CN111795853A - 适用于全风化地层的土体取样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于全风化地层的土体取样装置及方法，装置包括取样组件、动力组件和支撑固定组件，取样组件主要由设置在内层的取样管和设置在外层的外层套管组成，取样管与外层套管之间通过静摩擦力固定，外层套管的底端设置环形的取样刀刃，取样刀刃使外层套管底端的口径变小，且小于取样管的外径，取样管的顶端与动力组件的输出端连接，支撑固定组件环绕支撑外层套管。本发明简化了取样组件的结构，降低了装置的制作成本，操作简单，取样效率高，有效提升了土体取样质量，适用于全风化地层的土体取样。

Description

适用于全风化地层的土体取样装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种适用于全风化地层的土体取样装置及方法。

背景技术

随着建筑、市政、交通等行业大型工程建设的不断发展，对地质勘测的需求也越来越大，对取样的要求也越来越严格，目前对于取样土体，往往要求其保持原状地层的结构。但是土体是由固体物质、水和气体组成的三相体系，土体结构相对较为松散，尤其对于全风化地层，由于其粘聚力非常小，在取样操作、试样封装、贮存、运输过程中，极易在实验前扰动破坏其原有结构体系，造成土体原状取样困难，甚至取样失败，从而难以完成取样工作。现有的取样装置如通过减少壁厚等各种措施减少取土时的扰动，但是在取土器推出土样时造成的二次扰动问题以及取土器的装置复杂、拆装不灵活等问题还亟待解决。

专利CN111366408A公开的一种岩土取样机，包括地桩、滑动连接在地桩上的滑台、取样管、纵向滑动连接在滑台上的安装座和能够纵向作用在滑台上的击打机构，在安装座上设置有一驱动电机，其输出轴上固定设置有一插设在取样管内的转轴，转轴的下端伸出取样管的下端，且固定设置有一钻头。这种岩土取样机通过控制取样管侧壁的活动曲板张开与闭合，完成对泥土的取样，其活动曲板的结构设计相对复杂，且对原状土体产生了一定的扰动，对于全风化地层的土体取样，可能会造成取样土体松散等现象。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种对原状全风化地层扰动小，不易造成取样土体松散，便于原状土体取样、封装以及后期运输的原状全风化地层取样方案。

为了达到上述目的，本发明提供了一种适用于全风化地层的土体取样装置，包括取样组件、动力组件和支撑固定组件，所述取样组件主要由设置在内层的取样管和设置在外层的外层套管组成，所述取样管与所述外层套管之间通过静摩擦力固定，所述外层套管的底端设置环形的取样刀刃，所述取样刀刃使所述外层套管底端的口径变小，且小于所述取样管的外径，所述取样管的顶端与所述动力组件的输出端连接，所述支撑固定组件环绕支撑所述外层套管。

进一步地，所述取样管包括两个薄壁、透明的半合管，所述半合管的一边铰接，另一边为自由端，所述取样管的外径稍小于所述外层套管的内径，长度大于所述外层套管，所述取样管的顶端伸出所述外层套管的部分设置有外螺纹，与所述动力组件的内螺纹固定连接。

进一步地，所述取样管的顶端沿直径方向设置有两个通孔，所述取样组件还包括一取样杆，所述取样杆插入所述通孔后，通过旋转的方式将所述取样管从所述外层套管中抽出。

进一步地，所述取样刀刃的顶端与所述外层套管的底端一体设置，所述取样刀刃的底端内径缩小，形成环形的、向下缩小的锥面，所述取样刀刃为金刚石材质。

进一步地，所述外层套管上还设置有刻度尺。

进一步地，所述动力组件包括反作用力架和设置在所述反作用力架上的千斤顶，所述千斤顶竖直设置且活塞杆向下，所述活塞杆上设置有一连接杆，所述连接杆的底端设置有带内螺纹的安装孔。

