CN108627363A - 一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，包括驱动帽轴、中空螺旋钻、钻杆、调整钻杆、连接件、轴承组件、取样管和钻头，中空螺旋钻套设在依次连接的钻杆、调整钻杆、连接件、轴承组件和取样管外侧，驱动帽轴设在中空螺旋钻顶端，中空螺旋钻与钻杆的顶端连为一体，中空螺旋钻带动钻杆、调整钻杆和连接件同步旋转下压，取样管通过轴承组件只直压取样不发生旋转。本发明还公开了一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样方法。本发明有效采集土壤样品，并能够保证土壤样品的无扰动性和样品量，进而有利于保证土壤取样结果的准确性；此外，还可以合理利用取样形成的土孔，实现土壤取样和地下水监测井建立同步完成。
Description
技术领域
本发明属于土壤采样技术领域，涉及一种土壤采样工具，特别涉及一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具和方法。
背景技术
样品采集在场地污染调查中是一项非常重要的工作，采样质量的好坏对取得的场地污染调查资料真实性至关重要。不具有代表性的样品、错层错位的样品、受到交叉污染的样品不仅不能真实反映土壤真实理化状态和污染程度，甚至会对研究者造成误导，进而影响对场地土壤污染状态的判断，影响后续的修复、监测等工作的决策。
针对如何取出原始状态的土样问题，研究者们开发出适应不同地质情况的采样设备和方法，用来完成土壤采样作业。土壤剖面样品的采集一般采用挖坑法和钻孔法，其中挖坑法虽然能够取到不同深度的原状土壤样品，但是工作量比较大、效率低，而且这种取样方式所挖掘的面积比较大，因此对周围环境破坏比较大。钻孔法是采用人力或者机械力把钻杆钻入土壤层中，这种方式相比于挖坑法，减小了挖掘面积，降低了对取样位置周围环境的破坏。
直接推进式土壤取样方法是钻孔法中的一种，它是通过推进、贯入和振动的方式将取样头、钻杆、井管钻进沉积物或者软岩中，以快速采集代表性的土壤、土壤气体和地下水样品。直接推进技术不引入水或者其他钻井液，相较传统的地质勘探取样方法，对土壤的扰动更小，更适合污染场地的样品采集，因此在国内外污染场地调查和修复中得到广泛推广和应用。然而在应用该技术进行土壤取样的过程，也发现其一些缺点：直接推进所需的驱动力比传统回转钻进要大，钻进过程中会产生土层压缩，当钻探深度较大时，钻杆与孔壁产生的摩擦力会形成巨大的阻力，造成了其钻进深度较小；配套工具管径较小，有时不能满足实验室测试样品量的需求。
纵观已有的无扰动土壤取样技术，或是直接推进取样的方式，压缩率大、钻进深度受限，或是传统农业土壤工具的改进，取样深度局限在5米以内，均不能很好地完成连续无扰动深层土壤样品采集，且不能解决坚硬地层、碎石地层等复杂情况下的土壤样品采集。另外以上现有技术的取样设备在样品采集完成后，均没有对形成的土孔做很好的处理和安全利用。
因此，需要设计一种新的取样工具和方法，既能保留直接推进取样技术的优势，又能突破其在采样深度上的限制，同时取得更大量的土壤样品，满足更多测试指标的测试量要求。
发明内容
为了克服采用现有直接推进土壤取样时，土壤压缩率较大、取样深度受限、取样量较小的缺陷，本发明的目的在于提供一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，其能够有效采集土壤样品，并能够保证土壤样品的无扰动性和样品量，进而有利于保证土壤取样结果的准确性。此外，还可以合理利用取样形成的土孔，实现土壤取样和地下水监测井建立同步完成。
