CN113482562B - 一种覆盖层可取芯触探试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种覆盖层可取芯触探试验装置。它包括内层结构和设置在内层结构外周的外层结构，内层结构和外层结构均为金属件；外层结构包括扩径管靴、厚壁接头、以及多个标准套管组合结构，扩径管靴、厚壁接头、以及多个标准套管组合结构由下至上依次连接；内层结构包括覆盖层取芯器和配重锤；覆盖层取芯器与配重锤由下至上依次连接；扩径管靴、覆盖层取芯器、厚壁接头、标准套管组合结构均呈上下端开口的中空结构；配重锤为边缘设置多个上下贯通缺口的金属圆柱，配重锤的顶端与绳索连接；覆盖层取芯器的底部设置钢丝结构。本发明具有在进行触探试验时同步取得岩芯的优点。本发明还公开了所述的覆盖层可取芯触探试验装置的使用方法。

Description

一种覆盖层可取芯触探试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及勘察技术领域，更具体地说它是覆盖层可取芯触探试验装置，更具体地说它是一种通过静压、锤击为主的方法，取得各地层的受力数据，同时获得岩芯的装置，主要应用于粘性土、砂性土和含少量砾石的地层。本发明还涉及覆盖层可取芯触探试验装置的使用方法。

背景技术

在勘察工作中，现场触探试验主要为静压进行的静力触探和锤击进行的动力触探和标准贯入试验，以上几种试验，标准贯入试验可每次取得小于45cm的岩芯外，其它两种试验均不能取芯鉴别。

同样的，动力触探和标准贯入试验需依托钻机设备，并与钻探过程相互干扰，常因孔底残渣和杆长变化影响动力触探和标准贯入数据，并易因用时过长，加重孔壁变形，干扰再次钻进。同样的，现阶段取芯主要采用回转钻机、钻杆、岩芯管等设备，利用水循环造孔并取芯，操作中常遇到岩芯冲蚀、掉芯及钻孔缩孔、漏浆、垮孔等问题，易导致取芯数量少、质量差等问题，部分粘性土层钻探采用麻花钻取芯，岩芯易完全扰动。

因此，开发一种在进行触探试验的同时能取得扰动较小岩芯的覆盖层可取芯触探试验装置很有必要。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种覆盖层可取芯触探试验装置，在获取触探数据的同时能取得扰动较小岩芯，进一步可进行任意地层注水、压水等水文试验，并在终孔后采用水泥浆等封孔的设备。

本发明的第二目的是为了提供覆盖层可取芯触探试验装置的使用方法。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种覆盖层可取芯触探试验装置，其特征在于：包括内层结构和设置在内层结构外周的外层结构，内层结构和外层结构均为金属件；外层结构包括扩径管靴、厚壁接头、以及多个标准套管组合结构，扩径管靴、厚壁接头、以及多个标准套管组合结构由下至上依次连接；内层结构包括覆盖层取芯器和配重锤；覆盖层取芯器与配重锤由下至上依次连接；扩径管靴、覆盖层取芯器、厚壁接头、标准套管组合结构均呈上下端开口的中空结构；配重锤为边缘设置多个上下贯通缺口的金属圆柱，配重锤的顶端与绳索连接；覆盖层取芯器的底部设置钢丝结构。

在上述技术方案中，扩径管靴为圆形钢套，外部表面为上下外径小、中部外径大的扩径结构；扩径管靴底部设置环刃、内径中部设置锤击环台；环刃与锤击环台呈平行设置；厚壁接头的外径小于扩径管靴中部外径，内径小于或等于锤击环台外环径；标准套管组合结构外径小于厚壁接头的外径，内径与厚壁接头的内径一致。

在上述技术方案中，覆盖层取芯器为土层取芯器，或为砂砾取芯器；

当覆盖层取芯器为土层取芯器时，土层取芯器连接在配重锤下端形成第一内层结构，第一内层结构与外层结构共同构成静压土层取芯结构；

当覆盖层取芯器为砂砾取芯器时，砂砾取芯器连接在配重锤下端形成第二内层结构，第二内层结构与外层结构共同构成锤击砂砾取芯结构。

在上述技术方案中，土层取芯器包括薄壁开缝钢管和切割环；切割环安装在薄壁开缝钢管下端；薄壁开缝钢管在距顶端50～100mm处向下设置二条竖缝至薄壁开缝钢管底部；二条竖缝过薄壁开缝钢管圆心呈对称分布。

在上述技术方案中，切割环的主体为切割环环体，切割环环体安装在薄壁开缝钢管底部；切割环环体底端设置限位环刃；钢丝设置在限位环刃内。钢丝过切割环环体圆心向两边延伸至切割环环体上；限位环刃的刃口内外角度均为10°～30°，限位环刃的刃口直径大于锤击环台的内环直径、且小于锤击环台的外环直径。

在上述技术方案中，砂砾取芯器包括钢管和冲击环刃；冲击环刃安装在钢管下端；

钢管下部设置环缝和若干穿丝孔，穿丝孔内设置向钢管圆心伸展的钢丝网；冲击环刃安装在钢管下端；冲击环刃中部设置限位环台、下部设置细管段；细管段的底部刃口角度15°～45°；限位环台与细管段垂直相交；限位环台的外环直径大于锤击环台的内环直径、小于锤击环台的外环直径；限位环台的内环直径小于锤击环台的内环直径；细管段的外径小于锤击环台的内径；细管段的长度大于或等于环刃的长度。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的覆盖层可取芯触探试验装置的使用方法，其特征在于：为用于软塑、可塑状粘性土及松散砂性土地层的静压土层取芯方法，具体包括如下实施步骤：

