CN110031259B - 一种用于软土的主动下压式活阀薄壁取土器 - Google Patents

Abstract

一种用于软土的主动下压式活阀薄壁取土器，包括头部(3)和取土管(8)，在圆锥形头部(3)的圆锥面上环开设有6个排放孔(10)，将排放孔(10)的直径设为190mm‑210mm；在套入头部(3)内孔的圆台形活阀及连杆(2)的活阀中部加装有一片厚度为6.9mm耐磨硬橡胶(9)，活阀及连杆(2)的连杆部分采用套筒式连接结构，在活阀及连杆(2)的连杆上加装有弹簧(11)，变径接手(1)套设在活阀及连杆(2)的连杆上；本发明取土器头部设置6个对称的直径为20mm的圆形排泥孔，可充分将稀泥、空气和水排除，保证取到的土样不会掉落，尽量减小取土过程中对孔底待取土层的扰动，结构简单可靠，操作简便，对土样扰动小，取土效率高，对土试样没有污染。

Description

一种用于软土的主动下压式活阀薄壁取土器

技术领域

本发明用于软土的主动下压式活阀薄壁取土器，属于岩土工程勘察中采取原状软土试样的取样装置结构技术领域。

背景技术

工程地质钻探的主要任务之一是在岩土层中采取岩芯和原状土试样。在采取试样的过程中应保持试样的天然结构，在工程地质勘察中土试样严重扰动是不容许的，否则土工试验所得出的土的物理力学性质指标无法得到可靠保证。而土试样很容易被扰动，所谓原状不扰动土样实际只是一个相对的概念，任何土样脱离土体之后总有一定程度的扰动，特别是软土，更容易受到扰动，只有采用薄壁取土器才能采取到Ⅰ级原状土样，因此采取原状土试样是工程地质勘察的一项重要技术。所谓薄壁取土器就是内径为75mm～100mm、面积比不大于10％(内间隙比为0)或面积比为10％～13％(内间隙比为0.5～1.0)的无衬管取土器，目前国内采用的薄壁取土器主要有四种类型，各类型薄壁取土器适用的土类详见表一。

表一 薄壁取土器的类型和适应土类

注：++：适用；+部分适用；-：不适用

影响取样质量的因素有很多，如钻进方法、取样方法、土试样的保管和运输等，但取土器的结构也是主要因素之一。一般取土器结构大致分为头部、取样管、管靴三部分。为使土样保持原状并保证土样采取率，取土器需要结构合理、技术参数满足要求，便于操作和使用。

取土器的结构设计需满足下列要求：取土器进入土层要顺利，尽量减小摩擦阻力和对土试样的扰动；取土器要有可靠的密封性能，使取样时不掉土；结构要简单，便于加工和操作。除上述要求外，还应考虑下列因素：土试样顶端所受的压力：包括钻孔中的水柱压力，大气压力及土试样与取土管内壁摩擦时的阻力所产生的压密；土试样下端所受的吸力，包括真空吸力、土试样本身的黏聚力和土试样的自重；取土器进入土层的方法和深度。

其中，密封性能是影响取样质量的关键因素之一。以球阀式取土器为例，其优点是简单，但常因球与球座之间夹杂泥沙而使球与座不能紧密接触，从而产生漏气和掉样，特别是在软土层，由于土的黏聚力小，若取土器的密封性能差，则容易产生掉样现象。上提式活阀软土取土器的密封较好，取土器压入取土过程中，活阀处于打开状态，排放空气、水、稀泥等，当取土器压入到预定的取土深度后，上提取土器，活阀关闭，封闭大头排泥孔，此时若土样下滑，将在土样上部产生负压，在摩擦力及大气压力的控制下，土样不易掉落。由于在取土器在下放过程中活阀处于关闭状态，不可避免会从孔壁刮削部分土体进入取土器中(钻孔缩颈过大时，进入取土器中的土体大幅度增加)，有可能将排放孔堵塞，导致取土失败。

