CN109991032B - 多点同步粘土柱芯取样器 - Google Patents

Abstract

本发明广泛适用于农业科学、岩土工程、放射化学等研究领域，为多点同步粘土柱芯取样器，由上台面、手轮、基盘、取样管、丝杠、圆导轨、可伸缩支架、固定环、样品夹具九部分组成；上台面、手轮、丝杠、圆导轨、可伸缩支架构成取样器的主体框架，圆导轨由上至下依次连接上台面、基盘、可伸缩支架，该支架具有伸缩性；基盘上均匀分布取样管连接孔，通过螺纹连接固定取样管；基盘上固设着多个取样管，取样管上端有排气孔，取样管为不锈钢外层+聚四氟乙烯内衬的双层结构，聚四氟乙烯内衬为可更换层，取样环刀通过螺纹连接于取样管前端。本发明定位精度高、结构简单、操作简便、易于拆洗，交叉污染风险低。

Description

多点同步粘土柱芯取样器

技术领域

本发明涉及一种粘土柱芯取样装置，广泛适用于农业科学、岩土工程、放射化学等研究领域。

背景技术

粘土材料是农业、岩土工程及核素迁移等领域中的重点研究对象，在实验研究中通常需要获取污染物在粘土材料三维空间的位点浓度分布，粘土柱芯取样是样品处理的基础，决定了样品的有效性及数据的可靠性。由于粘土材料具有高塑性、高粘性及高膨胀性，所以利用传统方式无法实现精确取样，尤其在针对膨润土等回填材料的大尺度(米级以上)实验室模拟及现场核素迁移研究中，需要同时获取高压实及现场原状粘土材料中的样本，且样品长度精度需要达到1-5mm，对取样设备提出了较高的要求。目前实验中多采用手工切削及单管采样器进行柱芯取样，取样过程中极易发生取样位点偏移、柱芯变形及交叉污染等问题，无法保证取样位点的准确度及样品的有效性。

在土体柱芯取样技术研究方面，中辐院设计的压力取样器主要针对原状黄土及砂土类介质的单次柱芯取样。针对粘土类介质，该取样方式无法实现同步多点位取样，并且操作过程复杂，工作量大，易沾染。单次取样对土柱整体的扰动及多次取样过程大大增加了柱芯间交叉污染的风险，未能实现对不同含水率、不同尺度粘土样品进行同步多点位、低沾染的取样要求。因此在取样过程中需要一种同步定位、污染率低、适用尺度范围广的取样装置。

发明内容

发明目的：本发明的目的是实现不同含水率粘土土柱的多点位同步柱芯取样，定位精度高、结构简单、操作简便、易于拆洗，交叉污染风险低。

技术方案：由上台面、手轮、基盘、取样管、丝杠、圆导轨、可伸缩支架、固定环、样品夹具九部分组成；上台面、手轮、丝杠、圆导轨、可伸缩支架构成取样器的主体框架，圆导轨由上至下依次连接上台面、基盘、可伸缩支架，该支架具有伸缩性；基盘上均匀分布取样管连接孔，通过螺纹连接固定取样管；基盘上固设着多个取样管，取样管上端有排气孔，取样管为不锈钢外层+聚四氟乙烯内衬的双层结构，聚四氟乙烯内衬为可更换层，取样环刀通过螺纹连接于取样管前端。

本发明整套取样器由上台面、手轮、基盘、取样管、丝杠、圆导轨、可伸缩支架、固定环、样品夹具九部分组成。

(1)取样器的固定及支撑：上台面、手轮、丝杠、圆导轨、可伸缩支架构成取样器的主体框架，以保证取样器基面水平及整体稳定性。圆导轨由上至下依次连接上台面、基盘、可伸缩支架。可伸缩支架外有样品夹具，可实现对压实土柱样品的固定，同时该支架具有伸缩性，可用于土柱及现场土体的取样操作。

(2)样品长度控制：转动手轮带动丝杠转动，使得基盘连动取样管沿圆导轨轴向进给。手轮圆周均匀刻度360°，通过手轮旋转一定的角度来控制螺旋进给的行程，实现样品长度控制。丝杠螺旋行程为1200mm，螺距5mm，取样长度精度控制在0.014mm，能够满足样品长度精度要求。

(3)取样位点及数量控制：基盘上均匀分布取样管连接孔，以螺纹连接固定取样管，通过选择不同的取样连接孔组合控制取样位点及取样数量，取样管直径可根据需求进行设计加工。

(4)多点同步低沾染取样：基盘上固定多个取样管，一次取样可同步获取多个柱芯样品；取样管上端有排气孔，便于气体排出，避免了气体压力对取样过程的干扰；取样管为不锈钢外层+聚四氟乙烯内衬的双层结构，聚四氟乙烯内衬为可更换层，该材料对污染物的壁吸附极弱，大大降低了土体交叉污染风险；取样环刀通过螺纹连接于取样管前端，可拆卸，便于更换和洗消。

(5)样品的拆卸：聚四氟乙烯内衬为开合结构，可直接打开将柱芯样品取出，简化了推样过程，避免传统推样中的挤压变形及交叉污染。

有益效果：本发明利用了支架及丝杠的一体化固定、丝杠的精确升降进给、基盘取样连接孔多样化选择及取样器等配件的可更替性等特点，可在有效避免柱芯交叉污染的前提下，实现对原状或压实粘土土柱的多点同步柱芯取样。取样器的可操作性和可改造性强，成本低，加工工艺简单，能够满足核素迁移、环境检测等实验研究中对粘土柱芯取样的要求。

附图说明

图1为取样器三维结构图；

在图1中：1-上台面;2-手轮;3-基盘;4-取样管连接孔;5-取样管;6-丝杠;

