一种用于土工试验的土样切样仪.pdf

本发明涉及一种用于土工试验的土样切样仪，与现有技术相比解决了尚无原状土样分块专用装置的缺陷。本发明中齿条的下部安装在刀盘架的侧部，刀盘架位于腔体外壳的上方，刀盘架下方安装有刀具，刀具位于进刀口的正上方；传动系统包括转动轴，转动轴横向贯穿安装在支撑框架上且位于限位腔体的上方，转动轴与支撑框架构成转动配合，转动轴的一端固定安装有手柄，转动轴的另一端固定安装有齿轮，齿条垂直安装在支撑框架的侧部且与支撑框架构成滑动配合，齿条与齿轮相啮合且当手柄下拉时，刀具通过进刀口插在空腔内。本发明能够针对土工试验进行准确分块，切出的土样表面光滑平整、形状规则，易于后期精细制样，且减少了切样扰动。

权利要求书
1.  一种用于土工试验的土样切样仪，包括支撑框架（6）、传动系统（2）、刀架组件（3）和限位腔体（4），其特征在于：所述的限位腔体（4）包括腔体外壳（21）和安装在腔体外壳（21）侧部的框架联接块（20），限位腔体（4）通过框架联接块（20）安装在支撑框架（6）的底部，腔体外壳（21）的中部横向设有空腔（22），腔体外壳（21）上位于空腔（22）的上方设有进刀口（26）；刀架组件（3）包括刀盘架（16），齿条（12）的下部安装在刀盘架（16）的侧部，刀盘架（16）位于腔体外壳（21）的上方，刀盘架（16）下方安装有刀具（17），刀具（17）位于进刀口（26）的正上方；
传动系统（2）包括转动轴（14），转动轴（14）横向贯穿安装在支撑框架（6）上且位于限位腔体（4）的上方，转动轴（14）与支撑框架（6）构成转动配合，转动轴（14）的一端固定安装有手柄（10），转动轴（14）的另一端固定安装有齿轮（11），齿条（12）垂直安装在支撑框架（6）的侧部且与支撑框架（6）构成滑动配合，齿条（12）与齿轮（11）相啮合且当手柄（10）下拉时，刀具（17）通过进刀口（26）插在空腔（22）内。

2.  根据权利要求1所述的一种用于土工试验的土样切样仪，其特征在于：所述的传动系统（2）还包括导向杆（7），导向杆（7）上端固定安装在支撑框架（6）上，导向杆（7）下端固定安装在限位腔体（4）上，刀盘架（16）贯穿安装在导向杆（7）上且与导向杆（7）构成滑动配合。

3.  根据权利要求1所述的一种用于土工试验的土样切样仪，其特征在于：还包括扭转弹簧（15），扭转弹簧（15）套在转动轴（14）上，扭转弹簧（15）的一端与转动轴（14）固定安装，扭转弹簧（15）的另一端与支撑框架（6）固定安装。

4.  根据权利要求1所述的一种用于土工试验的土样切样仪，其特征在于：所述的刀具（17）的上部刀背处为矩形结构，刀具（17）的下部刀刃处为半圆形结构，刀具（17）的中部设有圆形孔洞（18）。

5.  根据权利要求1所述的一种用于土工试验的土样切样仪，其特征在于：所述的刀盘架（16）下方设有T形卡槽（19），刀具（17）的上部设有T形头（36），刀具（17）通过T形头（36）安装在刀盘架（16）的T形卡槽（19）上。

6.  根据权利要求1所述的一种用于土工试验的土样切样仪，其特征在于：还包括土样盒（5），土样盒（5）位于空腔（22）内，土样盒（5）包括底盒（28）和上盖（27），上盖（27）通过铰链安装在底盒（28）上，上盖（27）上设有入刀口（37），入刀口（37）与进刀口（26）上下对应；底盒（28）的侧部贯穿螺纹安装有螺杆（33），螺杆（33）上位于底盒（28）内的一端固定安装有钢片（31），螺杆（33）上位于底盒（28）外的一端固定安装有旋钮（32）。

