CN107966316B - 一种液压固定式取样器及其取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种新型的液压固定式取样器及其取样方法，取样器从上到下依次包括钻杆接头、环形封盖、真空内管、环形活塞、缸筒、活塞杆、固定管、固定环、顶板以及取样管；所述的缸筒内布有压力释放孔和排水孔；所述的液压传动系统通过钻杆与取样器上部的钻杆接头相连。该新型的液压固定式取样器结构简单、取样速度快、操作简单、取样质量高、取样成本低，为土木工程岩土勘探提供有力的勘察工具。

Description

一种液压固定式取样器及其取样方法

技术领域

本发明涉及一种液压固定式取样器，属于土木工程中的岩土工程领域。

背景技术

随着岩土工程的不断发展，人们对地下岩、土体的探求欲望越来越大，因此需对某深度处的岩、土体进行取样，测试其物理力学参数。然而样品质量能够显著影响其物理力学参数，进而影响建设项目的安全性和造价，因此取样器的类型以及其正确、合理选择对样品质量至关重要。目前获取原状试样的取样器种类众多，例如大直径取样器能够获取优良品质的样品，但其取样深度只有15~25米，并且取样成本高。随着取样技术的进一步发展，固定活塞取样器（液压取样器、油压取样器）的出现，不仅能够获得高品质的样品而且其取样深度不受限制，取样成本相对较低，但目前的液压取样器由于动力不足其套管局限于76.2毫米，取样管的选择也是单一化，并不能适应于各种直径的取样管。

因此，研发一种新型的液压固定式取样器，在传统液压固定活塞取样器的基础上，增加真空内管和三向水泵，能够获取任意取样深度处高质量的样品，从而准确、经济且有效地提供地下土体的设计资料，对于岩土工程设计的安全和可靠性具有重大的理论意义与实践价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前传统液压固定活塞取样器存在的缺陷，提出一种新型的液压固定式取样器，要达到恒速、连续、高品质及低成本取样的目标。

为达到上述目的，本发明采用如下具体技术方案：

一种液压固定式取样器，包括：

一缸筒，所述缸筒的上端设有和钻杆连接的螺纹连接端，缸筒的底端设有密封端，缸筒的下部筒壁内设有用于释放压力气体和压力液体的水压释放通道，缸筒的顶端设有对所述水压释放通道进行封口的环形封盖；

一环形活塞，滑动密封设置于所述缸筒内，环形活塞的底部与一活塞杆的一端连接，活塞杆的另一端穿设出缸筒底端的密封端与一取样装置固定连接，所述取样装置包括：顶板、设置于顶板底部的取样管体以及固定连接在所述取样管体内部的固定活塞，固定活塞将所述取样管体的内腔分割成位于固定活塞上部的储气腔以及位于固定活塞下部的取样腔，固定活塞的中心设有中心通孔；

一真空内管，其一端穿过所述环形活塞的内圈设置于所述缸筒内，另一端穿过所述取样装置的顶板后插接在所述固定活塞的中心通孔中；

取样管体上位于所述取样腔的腔壁内设有供气体流通的第一进气通道；所述固定活塞的外壁和取样管体的管内壁之间设有供气体流通的第二进气通道；第一进气通道、第二进气通道以及所述储气腔依次连通；储气腔的顶部设有将所述储气腔和外界大气相连通的排气孔，排气孔内设有阀门；

真空内管位于缸筒内的一端封口，位于固定活塞的中心孔的另一端管壁上设有一开口；

所述固定活塞的内部设有一连通所述储气腔和所述开口的气流通道；

弹性伸缩机构，其一端与所述缸筒连接，另一端与所述取样装置连接。

所述真空内管的外部套接有一固定管，并且所述真空内管与固定管之间可相对转动；固定管的管壁位于缸筒内的部分和所述环形活塞的内圈固定连接，位于取样装置内的一端与取样装置内部的固定活塞固定连接。

所述弹性伸缩机构包括套接在所述取样管管壁外侧的固定环、以及至少两对弹簧，所述弹簧的一端与所述固定环固定连接，弹簧另一端与所述缸筒的底部固定连接。

一种基于所述液压固定式取样器的取样方法，包括以下几个步骤：

S1、工作时，将缸筒与液压传动系统、数据收集及处理设备连接好，固定在要取样的位置处；

S2、将缸筒固定，真空内管事先抽真空，抽真空后的真空内管一端放置于缸筒内并将上部密封保护好，取样装置采用螺纹的连接方式连接到活塞杆上；真空内管另一端放置在取样装置内与固定活塞的中心孔配合连接，此时，真空内管底部的开口与固定活塞内的气流通道不对接；

