CN107741338A - 一种高频振动软土取样系统 - Google Patents

一种高频振动软土取样系统 Download PDF

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Abstract

一种高频振动软土取样系统，包括水上平台装置、机台底座、机具提引装置和取样机具。其特征在于：平台中心有一方孔连通水面，方口上端安装机台底座，铝合金框架固设在波纹板下端面上，多个充气袋固设在铝合金框架的下端面上。组成机具提引装置的提引架套设在机台底座立管的外端，滑轮装设在提引架的上端且和提引架铰接，在提引架的外壁上固设有支板，绞盘和支板铰接。在钻杆的下端连接有水口管，在水口管的管壁上开设有斜面开口，水口管顶部为封死结构。水口管下端连接有取样钻杆，在取样钻杆内插入有取样管，取样钻杆下端连接有管靴，在管靴内装设有取样卡簧。本系统结构简单，具有钻进速度快，取得样品完整扰动性小特点。

Description

一种高频振动软土取样系统
技术领域
本发明涉及使用钻探机具在水上平台钻取水底地层领域，特别涉及一种高频振动软土取样系统。
背景技术
对于江河湖泊（或水库）浅水层软土的取样，利用大型勘察船显得不经济，而且重型钻探设备钻取水底表层软土极易扰动。此种情况下，如能在水底软土取样中使用轻型、可拆卸的轻便水上平台装置，利用高频振动作为取样动力，有助于取得很好的技术效果和节省工程投资，实现在该领域的技术突破。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对水底软土取样，提供一种高频振动软土取样系统。该系统是一种现场组装结构，通过现场组装形成完整水底软土取样系统装置，具有钻进速度快、噪音小、无污染，取得样品完整扰动性小等优点。
采用的技术方案是：
一种高频振动软土取样系统，包括水上平台装置、机台底座、机具提引装置和取样机具，其特征在于：
水上平台装置包括多个充气袋、波纹板、铝合金框架；波纹板水平设置，铝合金框架固设在波纹板下端面上，多个充气袋固设在铝合金框架的下端面上，在波纹板的中心处开设有方孔，在铝合金框架的四角装设有四个锚耳，每个锚耳通过锚绳连接有锚具，在铝合金框架的一侧装设有尾挂机。
机台底座包括两个工字钢、提引架底座、引导管底座、立管和引导管；两个工字钢平行固设在波纹板的上端面上并且分别位于方孔的两端，引导管底座固设在两个工字钢的上端面上，并且位于方孔的上方在引导管底座上开设有管孔，引导管插入管孔内且和管孔固定连接。在提引架底座上开设有引导管安装孔，立管竖直固设在提引架底座的上端面上，引导管穿过引导管安装孔，提引架底座固设在引导管底座的上端面上，在引导管的上端装设有卡盘夹。
机具提引装置包括提引架、绞盘、滑轮、钢丝绳和卷扬手柄；提引架套设在立管的外端，滑轮装设在提引架的上端且和提引架铰接，在提引架的外壁上固设有支板，绞盘装设在支板上且和支板铰接，卷扬手柄固设在绞盘的侧壁中心处，钢丝绳一端缠绕在绞盘上，另一端绕过滑轮装设有钻具提引器或振动装置。
取样机具包括钻杆、水口管、取样钻杆和管靴；钻杆竖直插入引导管内，水口管装设在钻杆的下端并且螺纹连接，在水口管的管壁上开设有斜面水口，水口管上端为封死结构死堵。取样钻杆装设在水口管的下端并且螺纹连接，在取样钻杆内插入有取样管，取样钻杆和取样管的长度相同。管靴装设在取样钻杆的下端并且螺纹连接。
管靴上部为圆柱形，下部为锥形，呈一体结构，内设通孔与取样钻杆相通。管靴内部中间部位设有变径台，在管靴内装设有取样卡簧，取样卡簧坐在变径台上，并与管靴之间留有间隙。 取样卡簧由环状的卡环和固定在卡环上的多个簧片构成并且为一体结构，整体呈向上锥形。在钻杆的上端与已与钢丝绳连接的钻具提引器相连，或通过法兰盘与振动装置的下端相连。
