CN109778824A - 一种端部卡片式的软弱土取样钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种端部卡片式的软弱土取样钻具，包括有钻具管，在钻具管内设有活塞机构，在活塞机构上方设有固定隔板，活塞机构通过弹性复位机构与固定隔板连接；在活塞机构与钻具管之间设有锁定卡合机构；活塞机构还连接有拉绳，拉绳从钻具管中朝下延伸；在拉绳的下端连接有活动卡片，活动卡片的尾端通过转轴固定在钻具管的管壁下部形成可旋转结构，拉绳使拉绳将活动卡片拉至朝钻具管内中间横向伸出，形成对钻具管内土样的支撑卡紧结构。本发明通过在钻具内活塞、卡合机构、拉绳及活动卡片，当土样充满钻具后，由于卡合机构的止挡会使钻具进尺停止钻进。同时活动卡片被拉绳同步拉升而截断土层，并会托住土层，使土样不会掉落。

Description

一种端部卡片式的软弱土取样钻具

技术领域

本发明涉及地质钻探技术领域，尤其涉及一种用于软弱土钻孔取样的地质钻设备。

背景技术

钻探是指用钻机在地层中钻孔，以鉴别和划分地表下地层，并可以沿孔深取样的一种勘探方法。钻探是工程地质勘察中应用最为广泛的一种勘探手段，它可以获得深层的地质资料。钻探作为目前最成熟的勘探手段，被广泛应用于国内外各类工程中，并且钻探作为最直观揭示深层下卧土层的技术手段，编入我国规范标准中。钻探技术也随着国内基础设施建设的加快，得到了长足的发展，无论从钻探技术、钻探设备和钻探精度等方面，都有很大的发展和进步。而且近些年来，钻探技术快速发展，逐渐适应各类地形地质条件，甚至江河、胡泊、海洋上都可以进行钻探，钻探深度几百至几千米不等。

在各类工程实践过程中，钻具不断的改进和更新，使之适应不同地形、不同土层的钻进和取样。传统的取样钻具多为通用型，在钻进过程中，操作人员为节省时间，加快钻进效率，用一种钻具进行钻深和取样。在坚硬土层中，这种方法较为合理，但是在软弱土层中，当软弱土层埋深较深时，钻进和提钻过程中以及剥离土样时，难免对软弱土进行扰动。如采用传统钻具，在软塑状态黏土中取样时，从深层提钻，钻具提升过程中，由于机械抖动等原因，难免使土样和钻具侧壁间产生相对位移。钻具提至地面后，多采用敲打、震动等方法分离土样，敲打过程中，也会产生相对位移，且震动容易导致土样析水，影响最终测试结果。最终得到的土样，较之原始土样，会被拉长，直径变小，且含水率也会受到影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种对于软弱土钻探更方便、深层取样更快捷、取样过程对原状土样扰动更小、可防止土样掉落、取样过程更加精确、使试验结果更精确的端部卡片式的软弱土取样钻具。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种端部卡片式的软弱土取样钻具，其与钻杆连接固定，包括有钻具管，其特征在于：在钻具管内的上部设置有一可上下活动的活塞机构，在活塞机构的上方固定有一固定隔板，活塞机构通过弹性复位机构与固定隔板连接形成可回弹复位的结构；在活塞机构与钻具管之间设置有用于在活塞机构被压缩时对活塞机构进行锁定的锁定卡合机构，通过该锁定卡合机构解除对活塞机构的锁定后，活塞机构通过弹性复位机构朝下推动至原始位置；活塞机构还连接有拉绳，拉绳从钻具管中朝下延伸；在拉绳的下端(靠近端口位置)连接有活动卡片，活动卡片的尾端通过转轴固定在钻具管的管壁下部形成可旋转结构，通过活塞机构带动拉绳使拉绳将活动卡片拉至朝钻具管内中间横向伸出，形成对钻具管内土样的支撑卡紧结构。

进一步地，所述活塞机构包括有活塞和活塞连接座，活塞与活塞连接座连接固定，活塞连接座通过弹性复位机构与固定隔板连接，所述锁定卡合机构设置于活塞连接座与钻具管之间。

进一步地，所述锁定卡合机构包括有固定在活塞连接座上端边缘位置的弹片式卡扣和设置于钻具管管壁中的锁定卡合孔，弹片式卡扣的上端设有朝外横向伸展并与锁定卡合孔相配的扣栓，在活塞上升至扣栓与锁定卡合孔对齐时弹片式卡扣推动扣栓插入锁定卡合孔内形成锁定结构。