另外软土取试样时，钻孔底部的少量的残留物对取土质量干扰较大，取土器需预留足够长余土管，收纳钻孔底部的残留物，避免取土器压入取土时残留物堵塞排放通道或者提前将取土桶填满，导致取土失败。

现有软土取土器存在的优缺点：

a)敞口薄壁取土器：优点是结构简单，使用钢球密封，取样操作简单。缺点是在取样时钢球容易被稀泥包裹，回不到密封位置，密封效果差，容易逃土，取样成功率很低。

b)固定活塞取土器，优点是对土样的扰动小，取样质量高，成功率高。缺点是活塞连杆由钻杆中空部位一直延伸至地面，取土时，先要固定活塞杆与活塞，再通过对钻杆加压进行取土，结构复杂，操作繁琐，取样效率低。另外，由于未设置余土管，当钻孔底部有一定残留或钻孔有一定缩径时，取土器很难下放到取土位置，即使通过加压下放到取土位置，将会对孔底土层造成很大的扰动。

c)水压固定活塞取土器，其结构与固定活塞取土器类似，只是将取土施加压力的方式由连杆改为通过钻杆施加水压或空压。优缺点与固定式活塞取土器基本一致。

d)自由式活塞取土器，将固定式活塞取土器的活塞延伸杆去掉，仅保留由活塞通向取土器头部的一段，在取土器头部加装弹簧锥卡限制活塞的反向移动。贯入取样时，活塞可以随着土样向上移动。优点是结构和操作均较简单，在钻孔成孔好、孔底干净的时候取土效率较高；缺点是土样上顶活塞时易受扰动，当钻孔有缩颈现象或孔底有残留时，取土器还未下放到取土位置时，取土器中往往被孔壁或孔底残留的泥土填满，导致取土失败。

实践证明，在软土地区进行工程地质钻探，钻孔“缩经”及孔底残留是普遍现象，所以，在设计适用于软土地区的取土器必须充分考虑上述因素，否则取土成功率将会大大降低，达不到预期效果。

在设计软土取土器时，首先要尽量减少对土层的扰动，其次要考虑结构简单及操作方便、快捷。另外还有三个因素需要考虑，一是稀泥、水、空气排泄通畅，二是密封必须严实、可靠，三是要有适当长度的余土管。

发明内容

针对目前取土器技术的不足之处，本发明用于软土的主动下压式活阀薄壁取土器的设计主要从解决稀泥、水、空气排除通畅，余土的收纳，密封性能，结构简单可靠，易于操作等几个方面着手，尽量减小取土过程中对土体的扰动，操作简便，保证取土成功率。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的。

一种用于软土的主动下压式活阀薄壁取土器，包括头部和取土管，在圆锥形头部的圆锥面上环开设有6个排放孔，将排放孔的直径设为190mm-210mm；在套入头部内孔的圆台形活阀及连杆的活阀中部加装有一片厚度为6.9mm耐磨硬橡胶，活阀及连杆的连杆部分采用套筒式连接结构，在活阀及连杆的连杆上加装有弹簧，变径接手套设在活阀及连杆的连杆上；在取土管上端增设连接有一段余土管，该段余土管内径为100mm、外径为108mm、长度为400mm；余土管前端通过双头公接手取土管接箍和取土管连接环与取土管连接，后端通过厚壁变径接手与头部连接。

本发明用于软土的下压活阀式薄壁取土器的优点主要有：

1、取土器头部设置6个对称的直径为20mm的圆形排泥孔，可充分将稀泥、空气和水排除。

2、主动下压式圆台形活阀上下端为不锈钢金属板，中间夹有硬橡胶板，当活阀关闭时，连杆弹簧被压缩，使得活阀将大头内部的排土孔严密封闭，保证取到的土样不会掉落。

3在取土筒上端设计增加了400mm长的余土管，当钻孔有一定的缩径或孔底有一定的残留时，余土管可以收纳取土器下放过程中从孔壁刮削的碎土和孔底的残留，尽量减小取土过程中对孔底待取土层的扰动。