上述振动装置包括发动机、挠性轴和高频振动头，发动机的壳体装设在波纹板上，发动机的动力输出轴通过挠性轴和高频振动头的动力输入轴连接。高频振动头的外壁上固设有振动头手柄，在高频振动头的外壁上端固设有挂钩。挂钩和钢丝绳连接。高频振动头通过法兰盘和钻杆连接。高频振动装置用于为取样机具提供振动力。
在波纹板的上端面的四周竖直固设有多根立柱，在相邻两根立柱之间装设有护栏。
上述铝合金框架包括多个横向撑、多个纵向撑、多个斜向撑和多个挂孔板；多个横向撑水平均匀固设在波纹板的下端面上，多个纵向撑垂直设置在两个相邻横向撑之间，多个斜向撑分别固设在横向撑和纵向撑之间，多个挂孔板分别固设在纵向撑上，且位于多个充气袋的两端。横向撑、纵向撑、斜向撑间通过连接角固定。位于每个充气袋两端的两个挂孔板通过其上孔眼连接捆扎带，捆扎带将充气袋与铝合金框架纵向撑紧固在一起。尾挂机装设在铝合金框架一侧的横向撑上。
方孔尺寸为0.3m×0.3m。
高频振动软土取样系统装置的水底软土取样方法，其特征包含以下步骤：
第一、根据设计软土取样长度，决定取样管长度，并将其安放在取样钻杆内。将取样卡簧安放在管靴中。
第二、将取样机具的水口管、取样钻杆及管靴在平台安装好，顶端与已与钢丝绳连接的钻具提引器相连。通过卷扬手柄控制绞盘下放钢丝绳，使取样机具经方孔上引导管放入水下。
第三、用卡盘夹夹紧取样机具上部，撘放在引导管底座上端，钻具提引器从取样机具上卸下。在取样机具上连接钻杆，钻杆上端连接已与钢丝绳连接的钻具提引器，继续下放取样机具。
第四、重复步骤第三，直至取样机具最底端的管靴接触水底土层后，将钻具提引器从钻杆卸下。完成取样机具下放至水底操作。
第五、将高频振动头通过法兰盘与钻杆相连，挠性轴一端与高频振动头相连，一端与发动机相连。发动机通过挠性轴向高频振动头提供高频声波振动力。
第六、取样机具经高频振动，底端的管靴及取样钻杆进入软土层中，软土经管靴内腔贯入管靴内取样卡簧中，再进入取样钻杆内的取样管中。
第七、软土贯入过程中，取样管内的水，在进入管内的软土顶托下通过其上水口管的水口排出，使软土顺利进入取样管顶端。
第八、取样机具提起过程中，在取样软土重力作用下，簧片弯曲，逆止取样软土倒流，使取样软土完整保留在取样管内。
第九、高频振动头从钻杆上卸下，钻具提引器与钻杆相连，将取样机具提起逐节拆卸，直至取样管从取样钻杆中取出，两端用密封盖封闭，完成软土取样。
其优点在于：
（1）采用充气橡胶袋作为漂浮体，重量轻，浮力大，可拆卸折叠运输。铝合金框架作为平台主体结构，强度高不变形，与充气橡胶袋捆绑式连接简单牢固。形成整体平台稳固而重量轻，尾部挂机提供动力，行驶方便，无需其它船只拖拽。
（2）本装置由小型汽油发动机通过挠性轴提供高频振动声波作为钻进动力，不同于传统的回转或冲击式钻进，具有钻进速度快、噪音小、无污染，取得样品完整扰动性小等优点。
（3）取样机具设水口管，取样过程中软土进入取样管顶托上方管内水及时从水口管上的水口排出，使软土顺利进入取样管顶端。
（4）取样机具管靴内安放取样卡簧，提起过程中，在取样软土重力作用下，取样卡簧上簧片弯曲的逆止作用，使取样软土完整保留在取样管内。
附图说明：
图1为水上平台装置平面布置图；
图2为图1中的B-B剖视图；
图3为图1中的A-A剖视图；
图4为图1中的连接角放大图；
图5为图1中的机台底座平面图；
图6为图5中的D-D剖视图；
图7为图5中的C-C剖视图；
图8为机具提引装置结构图；
图9为取样机具与振动装置剖面图；
图10为图9中的H-H剖面图；
图11为图9中的E-E剖面图；
图12为图9中的F-F剖面图；
图13为图9中的G-G剖面图。