步骤一：安装，将外层结构置于可静压地层表面，将第一内层结构置于外层结构中；

外层结构中扩径管靴铅直置于可静压地层表面，扩径管靴、厚壁接头、多个标准套管组合结构由下至上依次连接为整体，且位于上端的标准套管组合结构位于地表以上，并与位于地表的铅直工作的液压设备、压力传感设备连接；

将土层取芯器顶端和配重锤底端连接；配重锤的顶端通过绳索与提拉设备相连；

将第一内层结构通过绳索放置于外层结构中，使限位环刃置于锤击环台上，配重锤用于抵抗土体进入土层取芯器产生的向上摩擦力；

步骤二：造孔；

匀速静压标准套管组合结构，带动扩径管靴造孔，同步记录下压过程产生的压力值；

在下压标准套管组合结构的过程中，进入扩径管靴的岩芯，进一步通过限位环刃和钢丝进入薄壁开缝钢管中；

步骤三：取芯；

回次进尺达到土层取芯器长度或岩芯提前充满薄壁开缝钢管时，轻提并转动配重锤上的绳索，使钢丝环切薄壁开缝钢管中岩芯与下部土体的联系；

提拉绳索，将配重锤和静压土层取芯器提出标准套管组合结构外；拆开切割环，将薄壁开缝钢管下端张开，使岩芯在重力或人力作用下脱离薄壁开缝钢管；此时岩芯已被钢丝竖向切割为两个半圆柱状，合拢两半岩芯并按钻进顺序放置于岩芯箱相应位置；

将切割环安装在薄壁开缝钢管下端并放置到锤击环台上，继续下一回次岩芯采取。

在上述技术方案中，造孔完成后，根据所取岩芯进行岩性、状态分层，并通过压力传感器收集的压力数据曲线进行复核、修正及建立相关性公式。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的覆盖层可取芯触探试验装置的使用方法，其特征在于：为用于硬塑状粘性土、砂土及含少量砾石的地层的锤击砂砾取芯方法，具体包括如下实施步骤：

步骤一：安装，将外层结构置于拟锤击地层表面，将第二内层结构置于外层结构中；

外层结构中的扩径管靴铅直置于拟锤击地层表面，扩径管靴、厚壁接头、多个标准套管组合结构由下至上依次连接为整体，且位于上端的标准套管组合结构位于地表以上；将砂砾取芯器连接在配重锤下端；配重锤的顶端通过绳索与提拉设备相连；将第二内层结构通过绳索放置于外层结构中，使限位环台位于锤击环台上方一定高度；

步骤二：造孔；

提拉绳索，将第二内层结构提起一定高度后自由落下、冲击锤击环台，受重力作用，位于锤击砂砾取芯器底部的细管段露出环刃进入孔底，进一步使锤击环台和限位环台冲击接触，带动扩径管靴向下运动，并限制细管段入土深度；第二内层结构提起和落下程序循环进行，循环锤击锤击环台；

在锤击循环中，第二内层结构每次锤击锤击环台时，孔底土体均将细管段中的岩芯顶入钢管，并由钢丝网阻挡岩芯下行；

步骤三：取芯；

回次进尺达到砂砾取芯器长度或岩芯提前充满钢管时，通过绳索将配重锤和砂砾取芯器提出标准套管组合结构外；拆开砂砾取芯器与配重锤，倒置砂砾取芯器，将钢管内的岩芯按顺序倒入岩芯箱相应位置；将锤击砂砾取芯器安装在配重锤下端后，再次放入外层结构下部，继续下一回锤击成孔取芯。

在上述技术方案中，造孔完成后，根据所取岩芯进行岩性、状态分层，并结合同深度产生的锤击数进行修正及建立相关性公式。

本发明具有如下优点：

(1)本发明结构较简单，易于加工和操作，主要易损件扩径管靴和冲击环刃方便更换；标准套管组合结构主要起护壁和导向作用，不易于损坏，且易于购买；与扩径管靴连接的接头采用厚壁接头，增大了连接强度；

(2)本发明尺寸较小、质量较轻，方便携带且低廉耐用；

(3)本发明中的静压土层取芯器设置了竖缝，方便岩芯取出；设置了钢丝在孔内剖切岩芯，减轻了地质工作时间；

(4)本发明中的锤击砂砾取芯器设置钢丝网，可增加砂性土取芯成功性和取芯量；

(5)本发明无需供水钻进，减少了相应工作量和环境污染，并易于观测不同层位的初见水位和稳定水位；

(6)本发明无水在管内冲刷扰动，可增加细粒砂性土层颗分试验精度(含砾地层砾石含量存在破碎和挤出扩径管靴外可能，需结合单位锤击数予以修正)。

(7)本发明在获取触探数据的同时能取得扰动较小岩芯，进一步可进行任意地层注水、压水等水文试验；本发明中的外层结构可连续隔绝孔外地层、便于止水，因此，可进行任意地层注水、压水等水文试验，如需按规范增加试段长度则上提标准套管组合结构进行增加试段，进一步进行水文试验即可；本发明中的外层结构可连续隔断位于外层结构内、外侧的地层、便于止水，可在孔口进行压水试验；克服了现有技术采用套管隔绝上部地层后，进一步钻取适量试段，再进行试验，操作复杂、效率低，以及较深孔深因未采取跟管钻进一般不容易试验等缺点。

附图说明

图1为本发明中的外层结构纵截面示意图。

图2为本发明中的第一内层结构纵截面示意图。

图3为本发明中的第二内层结构纵截面示意图。

图4为图3的A处放大图。

图5为图3的侧视图。

图6为本发明中的配重锤的剖视结构示意图。

图7为本发明中的厚壁接头与扩径管靴的连接的立体结构示意图。

图8为图7的主视图。

图9为图7的俯视图。

图10为本发明中的土层取芯器安装在外层结构内的纵截面示意图。

图11为本发明中的切割环的立体结构示意图。

图12为图11的主视图。

图13为图11的俯视图。

图14为本发明中的薄壁开缝钢管的立体结构示意图。

图15为本发明中的砂砾取芯器安装在外层结构内的纵截面示意图。

图16为本发明中的冲击环刃的立体结构示意图。

图17为图16的主视图。

图18为图16的俯视图。

图11中的A为切割环环体的圆心。

图1中，D表示地面。图2中，S表示绳索。图3、图10、图15中，S表示绳索；D表示地面。图14中，W1表示薄壁开缝钢管的上部螺纹；W2表示薄壁开缝钢管的下部螺纹。