进一步地，所述反作用力架的支脚底端设置有安装螺孔，通过螺栓与所述支撑固定组件固定连接。

进一步地，所述支撑固定组件包括支撑所述外层套管的环形支撑平台，所述环形支撑平台与设置在底层的支撑底座通过可伸缩支架连接，所述支撑底座通过螺栓固定在取样区域的地面上，所述支撑底座的上表面设置有安装所述反作用力架的固定卡座，中部设置有取样开口。

进一步地，所述可伸缩支架通过设置在中部的调节卡扣调节伸缩量，所述环形支撑平台上设置有调平气泡仪。

本发明还提供了一种适用于全风化地层的土体取样方法，包括如下步骤：

步骤一，在目标地层选定取样区域，并将取样土层以上土壤刨除；

步骤二，将组装好的支撑固定组件放置在取样区域，用螺栓将支撑底座固定在地层上，通过调节卡扣调节可伸缩支架的伸缩量以调节环形支撑平台至预设高度，并观察调平气泡仪的气泡是否居中，从而确认环形支撑平台是否调至水平；

步骤三，将取样管的两半合管对齐合拢后插入外层管套中，组装后通过取样管顶端的外螺纹与千斤顶的连接杆内螺纹连接，将反作用力架与支撑底座上的固定卡座通过螺栓固定，千斤顶的顶端与反作用力架的中心连接，千斤顶驱动取样管和外层套管依次插入环形支撑平台和支撑底座的取样开口，完成取样装置的整体安装；

步骤四，控制千斤顶驱动取样管和外层套管匀速插入地层，通过观察外层管套上的刻度尺实时了解钻入深度，到达取样目标深度后停止千斤顶加压，使取样组件不再深入地层；

步骤五，千斤顶驱动取样管和外层套管从地层中拔出，将取样组件和动力组件的整体从支撑固定组件上拆下，拧松取样管使其从千斤顶的连接杆上分离，将取样杆穿入取样管顶端的通孔，再旋转取样杆使取样管从外层管套中抽出；

步骤六，将取样管放置于地面，拨开其中一半，将备好的纱布盖在露出的样品上，用软毛刷将溶化的石蜡均匀涂在纱布上，使纱布与样品紧密结合，静置几分钟后将样品轻轻倒在另一半的半合管上以便样品的另一半露出，重复蜡封操作，最后待样品周围浸满蜡油且初凝，即样品蜡封完成，完成土体取样的全部过程。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的土体取样装置，取样组件的外层套管直接套设在取样管外，外层套管底端的取样刀刃能减小外层套管的下口径，防止取样管向下穿出外层套管，且两者通过静摩擦作用形成固定状态，确保取样管向下插入土层时带动外层套管同步下移，取样管拔出时将外层套管同步带出，简化了取样组件的结构，降低了装置的制作成本；

本发明的取样管顶端设置通孔，在取样完并拔出土层后，依靠取样杆插入通孔而带动取样管相对于外层套管旋转，将取样管抽出外层套管，以便对样品进行进一步处理，操作简单，取样效率高；

本发明的动力组件主要为千斤顶，千斤顶活塞杆端部的连接杆与取样管螺纹连接，拆装方便，千斤顶由反作用力架支撑，反作用力架固定设置在支撑底座上，通过螺栓可拆卸连接，支撑固定组件的环形支撑平台能使取样组件下移插入土体时保持竖直，提升取样的准确性，且环形支撑平台可以方便地调节高度以及水平度；

本发明的取样管由两薄壁、透明的半合管组成，采用本发明的方法处理取样土体时，能直接打开半合管，对样品露出的表面蜡封，再将样品转移至另一半合管，对另一半露出的表面蜡封，操作方便，提升了土体样品蜡封的质量，从而提升了土体取样质量。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的取样组件拆分结构示意图；