7.  根据权利要求6所述的一种用于土工试验的土样切样仪，其特征在于：所述的腔体外壳（21）上位于空腔（22）的底部设有导向槽（24），腔体外壳（21）上位于空腔（22）的侧部设有卡槽（23）；所述的土样盒（5）的下方固定安装有导向条（29），土样盒（5）的侧部固定安装有卡条（34），导向条（29）插在导向槽（24）内，卡条（34）插在卡槽（23）内。

8.  根据权利要求6所述的一种用于土工试验的土样切样仪，其特征在于：所述的刀具（17）、进刀口（26）和入刀口（37）的数量均至少为2个，相邻的刀具（17）、相邻的进刀口（26）和相邻的入刀口（37）之间的间距均为20mm或40mm。

说明书一种用于土工试验的土样切样仪
技术领域
本发明涉及土工试验装置技术领域，具体来说是一种用于土工试验的土样切样仪。
背景技术
在岩土工程勘察中，为了准确判断岩土体的物理力学性质，除了在现场采取原位测试的方法以外，还需要采集原状或扰动的岩土样回到室内，采用特定的仪器进行土工试验，根据试验的结果对岩土体的物理力学性质指标进行判断分析。
常规土工试验包括物理性指标试验(如颗粒分析试验、液限和塑限试验、含水量、容重、比重试验等)和力学性指标试验(如压缩试验、抗剪强度试验等)。其中力学指标试验主要是针对现场采取的原状土样进行的试验，目的是在保持土样原始结构和状态的情况下，利用试验仪器模拟土样的工程受力状态，对土样的力学响应（压缩特性、剪切特性等）进行测试，通过试验结果指导工程建设。
岩土体的力学指标试验对土样的原状性要求极高，在现场采样、运输、保存、制样、试验等环节都有着严格的要求。《建筑工程地质勘探与取样规程》（JGJT87-2012）详细说明了原状土样的采取及保存方法,在现场取样到运输至试验室的过程中，只要严格遵守《建筑工程地质勘探与取样规程》（JGJT87-2012）的相关要求，基本可以保证土样的原状性。然而在进行室内土工试验时，制样过程对原状土样的扰动较大，在一定程度上影响了试验结果的准确性，其准确性直接影响工程建设的安全性和经济性。
目前室内土工试验多采用长约20mm或40mm、直径61.8mm或79.8mm的标准试样进行试验，而现场采取的原状土样一般长200mm、直径110mm，因而需要对现场采取的原状土样进行分块之后，制作成标准试样进行试验。而对原状土样切块的方法比较原始，多采用钢丝与竹片组成的简易弓锯进行切分。其方法为：将土样按长径方向平置于水平台面上，操作人员一只手按住土样，另一只手用弓锯切削土样，在切削土样的过程中不断转动土样，使弓锯上的钢丝逐渐深入土样之中，最终切断土样。每个原状土样要用弓锯切削多次才能切分为多个试样块，然后再对试样块进行进一步精细切削，使其达到标准尺寸。
因此，人工利用弓锯切样存在着以下缺点：1）切样过程土样受力复杂，一方面受到操作员手按压的力量，另一方面处于不断转动中，受力的方向和大小都处在变化，对土样扰动较大，影响了试验结果的准确性；2）弓锯所切土样断面不平整，极易造成切样失败，也增加了后期精细切削的工作量和难度；3）弓锯对硬塑状态的土样适用性较差，切样过程周期较长，耗费人力较多，切样效率低下，影响了试验进度；4）弓锯极易损坏，一旦损坏就要更换全新工具，可维护性较差。
如何设计出一种专用于进行原状土样分块的工具已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中尚无原状土样分块专用装置的缺陷，提供一种用于土工试验的土样切样仪来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于土工试验的土样切样仪，包括支撑框架、传动系统、刀架组件和限位腔体，所述的限位腔体包括腔体外壳和安装在腔体外壳侧部的框架联接块，限位腔体通过框架联接块安装在支撑框架的底部，腔体外壳的中部横向设有空腔，腔体外壳上位于空腔的上方设有进刀口；刀架组件包括刀盘架，齿条的下部安装在刀盘架的侧部，刀盘架位于腔体外壳的上方，刀盘架下方安装有刀具，刀具位于进刀口的正上方；