图中1-扩径管靴，1-1-环刃，1-2-锤击环台，2-土层取芯器，2-1-薄壁开缝钢管，2-2-竖缝，2-3-切割环，2-3-1-钢丝，2-3-2-限位环刃，2-3-3-切割环环体，3-砂砾取芯器，3-1-钢管，3-2-环缝，3-3-穿丝孔，3-3-1-钢丝网，3-4-冲击环刃，3-4-1-限位环台，3-4-2-细管段，4-配重锤，4-1-缺口，5-厚壁接头。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种覆盖层可取芯触探试验装置，包括内层结构和外层结构；内层结构外径略小于外层结构内径；内层结构位于外层结构内；

内层结构和外层结构均为金属件(如为钢铁，铅等金属件)；外层结构包括扩径管靴1、厚壁接头5、以及多个标准套管组合结构6，扩径管靴1、厚壁接头5、以及多个标准套管组合结构6由孔底向上依次螺纹连接；

内层结构包括覆盖层取芯器和配重锤4；覆盖层取芯器与配重锤4由下至上依次螺纹连接；扩径管靴1、覆盖层取芯器、厚壁接头5、标准套管组合结构6均呈上下端开口的中空结构；

配重锤4为边缘设置多个上下贯通缺口4-1的金属圆柱，金属圆柱外围为钢制，中芯采用铅质以增加质量；配重锤4的顶端与绳索连接；缺口4-1方便排水、排气；

覆盖层取芯器的底部均设置钢丝结构，钢丝结构包括钢丝2-3-1和钢丝网3-3-1，分别用于竖向剖开进入薄壁开缝钢管2-1的岩芯及阻挡岩芯下行。

标准套管组合结构6包括标准厚度套管及接头。标准套管组合结构6有多个。

本发明所述覆盖层可取芯触探试验装置用于跟管钻进和护壁的配套套管、接头采用外径76mm、内径约70mm的薄壁钢管制成，每根套管+接头长度1000mm或2000mm，其中与扩径管靴1连接的厚壁接头5采用外径大于配套套管，内径等于配套套管的钢管所制；与所述覆盖层可取芯触探试验装置的配套设备包括置于地面的液压设备、提拉设备和压力传感设备，配套设备均使用现有技术。

进一步地，扩径管靴1为圆形钢套，外部表面为上下外径小、中部外径大的扩径结构(即变径段)；扩径管靴1底部环刃1-1刃口角度10°～30°(根据勘察区域主要地层更改角度)；扩径管靴1内径中部为锤击环台1-2；锤击环台1-2与环刃1-1平行；扩径管靴1上部设置螺纹、外部表面为变径段；

厚壁接头5的外径小于扩径管靴1中部外径，内径略小于锤击环台1-2外环径；标准套管组合结构6外径小于厚壁接头5的外径，内径与厚壁接头5的内径一致。

厚壁接头5上端与标准套管组合结构6通过螺纹连接、下端与扩径管靴1上端通过螺纹连接，扩径管靴1、厚壁接头5、标准套管组合结构6由下向上外径逐步缩小，减少侧壁外地层变形对外部结构产生的摩阻力。三者螺纹连接。

进一步地，覆盖层取芯器为土层取芯器2，或为砂砾取芯器3；

当覆盖层取芯器为土层取芯器2时，土层取芯器2连接在配重锤4下端形成第一内层结构，第一内层结构与外层结构共同构成静压土层取芯结构；

当覆盖层取芯器为砂砾取芯器3时，砂砾取芯器3连接在配重锤4下端形成第二内层结构，第二内层结构与外层结构共同构成锤击砂砾取芯结构。

进一步地，土层取芯器2包括薄壁开缝钢管2-1和切割环2-3；薄壁开缝钢管2-1与切割环2-3通过螺纹连接；薄壁开缝钢管2-1在距顶端50～100mm处向下设置二条竖缝2-2至薄壁开缝钢管2-1底部，方便岩芯取出；竖缝2-2的宽度小于1mm；

二条竖缝2-2通过薄壁开缝钢管2-1圆心呈对称分布，设置竖缝2-2目的是2-1内装满岩芯时，提出地表并拆卸切割环2-3后，使用外力易撑开2-2，以减少或消除2-1内壁与岩芯间的摩擦力，方便岩芯在重力作用下脱离；薄壁开缝钢管2-1顶端、底端均设置螺纹。薄壁开缝钢管2-1上端与配重锤4下端通过螺纹连接、下端与切割环环体2-3-3上端通过螺纹连接，便于拆装取芯。

进一步地，切割环2-3外径略小于扩径管靴1内径，并与配重锤4外径配合，以起到导向作用；切割环2-3的主体为切割环环体2-3-3，切割环环体2-3-3安装在薄壁开缝钢管2-1底部；切割环环体2-3-3上端螺纹，底端设置限位环刃2-3-2；钢丝2-3-1设置在限位环刃2-3-2内、且位于限位环刃2-3-2的中下部范围，用于竖向剖开进入薄壁开缝钢管2-1的岩芯及环切薄壁开缝钢管2-1中的岩芯与下部土体，使得岩芯与下部土体断开联系，缩短地质工作时间；