本发明的另一目的在于提供一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，包括驱动帽轴、中空螺旋钻、钻杆、调整钻杆、连接件、轴承组件、取样管和钻头，中空螺旋钻套设在依次连接的钻杆、调整钻杆、连接件、轴承组件、取样管和钻头外侧，中空螺旋钻的外部盘绕有螺旋截齿；所述驱动帽轴设置在中空螺旋钻顶端，中空螺旋钻与钻杆的顶端连接设置为一个整体，中空螺旋钻带动钻杆、调整钻杆和连接件同步旋转下压，所述取样管通过轴承组件只直压取样不发生旋转。
进一步地，所述驱动帽轴与中空螺旋钻螺纹连接，所述钻杆顶端通过螺纹连接有钻杆适配帽，钻杆适配帽与所述驱动帽轴通过销轴连为一体，从而所述中空螺旋钻与钻杆连为一体。
进一步地，所述轴承组件包括成对角接触球轴承、轴承外套和轴承内套，成对角接触球轴承位于轴承外套和轴承内套之间，轴承内套内侧设有空腔；所述连接件的外螺纹与轴承外套的内螺纹连接，所述取样管的外螺纹与轴承内套的内螺纹连接。
进一步地，与现有直推取样管的内径相比，所述取样管的内径较大；取样管的底端设有倒锥形的单向防漏结构，单向防漏结构的中心设有孔洞，孔洞的周围设有多片防漏叶片，防漏叶片的端部与所述取样管连接。
进一步地，所述钻杆可设置多根，多根钻杆依次通过螺纹连接在一起。
进一步地，所述依次连接的钻杆、调整钻杆、连接件、轴承组件和取样管之间均通过螺纹连接。
进一步地，所述中空螺旋钻的外侧底端设有爪型结构。
一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样方法，包括如下：
(1)采样时，马达驱动所述驱动帽轴旋转下压，带动所述中空螺旋钻连续旋转下压，此时同步旋转下压动作由所述钻杆、调整钻杆和连接件传递至所述轴承组件，轴承组件使得所述取样管只有下压动作，没有旋转动作，取样管完成直压取样工作；
(2)待取样结束后，取下所述驱动帽轴，由钻杆回拔设备将钻杆及其以下部分拔出，可得到所述取样管内所取土壤样品；
(3)重复以上步骤，可实现连续取样功能。
进一步地，采样结束后，利用钻机拔出所述中空螺旋钻，在形成的土孔中，放入开有筛缝的地下水监测井管，开筛位置由监测要求决定，在需要滤水的井管周围填入符合标准的滤料，在需要封堵的井管周围填入封堵材料，设置井台和井盖标记，即可形成标准地下水监测井。
进一步地，所述轴承组件中的轴承外套和轴承发生旋转下压动作，而轴承内套只下压不发生旋转动作。
与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
(1)本发明的无扰动土壤采样工具，包括外部螺旋钻和内部取样管，通过在中空螺旋钻腔体内放置取样管，可以在螺旋钻钻进过程中，将土壤切削进入内部取样管中，从而收集到连续的土壤样品，实现连续土壤样品的无扰动采集，保证土壤样品采集质量。
(2)本发明的无扰动土壤采样工具，其钻进方式为螺旋钻进，动力来自直接推进钻机的液压动力，相较于直接推进钻进(其钻进深度的极限为30米)，钻头及钻杆与孔壁的阻力更小，能够钻进至更深的深度(利用本发明的工具钻进深度可达30-50米，甚至50米以上)，从而获得更大深度的无扰动土壤样品。
(3)本发明的无扰动土壤采样工具，其钻进方式为螺旋钻进，钻进过程中无需引入水源或钻井液，有效避免了取样过程中的交叉污染和二次污染问题。
(4)本发明的无扰动土壤采样工具，放置在中空螺旋钻腔体内的取样管，其内径更大，比如是传统直接推进土壤取样管内径的2倍甚至以上，如其内径是传统直接推进土壤取样管内径的2倍时，所取得的土壤样品量是传统方法的4倍。
(5)本发明的无扰动土壤采样工具，螺旋钻周身外部带有截齿，在钻遇坚硬碎石或者混凝土时，可以有效磨碎从而继续钻进，内部取样管的内径较大，粒径较小的碎石可直接进入取样管，而不会发生卡阻问题，大大优化了直接推进土壤取样切削钻头无法适应坚硬地层、碎石地层的问题。
(6)本发明的无扰动土壤采样工具，在取样完成后，形成较大口径的土空，可以将内部取样管取出，下入开有筛缝的地下水井管，并在井管周围填入滤料和封堵材料，其地下水监测井和滤料填充厚度均能满足相关场地地下水监测井的质量要求。从而实现一次钻进，同时完成土壤取样和地下水监测井建立两项工作，大大提高现场工作效率。
