5穿过筒状导环8再进行打设，保证其打设方向的垂直。
其中，横截面不对称圆筒管刀5其直径比所述筒状导环8的直径小1mm，由一个大半圆与一个小半圆通过一个直角折边18连接，直角折边18中较短边的跨度比分层隔板刀3的宽度大1mm，分层隔板刀3可沿其垂直插入软土中。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。