钢丝2-3-1过切割环环体2-3-3圆心向两边延伸至切割环环体2-3-3上；限位环刃2-3-2的刃口内外角度均为10°～30°(根据勘察区域主要地层可更改刃口角度)，刃口直径略大于锤击环台1-2内环；刃口内径略大于60mm；

限位环刃2-3-3由上部内外径处同时向刃口倾斜，限位环刃2-3-3的外径倾斜目的一是减少与扩径管靴1的摩擦，二是为钢丝2-3-1安装留位置；内径倾斜目的是下部岩芯顺利进入；土层取芯器2主要应用于一般粘性土(如，可塑状粘性土、软塑状软土地层)的静压土层取芯。

进一步地，砂砾取芯器3包括钢管3-1和冲击环刃3-4；钢管3-1与冲击环刃3-4通过螺纹连接；钢管3-1顶端、底端均设置螺纹；钢管3-1顶端与配重锤4通过螺纹连接、底端与冲击环刃3-4通过螺纹连接，便于拆装取芯，且方便更换易损件冲击环刃3-4；

钢管3-1下部设置环缝3-2和若干穿丝孔3-3，穿丝孔3-3内设置向钢管3-1圆心伸展的钢丝网3-3-1，通过冲击环刃3-4获取的砂、砾石等岩芯拦截在钢管3-1中，且可增加砂性土取芯成功性和取芯量；

冲击环刃3-4安装在钢管3-1下端；冲击环刃3-4上端设置螺纹、中部设置限位环台3-4-1、下部设置细管段3-4-2；细管段3-4-2的底部刃口角度15°～45°；限位环台3-4-1与细管段3-4-2直角相交；细管段3-4-2的外径小于锤击环台1-2的内径；细管段3-4-2的长度大于环刃1-1长度。

细管段3-4-2可通过扩径管靴1到达孔底地层；使细管段3-4-2底部刃口露出扩径管靴1后，切削砂及含少量砾的地层。

锤击砂砾取芯器3主要应用于硬塑状粘性土、砂土及含少量砾石等地层的锤击砂砾取芯。限位环台3-4-1的内环直径、外环直径均略小于锤击环台1-2的内环直径，限位环台3-4-1与锤击环台1-2配合，限制细管段3-4-2入土深度，如地下浅层锤击时，应选择细管段3-4-2长度等于环刃1-1长度，刃口未外露，同时减少落距，以减少锤击工作对地下管线的破坏。

扩径管靴1、土层取芯器2、砂砾取芯器3及配重锤4的各部件的尺寸可根据实际应用取值。

参阅附图可知：所述的覆盖所述的覆盖层可取芯触探试验装置的使用方法，其特征在于：为用于软塑、可塑状粘性土及松散砂性土地层的静压土层取芯方法，具体包括如下实施步骤：

步骤一：安装，将外层结构置于可静压地层表面，将第一内层结构置于外层结构中；

外层结构中的扩径管靴1铅直置于可静压地层表面，扩径管靴1上连接厚壁接头5，厚壁接头5上连接标准套管组合结构6，扩径管靴1、厚壁接头5及标准套管组合结构6均通过螺纹连接为整体，并与铅直工作的液压设备、压力传感设备连接；

将土层取芯器2顶端的螺纹和配重锤4底端的螺纹连接；配重锤4的顶端通过绳索与提拉设备相连；

将第一内层结构通过绳索放置于外层结构中，使限位环刃2-3-2置于锤击环台1-2上，配重锤4用于抵抗土体进入土层取芯器2产生的向上摩擦力；

步骤二：造孔；

匀速静压标准套管组合结构6，带动扩径管靴1造孔，同步记录下压过程产生的压力值，当孔口为含碎石的杂填土，可选择锤击砂砾取芯器3辅助开孔，如为块石土或硂层，应选择其它设备开孔；

在下压标准套管组合结构6的过程中，进入扩径管靴1的岩芯，进一步通过限位环刃2-3-2和钢丝2-3-1进入薄壁开缝钢管2-1中；

步骤三：取芯；

回次进尺达到土层取芯器2长度或岩芯提前充满薄壁开缝钢管2-1时，轻提并转动连接配重锤4上的绳索约180°，使钢丝2-3-1环切薄壁开缝钢管2-1中岩芯与下部土体的联系；

提拉绳索，将配重锤4和静压土层取芯器2提出标准套管组合结构6外；旋开切割环2-3与薄壁开缝钢管2-1之间的连接螺纹，将薄壁开缝钢管2-1下端张开，使管中岩芯在重力或人力作用下脱离薄壁开缝钢管2-1；此时岩芯已被钢丝2-3-1竖向切割为两个半圆柱状，合拢两半岩芯并按钻进顺序放置于岩芯箱相应位置；将薄壁开缝钢管2-1下端与切割环2-3通过螺纹连接并放置到锤击环台1-2上，继续下一回次岩芯采取。

进一步地，造孔完成后，根据所取岩芯进行岩性、状态分层，并通过压力传感器收集的压力数据曲线进行复核、修正及建立相关性公式，同时压力数据与该地层其它试验参数建立相关性公式；将压力数据与同层的土工试验参数和静力触探数据进行对比，得到产生差异的主要影响因素，建立修正公式，以提供单桩极限承载力成果。

参阅附图可知：所述的覆盖所述的覆盖层可取芯触探试验装置的使用方法，其特征在于：为用于硬塑状粘性土、砂土及含少量砾石的地层的锤击砂砾取芯方法(如为块石头或硂层，应选择其它设备开孔)，具体包括如下实施步骤：

步骤一：安装，将外层结构置于拟锤击地层表面，将第二内层结构置于外层结构中；

外层结构中的扩径管靴1铅直置于砂性土或硬塑状粘性土等拟锤击地层表面，扩径管靴1上连接厚壁接头5，接厚壁接头5上再连接标准套管组合结构6至地表以上，扩径管靴1、厚壁接头5及标准套管组合结构6均通过螺纹连接为整体；