传动系统包括转动轴，转动轴横向贯穿安装在支撑框架上且位于限位腔体的上方，转动轴与支撑框架构成转动配合，转动轴的一端固定安装有手柄，转动轴的另一端固定安装有齿轮，齿条垂直安装在支撑框架的侧部且与支撑框架构成滑动配合，齿条与齿轮相啮合且当手柄下拉时，刀具通过进刀口插在空腔内。
所述的传动系统还包括导向杆，导向杆上端固定安装在支撑框架上，导向杆下端固定安装在限位腔体上，刀盘架贯穿安装在导向杆上且与导向杆构成滑动配合。
还包括扭转弹簧，扭转弹簧套在转动轴上，扭转弹簧的一端与转动轴固定安装，扭转弹簧的另一端与支撑框架固定安装。
所述的刀具的上部刀背处为矩形结构，刀具的下部刀刃处为半圆形结构，刀具的中部设有圆形孔洞。
所述的刀盘架下方设有T形卡槽，刀具的上部设有T形头，刀具通过T形头安装在刀盘架的T形卡槽上。
还包括土样盒，土样盒位于空腔内，土样盒包括底盒和上盖，上盖通过铰链安装在底盒上，上盖上设有入刀口，入刀口与进刀口上下对应；底盒的侧部贯穿螺纹安装有螺杆，螺杆上位于底盒内的一端固定安装有钢片，螺杆上位于底盒外的一端固定安装有旋钮。
所述的腔体外壳上位于空腔的底部设有导向槽，腔体外壳上位于空腔的侧部设有卡槽；所述的土样盒的下方固定安装有导向条，土样盒的侧部固定安装有卡条，导向条插在导向槽内，卡条插在卡槽内。
所述的刀具、进刀口和入刀口的数量均至少为2个，相邻的刀具、相邻的进刀口和相邻的入刀口之间的间距均为20mm或40mm。
有益效果
本发明的一种用于土工试验的土样切样仪，与现有技术相比能够针对土工试验进行准确分块，切出的土样表面光滑平整、形状规则，易于后期精细制样，且减少了切样扰动、提高了力学试验准确性、节约了人力投入、提高了试验效率、易于检修维护。
通过传动系统和刀架组件的组合设计，可以给待切土样施加唯一的竖向应力，保证切样过程中土样受力的单一性；通过限位腔体和土样盒的设计，可以限制待切土样的位移；其均可以尽量减少切样过程对土样的扰动，保持原状土样的结构和状态，从而保证土样力学试验结果的准确性。
由于传动系统的机械传动设计，减少了切样过程中力的投入，且操作简单、减轻了人力负担；刀架组件可以一次性完成一个试样的分切过程，原来需要几十分钟才能完成的切样工作，只需几分钟即可完成，极大提高了切样的效率。通过刀架组件中刀具的可替换设计，在使用过程中即使个别刀具发生损坏、可直接从卡槽中拔出旧刀具、更换新刀具。整个操作十分简便，减少了机械维护的费用，降低了损耗。
附图说明                      
图1为本发明的结构侧视图；
图2为本发明切样时的结构侧视图；
图3为本发明的结构正视图；
图4为本发明中支架组件的结构侧视图；
图5为本发明中传动系统的结构侧视图；
图6为本发明中刀架组件的结构侧视图；
图7为本发明中刀架组件的结构正视图；
图8为本发明中限位腔体的结构侧视图；
图9为本发明中限位腔体的结构俯视图；
图10为本发明中土样盒的结构正视图；
图11为本发明中土样盒的结构俯视图；
其中，1-支架组件、2-传动系统、3-刀架组件、4-限位腔体、5-土样盒、6-支撑框架、7-导向杆、8-紧固件A、9-螺钉、10-手柄、11-齿轮、12-齿条、13-紧固件B、14-转动轴、15-扭转弹簧、16-刀盘架、17-刀具、18-圆形孔洞、19- T型卡槽、20-框架联接块、21-腔体外壳、22-空腔、23-卡槽、24-导向槽、25-螺孔、26-进刀口、27-上盖、28-底盒、29-导向条、30-开关扣、31-钢片、32-旋钮、33-螺杆、34-卡条、35-限位挡条、36-T形头、37-入刀口。