一种原状土柱快速取土装置技术领域
本发明属于园林领域，尤其是涉及一种原状土柱快速取土装置。
背景技术
土柱试验是土壤水盐运移研究的重要方手段。土柱试验主要包括装填土
柱和原状土柱两类，装填土柱是通过田间采集待研究土壤样品，风干、研磨、
过筛后，按一定比重分层装填完成，这种土柱试验前处理工作量大，装填过
程对操作者的要求高，且由于是干土装填，装填后水分的补给过程(由上向
下的淋洗过程，或者是由下向上的毛细上升过程)，会引起土柱内土壤盐分
的层间分化，导致试验初始状态水盐特征的异化，同时装填土柱土壤结构状
态与田间的实际状态差异较大。原状土柱，是保证田间土壤结构，模拟田间
土壤水盐运移最为理想的一种取土方法。现有的原状土柱土壤采集主要是借
助一定外力将土柱垂直插入待研究土壤地段指定深度，后进行人工挖掘，清
除土柱周边一定范围内的土体到土柱底端以下，平切土柱下端面，抬出土柱，
这种方法工作量大、耗时长、成本高，土柱向下插入极其困难，抬出对柱内
土壤扰动性大，同时这种出土方式对土源地的破坏性也大。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种原状土柱快速取土装置，成本低廉，省
时、省力，大大提高了原状土柱采集的工作效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种原状土柱快速取土装置，包括施力结构、钻筒结构、环刀结构，所
述的施力结构的下方设置有钻筒结构，钻筒结构的下方设置有环刀结构；
所述的环刀结构包括环刀筒、挡体、托片、切土刀片，所述的挡体、托
片、切土刀片均设置于环刀筒的内壁上，挡体的下方设置有托片，托片的下
方设置有切土刀片。
进一步，所述的钻筒结构包括钻筒、土柱筒，所述的土柱筒设置于钻筒
内；所述的钻筒的内壁上设置有若干的钻筒内壁垫块，钻筒的外侧设置有螺
旋条。
进一步，所述的螺旋条为右旋叶片；所述的螺旋条为单头单螺纹、双头
单螺纹或双头双螺纹中的一种。
进一步，所述的施力结构包括施力手柄、持力轴、持力盘、连接肋、传
力盘、受力柱、施力筒、土柱上端套筒、底托盘，所述的土柱上端套筒为上
端封闭的筒体，土柱上端套筒套于土柱筒的顶端上，施力筒套于土柱上端套
筒套的外侧，持力轴垂直穿过土柱上端套筒的顶壁，并固定于土柱上端套筒
的顶壁上，施力手柄、持力盘、传力盘、底托盘均固定于持力轴上，底托盘
设置于持力轴的底端上，底托盘位于土柱上端套筒的下方，土柱上端套筒的
顶壁上设置有若干的受力柱，传力盘位于受力柱的上方，持力盘位于传力盘
的上方，持力盘通过连接肋与施力筒相连，施力手柄位于持力盘的上方。
进一步，所述的持力轴的顶端与施力手柄焊接固定；所述的持力轴分别
垂直穿过持力盘、传力盘、底托盘，并分别与持力盘、传力盘、底托盘焊接
固定；所述的施力手柄通过固定筋固定于持力轴上；所述的持力盘通过固定
筋固定于持力轴上；所述的传力盘通过固定筋固定于持力轴上；所述的底托
盘通过固定筋固定于持力轴上。
进一步，所述的土柱上端套筒的内径大于土柱筒的外径，土柱上端套筒
的外径小于施力筒的内径。
进一步，所述的托片通过转动轴与环刀筒铰接相连。
进一步，所述的挡体为倒锥体；所述的托片的下部分的纵截面为梯形，
托片的上部分为半圆球体。
进一步，所述的切土刀片的上方设置有环刀壁；所述的环刀壁的外径与
环刀筒的外径相同。
进一步，所述的施力筒、钻筒、环刀筒的外径均相同；所述的施力筒与
钻筒进行螺纹连接；所述的钻筒与环刀筒进行螺纹连接。
相对于现有技术，本发明所述的原状土柱快速取土装置具有以下优势：
(1)本发明所述的原状土柱快速取土装置取土迅速，单个土柱取土时
间为15-50min；本发明的采集成本不受土柱埋深、地下水位因素的影响，
成本低，同等条件下，土柱筒越粗、采集深度越深或地下水位越浅，原状土
柱快速取土装置的优势越明显；本发明对土柱内土壤扰动小，钻筒旋转时，
土柱筒与土柱内土体静止不动，不受外力干扰，土壤原始结构状态保持较好。
(2)本发明所述的原状土柱快速取土装置工作量小、用工少，2-3人即
可完成取土过程；本发明适应范围广，除砂砾石丰富等大粒径土质外，各种
