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摘要：黄河中上游流域广泛分布的第四系中更新统至全新统的黄土地层，斜交、垂直裂隙发育，多呈碎裂的块状结构，开环时易碎裂或竖向开裂，严重影响了土工试验成果的质量。研发约束式分节开土器很好的解决了此类问题。
关键词：黄土地层土工试验约束式分节
中图分类号：P539文献标识码： A
1引言
黄河中上游流域广泛分布着第四系中更新统至全新统黄土地层（Q2、 Q3、Q4），该类地层由于受其特殊的沉积环境等因素影响，Q2、Q41黄土地层斜交裂隙发育，呈碎裂的块状结构，Q3、Q42黄土地层垂直裂隙发育，易竖向开裂[1]。这类黄土土样在土工试验开土环节受到外界作用力时易碎裂（开裂）的情况普遍存在，这就直接影响了土样密度、变形、强度等各项试验指标的准确性，进而严重影响到这类黄土土工试验成果的质量。
2 黄土地区土工试验现状
目前黄土地区土工试验开土方法一般是将土样从样筒取出后垂直放于操作台上，刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出环刀，整平环刀两端土样切取环刀试件[2]。在此过程中，黄土土样经常会沿裂隙开裂破碎，造成环刀无法获取试件，或需要采取补环措施。这样不仅减少了试验数据的供给量，而且在很大程度上影响了土工试验的准确性和所提供技术参数的可靠性。除了存在送样过程中土样受到破坏，导致土样从土样筒中取出不完整的情况外[4]，土样侧向不受力是造成这种情况的主要原因。有必要寻找一种新的方法或研制一种新的器具来解决传统开土方法中土样易受到破坏的问题，降低土样的破坏率，提高土试样开土质量，从而提高试验成果准确性。
3 约束式分节开土器的研究
为解决上述问题，制作了一种开土工具，该工具是与土样尺寸相吻合的筒形器具，根据开土制取土样试件需要将其自上而下分段，采用合页模式将每段相连，开土时自上而下依次打开合页切取，切取上端土样制取土样试件时，土样下部的原状性就不易受到破坏。该开土器既能对土样提供与取土筒同样的侧向约束力，又能满足分节开土的要求。根据其特点命名为约束式分节开土器。
约束式分节开土器的具体设计如下：
（1）材质：由于约束式分节开土器需对土样提供侧向力，且要反复使用，故采用硬度较高、不易变形的无缝钢管。
（2）尺寸：黄土薄壁取土器的TU—127—2是工程中常用的类型[3]，故约束式分节开土器的高度和内径采用TU—127—2型取土器的尺寸，以便于同所取土样尺寸匹配和吻合。具体为高200mm，内径120mm。
根据相关规范规定，以及项目通常试验内容[2]，需要环刀试件数量的最多值如表1所示。
表1相关试验与环刀试件个数对应表
目前通用的取土器取样的标准高度为200mm，在该规定的土样高度条件下，考虑到环刀的高度（20mm），以及具体操作时土样的损耗，一个土样制备7个环刀试件无法实现。因为需要考虑土样上部可能存在的浮土以及提供给每个环刀试件必要的土样厚度余量。实际试验操作中，一般是通过指标选作或取双样方式实现全部7个环刀试件。
根据以上分析，开土器设计为6节比较合理，且宜按不等高方式进行设计，分节高度设计30mm和40mm两个规格，各节以合页模式相连，这样既可以提供高度大于20mm环刀高度的土样厚度，又考虑了土样上部的浮土和下部开环操作的方便性。约束式分節开土器底部焊接一圆形底盘，可起到配重固定开土器的作用。
4 应用效果及推广
约束式分节开土器解决了开土过程中土样四周不受侧向力，当土样轴向受力时特别容易沿纵向破碎的问题，并满足分段开土要求，对降低土样的破坏率以及保持土样的原状性方面具有很强的实用性。
为直观确认开土器在土工试验制作土试样中的效果，我们将洛阳工区某建筑物和某国道勘察过程中，使用开土器前后开土效果分别进行了统计，统计结果见表2、3。
表2未使用开土器土样制备情况统计表
表3使用开土器后土试样制备情况统计表
从表2和表3中，可以清楚地看出，使用约束式分节开土器后，两项目试验开环率分别提高了21.1%和40.1%，补环率和破坏率都有很大程度的降低，有效的保证了环刀试样的质量，从而提高了土工试验参数的准确性和可靠性。
经过约束式分节开土器在多个黄土地区土工试验中的使用验证，总结使用该开土器后取得的效果如下：
