CN1028255C - 自钻水压活塞式薄壁取土器 - Google Patents

Abstract

一种工程地质钻探用的自钻水压活塞式薄壁取土器，它包含有钻杆接头、分水头、动活塞、固定活塞、土样筒和外套筒，其主要特点是固定活塞下方连接一个中心钻头，外套筒下端连接一个环形钻，从而同时具备清孔和取样两种功能，并能自清洗，因而简化操作，提高工效，节省劳力和降低能耗，保证土样质量本取土器尤为适用于软土、轻亚粘土、淤泥、饱和粉砂等采样。

Description

本发明涉及一种工程地质钻探的取土器，特别是涉及一种水压活塞式薄壁取土器。

在工程地质钻探中，需采取地层中的土样进行试验，以便就该地层作出物理、力学方面的定性和定量评价，并了解场地范围内的地层变化。在现有技术中，采取地层中的土样的工序是：先清理地层表皮，再进行清孔（即钻孔，同时排出泥土），然后用取土器采取土样。这样，钻机的钻杆需要多次上下往复操作，很不方便。现有技术中所用的取土器只能用于采取土样而不能进行清孔。已有的取土器分为厚壁取土器和薄壁取土器两类。厚壁取土器取样扰动大，质量差，已逐渐处于被淘汰中。薄壁取土器有固定活塞式取土器、自由活塞式取土器、敞口活塞式取土器和水压活塞式取土器四种。在深层取样时，钻杆细长，受压则弯曲严重，这种情况下最宜采用水压活塞式取土器。

现有的水压活塞式取土器是空心钻杆下端连接着分水头，分水头连接着空心活塞杆和外套筒，一个动活塞密封滑套于活塞杆上并与外套筒的内壁密封滑配，动活塞连接着一个土样筒（即薄壁筒），活塞杆的下端连接着一个固定活塞。当水压由钻杆通至动活塞上时，将动活塞压下，带动土样筒也就压入土内，固定活塞不能活动，土样筒被压下时固定活塞就相对上升，造成封闭，使土样不致脱落，起拔时外套筒与土样筒一起提起。这种取土器适用于软土、软亚粘土、淤泥、饱和粉砂等。但是这种取土器操作复杂，要取下土样筒时，需拆开整个取土器，因而效率低。

本发明的目的在于通过将钻头和取土器制成一体，以提供一种适 于深层取样的、兼具清孔和取样功能的操作简便、效率高的水压活塞式薄壁取土器。

本发明的另一目的在于通过在取土器上开设一些泄流、排水孔，一方面能对取土器内部进行全面地自动清洗，另一方面可排出钻杆内的积水。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：本取土器包含有与空心钻杆螺纹连接的钻杆接头、与钻杆接头螺纹连接的分水头、连接于分水头的空心活塞杆和外套筒、密封滑套于活塞杆上并与外套筒内壁密封滑配的动活塞、与动活塞相连接的土样筒以及螺纹连接于活塞杆下端的固定活塞，其特点是：外套筒的下端固定连接着环形钻头，其外径可大于外套筒的外径，并沿圆周分布几个出水口;固定活塞的内部下端密封地连接着一个套筒，该套筒内可滑动地套有一个中心钻头，其中心孔的下端接通一个锥形喷水口，上端通过一个自动截流阀接通活塞杆的中心孔，中心钻头最大直径处的直径略小于土样筒的内径，在钻头的空心轴壁上轴向开有一J形槽，一螺钉径向穿过套筒伸入J形槽内;从分水头中心孔至动活塞上腔室的通路上有一个溢流阀。在清孔时，钻杆通过外套筒带动环形钻头转动，并通过活塞杆和固定活塞带动中心钻头转动，此时自动截流阀开启，压力水通过钻杆中心孔经活塞杆中心孔和自动截流阀，从中心钻头下端的锥形喷水口喷水，而后从环形钻头的出水口流出，从而冲刷中心钻头和环形钻头钻下的泥土从孔中排出孔口。在清孔至所需深度要采取土样时，钻杆停钻并逆向转动一周，然后略为上提一下使自动截流阀关闭，锥形喷水口停止喷水，关闭泥浆泵低压安全阀，压力水流过分水头顶开溢流阀传至动活塞的上，将动活塞推下并带动土样筒下压采取土样。这样，本取土器就兼具清孔和采样的功能，减少钻杆的上下往复次数，简化操作。

