CN113188831B - 一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地质勘察设备技术领域，具体涉及一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，包括固定杆、移动板和电机，移动板可沿固定杆的轴线上下移动，移动板上设置多个钻杆，钻杆的下端位于移动板的下部，钻杆的下端设有螺旋钻头，电机通过齿轮传动驱动钻杆旋转，螺旋钻头上设有横向开槽，横向开槽内设置有与横向开槽配合的横截刀，横截刀的转动轴线与钻杆的轴线不共线，钻杆外部套设有固定筒，两相邻的固定筒之间竖直设置切板。该装置在对土壤取样时能有效保持土壤的原始结构，提高对该土壤样件进行实验研究时数据的准确性。

Description

一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置

技术领域

本发明涉及地质勘察设备技术领域，具体涉及一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置。

背景技术

在城市地下工程施工前，需要对施工地层处的土质取样以进行各种力学或化学的实验研究，包括研究施工地层处对不同水环境下土质孔隙率、崩解性、膨胀性、软化性、溶解性、pH值演变等物理化学变化规律，分析引起岩土工程性能降低的物理现象与化学现象，揭示岩土质的水物理化学损伤机制，以掌握施工地层的土质特性，提高、提前施工灾害预警和对地下工程不良地质及时预先处理，并有针对性地设计施工方法和确定施工参数，达到避免和减少事故和次生灾害发生。

现有的对工程试验研究中对土质取样的设备多是通过采取空心钻钻取土柱的方式来对土质取样，如中国专利CN210571490 U,该方案采用人工钻取的方式对目标土质取样，当遇到较硬的土质时，该方案用人力难以钻取和截断土柱底部，同时该方案在钻取土柱时光滑的内筒内壁与土柱的柱面反复旋转摩擦导致所得到的土柱的柱面是呈光滑状的，当土层里含有的水分较多时，会进一步导致土柱的光滑的柱面上会形成一层薄薄的泥浆，当后续在实验室需要对这样的土柱进行实验时，可能泥浆已经干燥将土柱包裹起来形成一层难以清理的封闭土层，对这样的土柱样件进行水土迁移和软弱土形变研究中关于土层对不同水压下的土层的孔隙率、崩解性、膨胀性、软化性、溶解性和浸透路径等项目研究分析时，容易使得到的分析数据不准确，起不到有效的工程参考作用，不能对待施工土层制定有效的预处理和工程预警作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，以使取得的土层样件保持原有的物理结构，以可以有效地对土层进行力学分析得到更准确的实验数据。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，包括至少2根竖直设置的固定杆、水平设置的移动板和电机，所述移动板上设有与所述固定杆配合的通孔使所述移动板可沿所述固定杆的轴线上下移动，所述电机与所述移动板固定连接，所述电机的输出轴上设有第一齿轮，所述移动板上同一圆周上竖直均匀设置多个钻杆，所述钻杆的上端位于所述移动板的上部，所述钻杆的下端位于所述移动板的下部，所述钻杆与所述移动板通过推力轴承转动连接，钻杆的上端设有与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，钻杆的下端设有螺旋钻头，所述螺旋钻头上设有横向开槽，所述横向开槽内水平设置有与所述横向开槽配合的横截刀，所述横截刀通过转轴与所述螺旋钻头铰接，所述转轴竖直设置于所述横向开槽内，所述转轴的轴线与所述钻杆的轴线不共线设置，当横截刀绕所述转轴旋转使横截刀的刀体位于横向开槽内时，横截刀远离转轴的一端位于所述螺旋钻头外部；

所述钻杆上端设有刀位标记，所述刀位标记的位置与横截刀绕所述转轴旋转伸出横向开槽时的极限位置对应，在所述电机的驱动下某一时刻所有钻杆上的刀位标记均旋转到指向所述电机的输出轴的轴线；

位于所述移动板下部的钻杆外部套设有固定筒，所述固定筒的上端与所述移动板固定连接，两相邻的固定筒之间竖直设置切板，所述切板的下端设为刃口状，切板的左右两端分别各与一固定筒固定连接；