S3、液压传动系统中的加压液体通过钻杆持续进入环形活塞上部的缸筒内腔中，在加压液体作用下，环形活塞通过活塞杆带动整个取样装置一起沿真空内管向下运动，取样管进入土层中取样，当土体进入取样装置中位于固定活塞下部的取样腔中时，取样管中的空气受到土体挤压依次通过第一进气孔、第二进气孔进入所述储气腔中，此时，旋转真空内管，使真空内管下端侧壁上的开口与固定活塞上的所述气流通道对接，由于真空内管内是真空负压状态，储气腔内的空气将会被吸到真空内管中，保证取样质量以及将取样管从钻孔中取出时有足够的吸力使样品不会掉落；

S4、当环形活塞杆移动到有效取样长度，即环形活塞位于水压释放通道下方时，弹性伸缩机构达到最大长度，此时进入排水阶段，打开缸筒上位于缸筒侧壁顶端的环形封盖，缸筒中的高压气体和高压液体通过缸筒管壁内的水压释放通道从缸筒上部的环形封盖排出；弹性伸缩机构带动固定环将活塞杆及环形活塞拉回到原始位置，如此反复持续输入加压流体，反复释放加压流体，即可取得密实的土样；

S5、取样结束后，取样器在土层中停顿1~3mins，然后旋转取样器以从土壤沉积物中剪切样品的底部，待取样管从钻孔中取出后，立即打开储气腔上的排气孔，释放储气腔和真空内管中的空气，将样品取出，拆卸取样管；将固定活塞从取样管上拆卸下来，以便于排气清理。

所述液压传动系统为三向水泵。

本发明有益效果是：

本发明提供的一种新型的液压固定式取样器，解决了国内取样成本高、效率低、质量差的缺点。本发明液压固定式取样器，真空内管即为其增加的真空断路器，其长度横跨整个液压取样器，提供足够的真空环境，它连接到固定活塞的底部，与气流通道能更充分的将取样管中的空气吸走，保证样品质量，并与固定管共同连接取样器上下两部分，使取样管在液压作用下能够连续、稳定、多次取样。并且结构简单、质量控制良好、使用方便、取样速度快、取样效率高、取样结果准确可靠、重复性好，该测试系统为土木工程勘探实践提供有力的勘探工具。

附图说明

图1为本发明一种液压固定式取样器的结构示意图；

图2为水压和取样管贯入测试系统；

图中：1—环形封盖、2—真空内管、3—环形活塞、4—缸筒、5—活塞杆、6—压力释放孔、7—排水孔、8—固定管、9-1—排气孔、9-2—气流通道、9-3—开口、9-4—第一进气孔、9-5—第二进气孔、10—顶板、11—固定环、12—取样管、12-1-储气腔、13—固定活塞、14—钻杆接头、15—液压传动系统、16—测试及处理工具、17—钻杆、18—取样器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种新型的液压固定式取样器的工作原理做出进一步说明。

一种改进的液压取样器，见图1，包括：真空内管2、环形活塞3、缸筒4、活塞杆5、压力释放孔6、排水孔7、固定管8、排气孔9-1、固定环11、取样管12、固定活塞13、钻杆接头14。

本发明中，真空内管2即为其增加的真空断路器，其长度横跨整个液压取样器，提供足够的真空环境，它连接到固定活塞13的底部，与气流通道9-2能更充分的将取样管中的空气吸走，保证样品质量，并与固定管8共同连接取样器上下两部分，使取样管在液压作用下能够连续、稳定、多次取样。

本发明中，固定管8沿着取样器的中心轴线定位并固定于真空内管2的外部，横跨整个取样器的长度，与真空内管2共同连接取样器上、下两部分，使环形活塞及取样管在水压作用下沿缸筒4中心轴线上、下移动从而保护真空内管2外壁。

本发明中，活塞杆5一端位于该取样器的上部缸筒4内，活塞杆5另一端与取样器下部取样管的上端相连。活塞杆的运动由加压流体控制，运动速度和连续性取决于钻机的水泵和发动机功率。

本发明中，水压释放通道包括位于缸筒4内壁上的压力释放孔6和排水孔7，当环形活塞移动到有效取样长度时，即环形活塞位于排水孔7下方时，通过排水孔7和压力释放孔6释放取样器内的加压流体。