本取土器的中心钻头可由一根带有突肩的空心轴焊接着分水锥和 刀片构成，此空心轴配合着螺钉与一个带突肩的套筒滑配，该套筒与固定活塞螺纹连接。自动截流阀可由螺纹连接于中心钻头空心轴上端的轴盖及其紧套着的锥形塞构成，在其下方的套筒上端部加工成内锥形作为阀座与锥形塞的锥面相匹配。在自动截流阀下面的中心钻头空心轴上开有进水口。固定活塞通过一个侧喷头与活塞杆螺纹连接，侧喷头上开有出水口沟通活塞杆中心孔至自动截流阀上游腔的通道。在清孔时，先转动中心钻头，使螺钉滑入J形槽的短直槽中，从而使自动截流阀处于打开状态;在取样时，由于钻杆逆向转动一周并略为上提一下，中心钻头脱离孔底泥土的推压以及钻头自重和水压的作用下，自动截流阀自动关闭。

本取土器的土样筒与外套筒之间可以有一个环形空腔，使得土样筒能够在其上端部通过一个连接套与一个余土筒的下端部连接，余土筒的上端部与动活塞螺纹连接，余土筒的中部开有排水孔，余土筒下端部靠近土样筒上端头的螺纹处有放气小孔，外套筒的下部有出水孔。这种在土样筒的上方加接余土筒的结构，使得不要拆开整个取土器，只要旋下连接套即可取下土样筒，大大简化操作，而且土样筒能取满整筒可用土样，利用率高。

本取土器的外套筒上端可以通过一个套筒盖和一个紧定螺母与分水头连接，分水头的中部滑套在套筒盖内，并用定位销定位。采用这种结构，定位销传递钻杆扭矩，可避免分水头与钻杆的螺纹连接由扭矩的作用而过于拧紧而难以拆卸。同时，外套筒与分水头成为整体套入式结构，装拆容易。在分水头上有一个对动活塞上腔室放气的放气孔和堵塞放气口的放气螺塞，以便在安装好土样筒后要将土样筒推入外套筒中，动活塞的上腔室能够放气。

下面将结合附图对本发明的一个具体实施方案作进一步说明。

图1是本发明实施方案的结构总图，其中中心钻头恰处于未落下 状态;

图1a是图1所示取土器上段放大图;

图1b是图1所示取土器下段放大图。

参见图1和图1a、1b、1c，本取土器包含有可与空心钻杆旋接的钻杆接头37，其下端旋接着分水头36并用紧定螺母35旋紧套筒盖30，套筒盖30用定位销40与分水头36定位并在下端旋接外套筒43，分水头36上设有溢流阀28，它由半圆形的阀头、弹簧27和簧座螺丝29构成。在套筒盖30上设有排气孔31其出口处旋着放气螺塞32，此放气螺塞32上有放气槽33，当放气螺塞32旋转至放气槽33对着排气孔31并露出通大气即放气。活塞杆16的上部套装着动活塞22，它通过O形密封圈20、23与外套筒43密封，通过V形密封圈21和尼龙垫圈24与活塞杆15密封，它们由螺盖25压紧，活塞杆16上端旋接于分水头36。下端旋接着侧喷头15。动活塞22旋接着余土筒19，余土筒19下端用连接套18连接土样筒17。侧喷头15上有出水口46，下面旋接固定活塞14。固定活塞14通过O形密封圈7、9、10、11与土样筒17密封，密封的中段开有排水孔槽48。固定活塞14下部旋接套筒6，通过螺钉8与中心钻头4滑动连接，该滑动连接是这样达到的，即在中心钻头4的空心轴53壁上轴向开有一J形槽54，螺钉8径向穿过套筒6伸入J形槽54内，当然螺钉8也可用销子代替，此中心轴上端旋接自动截流阀13而使中心钻头吊挂在固定活塞14的下面。该中心轴下端焊接着分水锥3和刀片2。外套筒43的下端旋接着环形钻头51，它是一个圆形端头焊接着硬质合金牙粒52，并在圆周上分布几个出水口1。土样筒17为一下端带有刃口、上端外圆稍下部分带有突肩44的薄壁圆筒，其刃口以上一小段的外径略大于筒身外径，而刃口一小段的内径略小于筒身内径。这样可减小土样筒插入泥土的阻力和减少对土样的扰动。