将砂砾取芯器3顶端的螺纹和配重锤4底端的螺纹连接；配重锤4的顶端通过绳索与提拉设备相连；将内层结构通过绳索放置于外层结构中，限位环台3-4-1距锤击环台1-2上一定高度；

步骤二：造孔；

提拉绳索，将第二内层结构提起一定高度后自由落下、冲击锤击环台1-2，受重力作用，内部结构底部的细管段3-4-2露出环刃1-1进入孔底，进一步使锤击环台1-2和限位环台3-4-1冲击接触，带动扩径管靴1向下运动，并限制细管段3-4-2入土深度；第二内层结构提起和落下程序循环进行，循环锤击锤击环台1-2；

在锤击循环中，第二内层结构每次冲击锤击环台1-2时，孔底土体均将细管段3-4-2中岩芯顶入钢管3-1，并由钢丝网3-3-1阻挡岩芯下行；若孔底存在气体或地下水，通过配重锤4的缺口4-1(即排气槽)排至配重锤4以上；

步骤三：取芯；

回次进尺达到砂砾取芯器3长度或岩芯提前充满钢管3-1时，通过绳索将配重锤4和砂砾取芯器3提出标准套管组合结构6外；旋开砂砾取芯器3与配重锤4之间的连接螺纹，倒置砂砾取芯器3，将钢管3-1内的岩芯按顺序倒入岩芯箱相应位置，其中硬塑状粘土岩芯直径远小于钢管3-1内径，岩芯可顺利脱离钢管3-1内径，冲击环刃3-4内岩芯选用其它工具取出；将配重锤4和锤击砂砾取芯器3通过螺纹连接后，再次放入外层结构下部，继续下一回锤击成孔取芯。

进一步地，造孔完成后，根据所取岩芯进行岩性、状态分层，并结合同深度产生的锤击数进行修正及建立相关性公式，同时锤击数据与该地层其它试验参数建立相关性公式；将单位锤击数与同层的土工试验参数和标贯、重型动力触探数据进行对比，得到产生差异的主要影响因素，建立修正公式，提供承载力成果；进一步试验不同自由落锤高度，获取相关试验数据相关性及验证锤击环台1-2和限位环台3-4-1抵抗变形能力。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的覆盖层可取芯触探试验装置及其使用方法与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的覆盖层可取芯触探试验装置及其使用方法与列举的现有技术相比，在进行触探试验的同时完成取芯工作，适用地层多，且多于其它列举技术，可广泛应用于含砾极少的各类覆盖层中；该设备所需配套设备为液压装置、卷扬装置和压力传感装置和轻型支架，体积小质量轻，并对场地条件要求小；因本发明可无水造孔，极大提高了初见水位和分层水位的观测精度和减少观测用时。

实施例

现以本发明应用于某覆盖层的取芯触探试验为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它覆盖层的取芯触探试验同样具有指导作用。

实施例1

本实施例中，覆盖层为某可塑状粘性土，本实施例为对某可塑状粘性土进行取芯触探试验。本实施例中，覆盖层可取芯触探试验装置用于跟管钻进和护壁的配套套管、接头采用外径76mm、内径约70mm的薄壁钢管制成，每根套管+接头长度以1000mm为主，其中与扩径管靴1连接的厚壁接头5采用外径80mm、内径约70mm的钢管所制；绳索取芯及动力等设备利用现有设备，液压设备及置于液压设备压杆器之上的传感器等设备根据现有设备改装；本实施例中的覆盖层可取芯触探试验装置包括扩径管靴1、土层取芯器2、及配重锤4。

扩径管靴1为圆形钢套，高度约50mm，中部外径约91mm，内径61～72mm。扩径管靴1底部环刃1-1内径约61mm，刃口角度10°～30°(根据勘察区域主要地层更改角度)；扩径管靴1内径中部为锤击环台1-2，与环刃1-1平行，相距约30mm，外环直径约70mm，内环直径约61mm，宽度约4.5mm；扩径管靴1上部宽度或高度为20mm、且设置内螺纹，所述螺纹直径约75mm；扩径管靴1外部表面为变径结构，外径由91mm缩小至顶端82mm。

本实施例中的静压土层取芯器，主要应用于一般粘性土。静压土层取芯器主体为具有弹性的薄壁开缝钢管2-1，外径约65mm，内径约62mm，壁厚约1.5mm，长度约1000mm；钢管顶部略向内收拢，收拢段内径约60mm，高度20～50mm，顶端设置高度约10mm内螺纹；薄壁开缝钢管2-1底端设置高度约10mm外螺纹；由钢管顶部以下约100mm处向下设置2条竖缝2-2至钢管底部，竖缝2-2宽度小于1mm，2条竖缝2-2过圆心对称分布；于底部安装切割环2-3，外径约68mm，内径约60mm，高度约15mm，上部10mm设置内螺纹，下部距底端约4mm处设置直径约1mm的钢丝2-3-1，过切割环2-3圆心向两边至环体2-3-5，底端3mm为限位环刃2-3-2，底部刃口角度10°～30°，刃口内径约64mm。

配重锤4主体为金属柱(强度、密度尽量大，如铅芯钢柱)(设置外壁豁槽，以方便排水、排气)，外径约68mm，壁厚约29mm，长度约1950mm(按配重锤4和锤击砂砾取芯器3质量之和等于重型动力触探锤重63.5kg配置)；底端设置高度约20mm外螺纹，螺纹直径约60mm，与静压土层取芯器2顶端内螺纹匹配。顶端设连接件，与钢丝绳或绳索取芯设备匹配。

