CN104790370A - 静力触探式深层取土器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种与静力触探贯入设备结合使用在不进行钻孔的情况下可以将埋藏在地下深部的土样快速取出的取土器，它包括外壳（6）、取样筒（8）、扩土锥头（10）、主承力轴（4）、弹性环（9）、钢片（5）、解锁部件等结构，主承力轴（4）设有环形限位槽（12），环形限位槽（12）、钢片（5）和弹性环（9）一起形成自锁机构。该取土器适用于软土、一般性黏土、粉土和非密实砂土，与传统钻孔取样相比，它除了具有结构简单、使用方便、快速省力、成本低的特点外，能够在地下水位以下工作时大大减小水压对土样的扰动，增大取土的成功率和土样的质量。

Description

静力触探式深层取土器

技术领域

本发明属于取土器技术领域，具体涉及一种与静力触探贯入设备结合使用的可取地下深处土样的装置。

背景技术

 取土样是岩土工程勘察中必不可少的、经常性的工作，为定量评价岩土工程问题而提供室内试验的样品。现在取土器技术较为成熟，种类繁多，适用于各种类型的土体。国内现有的取土器除了在地面工程地质测绘调查和坑探工程中采取试样外，主要是在钻孔中使用。对于地下深部的土体，必须使用合适的钻具和钻进方法进行钻孔，达到取样位置后取出钻头再下放取土器进行取样。钻探取样工作量较大，速度慢，成本较高，一般占整个勘察费用的30%以上。

静力触探技术是指利用压力机械装置将具有一定规格的圆锥形探头均匀压入土中，通过测定各土层的锥头阻力、侧壁摩阻力等参数，以确定土体的某些基本物理力学特性的一种原位测试方法。该技术适用于软土、一般性黏土、粉土、砂土和含少量碎石的土，至今已有80多年的历史，特别是近几年来静力触探技术向多功能、多领域方向迅速发展。除锥头阻力、侧壁摩阻力参数外，孔隙水压力、温度、地震波、甚至密度参数均可获得。从20世纪80年代开始，在国外出现了可取土样的多功能探头，至今已有较大发展。而国内这方面起步相当晚，目前国内广泛使用的单双桥静力触探和孔压静力触探不具备取样的功能。2012年国家知识产权局公布一种可取土样的环境孔压静力触探探头，专利号为201110413998.4，比较新颖，但技术不成熟，缺点明显，实用性不强，表现在：1.取土样的功能显然被定位成探头的附加功能，严格讲不算是专用取土器；2.自锁机构占用的横向空间明显过大，利用钢珠重力开锁存在明显缺陷；3.缺乏密封设计，不能排除地下水压力对取土活动的不利影响；4.从行业实践及技术原理上看，静力触探探头不适合将数据采集功能同取样功能完全整合在同一个结构设备上，因为其功能的实现并不同步或协调。静力触探的贯入系统由触探主机和反力装置两部分组成，触探主机按其传动方式不同，可分为机械式和液压式。反力装置有自重式和地锚式。工程普遍使用中的触探主机提供的最大贯入力一般在30KN到200KN范围内，近年国内有关单位经过科技攻关成功研发的新型触探车可提供的最大贯入力达到350KN，不仅可以贯入一般性土层，还能贯入到碎石土、卵（砾）石土层中。触探深度受设备条件、地质条件、勘探深度要求等因素的影响，应用中一般在35m以内，国外可见报道的最大实验深度已达80多米。

传统取样器及其使用方法具有设备复杂、工作量大、速度慢、成本高、环境影响较大等缺点，静力触探具有设备简单、工作量小、速度快、价格低的优点，但不可取样。通过改造传统取土器结构，使之可以和静力触探贯入系统结合使用，用静力触探压力设备向下贯入代替钻机成孔，无疑是取土器及取样方法的一个新的发展途径。

发明内容

为了克服国内现有技术中静力触探设备不能取土样和钻探取样费用高、速度慢、工艺复杂、环境影响大等缺点，本发明提供一种与静力触探贯入设备结合使用在不进行钻孔的情况下可以将埋藏在地下深部（0-80m）的土样快速取出的取土器，它具有结构简单、使用方便、快速省力、成本低的特点。