进一步地，在活塞连接座的上端边缘位置还设有与弹片式卡扣相配的导槽，所述扣栓位于该导槽中，导槽形成对扣栓向上移动的导向限位结构，使扣栓能与锁定卡合孔准确对接。

进一步地，所述弹性复位机构包括有若干弹簧，每一弹簧套于一定向导杆上，定向导杆的下端与活塞连接座固定，并且定向导杆穿过固定隔板形成可上下活动的结构；在定向导杆的顶端具有卡帽，卡帽位于固定隔板上方形成防止活塞落下的结构。

进一步地，在钻具管的管壁中设有绳槽，所述拉绳从绳槽中穿过延伸至钻具管的下部与活动卡片连接，这样使拉绳不会影响土样的钻取。

进一步地，所述活动卡片共设有四处，形成十字分布设置于钻具管的管壁下部，且活动卡片为弯折结构，拉绳与其弯折处连接。拉绳将活动卡片拉起后使其前端水平插入芯样中，截断未进入钻具管的土层，并托住钻具管内的芯样。

进一步地，在锁定卡合孔内设置有可内外横向移动的防水活塞，防水活塞形成对钻具管内的防水结构以及对扣栓的顶出结构。

进一步地，所述活塞通过圆柱销与一对呈倒八字型的卡钳活动连接，卡钳的上端与活塞连接座连接成可旋转结构，并且卡钳的上部还装有扭簧，扭簧固定在活塞连接座上，便于活塞的安装和调节。

优选地，所述拉绳为钢丝绳，钢丝绳强度高，容易获得。

本钻具初始状态时与常规钻具无异，正常钻进，当钻具内充满土体时，土体接触到钻具内部的活塞。随着继续钻进，土样继续进入钻具内，并挤压活塞使其往上移动。这时，活塞产生位移，带动活塞连接座一起发生位移，并挤压顶部的弹簧。同时，随着活塞移动，弹簧逐渐压缩，钢丝绳被拉紧，使得端口处的活动卡片逐渐抬升，最终呈水平状。这时，上方弹簧经过压缩，活塞连接座上的扣栓经过位移，刚好卡进预留的锁定合孔内，活塞停止位移，钻具内不再新进土样。在活动卡片逐渐抬升的过程中，会逐渐切削土样，最终使土样与土层分离。当钻具内充满土样，钻进时即不再进尺，这时提起钻具，活动卡片对土样产生环抱撑托作用，使土样不会掉落，可全部取出。最后利用推杆等工具推动锁定卡合孔内的防水活塞，使扣栓被顶出锁定卡合孔，由于弹簧的推力作用，活塞连接座、活塞、钢丝绳及活塞卡片各最后复位，即可顺利取出完整的土样。

本发明通过在钻具内活塞、卡合机构、拉绳及活动卡片，当土样充满钻具后，由于卡合机构的止挡会使钻具进尺停止钻进。同时活动卡片被拉绳同步拉升而截断土层，并会托住土层，使得钻具提升过程中土样不会掉落。这样在进行软弱土取样时，既能减少因土样不连续造成的重复取样操作，又能钻取较为完整的软弱土样，减少机械操作对土样造成的扰动增加试验精度。可大幅减小工作量，并减少传统方法中对原状软弱土样的扰动，因而对软土取样极为有效。

附图说明

图1为本发明钻进前的剖面示意图；

图2为本发明钻进后的剖面示意图；

图3为图1的A-A剖面示意图；

图4为图2的B-B剖面示意图；

图5为锁定卡合结构在卡紧前的局部放大图；

图6为锁定卡合结构在卡紧后的局部放大图。

图中，1为钻杆，2为钻具管，3为拉绳，4为活动卡片，5为卡钳，6为扭簧，7为活塞，8为圆柱销，9为锁定卡合孔，10为弹簧，11为定向导杆，12为固定隔板，13为活塞连接座，14为绳槽，15为防水活塞，16为弹片式卡扣，17为导槽，18为扣栓。

具体实施方式

本实施例中，参照图1-图6，所述端部卡片式的软弱土取样钻具，其与钻杆1连接固定，包括有钻具管2，在钻具管2内的上部设置有一可上下活动的活塞机构，在活塞机构的上方固定有一固定隔板12，活塞机构通过弹性复位机构与固定隔板12连接形成可回弹复位的结构；在活塞机构与钻具管2之间设置有用于在活塞机构被压缩时对活塞机构进行锁定的锁定卡合机构，通过该锁定卡合机构解除对活塞机构的锁定后，活塞机构通过弹性复位机构朝下推动至原始位置；活塞机构还连接有拉绳3，拉绳3从钻具管2中朝下延伸；在拉绳3的下端(靠近端口位置)连接有活动卡片4，活动卡片4的尾端通过转轴固定在钻具管2的管壁下部形成可旋转结构，通过活塞机构带动拉绳3使拉绳3将活动卡片4拉至朝钻具管2内中间横向伸出，形成对钻具管2内土样的支撑卡紧结构。