4、结构简单可靠，操作简便，对土样扰动小，取土效率高。

5、本发明用于软土的下压活阀薄壁取土器的取土筒为不锈钢制作，对土试样没有污染。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为取土器活阀打开状态结构示意图；

图3为取土器活阀关闭状态结构示意图；

图4为取土筒、连接环、双头公接手和余土管连接结构示意图；

图5为取土筒、连接环、双头公接手和余土管装配示意图。

具体实施方式

见图1，图4，图5，一种用于软土的主动下压式活阀薄壁取土器，包括头部3和取土管8，在圆锥形头部3的圆锥面上环开设有6个排放孔10，将排放孔10的直径设为190mm-210mm；在套入头部3内孔的圆台形活阀及连杆2的活阀中部加装有一片厚度为6.9mm耐磨硬橡胶9，活阀及连杆2的连杆部分采用套筒式连接结构，在活阀及连杆2的连杆上加装有弹簧11，变径接手1套设在活阀及连杆2的连杆上；在取土管上端增设连接有一段余土管5，该段余土管5内径为100mm、外径为108mm、长度为400mm；余土管5前端通过双头公接手6取土管接箍和取土管连接环7与取土管8连接，后端通过厚壁变径接手4与头部3连接。

见图2，图3，本发明为了保证取土器上部的密封问题，将被动式的上提式活阀改为主动下压式活阀，并在圆台形活阀中部加装了一片厚度为6.9mm耐磨硬橡胶，在活阀连杆上加装了弹簧，活阀关闭时，弹簧有一定的压缩，从而保证活阀关闭时能够准确、严密地将取土器上端的排泥、排水、排空气的孔洞密封，防止所取土样掉落。

为了解决孔底少量残留，以及由于钻孔缩径取土器下放过程中从孔壁上刮削所产生的碎块土体的收纳，在取土筒上端，设计一段内径为100mm，外径为108mm，长度为400mm的余土管，余土管两段均设有108套管标准丝扣(母)，上部丝扣通过厚壁变径接箍与大头相连接(见附图4)、下部丝扣通过连接环与取土筒相连(见图4、图5)。在取土过程中，取土器的压入不会对残余土体施加压力，从而最大限度减少对孔底待取样土层的扰动。

工作原理：取土之前，反时针旋转大头上的钻杆接手，使活阀处于开放状态，然后将取土器下入孔底，压入取土，当压入预定取土深度，即取土筒完全进入待取土层后，开动钻机(也可以手动旋转钻杆)将大头上部钻杆接手预留的丝扣上满，活阀下行，将大头内部的排泥孔密封，此时，由于活阀杆与钻杆接手之间是套筒状连接，装在活阀杆外围的弹簧将被压缩约20mm，使得活阀紧密压在排土孔上，密封效果显著。取土成功后，将取土筒与余土管之间的连接环卸开，对取土筒进行封装，取土工作完成。安装取土器时，只需反时针旋转大头顶部的钻杆接首，打开活阀，将大头内及余土管中的稀泥清理干净，取一个新的取土筒穿过连接环，然后与余土管下端的丝扣连接并拧紧丝扣，即可再次取土。

本发明还满足了《岩土工程勘察规范》(2009年版-GB 50021-2001)与《建筑工程地质勘探与取样技术规程》(JGJ/T 87-2012)对取土器的技术参数进行的规定，主要技术参数为：

(1)面积比：

面积比满足薄壁取土器的规定要求，取土管壁厚为1.8mm，满足强度和刚度前提下，面积比越小，则土试样所受的扰动程度就小。

(2)内、外间隙比值均为0，内间隙比的大小主要是控制土试样与取土器内壁摩擦引起的压密扰动和减少掉样现象；外间隙比主要是控制减少取土器外壁与孔壁的摩擦，从而减少取土器进入土层的阻力。