本发明中，当土体进入取样管时，土体挤压取样管中的空气使其从第一进气孔9-4、第二进气孔9-5进入取样管的储气腔中。

本发明中，固定环11固定于取样器下部的取样管外壁上，固定环通过弹簧与缸筒底部相连，在液压作用下固定环随着取样管一起下移，当活塞杆5移动到有效取样长度时即弹簧达到最大长度时，在弹簧拉力的作用下，固定环11、环形活塞3及活塞杆5一同回到原位。

本发明中，取样管12位于取样器下部结构处，可根据实际需要选用不同直径的取样管。随着加压液体的不断加入，取样管12连同取样器下半部分沿固定管8下滑进入土层中反复取样。

本发明中，排气孔9-1位于取样管的上端，取样结束后，将排气孔9-1打开，释放储气腔和真空内管中的空气。

本发明中，液压传动系统15通过钻杆17与缸筒4上部螺纹紧密相连，在输入加压液体时保证液体不外泄，压力不消散。

该取样器在传统液压取样器的基础上增加了真空内管2。普通液压取样器中不含真空内管2，将普通取样器取得的样品与本发明的含有真空内管2的取样器取得的样品相比质量相对较差，且样品更不易从取样管中完整取出，本文发明的新型的液压固定式取样器由于含有真空内管即真空断路器，可通过最终释放取样装置中的真空将样品从取样管中较完整，无损的分离出来。

下面阐述应用本发明的具体方法步骤：

S1、工作时，将缸筒与液压传动系统、数据收集及处理设备连接好，固定在要取样的位置处；

S2、将缸筒固定，真空内管事先抽真空，抽真空后的真空内管一端放置于缸筒内并将上部密封保护好，真空内管另一端放置在取样装置内与固定活塞的中心孔配合连接，此时，真空内管底部的开口与固定活塞内的气流通道不对接；取样装置采用螺纹的连接方式连接到活塞杆上；

S3、液压传动系统中的加压液体通过钻杆持续进入缸筒中，在加压液体作用下，环形活塞及活塞杆带动整个取样装置一起沿真空内管向下运动，取样管进入土层中取样，当土体进入取样装置下部的取样腔中时，取样腔中的空气受到土体挤压通过第一进气孔和第二进气孔进入所述储气腔中，旋转真空内管，使真空内管下端侧壁上的开口与固定活塞上的所述气流通道对接，由于真空内管内是真空负压状态，储气腔内的空气将会被吸到真空内管中，保证取样质量以及将取样管从钻孔中取出时有足够的吸力使样品不会掉落；

S4、当活塞杆移动到有效取样长度，即环形活塞位于水压释放通道下方时，弹性伸缩机构达到最大长度，此时进入排水阶段，打开缸筒上位于缸筒侧壁顶端的环形封盖，缸筒中的高压液体和高压气体通过缸筒管壁内的压力释放通道从缸筒上部的环形封盖排出；弹性伸缩机构带动固定环将活塞杆及环形活塞拉回到原始位置，如此反复持续输入加压流体，反复释放加压流体，即可取得密实的土样；

S5、取样结束后，取样器在土层中停顿1~3mins，然后旋转取样器以从土壤沉积物中剪切样品的底部，待取样管从钻孔中取出后，立即打开排气孔，释放储气腔和真空内管中的空气，将样品取出，拆卸取样管；将固定活塞从取样管上拆卸下来，以便于排气清理，整个取样过程迅速、连续，且样品质量较高。

作为本发明技术方案的一个优选实施例，所述液压传动系统为三向水泵。普通液压取样器的液压传动系统为单向或双向水泵，取样管在贯入过程中并不连续，贯入速度下降，平均为1.2~1.6cm/s，水压增加缓慢，增强的液压传动系统的加入，使取样管能恒速连续贯入土层中，贯入速度一般为6.4~7.6cm/s。提高了取样速度和取样质量，降低了取样成本。

本发明对传统液压固定活塞取样器进行了改进，合理设计了可用于深部及浅部土体取样的新型液压取样器，使得取样技术能更准确、稳定、可靠和全面地服务于岩土工程领域。

Claims (5)

1.一种液压固定式取样器，其特征在于，包括：

一缸筒，所述缸筒的上端设有和钻杆连接的螺纹连接端，缸筒的底端设有密封端，缸筒的下部筒壁内设有用于释放压力气体和压力液体的水压释放通道，缸筒的顶端设有对所述水压释放通道进行封口的环形封盖；