土质均可使用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的
示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在
附图中：
图1为本发明实施例所述的原状土柱快速取土装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的施力结构的示意图；
图3为本发明实施例所述的钻筒结构的示意图；
图4为本发明实施例所述的钻筒结构的俯视图；
图5为本发明实施例所述的环刀结构的示意图；
图6为本发明实施例所述的环刀结构的俯视图。
附图标记说明：
1-施力结构；2-钻筒结构；3-环刀结构；4-施力手柄；5-固定筋；6-持
力轴；7-持力盘；8-连接肋；9-传力盘；10-受力柱；11-施力筒；12-土柱
上端套筒；13-底托盘；14-土柱筒；15-钻筒；16-螺旋条；17-钻筒内壁垫
块；18-环刀筒；19-挡体；20-托片；21-转动轴；22-环刀壁；23-切土刀片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特
征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、
“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、
“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示
的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗
示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此
不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述
目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征
的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包
括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的
含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语
“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也
可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可
以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明
中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-6所示，一种原状土柱快速取土装置，包括施力结构1、钻筒结
构2、环刀结构3，所述的施力结构1的下方设置有钻筒结构2，钻筒结构2
的下方设置有环刀结构3；
所述的环刀结构3上端连接钻筒结构2，用于向下切削土壤，同时提供
土柱出土时的下底托面，保持柱内土壤稳定。所述的环刀结构3包括环刀筒
18、挡体19、托片20、切土刀片23，所述的挡体19、托片20、切土刀片
23均设置于环刀筒18的内壁上，挡体19的下方设置有托片20，托片20用
于完成取土后，土柱上提时，支托土柱筒14底部，防止土柱内土壤损失，
保证土柱筒14内的土壤状态不被破坏；托片20的下方设置有切土刀片23，
切土刀片23为内径与土柱筒14内径一致、外径递减的锥形不锈钢钢筒。
所述的钻筒结构2包括钻筒15、土柱筒14，所述的土柱筒14设置于钻
筒15内；所述的钻筒15的内壁上焊接有若干的钻筒内壁垫块17，用于取土
时土柱筒14垂直方向的导向与支撑；钻筒15的外侧设置有螺旋条16。钻筒
结构2上端连接于施力结构1，下端连接于环刀结构3，将钻筒结构2顺时
针旋转，土柱深入土体；逆时针旋转，土柱出土上提。
所述的螺旋条16为右旋叶片；所述的螺旋条16为单头单螺纹、双头单