图3为本发明的动力组件结构示意图；

图4为本发明的固定支撑组件结构俯视图。

【附图标记说明】

1-取样管；2-外层套管；3-取样刀刃；4-外螺纹；5-通孔；6-取样杆；7-刻度尺；8-反作用力架；9-千斤顶；10-连接杆；11-支脚；12-环形支撑平台；13-支撑底座；14-可伸缩支架；15-调节卡扣；16-调平气泡仪；17-固定卡座；18-取样开口。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1：

如图1所示，本发明的实施例1提供了一种适用于全风化地层的土体取样装置，包括取样组件、动力组件和支撑固定组件。取样组件请同时参阅图2，主要由设置在内层的取样管1和设置在外层的外层套管2组成，在本实施例中取样管1为两个薄壁、透明的半合管构成，半合管的一边铰接，另一边为自由端。半合管组成的取样管1外径稍小于外层套管2的内径，组装时将半合管合拢后插入外层套管2中，在静摩擦力作用下取样管1与外层套管2相互固定形成整体结构。

外层套管2的底端设置环形的取样刀刃3，在本实施例中取样刀刃3的顶端与外层套管2的底端一体设置，取样刀刃3的底端内径缩小，因而取样刀刃3的外侧壁为环形的、向下缩小的锥面，使外层套管2底端的口径变小，并小于取样管1的外径。当取样管1在动力组件的驱动下向下插入土层中时，其底端与外层套管2底端由取样刀刃3组成的开口接触，由于尺寸关系不会穿出，而带动外层套管2同步插入土层中。

其中，取样管1的长度大于外层套管2，当其底端位于外层套管2底端时，取样管1的顶端伸出外层套管2顶端一段，此部分设置有外螺纹4，与动力组件设置内螺纹的安装孔螺旋固定，通过动力组件驱动取样管1插入地层或拔出。

当动力组件驱动取样管1和外层套管2插入地层后，取样管1内的土体即为取样的土体，其位于取样管中1时由于土压力作用，能进一步将其外侧壁与外层套管2的内侧壁压紧，在静摩擦力作用下紧密贴合，从而使动力组件驱动取样管1拔出时也会同步带出外层套管2。后续取出土体样品进行处理前，需要将外层套管2与取样管1分离，为方便操作，本实施例中在取样管1的顶端沿直径方向设置有两个通孔5，分离外层套管2与取样管1时通过一取样杆6插入通孔5后，旋转取样杆6使取样管1相对于外层套管2旋转，从而能比较省力地将取样管1从外层套管2中抽出。

作为优选的实施方式，外层套管2底端的取样刀刃3为金刚石材质，具有足够的硬度。取样刀刃3的锥角最好设置为30度，此角度下外层套管2向下插入土层时表现的性能较好。另外，外层套管2上还设置有刻度尺7，通过刻度尺7能及时观测取样深度，从而准确控制取样深度。

请同时参阅图3，动力组件包括反作用力架8和设置在反作用力架8上的千斤顶9，千斤顶9竖直设置且活塞杆朝向为向下。同时，活塞杆的端部设置有一连接杆10，连接杆10的底端设置带内螺纹的安装孔，取样管1的顶端螺旋插入安装孔后与连接杆10固定连接，通过千斤顶9驱动取样管1竖直位移。

在本实施例中，反作用力架8呈十字型，其四个支脚11的底端均设置有安装螺孔，与支撑固定组件通过螺栓固定连接。千斤顶9设置在反作用力架8的中心，其顶端与反作用力架8固定，通过十字型的反作用力架8使得千斤顶9驱动取样组件向下插入土层时更加稳定。