所述活塞机构包括有活塞7和活塞连接座13，活塞7与活塞连接座13连接固定，活塞连接座13通过弹性复位机构与固定隔板12连接，所述锁定卡合机构设置于活塞连接座13与钻具管2之间。

所述锁定卡合机构包括有固定在活塞连接座13上端边缘位置的弹片式卡扣16和设置于钻具管2管壁中的锁定卡合孔9，弹片式卡扣16的上端设有朝外横向伸展并与锁定卡合孔9相配的扣栓18，在活塞7上升至扣栓18与锁定卡合孔9对齐时弹片式卡扣16推动扣栓18插入锁定卡合孔9内形成锁定结构。

在活塞连接座13的上端边缘位置还设有与弹片式卡扣16相配的导槽17，所述扣栓18位于该导槽17中，导槽17形成对扣栓向上移动的导向限位结构，使扣栓18能与锁定卡合孔9准确对接。

所述弹性复位机构包括有若干弹簧10，每一弹簧10套于一定向导杆11上，定向导杆11的下端与活塞连接座13固定，并且定向导杆11穿过固定隔板12形成可上下活动的结构；在定向导杆11的顶端具有卡帽，卡帽位于固定隔板12上方形成防止活塞7落下的结构。

在钻具管2的管壁中设有绳槽14，所述拉绳3从绳槽14中穿过延伸至钻具管2的下部与活动卡片4连接，这样使拉绳3不会影响土样的钻取。

所述活动卡片4共设有四处，形成十字分布设置于钻具管2的管壁下部，且活动卡片4为弯折结构，拉绳3与其弯折处连接。拉绳3将活动卡片4拉起后使其前端水平插入芯样中，截断未进入钻具管2的土层，并从四个方向托住钻具管2内的芯样。

在锁定卡合孔9内设置有可内外横向移动的防水活塞15，防水活塞15形成对钻具管2内的防水结构以及对扣栓18的顶出结构。

所述活塞7通过圆柱销8与一对呈倒八字型的卡钳5活动连接，卡钳5的上端与活塞连接座13连接成可旋转结构，并且卡钳5的上部还装有扭簧6，扭簧6固定在活塞连接座13上，便于活塞7的安装和调节。

所述拉绳3为钢丝绳，钢丝绳强度高，容易获得。

使用过程：第一步：根据地质勘察要求、测绘资料，以及现场实际条件，选用合适的钻机，并对场地进行必要的整平，准备好必要的水、电、燃料等；

第二步：进行钻机的安放，在合适位置布设泥浆循环池的设施；

第三步：用传统常用钻具和钻头进行钻进，及时查看循环泥浆带出的土样碎屑，判别碎屑类别，进一步判别所在土层类别；

第四步：当判定土层为软弱土，如粉质黏土、淤泥等土样，且必须对该土样进行取样时，提起钻孔中的原有钻杆和钻具；

第五步：将初始状态的本钻具整个安放到钻杆上，检查无误后开始下钻；

第六步：缓慢下钻并钻进，当钻杆进入上次钻进深度时，继续缓慢钻进，这时软弱土样开始逐渐进入钻具，直至土样接触到钻具内的活塞7。

第七步：当土样接触到活塞7后，继续钻进，土样继续进入钻具，则活塞7即会发生位移，从而推驶卡钳5位移，进而推驶活塞连接座13发生位移，从而压缩弹簧10。

第八步：当弹簧10压缩时，连接在活塞连接座13上的定向导杆11会穿过锁定卡合孔9发生位移，使得弹簧10可以自由伸缩。

第九步：继续压缩，连接在活塞连接板13上的弹片式卡扣16会与钻具侧壁发生相对位移，当扣栓18与导槽17一同位移，行至锁定卡合孔9处时，扣栓18自动弹至孔内，弹簧10不再位移。

第十步：由于锁定卡合孔9内的防水活塞15可在孔洞内自由活动，用推杆等工具解除卡合时，防水活塞15将卡栓18顶出，活塞机构解决锁定。

第十一步：安装活动卡片4位置处留有凹槽，当活动卡片4紧贴时，钻具内壁光滑。活塞卡片4通过金属圆柱销装置连接在内管壁，可90度旋转。

第十二步：当活塞连接座13移动时，带动拉绳3活动，拉绳3拉动活动卡片4发生旋转。当活塞7停止移动时，扣栓18刚好进入锁定卡合孔9内，拉绳3牵引活动卡片4至垂直状态。