所述钻杆、所述固定筒、所述螺旋钻头和所述第二齿轮均同轴设置。

本方案的工作原理及有益效果在于：

将至少2根固定杆在合适的位置竖直钉入待取样处的泥土内，将移动板的通孔对准固定杆套入，反向运行电机带动第一齿轮旋转进而带动第二齿轮旋转正向旋转，螺旋钻头随第二齿轮正向旋转向下掘进，螺旋钻头向下掘进时通过钻杆带动移动板进而带动固定筒和切板向下移动，这时下移的切板下压切割土壤使位于切板内侧的土壤与位于切板外侧的土壤分离开形成土柱；此时由于转轴的轴线与钻杆的轴线不共线，在螺旋钻头绕钻杆轴线正向旋转时，螺旋钻头外部的土壤与横截刀远离钻杆轴线的端面接触促使横截刀绕转轴旋转收入横向开槽内，此时横截刀远离转轴的一端位于所述螺旋钻头外部。

当螺旋钻头掘进土体到达所需要的深度后，停止运行电机并控制电机正向运行，在齿轮传动下螺旋钻头反向旋转，由于转轴的轴线与钻杆的轴线不共线且横截刀远离转轴的一端位于螺旋钻头外部，螺旋钻头反向旋转时在螺旋钻头外部的土壤推动横截刀绕转轴旋转打开使横截刀伸出横向开槽，此时横截刀随螺旋钻头一同绕钻杆的轴线反向旋转，反向旋转的横截刀将形成的土柱底部土壤切割掉使土柱与土柱底部的土壤分离开，当所有钻杆上端的刀位标记均指向电机的输出轴的轴线时停止运行电机，这时横截刀均位于土柱的底部将土柱承托住，将移动板向上移动便可将土柱向上提出，当土柱离开地面后控制电机运行使刀位标记均指向远离电机的输出轴的轴线方向时停止运行电机使横截刀均位于切板外侧，这时便可取出土柱用于实验研究。

与现有技术相比，的方案的土柱样件的取得是通过下压切割的方式得到，这样的切割方式不会产生背景技术中的在土柱的柱面由于旋转摩擦造成的光滑的柱面和柱面被泥浆封闭的现象，尽可能的保持了待实验土壤的原状结构，进一步使后续在实验中使用该样件进行水土迁移和软弱土形变研究中关于土层对不同水压下的土层的孔隙率、崩解性、膨胀性、软化性、溶解性和浸透路径等项目研究分析时得到的数据更接近实际情况。

通过设置电机驱动多个螺旋钻头掘进和设置截断装置，提高了土壤取样速度和降低取样难度。

优选方案一：所述螺旋钻头包含柱体部和锥体部，所述柱体部位于所述锥体部的上端与所述钻杆固定连接，所述横向开槽设于所述柱体部上，所述锥体部上设有旋进螺纹，所述柱体部内设置推力轴承和单向轴承，所述锥体部通过所述推力轴承和所述单向轴承与所述柱体部转动连接，当所述单向轴承正向旋转时单向轴承的内圈与外圈同步转动。

当柱体部正向旋转时，单向轴承的内圈与外圈同步转动，则锥体部跟着一起正向转动向下掘进土壤且通过推力轴承带动柱体部下移进而带动移动板下移使切板下压切割土壤，当柱体部反向旋转使横截刀对土柱底部土壤旋转切割时，单向轴承的内圈与外圈能相对转动使得锥体部不受转矩作用而不能反向旋转，能有效防止在横截刀在反向旋转切割土柱底部的土壤时由于锥体部的反向转动使锥体部产生向上的推力，向上的推力会迫使横截刀在旋转的同时向上移动将原本完整的土柱切碎。

优选方案二：相邻的横截刀的旋转路径不在同一平面内，同一旋转平面内的横截刀的旋转路径不相交。

使得所有的横截刀将横截刀旋转路径上的土壤切割掉后土柱底部中心仍然留有少量土壤对土柱进行支撑，防止横截刀旋转切割土柱底部土壤时造成土柱在土柱自重下坍塌，同时也可以有效防止相邻横截刀在旋转时相互干涉。