具体实施方式
一种高频振动软土取样系统，包括水上平台装置、机台底座、机具提引装置和取样机具，其特征在于：
水上平台装置包括多个充气袋1、波纹板14、铝合金框架3；波纹板14水平设置，铝合金框架3固设在波纹板14下端面上，多个充气袋1固设在铝合金框架3的下端面上，在波纹板14的中心处开设有方孔13，在铝合金框架3的四角装设有四个锚耳17，每个锚耳17通过锚绳18连接有锚具19，在铝合金框架3的一侧装设有尾挂机11。
机台底座包括两个工字钢23、提引架底座26、引导管底座25、立管53和引导管52；两个工字钢23平行固设在波纹板14的上端面上并且分别位于方孔13的两端，引导管底座25固设在两个工字钢23的上端面上，并且位于方孔13的上方在引导管底座25上开设有管孔10，引导管52插入管孔10内且和管孔10固定连接。在提引架底座26上开设有引导管安装孔15，立管53竖直固设在提引架底座26的上端面上，引导管52穿过引导管安装孔15，提引架底座26固设在引导管底座25的上端面上，在引导管52的上端装设有卡盘夹27。
机具提引装置包括提引架34、绞盘32、滑轮31、钢丝绳30和卷扬手柄33；提引架34套设在立管53的外端，滑轮31装设在提引架34的上端且和提引架34铰接，在提引架34的外壁上固设有支板47，绞盘32装设在支板47上且和支板47铰接，卷扬手柄33固设在绞盘32的侧壁中心处，钢丝绳30一端缠绕在绞盘32上，另一端绕过滑轮31装设有钻具提引器29或振动装置。
取样机具包括钻杆39、水口管45、取样钻杆35和管靴41；钻杆39竖直插入引导管52内，水口管45装设在钻杆39的下端并且螺纹连接，在水口管45的管壁上开设有斜面水口54，水口管45上端为封死结构死堵40。取样钻杆35装设在水口管45的下端并且螺纹连接，在取样钻杆35内插入有取样管44，取样钻杆35和取样管44的长度相同。管靴41装设在取样钻杆35的下端并且螺纹连接。
管靴41上部为圆柱形，下部为锥形，呈一体结构，内设通孔28与取样钻杆35相通。管靴41内部中间部位设有变径台42，在管靴41内装设有取样卡簧43，取样卡簧43坐在变径台42上，并与管靴41之间留有间隙51。 取样卡簧43由环状的卡环49和固定在卡环49上的多个簧片50构成并且为一体结构，整体呈向上锥形。在钻杆39的上端与已与钢丝绳30连接的钻具提引器29相连，或通过法兰盘46与振动装置的下端相连。
上述振动装置包括发动机12、挠性轴48和高频振动头36，发动机12的壳体装设在波纹板14上，发动机12的动力输出轴通过挠性轴48和高频振动头36的动力输入轴连接。高频振动头36的外壁上固设有振动头手柄37，在高频振动头36的外壁上端固设有挂钩7。挂钩7和钢丝绳30连接。高频振动头36通过法兰盘46和钻杆39连接。高频振动装置用于为取样机具提供振动力。
在波纹板14的上端面的四周竖直固设有多根立柱4，在相邻两根立柱4之间装设有护栏16。
上述铝合金框架3包括多个横向撑2、多个纵向撑5、多个斜向撑9和多个挂孔板8；多个横向撑2水平均匀固设在波纹板14的下端面上，多个纵向撑5垂直设置在两个相邻横向撑2之间，多个斜向撑9分别固设在横向撑2和纵向撑5之间，多个挂孔板8分别固设在纵向撑5上，且位于多个充气袋1的两端。横向撑2、纵向撑5、斜向撑9间通过连接角6固定。位于每个充气袋1两端的两个挂孔板8通过其上孔眼连接捆扎带20，捆扎带20将充气袋1与铝合金框架纵向撑5紧固在一起。尾挂机11装设在铝合金框架3一侧的横向撑2上。
方孔13尺寸为0.3m×0.3m。
一种高频振动软土取样系统的水底软土取样方法，其特征包含以下步骤：
第一、根据设计软土取样长度，决定取样管长度，并将其安放在取样钻杆内。将取样卡簧安放在管靴中。