第十三步：当活塞7逐渐向内部移动时，活动卡片4也逐渐旋转，旋转同时，逐渐切削土样，最终将土样与土层分离。

第十四步：达到第十二步状态时，继续钻进，则钻机无明显进尺，说明采样完成。这时开动钻机，将钻具与钻杆提至地面，卸下钻具至开阔位置。

第十五步：用推杆等工具推动防水活塞15，使卡栓18脱离卡扣状态，即解除卡扣。

第十六步：由于弹簧10的推力作用，土样可较轻松地完整取出。当遇到难以取出状态时，也可使用工具拉动拉绳3，通过活塞机构将土样拉出钻具。

第十七步：按照规范要求，进行操作和取样，立即将所取软土试样进行拍照，贴标签等，装进取样器内，密封；条件允许时，可立即送至实验室进行常规物理力学试验。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种端部卡片式的软弱土取样钻具，其与钻杆连接固定，包括有钻具管，其特征在于：在钻具管内的上部设置有一可上下活动的活塞机构，在活塞机构的上方固定有一固定隔板，活塞机构通过弹性复位机构与固定隔板连接形成可回弹复位的结构；在活塞机构与钻具管之间设置有用于在活塞机构被压缩时对活塞机构进行锁定的锁定卡合机构，通过该锁定卡合机构解除对活塞机构的锁定后，活塞机构通过弹性复位机构朝下推动至原始位置；活塞机构还连接有拉绳，拉绳从钻具管中朝下延伸；在拉绳的下端连接有活动卡片，活动卡片的尾端通过转轴固定在钻具管的管壁下部形成可旋转结构，通过活塞机构带动拉绳使拉绳将活动卡片拉至朝钻具管内中间横向伸出，形成对钻具管内土样的支撑卡紧结构。

2.根据权利要求1所述的端部卡片式的软弱土取样钻具，其特征在于：所述活塞机构包括有活塞和活塞连接座，活塞与活塞连接座连接固定，活塞连接座通过弹性复位机构与固定隔板连接，所述锁定卡合机构设置于活塞连接座与钻具管之间。

3.根据权利要求2所述的端部卡片式的软弱土取样钻具，其特征在于：所述锁定卡合机构包括有固定在活塞连接座上端边缘位置的弹片式卡扣和设置于钻具管管壁中的锁定卡合孔，弹片式卡扣的上端设有朝外横向伸展并与锁定卡合孔相配的扣栓，在活塞上升至扣栓与锁定卡合孔对齐时弹片式卡扣推动扣栓插入锁定卡合孔内形成锁定结构。

4.根据权利要求3所述的端部卡片式的软弱土取样钻具，其特征在于：在活塞连接座的上端边缘位置还设有与弹片式卡扣相配的导槽，所述扣栓位于该导槽中，导槽形成对扣栓向上移动的导向限位结构。

5.根据权利要求2所述的端部卡片式的软弱土取样钻具，其特征在于：所述弹性复位机构包括有若干弹簧，每一弹簧套于一定向导杆上，定向导杆的下端与活塞连接座固定，并且定向导杆穿过固定隔板形成可上下活动的结构；在定向导杆的顶端具有卡帽，卡帽位于固定隔板上方形成防止活塞落下的结构。

6.根据权利要求1所述的端部卡片式的软弱土取样钻具，其特征在于：在钻具管的管壁中设有绳槽，所述拉绳从绳槽中穿过延伸至钻具管的下部与活动卡片连接。

7.根据权利要求1所述的端部卡片式的软弱土取样钻具，其特征在于：所述活动卡片共设有四处，形成十字分布设置于钻具管的管壁下部，且活动卡片为弯折结构，拉绳与其弯折处连接。

8.根据权利要求3所述的端部卡片式的软弱土取样钻具，其特征在于：在锁定卡合孔内设置有可内外横向移动的防水活塞，防水活塞形成对钻具管内的防水结构以及对扣栓的顶出结构。

9.根据权利要求2所述的端部卡片式的软弱土取样钻具，其特征在于：所述活塞通过圆柱销与一对呈倒八字型的卡钳活动连接，卡钳的上端与活塞连接座连接成可旋转结构，并且卡钳的上部还装有扭簧，扭簧固定在活塞连接座上。

10.根据权利要求1所述的端部卡片式的软弱土取样钻具，其特征在于：所述拉绳为钢丝绳。