本取土器工作原理如下：

（1）清孔：先转动中心钻头4，使螺钉8滑入J形槽54的短直槽中，自动截流阀13处于打开状态，然后将取土器接于钻杆上放至孔底，中心钻头4被孔底泥土顶起使其台价面靠在套筒6的下端面上，钻杆上接上水龙头后打开泥浆泵送水，再开动钻机回转。压力水从钻杆中心孔流经分水头36，再经活塞杆16中心孔和侧喷头15，从出水口46流出，然后经进水口47流入中心钻头4的空心轴53内，最后从锥形喷水口50喷出，冲走中心钻头钻下的泥土，再经出水口1和出水孔49流出，带走环形钻头51钻下的泥土，并从外套筒43外排出钻探孔。此时溢流阀29在弹簧作用下处于关闭状态，动活塞22不动。（2）采样：清孔至要求深度，停止钻机回转，地面上将钻杆逆向转动一周并略为上提，使螺钉8滑入J形槽54的长直槽内，于是吊挂在固定活塞14下面的中心钻头4下落，使得自动截流阀13自动关闭;此时压力水无出路，压力升高，压力水从泥浆泵的低压安全阀溢流，使压力水始终保持在较低的压力值，这样溢流阀28仍处于关闭状态，当需要进行取土时，只要在地面上关闭泥浆泵的低压安全阀，就使上述压力水的压力继续升高，最后顶开或打开溢流阀28，压力水流入动活塞22的上腔室，推动动活塞22并带动余土筒19和土样筒17，土样筒17下压采取土样，直至固定活塞14和中心钻头4进入余土筒19内;当固定活塞14上的排水孔槽48接通余土筒19上排水孔41时，同时动活塞22处于外套筒43的扩孔段45，活塞杆中的压力水从排水孔槽48排出，动活塞22上腔室的压力水从扩孔段45排出，则动活塞22不再推进，采样工作结束。（3）自洗：当动活塞22停止推动时，压力水从扩孔段45和排水孔槽48和出水孔41排出，从而对土样筒17、余土筒19和外套筒43的内外壁进行清洗。（4）真空吸附：采样结束时，压力表压力骤降，即可向上提取取土器，在上提的过程中需要真空吸附土样。由于固定活塞14配有O形密封圈7、5， 自动截流阀13配有锥形塞12，从而确保土样筒17的真空吸附。（5）消除真空：取土器被提出地面后，在取下土样筒17前必须先消除土样筒17上端部的真空吸力后才能取下，以避免取下土样筒造成抽吸而扰动土样。本取土器在旋下连接套18时，通过放气小孔42的进气而消除真空。（6）安装放气：在装上新的空土样筒17后，要将土样筒17推入取土器内时，必须排出动活塞22上腔室内的空气，此时单向阀28已关闭，只要将放气螺丝32拧松至放气槽33外露，即行放气，使土样筒17顺利推入取土器，然后再将放气螺丝32拧紧即告安装完成。（7）第二次采样，重复上述步骤（1）至（6）。如果是在已取样过的孔内进行第二次采样，有可能会碰到这样的情况，即由于缩孔的缘故使已钻过孔孔径变小，这样取土器就会在中途卡住，但由于在步骤（1）中螺钉8已滑入J形槽54的短直槽中，使自动截流阀13始终处于开启状态，因此可打开泥浆泵送水，将缩孔的泥土冲走，使孔变大，保证取土器顺利下放。