第二、将取样机具的水口管、取样钻杆及管靴在平台安装好，顶端与已与钢丝绳连接的钻具提引器相连。通过卷扬手柄控制绞盘下放钢丝绳，使取样机具经方孔上引导管放入水下。
第三、用卡盘夹夹紧取样机具上部，撘放在引导管底座上端，钻具提引器从取样机具上卸下。在取样机具上连接钻杆，钻杆上端连接已与钢丝绳连接的钻具提引器，继续下放取样机具。
第四、重复步骤第三，直至取样机具最底端的管靴接触水底土层后，将钻具提引器从钻杆卸下。完成取样机具下放至水底操作。
第五、将高频振动头通过法兰盘与钻杆相连，挠性轴一端与高频振动头相连，一端与发动机相连。发动机通过挠性轴向高频振动头提供高频声波振动力。
第六、取样机具经高频振动，底端的管靴及取样钻杆进入软土层中，软土经管靴内腔贯入管靴内取样卡簧中，再进入取样钻杆内的取样管中。
第七、软土贯入过程中，取样管内的水，在进入管内的软土顶托下通过其上水口管的水口排出，使软土顺利进入取样管顶端。
第八、取样机具提起过程中，在取样软土重力作用下，取样卡簧上簧片弯曲，逆止取样软土倒流，使取样软土完整保留在取样管内。
第九、高频振动头从钻杆上卸下，钻具提引器与钻杆相连，将取样机具提起逐节拆卸，直至取样管从取样钻杆中取出，两端用密封盖封闭，完成软土取样。

Claims (6)

1.一种高频振动软土取样系统，包括水上平台装置、机台底座、机具提引装置和取样机具，其特征在于：
水上平台装置包括多个充气袋(1)、波纹板(14)、铝合金框架(3)；波纹板(14)水平设置，铝合金框架(3)固设在波纹板(14)下端面上，多个充气袋(1)固设在铝合金框架(3)的下端面上，在波纹板(14)的中心处开设有方孔(13)，在铝合金框架(3)的四角装设有四个锚耳(17)，每个锚耳(17)通过锚绳(18)连接有锚具(19)，在铝合金框架(3)的一侧装设有尾挂机(11)；
机台底座包括两个工字钢(23)、提引架底座(26)、引导管底座(25)、立管(53)和引导管(52)；两个工字钢(23)平行固设在波纹板(14)的上端面上并且分别位于方孔(13)的两端，引导管底座(25)固设在两个工字钢(23)的上端面上，并且位于方孔(13)的上方在引导管底座(25)上开设有管孔(10)，引导管(52)插入管孔(10)内且和管孔(10)固定连接；在提引架底座(26)上开设有引导管安装孔(15)，立管(53)竖直固设在提引架底座(26)的上端面上，引导管(52)穿过引导管安装孔(15)，提引架底座(26)固设在引导管底座(25)的上端面上，在引导管(52)的上端装设有卡盘夹(27)；
机具提引装置包括提引架(34)、绞盘(32)、滑轮(31)、钢丝绳(30)和卷扬手柄(33)；提引架(34)套设在立管(53)的外端，滑轮(31)装设在提引架(34)的上端且和提引架(34)铰接，在提引架(34)的外壁上固设有支板(47)，绞盘(32)装设在支板(47)上且和支板(47)铰接，卷扬手柄(33)固设在绞盘(32)的侧壁中心处，钢丝绳(30)一端缠绕在绞盘(32)上，另一端绕过滑轮(31)装设有钻具提引器(29)或振动装置；
取样机具包括钻杆(39)、水口管(45)、取样钻杆(35)和管靴(41)；钻杆(39)竖直插入引导管(52)内，水口管(45)装设在钻杆(39)的下端并且螺纹连接，在水口管(45)的管壁上开设有斜面水口(54)，水口管(45)上端为封死结构死堵(40)；取样钻杆(35)装设在水口管(45)的下端并且螺纹连接，在取样钻杆(35)内插入有取样管(44)，取样钻杆(35)和取样管(44)的长度相同；管靴(41)装设在取样钻杆(35)的下端并且螺纹连接；