7-圆导轨;8-固定环;9-样品夹具;10-可伸缩支架;11-土柱样品；

图2为基盘示意图；

在图2中：1-基盘;2-取样管连接孔；

图3为取样管剖视图；

在图3中，1-排气孔;2-不锈钢外层;3-外螺纹;4-聚四氟乙烯内衬;

5-刀口连接螺纹;6-取样环刀；

图4为聚四氟乙烯内衬示意图。

下面结合图1-图4详细说明取样器的操作方法。

具体实施方式

多点同步粘土柱芯取样器结构见图1。

(1)取样过程包括取样管的选择和安装、取样器及样品固定、螺旋推进取样、基盘回位及样品拆卸五个过程。

①取样管[5]的选择和安装：根据取样需求，选择基盘[3]上一组不同位点分布的取样管连接孔[4]，通过螺纹连接某种直径的取样管[5]。

②取样器及样品固定：将可伸缩支架[10]高度调节至固定值，保证其高度与取样管[5]高度差大于或等于土柱样品[11]高度，对压实土柱进行取样操作；降低可伸缩支架[10]，保证取样管[5]底端与原状土体基面保持水平，对原状土体进行原位取样操作。

③螺旋推进取样：匀速正向转动手轮[2]，基盘[3]及取样管[5]在丝杠[6]作用下沿圆导轨[7]轴向进给进入土体，根据取样要求，土体柱芯通过取样环刀切割后进入聚四氟乙烯内衬。

④基盘[3]回位：匀速反向转动手轮[2]，基盘[3]及取样管[5]沿圆导轨[7]轴向背离土体运移至原位。

⑤样品拆卸：将取样管[5]从基盘[3]卸下，拧开取样环刀刀口连接螺纹，将聚四氟乙烯内衬沿不锈钢外衬推出，打开聚四氟乙烯内衬的开合结构，取出柱芯样品。

(2)取样器维护

①丝杠的维护：该取样器中，丝杠的状况直接影响取样工作的进度，因此每次切割前需仔细检查丝杠的螺纹结构，查找是否存在机械损伤，是否需要进行替换，在保证螺纹结构无明显损伤及杂质的基础上进行取样。螺杆在加工过程中可采取精磨后进行氮化处理，保证了螺杆外圆的硬度高且一致。

②仪器清洗及维护：该取样器中聚四氟乙烯内衬为一次性材料，取样环刀与样品直接接触，重复利用可能造成不同柱芯样品的交叉污染，因此，取样前需要拆卸取样管刀头进行酒精清洗，降低重复取样过程中交叉污染的风险。取样环刀在多次使用后进行更换，避免刀口损伤对取样精度和取样效率的影响。

Claims (1)

1.一种用于核素迁移研究中粘土样品的取样方法，其特征在于：该方法采用多点同步粘土柱芯取样装置，装置由上台面（1）、手轮（2）、基盘（3）、取样管（5）、丝杠（6）、圆导轨（7）、可伸缩支架（10）、固定环（8）、样品夹具（9）九部分组成；上台面（1）、手轮（2）、丝杠（6）、圆导轨（7）、可伸缩支架（10）构成取样器的主体框架，圆导轨（7）由上至下依次连接上台面（1）、基盘（3）、可伸缩支架（10），该支架具有伸缩性，样品夹具（9）固定于可伸缩支架（10）上；手轮圆周均匀刻度360°，转动手轮（2）带动丝杠（6）旋转一定角度，基盘（3）连动取样管（5）沿圆导轨（7）轴向进给进入土体；丝杠（6）螺旋行程1200mm，螺距5mm，取样长度精度为0.014mm，满足研究中样品长度精度要求；基盘（3）上均匀分布多个取样管连接孔（4），以螺纹连接固定取样管（5），通过选择不同的取样连接孔（4）组合控制取样位点及取样数量，取样管（5）直径可根据需求进行设计加工；取样管（5）上端有排气孔；取样管（5）为不锈钢外层+聚四氟乙烯内衬的双层结构，内衬为可更换、可开合结构且由聚四氟乙烯材质构成，大大降低土体交叉污染风险；可拆卸取样环刀通过螺纹连接于取样管（5）前端；取样过程包括取样管的选择和安装、取样装置及样品固定、螺旋推进取样、基盘回位及样品拆卸五个过程：

S1：取样管（5）的选择和安装：根据取样需求，选择基盘（3）上一组不同位点分布的取样管连接孔（4），通过螺纹连接某种直径的取样管（5）；

S2：取样装置及样品固定：针对压实土柱样品，将可伸缩支架（10）高度调节至固定值，保证其高度与取样管（5）高度差大于或等于土柱样品（11）高度时，对压实土柱进行取样操作；针对原状土体，降低可伸缩支架（10），保证取样管（5）底端与原状土体基面保持水平，对原状土体进行原位取样操作；

S3：螺旋推进取样：根据取样长度要求，结合装置取样长度精度0.014mm，匀速正向转动手轮（2），带动丝杠（6）旋转一定角度，基盘（3）及取样管（5）在丝杠（6）作用下沿圆导轨（7）轴向进给进入土体，土体柱芯样品通过取样环刀切割后进入聚四氟乙烯内衬；

S4：基盘（3）回位：匀速反向转动手轮（2），基盘（3）及取样管（5）沿圆导轨（7）轴向背离土体运移至原位；

S5：样品拆卸：将取样管（5）从基盘（3）卸下，拧开取样环刀刀口连接螺纹，将聚四氟乙烯内衬沿不锈钢外衬推出，打开聚四氟乙烯内衬的开合结构，取出柱芯样品。

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