优选方案三：所述固定筒的内壁与所述钻杆之间留有间隙，固定筒的的上部侧壁设有连通固定筒内外空间的排泄孔，所述钻杆上设有螺旋片。

钻杆上的螺旋片可将螺旋钻头产生的碎土壤向上输送并由固定筒上部的排泄孔排到固定筒外，防止螺旋钻头产生的碎土挤压土柱造成土柱原始结构改变。

优选方案四：所述切板呈弧形且多个弧形的切板均设置在同一圆周上。

多个弧形的切板均设置在同一圆周上具有对移动板在下移过程中辅助导向的作用，起到避免由于土质的不均匀对不同螺旋钻头产生的作用力大小不同造成的装置偏移现象。

优选方案五：所述横向开槽内设置扭簧，所述扭簧一端与所述柱体部固定连接，扭簧的另一端与所述横截刀固定连接，所述扭簧的弹力迫使所述横截刀绕转轴旋转收入所述横向开槽内。

设置扭簧可以防止在搬运或安装装置时横截刀旋转打开伸出所述横向开槽外对人员造成意外伤害。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为移动板外形图。

图3为螺旋钻头处的结构细节图。

图4为横截刀旋转打开时的示意图。

图5为横截刀关闭时的示意图。

图6为钻杆上端面的刀位标记示意图。

附图中标记如下：

固定杆10、移动板20、通孔201、轴承安装孔202、凸起203、电机30、输出轴301、第一齿轮302、第二齿轮303、支架304、钻杆40、螺旋片401、刀位标记402、固定筒50、排泄孔501、切板60、螺旋钻头70、柱体部701、横向开槽7011、转轴7012、横截刀7013、锥体部702、旋进螺纹7021、单向轴承703、推力轴承704、环形挡圈705。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例基本如图1-图6所示：

本实施例的一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，如图1、图2所示，包括4根竖直设置的圆柱形固定杆10，4根固定杆10均布在同一圆周上。如图2所示，移动板20为圆盘形板，移动板20上设有与固定杆10对应的凸起203，凸起203上设有与固定杆10滑动配合的通孔201，电机30通过支架304与移动板20固定连接，电机30为可调速电机30，电机30外接有电源线，电机30的输出轴301竖直向下伸出，电机30的输出轴301上同轴线固定连接有第一齿轮302。

移动板20上同一圆周上均布了4个轴承安装孔202，轴承安装孔202内安装有推力轴承，推力轴承内紧配连接有钻杆40，钻杆40竖直设置，钻杆40的上端位于移动板20上方，钻杆40的下端位于移动板20的下方，钻杆40的上端固定连接第二齿轮303，第二齿轮303与钻杆40同轴设置，第二齿轮303与第一齿轮302啮合。

如图1所示，钻杆40的下端固定连接螺旋钻头70。如图3、图4所示，螺旋钻头70包含柱体部701和锥体部702，柱体部701为圆柱体，柱体部701位于锥体部702的上端与钻杆40固定连接，柱体部701上开设有横向开槽7011，横向开槽7011内水平设置有与横向开槽7011配合的横截刀7013，横截刀7013通过转轴7012与柱体部701铰接，转轴7012竖直设置于横向开槽7011内，转轴7012的轴线与钻杆40的轴线不共线设置。如图5所示，当横截刀7013绕转轴7012旋转使横截刀7013的刀体位于横向开槽7011内时，横截刀7013远离转轴7012的一端位于柱体部701的外部；

如图3所示，柱体部701下部设置有盲孔，盲孔内安装有推力轴承704和单向轴承703，锥体部702设置为倒锥形，锥体部702上设有旋进螺纹7021，锥体部702通过推力轴承704和单向轴承703与柱体部701转动连接，当单向轴承703正向旋转时单向轴承703的内圈与外圈同步转动。

为了防止在搬运或安装本装置时横截刀7013打开伸出横向开槽7011外对人员造成意外伤害，横向开槽7011内设置扭簧，扭簧一端与柱体部701固定连接，扭簧的另一端与横截刀7013固定连接，扭簧的弹力迫使横截刀7013绕转轴7012旋转收入横向开槽7011内。

如图3所示，为了方便单向轴承703与推力轴承704的安装并使推力轴承704可承受轴向推拉力，在柱体部701下端设置环形挡圈705，环形挡圈705与柱体部701采用螺栓可拆卸连接。