本发明的目的在于尽可能排除地下水对取土器工作效果的不利影响，大大减小水压对土样的扰动，增大取土的成功率和土样的质量。

本发明的目的还在于为取土器提供一种可靠性和耐久性更高、占用空间更少的自锁方式。

本发明的目的还在于提供一种简单快捷的取样方法。

其技术方案为：一种静力触探式深层取土器，包括外壳（6）、取样筒（8）、扩土锥头（10）、主承力轴（4）、弹性环（9）、钢片（5）、薄壁管（7）等部件，外壳（6）内表面设有环形凹槽（13），主承力轴（4）设有环形限位槽（12）。钢片（5）以环形排列方式与弹性环（9）连接，并置于外壳（6）内表面环形凹槽（13）中。薄壁管（7）的内径大于主承力轴（4）的外径，薄壁管（7）套在主承力轴（4）上，并与控制杆（7.1）连接。主承力轴（4）表面沿长度方向设置条形凹槽（14），控制杆（7.1）位于条形凹槽（14）内；主承力轴（4）上部与转接头（1）通过螺纹丝扣连接并固定环形钢耳（2），下部与扩土锥头（10）通过螺纹丝扣连接。扩土锥头（10）上端呈锥形台状并在斜面上设有防水垫层（3），下端呈圆锥形，起着扩土成孔的作用。环形钢耳（2）斜面上设有防水垫层（3）。取样筒（8）两端通过丝扣分别与外壳（6）、管靴（11）连接，取样筒（8）两端接口处加厚。外壳（6）的环形凹槽（13）高度大于钢片（5）的长度，外壳（6）上端和下端的接口内部设为斜面，能分别与环形钢耳（2）和扩土锥头（10）的斜面贴合。管靴（11）四周设有至少两个突起体，刃角小于0.36，管靴（11）的内径小于取样筒（8）的内径。

本发明的有益效果主要有以下几点：

1、传统取土器必须和钻探结合才能将地下深部的土体取出，而静力触探式深层取土器自带扩土锥头，可以利用静力触探试验的贯入装置将整个取土器直接贯入地下最大深度以内的任一指定深度的土层中，免去了传统取土样工艺中的钻探环节，减少了工作量，节省了钻探所需的各种成本。当然，因贯入机提供的贯入力有限以及探杆和取样筒直径较小，故其适用范围较传统取样方式小一些，现有技术条件下，该设备与方法仅适用于深度在0到80m之间的软土、软塑粘土、粉土、粉细砂等土层，相信随着相关设备技术的进步，其适用范围必会进一步扩大。

2、与传统取芯钻头相比成本更低、更轻便、工作量更少、省时省力。

3、现有技术中，仅专利号201110413998.4所公布的一种可取土样的环境孔压静力触探探头和本发明具有一定的相似性。与之相比，本发明有三点优势：一、采用更加先进的自锁机构，后者采用球形锁，由于球形锁的工作方式决定了连接杆限位槽和空心圆柱形取样管顶部的环形凹槽必须具有较大的深度，以保证球形锁的活动性，这样必然会导致探头直径增大或传递压力的连接杆的最小直径减小。探头直径增大无意将大大增加贯入的阻力，连接杆的最小直径减小将显著减小探头的最大贯入力，这两方面都不利于探头的贯入深度。本发明所公布的静力触探式深层取土器采用弹性环和钢片所组成的自锁机构，这种新的自锁机构对横向空间的占用与前者相比更少，减小了外壳与主承力轴的环形凹槽的深度，从而有利于增大主承力轴的最小直径或减小取土器的最大外径。二、具备防水垫层，能够隔离水压，使本发明在向下贯入时，钢圈上的防水垫层与外壳贴合，可以有效减少泥沙涌入其内部造成阻塞的可能性，在其向上拔出的过程中扩土锥头上的防水垫层与外壳贴合，可以阻隔孔内水和取样筒中土样的联系，有效保证土样不滑落，取土工作成功率较高，土样扰动也较小，而后者无防水垫层，阻塞、土样滑落和土样扰动发生的几率更大。三、整个结构都围绕方便取样进行优化，专业性更强，有利于提高土样质量，而专利号201110413998.4的设备是将静力触探（包括测贯入阻力、测孔隙水压力）作为主要功能，取样只是其众多附属功能（如：测温度、测波速、测密度、测斜、取样）中的一个。除取样外其余功能均可通过专门的多功能孔压静力触探仪来实现，没必要全部整合到一个设备上，况且多余功能不仅无助于取样质量的提高，还存在功能互相干扰的问题，比如为了取到不同深度的土样，当贯入到对应深度时，必须停止包括贯入阻力、孔压、波速等数据的采集，完成取样后贯入到该深度才能重新开始数据的采集，提钻和中断数据采集可能引起各种隐患。土样越多，反复的贯入的次数越多，对线缆的损耗就越大。本发明去掉了各种传感器，摆脱了线缆的困扰，操作更方便，虽然少了若干功能，但若将本发明与其他多功能探头结合使用，互补长短，则效果将更好。

4、应用本发明可以方便的把静力触探原位测试和取样工作结合到一起，相比传统方式二者结合的更紧密。二者所获取的资料互相印证和补充，有助于提高静力触探原位测试资料解释的可信度和说服力，更利于土体原位测试技术的推广。虽然做原位测试的平面位置与取样工作的平面位置无法实现完全重合（即在同一孔中既做原位测试又取样），但两者的距离可以控制在0.2m—1.0m范围内，大多数情况下在该范围内地层特征的变化很小，可以忽略，故而可以近似看成是在同一孔中进行的两项工作，资料的结合具备可行性。