螺纹或双头双螺纹中的一种。螺距50-100mm，叶片底边宽度3-8mm，尖端
宽度1-3mm。
所述的施力结构1包括施力手柄4、持力轴6、持力盘7、连接肋8、传
力盘9、受力柱10、施力筒11、土柱上端套筒12、底托盘13，所述的土柱
上端套筒12为上端封闭的筒体，土柱上端套筒12的顶壁位于传力盘9和底
托盘13之间，中心开孔；土柱上端套筒12套于土柱筒14的顶端上，施力
筒11套于土柱上端套筒套12的外侧，持力轴6垂直穿过土柱上端套筒12
的顶壁，并固定于土柱上端套筒12的顶壁上，施力手柄4、持力盘7、传力
盘9、底托盘13均固定于持力轴6上，底托盘13设置于持力轴6的底端上，
底托盘13位于土柱上端套筒12的下方，底托盘13为实心不锈钢圆板，用
于出土时承托土柱上端套筒12；土柱上端套筒12的顶壁上设置有若干的受
力柱10，受力柱10固定于土柱上端套筒12上，传力盘9位于受力柱10的
上方，受力柱10用于承接传力盘9施加的压力，传力盘9用于将外部施加
的压力传递于受力柱10和土柱上端套筒12；持力盘7位于传力盘9的上方，
持力盘7为一固定在持力轴上的实心钢圆盘，用于将作用于持力轴6上的外
力向施力筒11传递；持力盘7通过连接肋8与施力筒11相连，连接肋8将
持力盘7和施力筒11稳固连接，用于将外力传递至施力筒11；施力手柄4
位于持力盘7的上方，所述的施力手柄4为“十”字交叉型实心钢管，用于外
力的施加作用。所述的持力轴6上端与施力手柄4焊接固定，向下分别垂直
穿过持力盘7、传力盘9和底托盘13，且与持力盘7、传力盘9和底托盘13
焊接严密。
所述的持力轴6的顶端与施力手柄4焊接固定；所述的持力轴6分别垂
直穿过持力盘7、传力盘9、底托盘13，并分别与持力盘7、传力盘9、底托
盘13焊接固定；所述的施力手柄4通过固定筋5固定于持力轴6上；所述
的持力盘7通过固定筋5固定于持力轴6上；所述的传力盘9通过固定筋5
固定于持力轴6上；所述的底托盘13通过固定筋5固定于持力轴6上。
所述的托片20通过转动轴21与环刀筒18铰接相连。
所述的挡体19为倒锥体，用于支挡托片20端部；所述的托片20的下
部分的纵截面为梯形，托片20的上部分为半圆球体。
所述的切土刀片23的上方设置有环刀壁22；所述的环刀壁22的外径与
环刀筒18的外径相同。环刀壁22为内径与土柱筒14内径一致的不锈钢钢
筒。
所述的施力筒11、钻筒15、环刀筒18的外径均相同；所示的施力筒11、
钻筒15、环刀筒18均为不锈钢钢筒；所述的施力筒11与钻筒15进行螺纹
连接；所述的钻筒15与环刀筒18进行螺纹连接。
所述的施力手柄4为直径3-5cm、长30-40cm的实心不锈钢圆管。
所述的持力轴6为直径4.5-7.0cm、长20-50cm的实心不锈钢圆管。
所述的持力盘7为内径15-25cm，厚4-6cm的圆盘，通过同一材质型
号钢筋固定于持力轴6上，与施力手柄4底缘垂直距离10-15cm。
所述的传力盘9为1-2cm厚的实心不锈钢圆板，直径为土柱上端套筒
12半径的1.2-1.5倍。
所述的受力柱10为直径1-2cm的实心钢柱，焊接于土柱上端套筒12
上表面1/2半径圆弧上，4-8根，位于圆弧等分处。
所述的土柱上端套筒12的内径大于土柱筒14的外径，土柱上端套筒12
的外径小于施力筒11的内径。
所述的固定筋5为1.0-2.5cm实心圆钢。
所述的连接肋8一端焊接于持力盘7上，另一端焊接于钻筒11顶端侧
壁上缘，4-8根，直径1.5-3.5cm圆钢，10-20cm长，与施力筒11顶面水平
面的交角≥45度。
所述的施力筒11为外径13-40cm、长10-15cm、1-2cm厚的钢筒。
所述的土柱上端套筒12，其外径小于施力筒12内径，内径大于土柱筒
14外径，侧壁厚度3-5mm，长30-50cm，顶壁中心孔孔径比持力轴直径大
1-1.5mm，壁厚0.8-1.2cm。
所述的底托盘13，直径为1.2-1.5倍土柱上端套筒半径，厚3-5mm。
所述的钻筒15，为外径13-40cm，长0.8-2.0m，0.8-1.5cm厚钢筒，
与施力筒11同材料，同型号。
所述的钻筒内壁垫块17，焊接于钻筒15内壁，1/2钻筒15长度和钻筒