如图1、图3、图4所示，位于移动板20下部的钻杆40外部套设有固定筒50，固定筒50的上端与移动板20固定连接，固定筒50的内壁与钻杆40之间留有间隙，固定筒50的上部侧壁设有连通固定筒50内外空间的排泄孔501，钻杆40上设有螺旋片401，螺旋片401的旋向与旋进螺纹7021的旋向一致；两相邻的固定筒50之间竖直设置切板60，切板60的下端设为刃口状，切板60的左右两端分别各与一固定筒50固定连接，切板60呈弧形且多个弧形的切板60均设置在同一圆周上。

为了使得所有的横截刀7013将横截刀7013旋转路径上的土壤切割掉后土柱底部中心仍然留有少量土壤对土柱进行支撑，防止横截刀7013旋转切割土柱底部土壤时造成土柱在土柱自重下坍塌，同时也可以有效防止相邻横截刀7013在旋转时相互干涉，相邻的横截刀7013的旋转路径不在同一平面内，同一旋转平面内的横截刀7013的旋转路径不相交。

如图6所示，为了方便控制横截刀7013工作时的刀位置，钻杆40的上端面刻有刀位标记402，刀位标记402的位置与横截刀7013绕转轴7012旋转伸出横向开槽7011时的极限位置对应，在电机30的驱动下某一时刻所有钻杆40上的刀位标记402均能同时旋转到指向电机30的输出轴301的轴线。

钻杆40、固定筒50、螺旋钻头70和第二齿轮303均同轴设置。

本实施例一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置的具体工作过程和有益效果为：

将4根固定杆10在合适的位置竖直钉入待取样处的泥土内，将移动板20的通孔201对准固定杆10套入，此时在扭簧的弹力下横截刀7013的刀体位于横向开槽7011内，反向运行电机30带动第一齿轮302反向旋转进而带动第二齿轮303正向旋转，钻杆40与柱体部701随第二齿轮303正向旋转，这时单向轴承703的内圈与外圈同步正向旋转进而使锥体部702正向旋转，在旋进螺纹7021的作用下锥体部702向下旋转掘进，锥体部702向下旋转掘进时通过推力轴承704带动钻杆40进而带动移动板20向下运动，移动板20带动固定筒50和切板60向下移动，这时下移的切板60下压切割土壤使位于切板60内侧的土壤与位于切板60外侧的土壤分离开形成土柱；此时由于转轴7012的轴线与钻杆40的轴线不共线，在钻杆40正向旋转时，柱体部701外部的土壤与横截刀7013远离柱体部701轴线的端面接触阻止横截刀7013向横向开槽7011外部伸出，此时横截刀7013远离转轴7012的一端仍位于柱体部701的外部，柱体部701掘进产生的碎土壤经钻杆40上的螺旋片401向上输送并由固定筒50上部的排泄孔501排除到固定筒50外，防止螺旋钻头70产生的碎土挤压土柱造成土柱原始结构改变。

当锥体部702掘进土体到达所需要的深度后，停止运行电机30并控制电机30正向运行，在齿轮传动下柱体部701反向旋转，由于转轴7012的轴线与钻杆40的轴线不共线且横截刀7013远离转轴7012的一端位于螺旋钻头70外部，螺旋钻头70反向旋转时在螺旋钻头70外部的土壤推动横截刀7013克服扭簧的弹力绕转轴7012旋转打开使横截刀7013伸出横向开槽7011，此时横截刀7013随柱体部701一同反向旋转，反向旋转的横截刀7013将形成的土柱底部土壤切割掉使土柱与土柱底部的土壤分离开，柱体部701反向旋转时，单向轴承703的内圈与外圈能相对转动使得锥体部702不受转矩作用而不能反向旋转，能有效防止在横截刀7013在反向旋转切割土柱底部的土壤时由于锥体部702的反向转动使锥体部702产生向上的推力，向上的推力会迫使横截刀7013在旋转的同时向上移动将原本完整的土柱切碎。

由于相邻的横截刀7013的旋转路径不在同一平面内，同一旋转平面内的横截刀7013的旋转路径不相交，使得所有的横截刀7013将横截刀7013旋转路径上的土壤切割掉后土柱底部中心仍然留有少量土壤对土柱进行支撑，防止横截刀7013旋转切割土柱底部土壤时造成土柱在土柱自重下坍塌，同时也可以有效防止相邻横截刀7013在旋转时相互干涉。