(1）由于开土器壁提供的侧向力保持了土样的原状性。解决了开土过程中，土样无侧限受压时容易开（碎）裂破坏的问题，减少补环次数，保证了试验项目的完整性，提高了成果质量。
(2）开土器合页模式，很好解决了土工试验中分段开土的问题。开土时分层打开合页，保证在开出上部环后，下部土样仍保持其原状性，提高了开环率，保证了环刀取样的质量。
(3）开土器分6节的设计很好地避免了在开土过程中土试样切取不均的现象，保证了开环个数，满足了规范中对试件的要求。
约束式分节开土器自2011年研制以来，不仅在本单位承揽的几十个项目中得到广泛应用，而且还推广西安、洛阳多家土工试验室应用，得到高度的认可和很高的评价。
5总结
（1）制取黄土环刀试件时造成土样开裂、碎裂破坏这种现象普遍存在，但至今没有资料显示在开土环节有提高开土质量的器具产生或存在。约束式分节开土器的研制填补了开土环节中从未使用过辅助工具的空白。
（2）利用开土器壁提供的侧向约束力，很好地解决了开土过程中，土样无侧限受压时容易开（碎）裂破坏的问题。其合页模式的分节设计，更是避免了上部开环时的垂直压力对下部土样造成的挤压变形，有效保证了土样的原状性，提高了试验项目的准确性和成果质量。
（3）开土器分6节的设计很好地避免了在开土过程中土试样切取不均，造成土试样浪费的现象，保证了开环个数，满足了规范中对试件个数的要求，避免了之前为满足试验个数要求而重复取样的现象，节省了大量人力财力。
（4）约束式分节开土器制作简单，操作简单方便，便于推广。
参考文献
[1] 常士骠等.工程地质手册（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1992：445-447.
[2] 中华人民共和国水利部.土工试验方法标准[Z]. 1999-10-01.
[3] 陕西省计划委员会. 湿陷性黄土地区建筑规范[Z]. 2004-08-01.
[4] 王明锋. 影响土工试验成果质量的取土因素[C]. 贵州省岩石力学与工程学会2010年学术年会论文集，2010：325-326.
作者简介：代常友，男，32岁，硕士研究生，黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院岩土工程部经理，工程师。
关键词：黄土地层土工试验约束式分节
中图分类号：P539文献标识码： A
1引言
黄河中上游流域广泛分布着第四系中更新统至全新统黄土地层（Q2、 Q3、Q4），该类地层由于受其特殊的沉积环境等因素影响，Q2、Q41黄土地层斜交裂隙发育，呈碎裂的块状结构，Q3、Q42黄土地层垂直裂隙发育，易竖向开裂[1]。这类黄土土样在土工试验开土环节受到外界作用力时易碎裂（开裂）的情况普遍存在，这就直接影响了土样密度、变形、强度等各项试验指标的准确性，进而严重影响到这类黄土土工试验成果的质量。
2 黄土地区土工试验现状
目前黄土地区土工试验开土方法一般是将土样从样筒取出后垂直放于操作台上，刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出环刀，整平环刀两端土样切取环刀试件[2]。在此过程中，黄土土样经常会沿裂隙开裂破碎，造成环刀无法获取试件，或需要采取补环措施。这样不仅减少了试验数据的供给量，而且在很大程度上影响了土工试验的准确性和所提供技术参数的可靠性。除了存在送样过程中土样受到破坏，导致土样从土样筒中取出不完整的情况外[4]，土样侧向不受力是造成这种情况的主要原因。有必要寻找一种新的方法或研制一种新的器具来解决传统开土方法中土样易受到破坏的问题，降低土样的破坏率，提高土试样开土质量，从而提高试验成果准确性。
3 约束式分节开土器的研究
为解决上述问题，制作了一种开土工具，该工具是与土样尺寸相吻合的筒形器具，根据开土制取土样试件需要将其自上而下分段，采用合页模式将每段相连，开土时自上而下依次打开合页切取，切取上端土样制取土样试件时，土样下部的原状性就不易受到破坏。该开土器既能对土样提供与取土筒同样的侧向约束力，又能满足分节开土的要求。根据其特点命名为约束式分节开土器。
约束式分节开土器的具体设计如下：
（1）材质：由于约束式分节开土器需对土样提供侧向力，且要反复使用，故采用硬度较高、不易变形的无缝钢管。