本实施例中使用的液压设备需要特制压杆器，包括将通过探杆的中孔扩大至约80mm。本实施例中，某可塑状粘性土进行取芯触探试验方法，包括如下步骤：

步骤一：安装，将外层结构置于可静压地层表面，将第一内层结构置于外层结构中；

外层结构中扩径管靴1铅直置于可静压地层表面，其上连接厚壁接头5，其上再连接标准套管组合结构6至地面以上，三者通过螺纹连接为整体，并与铅直工作的液压设备、压力传感设备连接；将土层取芯器2顶端的螺纹和配重锤4底端的螺纹连接；配重锤4的顶端通过绳索与提拉设备相连；

将第一内层结构通过绳索放置于外层结构中，使限位环刃2-3-2置于锤击环台1-2上，配重锤4用于抵抗土体进入土层取芯器2产生的向上摩擦力；

步骤二：造孔；

匀速静压标准套管组合结构6，带动扩径管靴1造孔，同步记录下压过程产生的压力值；在下压标准套管组合结构6的过程中，进入61mm内径扩径管靴1的岩芯，进一步通过60mm内径切割环2-3和钢丝2-3-1进入内径62mm的薄壁开缝钢管2-1中；

步骤三：取芯；

回次进尺达到土层取芯器2长度或不易下行(岩芯围压消除后，部分岩芯会产生体积变大，导致取芯器内管(即薄壁开缝钢管2-1)充满)时，轻提并转动连接配重锤4的绳索约180°，使钢丝2-3-1环切薄壁开缝钢管2-1中岩芯与下部土体的联系；

提拉绳索，将配重锤4和静压土层取芯器2提出标准套管组合结构6外；旋开切割环2-3与薄壁开缝钢管2-1之间的连接螺纹，将薄壁开缝钢管2-1下端张开，使管中岩芯在重力或人力作用下脱离薄壁开缝钢管2-1；此时岩芯已被钢丝2-3-1竖向切割为两个半圆柱状，合拢两半岩芯并按钻进顺序放置于岩芯箱相应位置；将薄壁开缝钢管2-1下端与切割环2-3通过螺纹连接并放置到孔底，继续下一回次岩芯采取。

造孔完成后，根据所取岩芯进行岩性、状态分层，并通过压力传感器收集的压力数据曲线进行复核、修正及建立相关性公式；将压力数据与同层的土工试验参数和静力触探数据进行对比，得到相互间的差异的主要影响因素，建立修正公式，以提供单桩极限承载力成果，必要时结合上提时收集侧壁阻力产生的压力数据，计算获得孔壁、桩端的极限摩阻力成果。

结论：本实施例采用小口径静压的跟管造孔方法，在进行触探试验的同时完成取芯工作，可同时取得静压参数与岩芯性状进行对比；本实施例采用无水钻进，利于观测地下水位；本实施例操作简便，可无水造孔，极大提高了初见水位和分层水位的观测精度和减少稳定用时；本实施例利用绳索取芯方法，增快速度，还可完成注水、封孔等工作，可有效提高地层划分精度、丰富地层综合数据。

实施例2

本实施例中，覆盖层为某含少量砾石的地层，本实施例为对某含少量砾石的地层进行取芯触探试验。

本实施例中，覆盖层可取芯触探试验装置用于跟管钻进和护壁的配套套管、接头采用外径76mm、内径约70mm的薄壁钢管制成，每根套管+接头长度以1000mm为主，其中与扩径管靴1连接的厚壁接头5采用外径80mm、内径约70mm的钢管所制；绳索取芯及动力等设备利用现有设备，本实施例中的覆盖层可取芯触探试验装置包括扩径管靴1、砂砾取芯器3、土层取芯器2、配重锤4、厚壁接头5和标准套管组合结构6。

扩径管靴1为圆形钢套，高度约50mm，中部外径约91mm，内径61～72mm。扩径管靴1底部环刃1-1内径约61mm，刃口角度10°～30°(根据勘察区域主要地层更改角度)；扩径管靴1内径中部为锤击环台1-2，与环刃1-1平行，相距约30mm，外环直径约70mm，内环直径约61mm，宽度约4.5mm；扩径管靴1上部高度为20mm、且设置内螺纹，螺纹直径约75mm；外部表面为变径结构，外径由91mm缩小至顶端82mm。

锤击砂砾取芯器主体为钢管3-1，外径约68mm，内径约56mm，壁厚约6mm，长度约1000mm；顶底端均设置高度约20mm内螺纹，螺纹直径约60mm，螺纹处壁厚约4mm；距钢管3-1下端约30mm处设置宽度约2mm环缝3-2和若干穿丝孔3-3，穿丝孔3-3内设置向钢管3-1圆心伸展的钢丝网3-3-1。于底部安装冲击环刃3-4，高度约100mm，上部外径约60mm，表面为螺纹3-4-3，内径约50mm，壁厚约5mm，高度约20mm，与钢管3-1下部内螺纹匹配；中部为限位环台3-4-1，外径约68mm，内径约60mm，壁厚约9mm，高度约20mm；下部为细管段3-4-2，外径约60mm，内径约50mm，壁厚约5mm，高度约60mm，底部刃口角度15°～45°。限位环台3-4-1与细管段3-4-2直角相交，两者外径差为8mm。

配重锤4主体为金属柱(强度、密度尽量大，如铅芯钢柱)(设置外壁豁槽，以方便排水、排气)，外径约68mm，壁厚约29mm，长度约1950mm(按配重锤4和锤击砂砾取芯器3质量之和等于重型动力触探锤重63.5kg配置)；底端设置高度约20mm外螺纹，螺纹直径约60mm，与锤击砂砾取芯器3顶端内螺纹匹配。顶端设连接件，与钢丝绳或绳索取芯设备匹配。