支撑固定组件环绕支撑外层套管2，使得取样组件在插入土层取样的过程中保持竖直向下的方向，提升取样的准确性。请同时参阅图4，支撑固定组件具体包括环绕外层套管2的环形支撑平台12，环形支撑平台12与设置在底层的支撑底座13通过可伸缩支架14连接，可伸缩支架14通过设置在每个支架中部的调节卡扣15调节伸缩量，从而调整环形支撑平台12的高度，保证其在取样组件插入土层的过程中保持支撑。环形支撑平台12上还设置有调平气泡仪16，通过观察调平气泡仪16中的气泡是否居中确认环形支撑平台12是否水平，在不水平时微调可伸缩支架14的调节卡扣15，使环形支撑平台12水平，确保取样组件垂直地插入地层。

支撑底座13通过螺栓固定在取样区域地面上，其上表面设置安装反作用力架8的固定卡座17，反作用力架8的支脚11底端插入固定卡座17中并通过螺栓形成固定。另外支撑底座13的中部也设置取样开口18，取样组件向下取样时也会穿过取样开口18，其在环形支撑平台12和取样开口18的两处限制作用下能更好地保持竖直状态。

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种适用于全风化地层的土体取样方法，采用了实施例1中所述的土体取样装置，具体包括如下步骤：

步骤一，在目标地层选定取样区域，并将取样土层以上土壤刨除；

步骤二，将组装好的支撑固定组件放置在取样区域，用螺栓将支撑底座13固定在地层上，通过调节卡扣15调节可伸缩支架14的伸缩量以调节环形支撑平台12至预设高度，并观察调平气泡仪16的气泡是否居中，从而确认环形支撑平台12是否调至水平；

步骤三，将取样管1的两半合管对齐合拢后插入外层管套2中，组装后通过取样管1顶端的外螺纹与千斤顶9的连接杆10内螺纹连接，将反作用力架8与支撑底座13上的固定卡座17通过螺栓固定，千斤顶9的顶端与反作用力架8的中心连接，千斤顶9驱动取样管1和外层套管2依次插入环形支撑平台12和支撑底座13的取样开口18，与土体表面接触，完成取样装置的整体安装；

步骤四，控制千斤顶9驱动取样管1和外层套管2匀速插入地层，通过观察外层管套2上的刻度尺7实时了解钻入深度，到达取样目标深度后停止千斤顶9加压，使取样组件不再深入地层；

步骤五，千斤顶9驱动取样管1和外层套管2从地层中拔出，将取样组件和动力组件的整体从支撑固定组件上拆下，拧松取样管1使其从千斤顶9的连接杆10上分离，将取样杆6穿入取样管1顶端的通孔5，再旋转取样杆6使取样管1从外层管套2中抽出；

步骤六，将取样管1水平放置于地面，拨开上部半合管露出样品的一半表面，用切好的纱布完整覆盖在裸露的样品表面，纱布大小不仅要满足完整覆盖在样品表面还要有富余，以便于样品表面被全面包裹不留缝隙，接着用软毛刷将加热融化的石蜡均匀涂在纱布上，使纱布与样品表面紧密结合，静置几分钟待石蜡冷却后，将样品轻轻倒在另一半合管上以使样品的另一半表面露出，仍用切好的纱布覆盖样品表面并用石蜡浸润，静止冷却后即可将样品完整取出。

其中步骤六中需要保证操作力度不能过大，以避免对样品造成扰动破坏。另外除样品圆弧面要被纱布及热蜡油均匀覆盖外，样品两端最好也要进行蜡封。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于全风化地层的土体取样装置，包括取样组件、动力组件和支撑固定组件，其特征在于，所述取样组件主要由设置在内层的取样管和设置在外层的外层套管组成，所述取样管与所述外层套管之间通过静摩擦力固定，所述外层套管的底端设置环形的取样刀刃，所述取样刀刃使所述外层套管底端的口径变小，且小于所述取样管的外径，所述取样管的顶端与所述动力组件的输出端连接，所述支撑固定组件环绕支撑所述外层套管。