附图说明
图1是本发明土壤采样工具的结构示意图；
图2是本发明土壤采样工具中的轴承组件放大示意图；
其中，1-螺旋钻驱动帽，2-钻杆适配帽，3-销轴，4-中空螺旋钻，5-钻杆，6-调整钻杆，7-压盖，8-轴承组件，9-钢制取样管，10-切削钻头，11-成对角接触球轴承，12-轴承外套，13-轴承内套。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，包括螺旋钻驱动帽1、钻杆适配帽2、销轴3、中空螺旋钻4、钻杆5、调整钻杆6、压盖7、轴承组件8、钢制取样管9、切削钻头10。
其中，中空螺旋钻4内套设有钻杆5，钻杆5下接调整钻杆6；中空螺旋钻4的顶部设有螺旋钻驱动帽1，螺旋钻驱动帽1和中空螺旋钻4螺纹连接；钻杆5顶部设有钻杆适配帽2，钻杆5和钻杆适配帽2螺纹连接；螺旋钻驱动帽1和钻杆适配帽2用销轴3连接在一起，从而将中空螺旋钻4和钻杆5连为一体。使用时驱动马达直接与螺旋钻驱动帽1连接，驱动螺旋钻驱动帽1和钻杆5等结构旋转下压。
优选的是，钻杆5可以设置多根。多根钻杆5依次连接在一起，多根钻杆5之间通过螺纹连接。
优选的是，中空螺旋钻4的外部盘绕螺旋截齿，螺旋截齿的材质要求坚硬，在钻遇坚硬碎石或者混凝土时，可以有效磨碎从而继续钻进。螺旋截齿与中空螺旋钻4分别铸造后在组装而成。
优选的是，中空螺旋钻4的外侧底端设有爪型结构，起到支撑且破碎土块的作用。
调整钻杆6可调整钢制取样管9、切削钻头10与中空螺旋钻4底部之间的上下偏差距离。
调整钻杆6的上部与钻杆5螺纹连接，其下部与压盖7螺纹连接；轴承组件8上与压盖7连接，下与钢制取样管9连接。
其中，轴承组件8包括成对角接触球轴承11、轴承外套12和轴承内套13，成对角接触球轴承11位于轴承外套12和轴承内套13之间，轴承内套13内侧设有空腔，用于放置钢制取样管9的顶端。具体为：压盖7的外螺纹与轴承外套12的内螺纹连接，钢制取样管9的外螺纹与轴承内套13的内螺纹连接。
钢制取样管9的底端设有倒锥形的单向防漏结构，使得取得的土样只进不出，防止已经取得的土样漏出。单向防漏结构的中心设有孔洞，孔洞的周围设有多片防漏叶片，防漏叶片的端部与钢制取样管9连接。
钢制取样管9的下部与切削钻头10螺纹连接。
取样管的材质并没有特殊限定，比如钢制取样管9。
本实施例放置在中空螺旋钻1腔体内的钢制取样管9，其内径更大，比如是传统直接推进土壤取样管内径的2倍甚至以上，如其内径是传统直接推进土壤取样管内径的2倍时，所取得的土壤样品量是传统方法的4倍。
工作时，按以上连接部分连接好，马达直接与螺旋钻驱动帽1连接，驱动螺旋钻驱动帽1旋转、下压；位于中空螺旋钻4的内部取样设备的下压力传递路线依次为：钻杆适配帽2—钻杆5—调整钻杆6—压盖7—轴承外套12—成对角接触球轴承11—轴承内套13—钢制取样管9。
中空螺旋钻4连续旋转下压，旋转动作由销轴3、钻杆5、调整钻杆6、压盖7传递至轴承外套12和成对角接触球轴承11。
轴承内套13与钢制取样管9装配，可以保证钢制取样管9只有下压动作，没有旋转动作，完成直压取样的工作，只有下压没有旋转动作的结构还有轴承内套13和切削钻头10。切削钻头10可以在钢制取样管9直推钻进过程中，将土壤切削进入内部钢制取样管9中。
此外，轴承外套12由耐磨材质加工而成，工作过程中对钢制取样管9起导向作用。
取样结束后，取出销轴3，旋开螺旋钻驱动帽1及钻杆适配帽2，即可由钻杆回拔设备将钻杆5及以下部分拔出，回拔力传递路线为：钻杆5—调整钻杆6—压盖7—轴承外套12—成对角接触球轴承11—轴承内套13—钢制取样管9。得到钢制取样管9内所取土壤样品。重复以上步骤，可以实现连续取样功能。
实施例2