本实施例中使用的液压设备需要特制压杆器，包括将通过探杆的中孔扩大至约80mm。本实施例中，某含少量砾石的地层的取芯触探试验方法，包括如下步骤：

步骤一：安装，将外层结构置于拟锤击地层表面，将第二内层结构置于外层结构中；

外层结构中扩径管靴1铅直置于砂性土或硬塑状粘性土等拟锤击地层表面，其上连接厚壁接头5，其上再连接标准套管组合结构6至地表以上，三者通过螺纹连接为整体；

将砂砾取芯器3顶端的螺纹和配重锤4底端的螺纹连接；配重锤4的顶端通过绳索与提拉设备相连；将内层结构通过绳索放置于外层结构中，限位环台3-4-1距锤击环台1-2上一定高度(如，76cm，或76cm的倍数，以便于与动力触探试验数据进行对比；也可以根据实际情况选用其他高度值)；

步骤二：造孔；

提拉绳索，将第二内层结构提起固定高度后自由落下，受重力作用，内部结构底部的细管段3-4-2露出环刃1-1进入孔底，进一步使锤击环台1-2和限位环台3-4-1冲击接触，带动扩径管靴1向下运动，并限制细管段3-4-2入土深度为30mm；第二内层结构提起和落下程序循环进行，循环锤击锤击环台1-2；

在锤击循环中，第二内层结构每次冲击锤击环台1-2时，孔底土体均将细管段3-4-2中岩芯顶入钢管3-1，并由钢丝网3-3-1阻挡岩芯下行；

步骤四：取芯；

回次进尺达到砂砾取芯器3长度或不易下行(即岩芯围压消除后，部分岩芯会产生体积变大，导致取芯器内管(钢管3-1)充满)时，通过绳索将配重锤4和砂砾取芯器3提出标准套管组合结构6外；旋开砂砾取芯器3与配重锤4之间的连接螺纹，倒置砂砾取芯器3，将钢管3-1内的岩芯按顺序倒入岩芯箱相应位置；其中硬塑状粘土岩芯直径远小于钢管3-1内径，岩芯可顺利脱离钢管3-1内径，冲击环刃3-4内岩芯选用其它工具取出；将配重锤4和锤击砂砾取芯器3通过螺纹连接后，再次放入孔底，继续下一回锤击成孔取芯。

造孔完成后，根据所取岩芯进行岩性、状态分层，并结合每10cm产生的锤击数进行修正及建立相关性公式；将单位锤击数与同层的土工试验参数和标贯、重型动力触探数据进行对比，得到相互间产生差异的主要影响因素，建立修正公式，提供承载力成果；进一步试验不同自由落锤高度，获取试验数据及验证锤击环台1-2和限位环台3-4-1抵抗变形能力。

结论：本实施例采用锤击的跟管造孔方法，在进行触探试验的同时完成取芯工作，可同时取得锤击参数与岩芯性状进行对比，可有效提高地层划分精度、丰富地层综合数据；本实施例操作简便，可无水造孔，极大提高了初见水位和分层水位的观测精度和减少稳定用时；本实施例还可利用绳索快速取芯，并可完成注水、封孔等工作，极大提高了勘探效率。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (8)

1.一种覆盖层可取芯触探试验装置，其特征在于：包括内层结构和设置在内层结构外周的外层结构，内层结构和外层结构均为金属件；外层结构包括扩径管靴(1)、厚壁接头(5)、以及多个标准套管组合结构(6)，扩径管靴(1)、厚壁接头(5)、以及多个标准套管组合结构(6)由下至上依次连接；内层结构包括覆盖层取芯器和配重锤(4)；覆盖层取芯器与配重锤(4)由下至上依次连接；

扩径管靴(1)、覆盖层取芯器、厚壁接头(5)、标准套管组合结构(6)均呈上下端开口的中空结构；

配重锤(4)为边缘设置多个上下贯通缺口(4-1)的金属圆柱，配重锤(4)的顶端与绳索连接；覆盖层取芯器的底部设置钢丝结构；

扩径管靴(1)底部设置环刃(1-1)、内径中部设置锤击环台(1-2)；

覆盖层取芯器为土层取芯器(2)，或为砂砾取芯器(3)；

土层取芯器(2)包括薄壁开缝钢管(2-1)和切割环(2-3)；切割环(2-3)安装在薄壁开缝钢管(2-1)下端；

切割环(2-3)的主体为切割环环体(2-3-3)，切割环环体(2-3-3)安装在薄壁开缝钢管(2-1)底部；

切割环环体(2-3-3)底端设置限位环刃(2-3-2)；钢丝(2-3-1)设置在限位环刃(2-3-2)内；

钢丝(2-3-1)过切割环环体(2-3-3)圆心向两边延伸至切割环环体(2-3-3)上；

限位环刃(2-3-2)的刃口内外角度均为10°～30°；

限位环刃(2-3-2)的刃口直径大于锤击环台(1-2)的内环直径、且小于锤击环台(1-2)的外环直径；

砂砾取芯器(3)包括钢管(3-1)和冲击环刃(3-4)；冲击环刃(3-4)安装在钢管(3-1)下端；钢管(3-1)下部设置环缝(3-2)和若干穿丝孔(3-3)，穿丝孔(3-3)内设置向钢管(3-1)圆心伸展的钢丝网(3-3-1)；

冲击环刃(3-4)中部设置限位环台(3-4-1)、下部设置细管段(3-4-2)；细管段(3-4-2)的底部刃口角度15°～45°；限位环台(3-4-1)与细管段(3-4-2)垂直相交；限位环台(3-4-1)的外环直径大于锤击环台(1-2)的内环直径、小于锤击环台(1-2)的外环直径；限位环台(3-4-1)的内环直径小于锤击环台(1-2)的内环直径；

细管段(3-4-2)的外径小于锤击环台(1-2)的内径；细管段(3-4-2)的长度大于或等于环刃(1-1)的长度。

2.根据权利要求1所述的覆盖层可取芯触探试验装置，其特征在于：扩径管靴(1)为圆形钢套，外部表面为上下外径小、中部外径大的扩径结构；环刃(1-1)与锤击环台(1-2)呈平行设置；