15底端10-15cm处，每处四块，分别位于每处圆弧四等分处，钻筒内壁垫
块17弧长2.5-4.0cm，高2.0-3.0cm，钻筒内壁垫块17外表面为弧面，
弧度与土柱筒14表面弧度相吻合，距土柱筒14表面08-1.2mm。
所述的挡体19，倒锥体顶端平面垂直于环刀筒18内壁，位于螺纹底端
以下0.5-1.0cm处，平面外缘距土柱筒14外表面垂直距离为1.0-1.5mm，
椎体外缘与环刀筒18内壁竖向夹角≤30度。
所述的托片20，下部结构为梯形实心钢板，上部为实心半圆球体，梯形
钢板厚1.0-1.5cm，下口宽1.2-2.0cm，上口宽0.8-1.2cm，高为0.5-0.8倍土
柱筒14内圆的半径，梯形板下口端与同长度直径0.8-1.0cm的实心圆钢两
端焊接严密，该圆钢被稍大直径(大1mm左右)的钢环固定焊接于环刀侧
壁与环刀壁22交叉口处；上部半圆体严密焊接于于梯形钢板上口端，圆心
与梯形钢板中轴线一致，半圆体直径较梯形钢板厚度大2-4mm，半圆体顶端
位于1/2锥体高度处，当托片20上升到最高处时，半圆体横向最外缘与土柱
筒14内径在一个平面上；当向下吃土前进时，托片22顶端最高处距土柱筒
14底端最下缘距离与底托盘13距土柱上端套筒12距离相等。
所述的切土刀片23，锥形钢筒外缘与内径弧面的垂直夹角≤15度，刀
尖厚度为0.5-1.0mm。
本发明的原理及工作过程如下：
取土现场，将土柱筒14水平放置，一端置于土柱上端套筒12内，另一
端从钻筒结构2的上端口放入，然后旋转钻筒结构2，将钻筒结构2与施力
结构1连接牢固，形成一整体，然后将环刀结构3旋接至到钻筒结构2尾端，
拼装完成，将整体装置慢慢直立，在重力作用下土柱筒14向下滑落置于托
片20上，土柱上端套筒12随土柱筒14下滑至底托盘13上，取土。
取土过程：首先，垂直向下压施力手柄4，此时压力随施力手柄4、持
力轴6、持力盘7、连接肋8、施力筒11、钻筒15、环刀结构3向下传递，
在压力作用下切土刀片23向下切土前进，随着吃土深度的增加，托片20逐
渐被土顶起，土柱筒14逐渐上移，当受力柱10上升至于传力盘9紧密接触
时，此时，环刀结构3内托片20已完全立起，继续向下压施力手柄4，当钻
筒结构2底端入土后，将施力手柄4压力为顺时针旋转推力，转动钻筒15
结构(土柱筒14不会发生转动)，旋转吃土前进，直至设定要求深度时，
逆时旋转施力手柄4，钻筒15出土上提，环刀结构3随之向上提起，在重力
作用下，土柱筒14及土柱上端套筒12相对向下游走，并向下挤压托片20
至水平托住土柱筒14及柱内土壤，此时，土柱上端套筒12被底托盘13承
托提起。当钻筒结构2完全出土时，人工或借助其他外力将装置抬出地面，
拧松螺纹，先后卸掉施力结构1和钻筒结构2，在环刀结构3的承托下，将
土柱筒14放置指定位置。
实施例于2015年9月下旬在天津南港工业区展开，试验地为新围海吹
填2年的滨海吹填土，采集内径30cm，设计埋深1.5m的土柱筒14，共计
9个，土柱材质为透明有机玻璃管，厚度1cm。利用本发明采集5个土柱筒
14，利用现有方法采集4个土柱筒14。具体操作为：
一种原状土柱快速取土装置，包括施力结构1、钻筒结构2、环刀结构3，
所述的施力结构1的下方设置有钻筒结构2，钻筒结构2的下方设置有环刀
结构3；
施力结构1包括施力手柄4、固定筋5、持力轴6、持力盘7、连接肋8、
传力盘9、受力柱10、施力筒11、土柱上端套筒12、底托盘13，所述的施
力手柄4为“十”字交叉型实心不锈钢圆柱体，直径3.5cm，长度34cm；
所述持力轴6为直径4.5cm的实心圆钢33cm，上端与施力手柄4交叉处焊
接牢固，向下分别垂直穿越持力盘7、传力盘9和底托盘13，且与持力盘7、
传力盘9和底托盘13焊接严密；所述持力盘7，为内径20cm、粗4cm的
实心钢圆盘，经同材质4cm粗圆钢焊接牢固于持力轴6上，盘顶缘距施力
手柄4底缘垂直距离11cm；所述传力盘9严密焊接于持力轴6上，为厚1.5
cm的实心不锈钢圆板，直径为1.2倍土柱上端套筒12的半径；所述受力柱
10为直径1.5cm的实心钢柱，4根，焊接于土柱上端套筒12上表面的1/2