本取土器与现有技术相比较，具有如下突出优点：

1.由于将清孔与取样两个钻次合一，减少钻杆上下升降次数和卸装次数，提高钻探工效，节省劳力和降低能耗;同时也避免了两钻分开操作可能造成钻孔沉淀、塌孔、缩孔等孔底不清而影响取样质量和避免塌孔引起的埋钻事故。

2.由于自钻清孔的进尺不受限制，可以根据需要一次清成，采样时自行按规定尺寸采样，不会发生超压采样而扰动土样，保证取样质量。

3.由于设有余土筒，使土样筒能采得满筒可用土样，上部无空缺段，简化了土样筒装运封启操作，提高土样筒的利用率，在等同的可用土样长度情况下，可使土样筒长度缩短四分之一。

4.由于采用连接套连接土样筒，因而不必拆散整个取土器即能方 便地拆下土样筒，简化操作。

5.在土样筒内外圆上采用了内外间距比，提高了取土质量，扩大了薄壁取土器的取土范围（已有的水压式取土器N＝0-4，本取土器N＝0-16）。

6.本取土器具有自清洗的功能，从而可以免去专为清洗取土器而配备人员，减少劳力。

7.本取土器的薄壁外套筒采用整体套入式结构，避免外套筒螺纹连接在拆卸中的损坏，使装卸简便。

Claims (5)

1、一种工程地质钻探用的自钻水压活塞式薄壁取土器，包括用于空心钻杆螺纹连接的钻杆接头37、与钻杆接头37螺纹连接的分水头36、连接于分水头36的空心活塞杆16和外套筒43、密封滑套于活塞杆16上并与外套筒43内壁密封滑配的动活塞22、与动活塞22相连接的土样筒17以及螺纹连接于活塞杆16下端的固定活塞14，其特征在于：

(1)外套筒的下端固定连接着环形钻头51，其外径可大于外套筒43的外径，并沿圆周分布着若干出水口1；

(2)固定活塞14的内部下端密封地连接着一个套筒6，套筒6内可滑动地套有一个中心钻头4，中心钻头4的中心孔的下端接通一个锥形喷水口50，上端通过一个自动截流阀13接通活塞杆16的中心孔，中心钻头4最大直径处的直径略小于土样筒17的内径，在中心钻头4的空心轴53壁上轴向开有一J形槽54，一螺钉8径向穿过套筒6伸入J形槽54内；

(3)从分水头36中心孔至动活塞22上腔室的通路上有一个溢流阀28。

2、根据权利要求1所述的取土器，其特征在于中心钻头4是由一根带有突肩的空心轴53焊接着分水锥3和刀片2所构成，此空心轴53配合着螺钉8与一个带突肩的套筒6滑配，套筒6与固定活塞14螺纹连接;自动截流阀13是螺纹连接于中心钻头4空心轴53上端的轴盖及其紧套着的锥形塞12所构成，套筒6的上端部加工成内锥形作为阀座与锥形塞12的锥形面相匹配，在自动截流阀13下面的中心钻头4空心轴53上开有进水口47;固定活塞14通过一个侧喷头15与活塞杆16螺纹连接，侧喷头15上开有出水口46沟通活塞杆16中心孔至自动截流阀13上游腔的通道。

3、根据权利要求1或2所述的取土器，其特征在于土样筒17与外套筒43之间有环形空腔，土样筒17上端部通过连接套18与一个余土筒19的下端部连接，余土筒19的上端部与动活塞22螺纹连接，余土筒19的中部开有排水孔41，余土筒19下端部靠近土样筒17上端头的螺纹处有放气小孔42，外套筒43的下部有出水孔49。

4、根据权利要求1所述的取土器，其特征在于外套筒43的上端通过一个套筒盖30和一个紧定螺母35与分水头36连接，分水头36的中部滑套在套筒盖30内，并用定位销40定位;在分水头36上有对动活塞22上腔室放气的放气孔31和堵塞放气口的排气螺塞32。

5、根据权利要求1或2所述的取土器，其特征在于土样筒17下端部刃口以上一小段的外径略大于筒身外径，而其刃口一小段的内径略小于筒身内径。

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