CN116577135B - 一种滨海软土层的取土装置及取土方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滨海软土层的取土装置和取土方法，通过将钻杆连接件、气液排出件、废土筒件、取土筒件和切割筒件相互活动连接，并将切割封闭件通过触发装置设置在切割筒件的外壁上，结合在气液排出件上设置的单向阀、在废土筒件上设置的手动压力平衡阀和十字切割丝以及在切割筒件上设置的环形切割丝的相互协调配合，实现了从静压取土、上移、取土装置拆卸、取土样断开、环刀土样获取等环节的有效扰动控制，大大提升了取土样质量，简化了取土操作步骤，取土样效率明显提高，尤其是对滨海软土层来说，其抗干扰效果和作用尤为突出。

Description

一种滨海软土层的取土装置及取土方法

技术领域

本发明涉及滨海软土层取土技术领域，尤其是涉及一种滨海软土层的取土装置及取土方法。

背景技术

滨海软土具有高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度、高灵敏度、高流变性、扰动性大等特点，随着国内外滨海软土地区岩土工程勘察项目的增多，滨海软土层的取样质量直接决定了软土物理力学指标的客观评价，由此带来的工程质量问题、工程造价问题和运行期间的病害问题等常有案例发生。

目前，常规取土器如直接应用于滨海软土层取样过程，其存在问题如下：

1、常规取土器取样过程中常出现静压对土层扰动性大、上提溜样、底端封闭挤压、拆卸试样扰动等无法保证天然状态的现象，进而影响后续土样的物理和力学指标试验；

2、常规取土器一般依靠操作人员的经验静压深度，依赖性强，对取样质量会造成一定扰动；

3、常规取土器土样获取过程存在大范围人工削取土样步骤，造成对土样二次扰动，且工作效率低下。

为此，设计一种地质勘探中针对滨海软土层进行取样的取土装置及方法，改善扰动过程，就成为本发明想要解决的主要问题。

发明内容

鉴于上述现有情况和不足，本发明旨在提供一种取样过程可保证各环节土样天然状态的滨海软土层取土装置及取土方法，以避免对土样的二次扰动，提高取样质量和取样效率，进而确保土样物理和力学指标试验的准确性。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种滨海软土层的取土装置，包括相互活动连接的钻杆连接件、气液排出件、废土筒件、取土筒件和切割筒件，还包括用于切割筒件上刃口封闭的切割封闭件。切割封闭件通过切割筒件上设置的触发装置连接在切割筒件的外壁上。气液排出件的气液排出通道上设有单向阀。取土筒件螺纹连接在废土筒件上，废土筒件与取土筒件的连接端端面上设有径向的十字切割丝，废土筒件的管壁上设有与外界连通的手动压力平衡阀。切割筒件的内壁上还嵌有环形切割丝，环形切割丝上设有径向的抽拉手柄，抽拉手柄位于切割筒件的外壁上。

所述切割封闭件包括相互对称的左、右切割体以及两条环形弹性体。左、右切割体相互对接后形成漏斗状，靠近左、右切割体顶部和中部位置的内侧壁上设有水平方向环形分布的限位环，靠近左、右切割体顶部限位环的下方内壁上分别设有向内突出的卡扣，卡扣卡持在触发装置上。两条环形弹性体对应穿引在水平方向环形分布的限位环中。

所述环形弹性体包括钢丝和拉簧，钢丝穿引在限位环中并且两端分别与拉簧的两个弹性连接端相连接；所述拉簧固定在切割体内壁上。

所述触发装置包括触发器、扭簧和卡槽。触发器为‘L’形，‘L’形触发器的一侧端部设有挂钩，另一侧端部设有向外侧突出的触碰开关，‘L’形触发器的直角部轴连接在靠近切割筒件顶部的外壁上。扭簧固定在靠近挂钩一侧的切割筒件外壁上，扭簧的一根触脚位于挂钩的连接通道上。切割筒件的外壁上分别设有与扭簧两条触脚位置对应的限位柱。卡槽设置在靠近刃口的切割筒件外壁上，卡槽位于挂钩的垂直下方。

所述卡槽的宽度大于卡扣的宽度。

所述废土筒件的管壁内侧还设有触发报警器。

所述环形切割丝靠近切割筒件的顶部端口。

所述取土筒件内沿长度方向分布有多个环刀，相邻环刀之间分布有一个对开卡瓦。

一种滨海软土层的取土方法，具体步骤包括：

步骤1、在取土筒件内壁中铺设环刀和对开卡瓦后，将钻杆连接件、气液排出件、废土筒件、取土筒件和切割筒件相互活动连接，然后将左、右切割体套在切割筒件上并向上推动，左、右切割体之间连接的拉簧撑开并带动钢丝绷紧，卡扣在上移过程中带动扭簧一侧触脚收缩并与触发器挂钩卡持，取土装置组装完成。

步骤2、将取土装置的钻杆连接件与外界钻机连接，对钻孔进行清孔后，下放取土装置到钻孔中。

步骤3、静压滨海软土层，废土筒件中气液增压，单向阀开启，废土进入废土筒件中触碰触发报警器报警，静压取土动作完成。

步骤4、静力上移取土装置，钻孔壁触动触碰开关，‘L’形触发器转动，挂钩开启，扭簧对卡扣产生向下的轴向推力，左、右切割体向下滑落的同时，拉簧带动钢丝收缩并使左、右切割体向内合拢，左、右切割体相互闭合形成漏斗状封闭在切割筒件的刃口上，卡扣滑落到卡槽中形成卡持，刃口封闭完成。