待横截刀7013将土柱底部的土壤切割分离后，当所有钻杆40上端的刀位标记402均指向电机30的输出轴301的轴线时停止运行电机30，这时横截刀7013均位于土柱的底部将土柱承托住，将移动板20向上移动便可将土柱向上提出，这时土柱压住横截刀7013，扭簧无法使横截刀7013收回横向开槽7011内，当土柱离开地面后控制电机30运行使刀位标记402均指向远离电机30的输出轴301的轴线方向时停止运行电机30使横截刀7013均位于切板60外侧，这时便可取出土柱用于实验研究。

由于土柱样件是通过下压切割的方式得到，这样的切割方式不会产生背景技术中的在土柱的柱面由于旋转摩擦造成的光滑的柱面和柱面被泥浆封闭的现象，尽可能的保持了待实验土壤的原状结构，进一步使后续在实验中使用该样件进行水土迁移和软弱土形变研究中关于土层对不同水压下的土层的孔隙率、崩解性、膨胀性、软化性、溶解性和浸透路径等项目研究分析时得到的数据更接近实际情况；通过设置电机30驱动多个螺旋钻头70掘进和在土柱底部进行横切截断，提高了土质取样速度和降低取样难度。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。

Claims (6)

1.一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，包括至少2根竖直设置的固定杆、水平设置的移动板和电机，其特征在于：所述移动板上设有与所述固定杆配合的通孔，所述电机与所述移动板固定连接，所述电机的输出轴上设有第一齿轮，所述移动板上同一圆周上竖直均匀设置多个钻杆，所述钻杆的上端位于所述移动板的上方，所述钻杆的下端位于所述移动板的下方，所述钻杆与所述移动板通过推力轴承转动连接，钻杆的上端设有与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，钻杆的下端设有螺旋钻头，所述螺旋钻头上设有横向开槽，所述横向开槽内水平设置有与所述横向开槽配合的横截刀，所述横截刀通过转轴与所述螺旋钻头铰接，所述转轴竖直设置于所述横向开槽内，所述转轴的轴线与所述钻杆的轴线不共线设置，当横截刀绕所述转轴旋转使横截刀的刀体位于横向开槽内时，横截刀远离转轴的一端位于所述螺旋钻头外部；

所述钻杆上端设有刀位标记，所述刀位标记的位置与横截刀绕所述转轴旋转伸出横向开槽时的极限位置对应，在所述电机的驱动下某一时刻所有钻杆上的刀位标记均能同时旋转到指向所述电机的输出轴的轴线；

位于所述移动板下部的钻杆外部套设有固定筒，所述固定筒的上端与所述移动板固定连接，两相邻的固定筒之间竖直设置切板，所述切板的下端设为刃口状，切板的左右两端分别各与一固定筒固定连接；

所述钻杆、所述固定筒、所述螺旋钻头和所述第二齿轮均同轴设置。

2.根据权利要求1所述的一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，其特征在于：所述螺旋钻头包含柱体部和锥体部，所述柱体部位于所述锥体部的上端与所述钻杆固定连接，所述横向开槽设于所述柱体部上，所述锥体部上设有旋进螺纹，所述柱体部内设置推力轴承和单向轴承，所述锥体部通过所述推力轴承和所述单向轴承与所述柱体部转动连接，当所述单向轴承正向旋转时单向轴承的内圈与外圈同步转动。

3.根据权利要求2所述的一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，其特征在于：相邻的横截刀的旋转路径不在同一平面内，同一旋转平面内的横截刀的旋转路径不相交。

4.根据权利要求3所述的一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，其特征在于：所述固定筒的内壁与所述钻杆之间留有间隙，固定筒的的上部侧壁设有连通固定筒内外空间的排泄孔，所述钻杆上设有螺旋片。

5.根据权利要求4所述的一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，其特征在于：所述切板呈弧形且多个弧形的切板均设置在同一圆周上。

6.根据权利要求5所述的一种用于水土迁移和软弱土形变研究的土质取样装置，其特征在于：所述横向开槽内设置扭簧，所述扭簧一端与所述柱体部固定连接，扭簧的另一端与所述横截刀固定连接，所述扭簧的弹力迫使所述横截刀绕转轴旋转收入所述横向开槽内。

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