如图1所示，本实施例的螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，包括螺旋钻驱动帽1、钻杆适配帽2、销轴3、中空螺旋钻4、钻杆5、调整钻杆6、压盖7、轴承组件8、钢制取样管9、切削钻头10。
其中，中空螺旋钻4内套设有钻杆5，钻杆5下接调整钻杆6；中空螺旋钻4的顶部设有螺旋钻驱动帽1，螺旋钻驱动帽1和中空螺旋钻4螺纹连接；钻杆5顶部设有钻杆适配帽2，钻杆5和钻杆适配帽2螺纹连接；螺旋钻驱动帽1和钻杆适配帽2用销轴3连接在一起，从而将中空螺旋钻4和钻杆5连为一体。使用时驱动马达直接与螺旋钻驱动帽1连接，驱动螺旋钻驱动帽1和钻杆5等结构旋转下压。
优选的是，钻杆5可以设置多根。多根钻杆5依次连接在一起，多根钻杆5之间通过螺纹连接。
优选的是，中空螺旋钻4的外部盘绕螺旋截齿，螺旋截齿的材质要求坚硬，在钻遇坚硬碎石或者混凝土时，可以有效磨碎从而继续钻进。螺旋截齿与中空螺旋钻4分别铸造后在组装而成。
优选的是，中空螺旋钻4的外侧底端设有爪型结构，起到支撑且破碎土块的作用。
调整钻杆6可调整钢制取样管9、切削钻头10与中空螺旋钻4底部之间的上下偏差距离。
调整钻杆6的上部与钻杆5螺纹连接，其下部与压盖7螺纹连接；轴承组件8上与压盖7连接，下与钢制取样管9连接。
其中，轴承组件8包括成对角接触球轴承11、轴承外套12和轴承内套13，成对角接触球轴承11位于轴承外套12和轴承内套13之间，轴承内套13内侧设有空腔，用于放置钢制取样管9的顶端。具体为：压盖7的外螺纹与轴承外套12的内螺纹连接，钢制取样管9的外螺纹与轴承内套13的内螺纹连接。
钢制取样管9的底端设有倒锥形的单向防漏结构，使得取得的土样只进不出，防止已经取得的土样漏出。单向防漏结构的中心设有孔洞，孔洞的周围设有多片防漏叶片，防漏叶片的端部与钢制取样管9连接。
钢制取样管9的下部与切削钻头10螺纹连接。
取样管的材质并没有特殊限定，比如钢制取样管9。
本实施例放置在中空螺旋钻1腔体内的钢制取样管9，其内径更大，比如是传统直接推进土壤取样管内径的2倍甚至以上，如其内径是传统直接推进土壤取样管内径的2倍时，所取得的土壤样品量是传统方法的4倍。
工作时，按以上连接部分连接好，马达直接与螺旋钻驱动帽1连接，驱动螺旋钻驱动帽1旋转、下压；位于中空螺旋钻4的内部取样设备的下压力传递路线依次为：钻杆适配帽2—钻杆5—调整钻杆6—压盖7—轴承外套12—成对角接触球轴承11—轴承内套13—钢制取样管9。
中空螺旋钻4连续旋转下压，旋转动作由销轴3、钻杆5、调整钻杆6、压盖7传递至轴承外套12和成对角接触球轴承11。
轴承内套13与钢制取样管9装配，可以保证钢制取样管9只有下压动作，没有旋转动作，完成直压取样的工作，只有下压没有旋转动作的结构还有轴承内套13和切削钻头10。切削钻头10可以在钢制取样管9直推钻进过程中，将土壤切削进入内部钢制取样管9中。
此外，轴承外套12由耐磨材质加工而成，工作过程中对钢制取样管9起导向作用。
第一根钻杆5钻井结束后，取出销轴3，旋开螺旋钻驱动帽1及钻杆适配帽2，即可由钻杆回拔设备将钻杆5及以下部分拔出，回拔力传递路线为：钻杆5—调整钻杆6—压盖7—轴承外套12—成对角接触球轴承11—轴承内套13—钢制取样管9。得到钢制取样管9内所取土壤样品。重复以上步骤，可以实现连续取样功能。
土壤样品采集结束后，取出销轴3，旋开螺旋钻驱动帽1及钻杆适配帽2，由钻杆回拔设备将钻杆5及以下部分拔出，回拔力传递路线为：钻杆5—调整钻杆6—压盖7—轴承外套12—成对角接触球轴承11—轴承内套13—钢制取样管9。利用钻机拔出中空螺旋钻4，在形成的土孔中，下入开有筛缝的PVC或不锈钢地下水监测井管，开筛位置由监测要求决定，在需要滤水的井管周围填入符合标准的滤料，在需要封堵的井管周围填入封堵材料，设置井台井盖标记，形成一口标准地下水监测井。