(3)刃口角度α为10°，对土样扰动较小，两侧限抗压强度可达90％以上。

本发明采用取土筒为不锈钢制作，对土试样没有污染。土样在实验室需要用专门的推土器将土样从取土筒中推出，才能进行试验，在推土过程中，如操作不当，容易造成对土样的扰动。

在软土分布地区，采用本发明用于软土的主动下压式活阀薄壁取土器取土试样，能够在较深的钻孔中采取到Ⅰ级原状土样，且成功率高。

应用实例：

(1)220kV昆明安宁草铺至昆明海埂送电线路工程

线路为双分离、双回路同塔架设，从碧鸡关至海埂变电站段，有20余基铁塔位于滇池湖盆中，软土厚度20-30米，由淤泥、淤泥质土、泥炭质土夹薄层粉土或粉砂构成，由于线路要跨越滇池航道、旅游度假区等，铁塔高度近80米，荷载较大，基础采用桩基础，对地基的要求较高。因此，查明地基土构成及物理力学性质，为基础设计提供较为准确的地基土(软土)参数，选择适合的桩型，确定桩端持力层及桩长等，采集Ⅰ级原状土样尤为关键。

当时，常用的薄壁取土器(如敞口式、自由活塞式、固定活塞式、水压活塞式)，都在现场进行过原状土样的采集，取土成功率较低，效果很不理想。影响取土成功率的因素主要有两个，一是钻孔孔径收缩，二是孔底少量残留，取土器经常下放不到孔底，强行加压到孔底，对待取土层造成较为严重的扰动，导致取土失败。

下压式活阀薄壁取土器就是在这种情况下研发出来并投入使用的，实践证明，该取土器结构简单可靠，操作方便，对土样扰动小，取土效率高，取土成功率达96％以上，在孔深56米也能轻松采集Ⅰ级原状土样。

(2)220kV海埂变电站工程

变电站场地位于滇池湖盆中，软土厚度达20-27米，由淤泥、淤泥质土、泥炭质土夹薄层粉土或粉砂构成，为了保证取土质量和取土效率，借助线路勘测的成功经验，采用新研发的下压式活阀取土器采集Ⅰ级原状土式样，取土质量得到保证，取土效率大大提高，取土质量，取土数量超过有关规范要求，为基础设计，沉降验算提供了较为准确的岩土参数，得到设计方的高度认可。

Claims (1)

1.一种用于软土的主动下压式活阀薄壁取土器，包括头部（3）和取土管（8），其特征在于，在圆锥形头部（3）的圆锥面上环开设有6个排放孔（10），将排放孔（10）的直径设为190mm-210mm；在套入头部（3）内孔的圆台形活阀及连杆（2）的活阀中部加装有一片厚度为6.9mm耐磨硬橡胶（9），活阀及连杆（2）的连杆部分采用套筒式连接结构，在活阀及连杆（2）的连杆上加装有弹簧（11），变径接手（1）套设在活阀及连杆（2）的连杆上；在取土管上端增设连接有一段余土管（5），该段余土管（5）内径为100mm、外径为108mm、长度为400mm；余土管（5）前端通过双头公接手（6）取土管接箍和取土管连接环（7）与取土管（8）连接，后端通过厚壁变径接手（4）与头部（3）连接；

取土之前，反时针旋转大头上的钻杆接手，使活阀处于开放状态，然后将取土器下入孔底，压入取土，当压入预定取土深度，即取土筒完全进入待取土层后，开动钻机将大头上部钻杆接手预留的丝扣上满，活阀下行，将大头内部的排泥孔密封，此时，由于活阀杆与钻杆接手之间是套筒状连接，装在活阀杆外围的弹簧将被压缩约20mm，使得活阀紧密压在排土孔上；取土成功后，将取土筒与余土管之间的连接环卸开，对取土筒进行封装，取土工作完成；安装取土器时，只需反时针旋转大头顶部的钻杆接首，打开活阀，将大头内及余土管中的稀泥清理干净，取一个新的取土筒穿过连接环，然后与余土管下端的丝扣连接并拧紧丝扣，即可再次取土。