半径圆弧四等分处；所述固定筋5为直径1.5cm的实心圆钢，一端分别焊
接于施力手柄4、持力盘7、传力盘9和底托盘13上，另一端焊接于持力轴
6上；所述连接肋8，共计8根，一端焊于持力盘7上，另一端焊于施力筒
11顶端侧壁上，直径2.0cm圆钢，10.6cm长，与施力筒11顶圆水平面交
角60°；所述施力筒11为外径35.4cm，长13cm，厚1cm的钢筒；所述
土柱上端套筒12为一端封闭的钢筒，其外径为33.0cm，侧壁厚3mm，长
35cm，顶壁位于传力盘9和底托盘13之间，中心开孔，被持力轴6穿过，
孔径比持力轴6直径大1.0mm，壁厚0.8cm；底托盘13为实心不锈钢圆板，
直径为1.2倍土柱上端套筒12半径，厚4mm。
钻筒结构2包括土柱筒14、钻筒15、螺旋条16、钻筒内壁垫块17，所
述土柱筒14为透明有机玻璃管，壁厚1cm，内径30cm，高1.6m；所述钻
筒15，为外径35.4cm，长1.7m，1.0cm厚钢筒；所述沿腹部板状的螺旋
条16为三角形、双头双螺、右旋叶片，螺距72mm，叶片底边宽度5mm，
尖端宽度1.0mm，所述钻筒内壁垫块17焊接于钻筒15内壁1/2钻筒15长
度和钻筒15底端10cm处，每处4块，位于圆弧四等分位置，钻筒内壁垫
块17弧长3.0cm，高3.0cm，钻筒内壁垫块17外表面弧度与土柱筒14表
面弧度相吻合，距土柱筒14外表面1.0mm。
环刀结构3包括环刀壁18、挡体19、托片20、转动轴21、环刀壁22、
切土刀片23，所述锥形的挡体19为固定于环刀壁18的倒锥体，锥体顶端平
面垂直于环刀壁18内壁，平面外缘距土柱筒14外表面垂直距离为1.5mm，
锥体外缘与环刀壁18内壁竖向夹角为30度，托片20，下部结构为梯形实心
钢板，上部为实心半圆球体，梯形钢板厚1.2cm，下口宽1.5cm，上口宽
0.9cm，高10.0cm，梯形板下口端与长1.5cm、直径0.8cm的实心圆钢
两端焊接严密，该圆钢被直径0.9cm的钢环固定于环刀筒18侧壁与环刀壁
22交叉口处，上部半圆体严密焊接于梯形板上口端，圆心与梯形钢板中轴线
一致，半圆体直径较梯形钢板厚度大0.3cm，半圆体顶端位于1/2锥形挡体
高度处；所述环刀壁22厚度为2.7cm；所述切土刀片23为内径30cm、高
度10.1cm，锥体外缘与内径弧面垂直夹角为15度。
具体取土过程为：取土现场，将土柱筒14水平放置，一端放置于土柱
上端套筒12内，另一端置于钻筒结构2内，后旋转施力筒11，将钻筒结构
2与施力结构1连接牢固，形成一整体，然后将环刀结构3旋接至到钻筒结
构2尾端，拼装完成，将整体装置慢慢直立，在重力作用下土柱筒14向下
滑落置于托片20上，土柱上端套筒12随土柱筒14下滑至底托盘13上。然
后，垂直向下压施力手柄4，此时压力随施力手柄4、持力轴6、持力盘7、
连接肋8、施力筒11、钻筒15、环刀结构3向下传递，在压力作用下切土刀
片23向下切土前进，当受力柱10上升至于传力盘9紧密接触时，继续向下
压施力手柄4，当钻筒结构2底端入土后，将施力手柄4压力为顺时针旋转
推力，转动钻筒结构2，旋转吃土前进，当施力结构1中钻筒地面以上剩余
高度为10cm时，停止钻进；逆时旋转施力手柄4，钻筒15出土上提，环刀
结构3随之向上提起，当钻筒结构2完全出土时，人工抬出装置，拧松螺纹，
先后卸掉施力结构1和钻筒结构2，在环刀结构3的承托下，将土柱筒14
放置设计指定位置。
对于新围海吹填2年的滨海吹填土，采集内径30cm，深度1.5m的土
柱筒14，用传统的“夯”、“挖”方法，单个土柱需要4个人工，工作4.5
个小时，按每人每小时费用20元算，单个土柱取土成本360元；采用本发
明的快速取土装置，3人工38分钟即采集完成，单个土柱取土成本为38.0
元，与传统方法相比，本发明所述的原状土柱快速取土装置取土用时节约了
85.9％，但取土成本仅为传统方法的10.6％，快速、成本低廉，效果显著。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本
发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在
本发明的保护范围之内。