必须指出的是，使用本发明进行取样活动，主要目的应在于以下几点：首先，辅助分析解释以静力触探仪为代表的贯入式原位测试仪器所采集的数据，提高其准确度和效率；其次，便于野外观察和定性描述；最后，可对颗粒级配、密度、含水量、塑性状态、强度参数等少数简单项目进行室内测试，获得土层工程特性。正如原位测试并不能完全替代室内试验一样，本发明并不能完全替代传统方式的取样，只是作为一定程度上的替代或补充。目前，该项技术所涉及的这种取土样的思路除专利号为201110413998.4的发明略有体现外，并无相关技术的问世。

附图说明

    图1是本发明的元件装置立面图

图2是图1的A-A’剖视图

图3是图1的B-B’剖视图

图4是本发明在一种工作状态下的立面图

图5是图4的C-C’剖视图

图6是弹性环和钢片的组合立体图

图中1.转接头  2.环形钢耳  3.防水垫层  4.主承力轴  5.钢片  6.外壳  7.薄壁管  7.1控制杆  8.取样筒  9.弹性环  10.扩土锥头  11.管靴  12.环形限位槽  13.环形凹槽   14.条形凹槽

具体实施方式

以下将参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以进一步理解本发明的技术方案。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种静力触探式深层取土器，包括外壳（6）、取样筒（8）、扩土锥头（10）、主承力轴（4）、弹性环（9）、钢片（5）、薄壁管（7）等部件，外壳（6）内表面设有环形凹槽（13），主承力轴（4）设有环形限位槽（12）。外壳（6）内表面的环形凹槽（13）的特征是高度大约是深度的10倍，且深度大于弹性环（9）的外径和钢片（5）的厚度，用于放置弹性环（9）和钢片（5）。环形凹槽（13）的下侧壁最好略微向内倾斜或做成凹形弧面，以保证弹性环（9）和钢片（5）在压力的作用下不脱离环形凹槽（13）。主承力轴（4）上的环形限位槽（12）的特征是其由弧面和斜面组合而成，弧面的弦垂直或近似垂直于主承力轴（4）的长度方向，环形限位槽（12）到主承力轴（4）下端的距离大于薄壁管（7）的高度。钢片（5）最好设成弧形，其弧度与弹性环（9）的弧度一致，其材料既可以是钢材，也可以是其他坚固材料。钢片（5）以环形排列方式与弹性环（9）连接，并置于外壳（6）内表面环形凹槽（13）中。薄壁管（7）的内径大于主承力轴（4）的外径，薄壁管（7）套在主承力轴（4）上，并与控制杆（7.1）固定连接，使之可以在控制杆（7.1）的带动下顺着主承力轴（4）上下滑动。主承力轴（4）表面沿长度方向设置条形凹槽（14），控制杆（7.1）位于条形凹槽（14）内，条形凹槽（14）和控制杆（7.1）的长度应当使其上端的位置在取土器自锁后高于外壳（6），方便技术人员手动操作控制杆（7.1）。主承力轴（4）上部与转接头（1）通过丝扣连接并设置环形钢耳（2），下部与扩土锥头（10）通过丝扣连接。扩土锥头（10）上端呈锥形台状并在斜面上设有防水垫层（3），下端呈圆锥形。环形钢耳（2）底面为环形斜面，斜面上粘贴固定防水垫层（3）。取样筒（8）通过丝扣分别与外壳（6）、管靴（11）连接，取样筒（8）两端接口处加厚。外壳（6）的环形凹槽高度大于钢片（5）的长度，外壳（6）上端和下端的接口内部设为斜面，能分别与环形钢耳（2）和扩土锥头（10）的斜面贴合。在未自锁状态下向下贯入取土器时，管靴（11）、取样筒（8）和外壳（6）的外表面所受摩阻力通过环形刚耳（2）传递给主承力轴（4）。自锁之后，通过环形排布的钢片（5）将摩阻力传递给主承力轴（4）。管靴（11）四周设有至少两个突起体，用于在触探孔孔壁上划槽形成过水通道以减小水压阻力，刃角小于0.36，管靴（11）的内径略小于取样筒（8）的内径。防水垫层（3）可以用橡胶等防渗材料制成。

当然，本发明并不限于上述实施例，比如薄壁管（7）并不一定非得制成管状，也可以设计成断面呈楔形的环状。又比如外壳（6）与取样筒（8）的连接方式还可以采用销钉。再比如将弹性环与钢片紧套在主承力轴（4）的环形限位槽（12）中，钢片（5）扩张嵌入环形凹槽（13）实现锁定。在以上述理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