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1、图2和图3所示，本发明所述的一种用于土工试验的土样切样仪，包括支架组件1、支撑框架6、传动系统2、刀架组件3和限位腔体4，支架组件1起到支撑固定作用，如图4所示，支架组件1包括支撑框架6，支撑框架6为整体装置的支撑结构，其可以为右向侧U字形结构，能够形成上下支撑固定作用即可。如图8和图9所示，限位腔体4包括腔体外壳21和安装在腔体外壳21侧部的框架联接块20，框架联接块20的作用是将限位腔体4固定在支撑框架6上，框架联接块20与腔体外壳21可以为整体结构，限位腔体4通过框架联接块20安装在支撑框架6的底部，可以在框架联接块20上设计一个螺孔25，通过螺孔25将框架联接块20和支撑框架6的底部安装螺钉9进行固定。腔体外壳21的中部横向设有空腔22，空腔22横向贯穿腔体外壳21，腔体外壳21上位于空腔22的上方设有进刀口26，进刀口26与腔体外壳21相垂直开设于腔体外壳21上表面，位于空腔22的上方，用于在进行切样作业时刀具17的插入。
如图6和图7所示，刀架组件3包括刀盘架16，刀盘架16可以设计成两层矩形钢盘结构，上层的尺寸小于下层，刀盘架16的上层结构用于与齿条12进行固定，即齿条12的下部通过坚固件B13安装在刀盘架16的侧部；刀盘架16的下层结构用于安装刀具17，即刀盘架16下方安装有刀具17。齿条12安装在刀盘架16的侧部使得刀盘架16安装于腔体外壳21的上方，即刀具17位于进刀口26的正上方。
如图2、图3和图5所示，传动系统2包括转动轴14，转动轴14横向贯穿安装在支撑框架6上且位于限位腔体4的上方，转动轴14水平安装在支撑框架6上。转动轴14与支撑框架6构成转动配合，构成转动配合可以使现有技术中的多种方式，如在转动轴14和支撑框架6之间安装轴承，实现自由转动即可。为了给转动轴14增加弹性力，还可以加装扭转弹簧15。扭转弹簧15套在转动轴14上，扭转弹簧15的一端与转动轴14固定安装，扭转弹簧15的另一端与支撑框架6固定安装。这样在转动轴14转动后，外力消失后，扭转弹簧15使得转动轴14回复初始状态。转动轴14的一端固定安装有手柄10，转动轴14的另一端固定安装有齿轮11，通过拉动手柄10，可以带动齿轮11转动。齿条12垂直安装在支撑框架6的侧部且与支撑框架6构成滑动配合，其滑动配合可以为现有技术中的多种，如设计一个滑轨，将齿条12上安装个滑块，利用滑块和滑轨的组合实现齿条12在支撑框架6上的滑动。齿条12安装在支撑框架6上与齿轮11相同方向的侧部，齿条12与齿轮11相啮合且当手柄10下拉时，刀具17通过进刀口26插在空腔22内。即手柄10下拉时，齿轮11旋转带动齿条12行走，齿条12向下运动，带动刀具17插在空腔22内。当手柄10上抬或松开时，通过扭转弹簧15的弹簧力，齿轮11反向旋转带动齿条12向上运动，从而带动刀具17离开空腔22。
为了保证刀具17下行运动时的垂直度，还可以在传动系统2中加装导向杆7。导向杆7上端通过坚固件A8固定安装在支撑框架6上，导向杆7下端固定安装在限位腔体4上，即导向杆7与齿条12相平行。刀盘架16贯穿安装在导向杆7上，利用轴承实现与导向杆7的滑动配合，使得刀盘架16在下行运动时，同时以导向杆7和齿条12为导向，更一步的保证了刀具17下行垂直准确度。
鉴于土工试验的特殊性，在进行现场采取的原状土样进行分块作业时，现有技术中利用钢丝进行切割，由于钢丝的较细，基本没有截面积，便于切割。并且传统的刀具结构中刀刃为矩形结构、整体刀面为实心结构，其中矩形刀刃造成切割面过大、切割困难，实心刀面造成下切土样时侧向阻力较大，刀刃面用力过于集中，整体上造成分块作业对原状土样的扰动性较大。为了尽量减少对原状土样的扰动性，刀具17的上部刀背处可以设计为矩形结构，刀具17的下部刀刃处为半圆形结构，刀具17自刀背至刀刃方向为矩形纵向连接半圆形结构。