管靴(41)上部为圆柱形，下部为锥形，呈一体结构，内设通孔(28)与取样钻杆(35)相通；管靴(41)内部中间部位设有变径台(42)，在管靴(41)内装设有取样卡簧(43)，取样卡簧(43)坐在变径台(42)上，并与管靴(41)之间留有间隙(51)； 取样卡簧(43)由环状的卡环(49)和固定在卡环(49)上的多个簧片(50)构成并且为一体结构，整体呈向上锥形；在钻杆(39)的上端与已与钢丝绳(30)连接的钻具提引器(29)相连，或通过法兰盘(46)与振动装置的下端相连。
2.根据权利要求1所述的一种高频振动软土取样系统，其特征在于：上述振动装置包括发动机(12)、挠性轴(48)和高频振动头(36)，发动机(12)的壳体装设在波纹板(14)上，发动机(12)的动力输出轴通过挠性轴(48)和高频振动头(36)的动力输入轴连接；高频振动头(36)的外壁上固设有振动头手柄(37)，在高频振动头(36)的外壁上端固设有挂钩(7)；挂钩(7)和钢丝绳(30)连接；高频振动头(36)通过法兰盘(46)和钻杆(39)连接。
3.根据权利要求1所述的一种高频振动软土取样系统，其特征在于：在波纹板(14)的上端面的四周竖直固设有多根立柱(4)，在相邻两根立柱(4)之间装设有护栏(16)。
4.根据权利要求1所述的一种高频振动软土取样系统，其特征在于：上述铝合金框架包括多个横向撑(2)、多个纵向撑(5)、多个斜向撑(9)和多个挂孔板(8)；多个横向撑(2)水平均匀固设在波纹板(14)的下端面上，多个纵向撑(5)垂直设置在两个相邻横向撑(2)之间，多个斜向撑(9)分别固设在横向撑(2)和纵向撑(5)之间，多个挂孔板（8）分别固设在纵向撑（5）上，且位于多个充气袋1的两端；横向撑（2）、纵向撑（5）、斜向撑（9）间通过连接角（6）固定，位于每个充气袋（1）两端的两个挂孔板（8）通过其上孔眼连接捆扎带（20），捆扎带（20）将充气袋（1）与铝合金框架纵向撑（5）紧固在一起；尾挂机(11)装设在铝合金框架(3)一侧的横向撑(2)上。
5.根据权利要求1所述的一种高频振动软土取样系统，其特征在于：方孔(13)尺寸为0.3m×0.3m。
6.一种高频振动软土取样系统的水底软土取样方法，其特征包含以下步骤：
第一、根据设计软土取样长度，决定取样管长度，并将其安放在取样钻杆内；将取样卡簧安放在管靴中；
第二、将取样机具的水口管、取样钻杆和管靴在平台安装好，顶端与已与钢丝绳连接的钻具提引器相连；通过卷扬手柄控制绞盘下放钢丝绳，使取样机具经方孔上引导管放入水下；
第三、用卡盘夹夹紧取样机具上部，撘放在引导管底座上端，钻具提引器从取样机具上卸下；在取样机具上连接钻杆，钻杆上端连接已与钢丝绳连接的钻具提引器，继续下放取样机具；
第四、重复步骤第三，直至取样机具最底端的管靴接触水底土层后，将钻具提引器从钻杆卸下；完成取样机具下放至水底操作；
第五、将高频振动头通过法兰盘与钻杆相连，挠性轴一端与高频振动头相连，一端与发动机相连；发动机通过挠性轴向高频振动头提供高频声波振动力；
第六、取样机具经高频振动，底端的管靴及取样钻杆进入软土层中，软土经管靴内腔贯入管靴内取样卡簧中，再进入取样钻杆内的取样管中；
第七、软土贯入过程中，取样管内的水，在进入管内的软土顶托下通过其上水口管的水口排出，使软土顺利进入取样管顶端；
第八、取样机具提起过程中，在取样软土重力作用下，取样卡簧簧片弯曲，逆止取样软土倒流，使取样软土完整保留在取样管内；
第九、高频振动头从钻杆上卸下，钻具提引器与钻杆相连，将取样机具提起逐节拆卸，直至取样管从取样钻杆中取出，两端用密封盖封闭，完成软土取样。
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