厚壁接头(5)的外径小于扩径管靴(1)中部外径、内径小于或等于锤击环台(1-2)外环径；标准套管组合结构(6)外径小于厚壁接头(5)的外径，内径与厚壁接头(5)的内径一致。

3.根据权利要求2所述的覆盖层可取芯触探试验装置，其特征在于：当覆盖层取芯器为土层取芯器(2)时，土层取芯器(2)连接在配重锤(4)下端形成第一内层结构，第一内层结构与外层结构共同构成静压土层取芯结构；

当覆盖层取芯器为砂砾取芯器(3)时，砂砾取芯器(3)连接在配重锤(4)下端形成第二内层结构，第二内层结构与外层结构共同构成锤击砂砾取芯结构。

4.根据权利要求3所述的覆盖层可取芯触探试验装置，其特征在于：薄壁开缝钢管(2-1)在距顶端50～100mm处向下设置二条竖缝(2-2)至底部；二条竖缝(2-2)过薄壁开缝钢管(2-1)圆心呈对称分布。

5.根据权利要求4所述的覆盖层可取芯触探试验装置的使用方法，其特征在于：为用于软塑、可塑状粘性土及松散砂性土地层的静压土层取芯方法，具体包括如下实施步骤：

步骤一：安装，将外层结构置于可静压地层表面，将第一内层结构置于外层结构中；

外层结构中扩径管靴(1)铅直置于可静压地层表面，扩径管靴(1)、厚壁接头(5)、多个标准套管组合结构(6)由下至上依次连接为整体，且位于上端的标准套管组合结构(6)位于地表以上，并与位于地表的液压设备、压力传感设备连接；

将土层取芯器(2)顶端和配重锤(4)底端连接；配重锤(4)的顶端通过绳索与提拉设备相连；

将第一内层结构通过绳索放置于外层结构中，使限位环刃(2-3-2)置于锤击环台(1-2)上，配重锤(4)用于抵抗土体进入土层取芯器(2)产生的向上摩擦力；

步骤二：造孔；

匀速静压标准套管组合结构(6)，带动扩径管靴(1)造孔，同步记录下压过程产生的压力值；

在下压标准套管组合结构(6)的过程中，进入扩径管靴(1)的岩芯，进一步通过限位环刃(2-3-2)和钢丝(2-3-1)进入薄壁开缝钢管(2-1)中；

步骤三：取芯；

回次进尺达到土层取芯器(2)长度或岩芯提前充满薄壁开缝钢管(2-1)时，轻提并转动配重锤(4)上的绳索，使钢丝(2-3-1)环切薄壁开缝钢管(2-1)中岩芯与下部土体的联系；

提拉绳索，将配重锤(4)和土层取芯器(2)提出标准套管组合结构(6)外；拆开切割环(2-3)，将薄壁开缝钢管(2-1)下端张开，使岩芯在重力或人力作用下脱离薄壁开缝钢管(2-1)；此时岩芯已被钢丝(2-3-1)竖向切割为两个半圆柱状，合拢两半岩芯并按钻进顺序放置于岩芯箱相应位置；

将切割环(2-3)安装在薄壁开缝钢管(2-1)下端并放置到锤击环台(1-2)上，继续下一回次岩芯采取。

6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：造孔完成后，根据所取岩芯进行岩性、状态分层，并通过压力传感器收集的压力数据曲线进行复核、修正及建立相关性公式。

7.根据权利要求3所述的覆盖层可取芯触探试验装置的使用方法，其特征在于：为用于硬塑状粘性土、砂土及含少量砾石的地层的锤击砂砾取芯方法，具体包括如下实施步骤：

步骤一：安装，将外层结构置于拟锤击地层表面，将第二内层结构置于外层结构中；

外层结构中的扩径管靴(1)铅直置于拟锤击地层表面，扩径管靴(1)、厚壁接头(5)、多个标准套管组合结构(6)由下至上依次连接为整体，且位于上端的标准套管组合结构(6)位于地表以上；

将砂砾取芯器(3)连接在配重锤(4)下端，配重锤(4)的顶端通过绳索与提拉设备相连；

将第二内层结构通过绳索放置于外层结构中，使限位环台(3-4-1)位于锤击环台(1-2)上方一定高度；

步骤二：造孔；

提拉绳索，将第二内层结构提起一定高度后自由落下、锤击锤击环台(1-2)，受重力作用，位于砂砾取芯器(3)底部的细管段(3-4-2)露出环刃(1-1)进入孔底，进一步使锤击环台(1-2)和限位环台(3-4-1)冲击接触，带动扩径管靴(1)向下运动，并限制细管段(3-4-2)入土深度；第二内层结构提起和落下程序循环进行，循环锤击锤击环台(1-2)；

在锤击循环中，第二内层结构每次冲击锤击环台(1-2)时，孔底土体均将细管段(3-4-2)中的岩芯顶入钢管(3-1)，并由钢丝网(3-3-1)阻挡岩芯下行；

步骤三：取芯；

回次进尺达到砂砾取芯器(3)长度或岩芯提前充满钢管(3-1)时，通过绳索将配重锤(4)和砂砾取芯器(3)提出标准套管组合结构(6)外；拆开砂砾取芯器(3)与配重锤(4)，倒置砂砾取芯器(3)，将钢管(3-1)内的岩芯按顺序倒入岩芯箱相应位置；

将砂砾取芯器(3)安装在配重锤(4)下端后，再次放入外层结构下部，继续下一回锤击成孔取芯。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：造孔完成后，根据所取岩芯进行岩性、状态分层，并结合同深度产生的锤击数进行修正及建立相关性公式。

Images