刀具17的中部可以设圆形孔洞18，使得刀具17下切时，避免刀具17的应力集中，延长刀具17的使用寿命。并且刀具17的中部采用圆形孔洞18的结构设计，更重要的是减少切样过程中刀具受到的土的侧阻力。如刀具所受总的阻力F=单位面积所受阻力f乘以刀具的面积A,而当减小刀具的面积A、单位面积所受阻力f不变时，则刀具所受总的阻力F值减小。刀具17上部刀背处（矩形结构处）可以采用较厚钢材，刀具17下部刀刃处（半圆形结构处）可以采用较薄钢材，致使刀具17的刀具面呈斜面结构，可以更好的使得刀具17上部刀背处轻松切入土样，更进一步的减少土样的扰动性。
为了方便更换刀具17，刀盘架16下方设有T形卡槽19，刀具17的上部设有T形头36，刀具17通过T形头36安装在刀盘架16的T形卡槽19上。T形头36卡在T形卡槽19上，实现了上下限位，当刀具17损坏需要进行更换刀具17时，再将T形头36从T形卡槽19上滑动取出更换即可。
经过现场采集的原状土样，放入空腔22内可以实现其切样作业，但原状土样并未在空腔22内固定，切样过程也可能会造成原状土样的移动。因此如图10和图11所示，还可以使用土样盒5，土样盒5位于空腔22内，土样盒5包括底盒28和上盖27，底盒28为圆柱体结构，其两侧为圆盘，上盖27通过铰链安装在底盒28上，通过上盖27盖在底盒28上形成一个封闭盒体。在上盖27上可以安装开关扣30，在底盒28上安装凸起，通过开关扣30和凸起的组合实现上盖27的上锁、解锁。上盖27上设有入刀口37，入刀口37与进刀口26上下对应，刀具17可以通过进刀口26穿入入刀口37，从而进入底盒28。在此，入刀口37、进刀口26可以设计成仅在上盖27、腔体外壳21上部的截面开口，也可以设计成除底部以外的上部、两个侧部均设计开口，从而方便刀具17的整体切入。并且便于实现一次操作即可完成分段切样作业，刀具17、进刀口26和入刀口37的数量均至少为2个，一般可以为7个，相邻的刀具17、相邻的进刀口26和相邻的入刀口37之间的间距均为20mm或40mm。
为了适应尺寸不同、不够标准的原状试样，可以在底盒28的侧部贯穿螺纹安装螺杆33，螺杆33在底盒28的侧部通过螺纹旋转运动。螺杆33上位于底盒28内的一端固定安装有钢片31，螺杆33上位于底盒28外的一端固定安装有旋钮32。通过旋钮32的旋转，实现螺杆33的左右运动，从而带动钢片31的左右运动，实现将不够标准的原状试样夹紧的作用。
腔体外壳21上位于空腔22的底部设有导向槽24，腔体外壳21上位于空腔22的侧部设有卡槽23。与导向槽24和卡槽23相配套的，在土样盒5的下方固定安装有导向条29，土样盒5的侧部固定安装有卡条34，导向条29插在导向槽24内，卡条34插在卡槽23内。通过导向条29与导向槽24配合、卡条34与卡槽23相配合，实现了腔体外壳21与土样盒5在至少两个位置的限定，即防止土样盒5在腔体外壳21内的旋转。同理，还可以在腔体外壳21塞入、取出土样盒5的侧部安装一个限位挡条35，当土样盒5塞入后，将限位挡条35上拨，使限位挡条35挡在土样盒5外部，限制了土样盒5在腔体外壳21内的左右位移。
在实际使用时，需要进行原状土样分段切样时，如图1所示，将原状土样放入底盒28，盖上上盖27，旋转旋钮32，使用钢片31将土样在底盒28里抵到位。将土样盒5放入腔体外壳21的空腔22内，使用限位挡条35进行限位。如图2所示，下拉手柄10，带动齿轮11旋转，由于齿轮11与齿条12相啮合且齿轮11通过转动轴14已限定在支撑框架6上，则齿轮11旋转带动齿条12的向下运动。齿条12则带动刀盘架16向下运动，刀盘架16在齿条12和导向杆7的限位下，将刀具17通过进刀口26、入刀口37插入空腔22、底盒28中，对原状土样进行分段切样。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。