一环形活塞，滑动密封设置于所述缸筒内，环形活塞的底部与一活塞杆的一端连接，活塞杆的另一端穿设出缸筒底端的密封端与一取样装置固定连接，所述取样装置包括：顶板、设置于顶板底部的取样管体以及固定连接在所述取样管体内部的固定活塞，固定活塞将所述取样管体的内腔分割成位于固定活塞上部的储气腔以及位于固定活塞下部的取样腔，固定活塞的中心设有中心通孔；

一真空内管，其一端穿过所述环形活塞的内圈设置于所述缸筒内，另一端穿过所述取样装置的顶板后插接在所述固定活塞的中心通孔中；

取样管体上位于所述取样腔的腔壁内设有供气体流通的第一进气通道；所述固定活塞的外壁和取样管体的管内壁之间设有供气体流通的第二进气通道；第一进气通道、第二进气通道以及所述储气腔依次连通；储气腔的顶部设有将所述储气腔和外界大气相连通的排气孔，排气孔内设有阀门；

真空内管位于缸筒内的一端封口，位于固定活塞的中心孔的另一端管壁上设有一开口；

所述固定活塞的内部设有一连通所述储气腔和所述开口的气流通道；

弹性伸缩机构，其一端与所述缸筒连接，另一端与所述取样装置连接；

开始取样时，真空内管底部的开口与固定活塞内的气流通道不对接，待取样管进入土层中取样，当土体进入取样装置中的取样腔中时，旋转真空内管，使真空内管下端侧壁上的开口与固定活塞上的气流通道对接。

2.根据权利要求1所述的液压固定式取样器，其特征在于，所述真空内管的外部套接有一固定管，所述真空内管与固定管之间可相对转动；固定管的管壁位于缸筒内的部分和所述环形活塞的内圈固定连接，位于取样装置内的一端与取样装置内部的固定活塞固定连接。

3.根据权利要求1所述的液压固定式取样器，其特征在于，所述弹性伸缩机构包括套接在所述取样管管壁外侧的固定环、以及至少两对弹簧，所述弹簧的一端与所述固定环固定连接，弹簧另一端与所述缸筒的底部固定连接。

4.一种基于权利要求1所述液压固定式取样器的取样方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

S1、工作时，将缸筒与液压传动系统、数据收集及处理设备连接好，固定在要取样的位置处；

S2、将缸筒固定，真空内管事先抽真空，抽真空后的真空内管一端放置于缸筒内并将上部密封保护好，取样装置采用螺纹的连接方式连接到活塞杆上；真空内管另一端放置在取样装置内与固定活塞的中心孔配合连接，此时，真空内管底部的开口与固定活塞内的气流通道不对接；

S3、液压传动系统中的加压液体通过钻杆持续进入环形活塞上部的缸筒内腔中，在加压液体作用下，环形活塞通过活塞杆带动整个取样装置一起沿真空内管向下运动，取样管进入土层中取样，当土体进入取样装置中位于固定活塞下部的取样腔中时，取样管中的空气受到土体挤压依次通过第一进气孔、第二进气孔进入所述储气腔中，此时，旋转真空内管，使真空内管下端侧壁上的开口与固定活塞上的所述气流通道对接，由于真空内管内是真空负压状态，储气腔内的空气将会被吸到真空内管中，保证取样质量以及将取样管从钻孔中取出时有足够的吸力使样品不会掉落；

S4、当环形活塞杆移动到有效取样长度，即环形活塞位于水压释放通道下方时，弹性伸缩机构达到最大长度，此时进入排水阶段，打开缸筒上位于缸筒侧壁顶端的环形封盖，缸筒中的高压气体和高压液体通过缸筒管壁内的水压释放通道从缸筒上部的环形封盖排出；弹性伸缩机构带动固定环将活塞杆及环形活塞拉回到原始位置，如此反复持续输入加压流体，反复释放加压流体，即可取得密实的土样；

S5、取样结束后，取样器在土层中停顿1~3mins，然后旋转取样器以从土壤沉积物中剪切样品的底部，待取样管从钻孔中取出后，立即打开储气腔上的排气孔，释放储气腔和真空内管中的空气，将样品取出，拆卸取样管；将固定活塞从取样管上拆卸下来，以便于排气清理。

5.根据权利要求4所述液压固定式取样器的取样方法，其特征在于，所述液压传动系统为三向水泵。

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