以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，其特征在于，包括驱动帽轴、中空螺旋钻、钻杆、调整钻杆、连接件、轴承组件、取样管和钻头，中空螺旋钻套设在依次连接的钻杆、调整钻杆、连接件、轴承组件、取样管和钻头外侧，中空螺旋钻的外部盘绕有螺旋截齿；所述驱动帽轴设置在中空螺旋钻顶端，中空螺旋钻与钻杆的顶端连接设置为一个整体，中空螺旋钻带动钻杆、调整钻杆和连接件同步旋转下压，所述取样管通过轴承组件只直压取样不发生旋转。
2.如权利要求1所述的一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，其特征在于，所述驱动帽轴与中空螺旋钻螺纹连接，所述钻杆顶端通过螺纹连接有钻杆适配帽，钻杆适配帽与所述驱动帽轴通过销轴连为一体，从而所述中空螺旋钻与钻杆连为一体。
3.如权利要求1所述的一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，其特征在于，所述轴承组件包括成对角接触球轴承、轴承外套和轴承内套，成对角接触球轴承位于轴承外套和轴承内套之间，轴承内套内侧设有空腔；所述连接件的外螺纹与轴承外套的内螺纹连接，所述取样管的外螺纹与轴承内套的内螺纹连接。
4.如权利要求1-3任意之一所述的一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，其特征在于，与现有直推取样管的内径相比，所述取样管的内径较大；取样管的底端设有倒锥形的单向防漏结构，单向防漏结构的中心设有孔洞，孔洞的周围设有多片防漏叶片，防漏叶片的端部与所述取样管连接。
5.如权利要求1-3任意之一所述的一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，其特征在于，所述钻杆可设置多根，多根钻杆依次通过螺纹连接在一起。
6.如权利要求1-3任意之一所述的一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，其特征在于，所述依次连接的钻杆、调整钻杆、连接件、轴承组件和取样管之间均通过螺纹连接。
7.如权利要求1-3任意之一所述的一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样工具，其特征在于，所述中空螺旋钻的外侧底端设有爪型结构。
8.一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样方法，其特征在于，包括如下：
(1)采样时，马达驱动所述驱动帽轴旋转下压，带动所述中空螺旋钻连续旋转下压，此时同步旋转下压动作由所述钻杆、调整钻杆和连接件传递至所述轴承组件，轴承组件使得所述取样管只有下压动作，没有旋转动作，取样管完成直压取样工作；
(2)待取样结束后，取下所述驱动帽轴，由钻杆回拔设备将钻杆及其以下部分拔出，可得到所述取样管内所取土壤样品；
(3)重复以上步骤，可实现连续取样功能。
9.如权利要求8所述的一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样方法，其特征在于，采样结束后，利用钻机拔出所述中空螺旋钻，在形成的土孔中，放入开有筛缝的地下水监测井管，开筛位置由监测要求决定，在需要滤水的井管周围填入符合标准的滤料，在需要封堵的井管周围填入封堵材料，设置井台和井盖标记，即可形成标准地下水监测井。
10.如权利要求8或9所述的一种螺旋与直推钻进结合的无扰动土壤采样方法，其特征在于，所述轴承组件中的轴承外套和轴承发生旋转下压动作，而轴承内套只下压不发生旋转动作。
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