以上述实施例为例阐述应用本发明的具体方法步骤及相应工作原理：

 1、将静力触探式深层取土器通过其上的转接头（1）接上探杆，探杆安装在静力触探车上。

2、露出扩土锥头（10），使环形钢耳（2）紧压外壳（6），利用静力触探车将静力触探式深层取土器贯入到指定的深度，然后停止贯入。此过程中扩土锥头（10）将起到类似静力触探探头的扩土作用，由于环形钢耳（2）斜面附有防水垫层（3）起密封作用，地下水便不能通过取样筒（8）和外壳（6）向上流动，只能通过管靴（11）周围的突起在侧壁划出的槽痕向上流动，从而有效防止泥沙涌入取土器内造成阻塞的可能。

3、将探杆上提收回，控制上提位移，使主承力轴（4）上的环形限位槽（12）的位置略高于钢片（5），由于钢片（5）在弹性环（9）的作用下具有收缩的趋势，钢片（5）上端将嵌入环形限位槽（12）中，从而使主承力轴（4）和扩土锥头（10）不能单独贯入。

4、继续向下贯入取土器，探杆传下的轴力将通过钢片（5）传递给外壳（6）和取样筒（8），使之向下运动，土样受管靴（11）切割而进入取样筒（8）内，与此同时，取样筒内的水将从主承力轴（4）与外壳（6）之间的空隙排除。取得土样后停止贯入。

5、提升探杆，将取土器取回地面，在此过程中，扩土锥头（10）上的防水垫层（3）与外壳（6）下端斜面贴合，形成密封，使取样筒（8）内部压强与取土器以下空间压强一致，土样不易脱落。

6、打开外壳（6）与取样筒（8）的丝扣，取出土样密封保存，清洗设备。向上滑动控制杆（7.1）进行解锁。

     7、取样结束后，可重复上述过程进行另一深度的取样。注意：在第二次向下贯入的过程中，环形钢耳（2）上的防水垫层（3）与外壳（6）上部贴合，形成密封，取土器下方的水不能通过取土器内部流动，而是通过取土器与孔壁之间的空隙或孔壁刻槽向上流动，大大减少取土器内部阻塞的可能性。

Claims (9)

1.一种静力触探式深层取土器，包括外壳（6）、取样筒（8）、主承力轴（4）、管靴（11），其特征在于：还包括扩土锥头（10）、弹性环（9）、钢片（5）、解锁部件，外壳（6）为厚壁圆筒状，其内表面设有环形凹槽（13），主承力轴（4）下半部设有环形限位槽（12），扩土锥头（10）的下端呈圆锥形，钢片（5）以环形排列方式与弹性环（9）固定连接，并放置于外壳（6）内表面环形凹槽（13）或放置于主承力轴（4）上的环形限位槽（12），主承力轴（4）和扩土锥头（10）位于所述外壳（6）和取样筒（8）的内部，并且可以沿外壳（6）和取样筒（8）的中轴线方向运动。

2.根据其权利要求1所述的取土器，其特征在于：所述解锁部件包括控制杆（7.1）和薄壁管（7），控制杆（7.1）呈杆状，其上端预留突起，下端与薄壁管（7）固定连接，解锁部件活动套在主承力轴（4）上，薄壁管（7）的内径略大于主承力轴（4）的外径。

3.根据其权利要求1所述的取土器，其特征在于：所述取样筒（8）两端通过丝扣分别与外壳（6）、管靴（11）连接，取样筒（8）两端接口处加厚。

4.根据其权利要求1所述的取土器，其特征在于：所述扩土锥头（10）上端呈锥形台状并在斜面上设有防水垫层（3）。

5.根据其权利要求1或2所述的取土器，其特征在于：所述主承力轴（4）表面沿长度方向设置条形凹槽（14），控制杆（7.1）位于条形凹槽（14）内，主承力轴（4）上部与转接头（1）丝扣连接并固定环形钢耳（2），下部与扩土锥头（10）丝扣连接。

6.根据其权利要求5所述的环形钢耳（2），其特征在于：环形钢耳（2）底面为环形斜平面，底面上设有防水垫层（3）。

7.根据其权利要求1或3所述的外壳（6），其特征在于：所述外壳（6）的环形凹槽（13）高度大于钢片（5）的长度，外壳（6）上端和下端的接口内部设为倾斜面，外壳（6）上端的倾斜面能与环形钢耳（2）的斜面贴合，外壳（6）下端的倾斜面能与扩土锥头（10）上端的斜面贴合。

8.根据其权利要求3所述的管靴（11），其特征在于：所述管靴（11）四周设有至少两个突起体，刃角小于0.36。

9.根据其权利要求4或6所述的防水垫层（3），其特征在于：防水垫层（3）由防渗材料制成，为薄层环状。