2.根据权利要求1所述的适用于全风化地层的土体取样装置，其特征在于，所述取样管包括两个薄壁、透明的半合管，所述半合管的一边铰接，另一边为自由端，所述取样管的外径稍小于所述外层套管的内径，长度大于所述外层套管，所述取样管的顶端伸出所述外层套管的部分设置有外螺纹，与所述动力组件的内螺纹固定连接。

3.根据权利要求2所述的适用于全风化地层的土体取样装置，其特征在于，所述取样管的顶端沿直径方向设置有两个通孔，所述取样组件还包括一取样杆，所述取样杆插入所述通孔后，通过旋转的方式将所述取样管从所述外层套管中抽出。

4.根据权利要求3所述的适用于全风化地层的土体取样装置，其特征在于，所述取样刀刃的顶端与所述外层套管的底端一体设置，所述取样刀刃的底端内径缩小，形成环形的、向下缩小的锥面，所述取样刀刃为金刚石材质。

5.根据权利要求4所述的适用于全风化地层的土体取样装置，其特征在于，所述外层套管上还设置有刻度尺。

6.根据权利要求1所述的适用于全风化地层的土体取样装置，其特征在于，所述动力组件包括反作用力架和设置在所述反作用力架上的千斤顶，所述千斤顶竖直设置且活塞杆向下，所述活塞杆上设置有一连接杆，所述连接杆的底端设置有带内螺纹的安装孔。

7.根据权利要求6所述的适用于全风化地层的土体取样装置，其特征在于，所述反作用力架的支脚底端设置有安装螺孔，通过螺栓与所述支撑固定组件固定连接。

8.根据权利要求7所述的适用于全风化地层的土体取样装置，其特征在于，所述支撑固定组件包括支撑所述外层套管的环形支撑平台，所述环形支撑平台与设置在底层的支撑底座通过可伸缩支架连接，所述支撑底座通过螺栓固定在取样区域的地面上，所述支撑底座的上表面设置有安装所述反作用力架的固定卡座，中部设置有取样开口。

9.根据权利要求8所述的适用于全风化地层的土体取样装置，其特征在于，所述可伸缩支架通过设置在中部的调节卡扣调节伸缩量，所述环形支撑平台上还设置有调平气泡仪。

10.一种适用于全风化地层的土体取样方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在目标地层选定取样区域，并将取样土层以上土壤刨除；

步骤二，将组装好的支撑固定组件放置在取样区域，用螺栓将支撑底座固定在地层上，通过调节卡扣调节可伸缩支架的伸缩量以调节环形支撑平台至预设高度，并观察调平气泡仪的气泡是否居中，从而确认环形支撑平台是否调至水平；

步骤三，将取样管的两半合管对齐合拢后插入外层管套中，组装后通过取样管顶端的外螺纹与千斤顶的连接杆内螺纹连接，将反作用力架与支撑底座上的固定卡座通过螺栓固定，千斤顶的顶端与反作用力架的中心连接，千斤顶驱动取样管和外层套管依次插入环形支撑平台和支撑底座的取样开口，完成取样装置的整体安装；

步骤四，控制千斤顶驱动取样管和外层套管匀速插入地层，通过观察外层管套上的刻度尺实时了解钻入深度，到达取样目标深度后停止千斤顶加压，使取样组件不再深入地层；

步骤五，千斤顶驱动取样管和外层套管从地层中拔出，将取样组件和动力组件的整体从支撑固定组件上拆下，拧松取样管使其从千斤顶的连接杆上分离，将取样杆穿入取样管顶端的通孔，再旋转取样杆使取样管从外层管套中抽出；

步骤六，将取样管放置于地面，拨开其中一半，将备好的纱布盖在露出的样品上，用软毛刷将溶化的石蜡均匀涂在纱布上，使纱布与样品紧密结合，静置几分钟后将样品轻轻倒在另一半的半合管上以便样品的另一半露出，重复蜡封操作，最后待样品周围浸满蜡油且初凝，即样品蜡封完成，完成土体取样的全部过程。

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