（2）尺寸：黄土薄壁取土器的TU—127—2是工程中常用的类型[3]，故约束式分节开土器的高度和内径采用TU—127—2型取土器的尺寸，以便于同所取土样尺寸匹配和吻合。具体为高200mm，内径120mm。
根据相关规范规定，以及项目通常试验内容[2]，需要环刀试件数量的最多值如表1所示。
表1相关试验与环刀试件个数对应表
目前通用的取土器取样的标准高度为200mm，在该规定的土样高度条件下，考虑到环刀的高度（20mm），以及具体操作时土样的损耗，一个土样制备7个环刀试件无法实现。因为需要考虑土样上部可能存在的浮土以及提供给每个环刀试件必要的土样厚度余量。实际试验操作中，一般是通过指标选作或取双样方式实现全部7个环刀试件。
根据以上分析，开土器设计为6节比较合理，且宜按不等高方式进行设计，分节高度设计30mm和40mm两个规格，各节以合页模式相连，这样既可以提供高度大于20mm环刀高度的土样厚度，又考虑了土样上部的浮土和下部开环操作的方便性。约束式分節开土器底部焊接一圆形底盘，可起到配重固定开土器的作用。
4 应用效果及推广
约束式分节开土器解决了开土过程中土样四周不受侧向力，当土样轴向受力时特别容易沿纵向破碎的问题，并满足分段开土要求，对降低土样的破坏率以及保持土样的原状性方面具有很强的实用性。
为直观确认开土器在土工试验制作土试样中的效果，我们将洛阳工区某建筑物和某国道勘察过程中，使用开土器前后开土效果分别进行了统计，统计结果见表2、3。
表2未使用开土器土样制备情况统计表
表3使用开土器后土试样制备情况统计表
从表2和表3中，可以清楚地看出，使用约束式分节开土器后，两项目试验开环率分别提高了21.1%和40.1%，补环率和破坏率都有很大程度的降低，有效的保证了环刀试样的质量，从而提高了土工试验参数的准确性和可靠性。
经过约束式分节开土器在多个黄土地区土工试验中的使用验证，总结使用该开土器后取得的效果如下：
(1）由于开土器壁提供的侧向力保持了土样的原状性。解决了开土过程中，土样无侧限受压时容易开（碎）裂破坏的问题，减少补环次数，保证了试验项目的完整性，提高了成果质量。
(2）开土器合页模式，很好解决了土工试验中分段开土的问题。开土时分层打开合页，保证在开出上部环后，下部土样仍保持其原状性，提高了开环率，保证了环刀取样的质量。
(3）开土器分6节的设计很好地避免了在开土过程中土试样切取不均的现象，保证了开环个数，满足了规范中对试件的要求。
约束式分节开土器自2011年研制以来，不仅在本单位承揽的几十个项目中得到广泛应用，而且还推广西安、洛阳多家土工试验室应用，得到高度的认可和很高的评价。
5总结
（1）制取黄土环刀试件时造成土样开裂、碎裂破坏这种现象普遍存在，但至今没有资料显示在开土环节有提高开土质量的器具产生或存在。约束式分节开土器的研制填补了开土环节中从未使用过辅助工具的空白。
（2）利用开土器壁提供的侧向约束力，很好地解决了开土过程中，土样无侧限受压时容易开（碎）裂破坏的问题。其合页模式的分节设计，更是避免了上部开环时的垂直压力对下部土样造成的挤压变形，有效保证了土样的原状性，提高了试验项目的准确性和成果质量。
（3）开土器分6节的设计很好地避免了在开土过程中土试样切取不均，造成土试样浪费的现象，保证了开环个数，满足了规范中对试件个数的要求，避免了之前为满足试验个数要求而重复取样的现象，节省了大量人力财力。
（4）约束式分节开土器制作简单，操作简单方便，便于推广。
参考文献
[1] 常士骠等.工程地质手册（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1992：445-447.
[2] 中华人民共和国水利部.土工试验方法标准[Z]. 1999-10-01.
[3] 陕西省计划委员会. 湿陷性黄土地区建筑规范[Z]. 2004-08-01.
[4] 王明锋. 影响土工试验成果质量的取土因素[C]. 贵州省岩石力学与工程学会2010年学术年会论文集，2010：325-326.
作者简介：代常友，男，32岁，硕士研究生，黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院岩土工程部经理，工程师。