步骤5、利用外界钻机提升取土装置，取土装置拆下后平置在外界取样器支架上，操作手动压力平衡阀减压。

步骤6、固定废土筒件，旋转取土筒件，十字切割丝将废土筒件中废土样断开，提拉环形切割丝上的抽拉手柄，环形切割丝将切割筒件内的废土样断开。

步骤7、拆下废土筒件和切割筒件，将外界端盖连接在取土筒件两端，滨海软土层取土样过程完成。

步骤8、将带有端盖的取土筒件送至实验室，去掉两端端盖后，将取土筒件下部朝下安装在外界推土器上。

步骤9、操作推土器推动取土筒件中环刀、对开卡瓦和土样整体上移，直至环刀部分露出取土筒件。

步骤10、用钢丝锯将土样顶部削平至与环刀顶端平齐，并放置玻璃板后，操作推土器继续向上推动，直至对开卡瓦完全露出。

步骤11、剥掉对开卡瓦，用钢丝锯在对开卡瓦处切割，得到第一段土样。

步骤12、将第一段土样随玻璃板反向放置在削土台上，用钢丝锯将土样削至与环刀端面平齐，盖上玻璃板，得到环刀土样。

步骤13、重复上述步骤9-12，直至取土筒件中所有环刀土样取出。

本发明所述一种滨海软土层的取土装置及取土方法的有益效果包括：

1、整个取土方法从静压取土、上移、取土装置拆卸、取土样断开、环刀土样获取等环节分别进行了扰动保护，有效确保了滨海软土层取土过程的取土质量，避免了人为二次干扰，并为后续得到准确试验数据提供了基础保障；

2、通过在气液排出件中设置单向阀，有效控制了静压取土过程中废土筒件内水、液压力持续增加的问题，并在控压前提下，确保了取土筒件中保留一定的压力平衡，避免失压对取土样的干扰；

3、通过设置十字切割丝和环形切割丝，使废土筒件和切割筒件在拆卸前即可完成废土样与取土样间的切割、断开，避免了后续再切割过程可能对取土样造成的二次干扰，同时，简化了操作步骤；

4、通过设置手动压力平衡阀，在最终拆卸过程中可随时调整取土装置的内、外压差，避免压差对取土样产生二次扰动；

5、通过触发装置控制切割封闭件对刃口下部土层进行快速切割并对刃口进行遮挡和封闭，有效避免了取土装置上移过程中可能产生的取土样下滑现象，确保了取土样质量；

6、环刀土样的获取过程，有效降低了土样的切削量，避免了土样切削过程中的再次扰动，提高了工作效率和土试样质量，确保后续物理和力学指标试验的准确；

7、整个装置可重复使用并自动完成控制过程，大大降低了对取土样的二次扰动，简化了操作步骤，提高了取土样效率，适用于饱和软土层，尤其是对滨海软土层来说，其效果和作用尤为突出。

附图说明

图1为本发明所述一种滨海软土层的取土装置的局部剖开结构示意图；

图2为本发明所述切割筒件的组合结构示意图；

图3为本发明所述左切割体使用状态的结构示意图；

图4为本发明所述切割筒件与切割封闭件工作状态的结构变化示意图。

具体实施方式

本发明的宗旨是：通过对取土装置结构的设计，在避免二次扰动的前提下，顺利完成滨海软土层的取土样过程，保证气、液含量较高的滨海软土层土样保持原始状态，确保后期土样试验结果的客观性、可靠性和准确性。

下面结合附图1、图2、图3、图4对本发明所述一种滨海软土层的取土装置做进一步的详细说明：

本发明所述一种滨海软土层的取土装置，除包括相互活动连接的钻杆连接件1、气液排出件2、废土筒件3、取土筒件4和切割筒件外7，还包括用于切割筒件7上刃口19封闭的切割封闭件。本例中，气液排出件2除通过固定螺母与钻杆连接件1连接外，还采用棱柱的方式与钻杆连接件1相互插接，以增强其连接位置的固定性和可靠性。同时，气液排出件2、废土筒件3、取土筒件4和切割筒件7之间采用螺纹相互连接，以方便组合和分拆。当然，为方便后续土样与取土筒件4的分离和切割，避免分离和切割过程对土样造成扰动，在取土筒件4内沿长度方向还分布有多个环刀17，相邻环刀17之间分布有一个对开卡瓦16。

为实现静压取土后，切割筒件7的刃口19自动封闭，切割封闭件通过切割筒件7上设置的触发装置11连接在切割筒件7的外壁上。本例中，切割封闭件包括相互对称的左、右切割体6,5以及两条环形弹性体18。其中，相互独立的左、右切割体6,5对接后可形成漏斗状，当然，漏斗下方开口处于封闭状态。靠近左、右切割体顶部和中部位置的内侧壁上设有水平方向环形分布的限位环33，限位环33采用间隔方式设置，限位环33可对环形弹性体18进行限位，但限位环33不会对环形弹性体18的形变过程产生阻碍，进而使环形弹性体18可对左、右切割体6,5同时产生弹性作用。本例中，环形弹性体18由钢丝32和拉簧31组成。钢丝32两端与拉簧31两端相连接，钢丝32穿引在限位环33中并形成环状，拉簧31固定在切割体内壁上。通过拉簧31的伸缩，环状分布的钢丝32可形成对左、右切割体6,5的自动合拢控制。为实现切割封闭件的自动触发，靠近左、右切割体顶部的限位环33下方内壁上分别设有向内突出的卡扣30。卡扣30与位于切割筒件7外壁的触发装置11相互对应卡持。

触发装置11包括触发器23、扭簧26和卡槽13。本例中，触发器23为‘L’形，‘L’形触发器23的一侧端部设有与卡扣30配合的挂钩25，另一侧端部设有向外侧突出的触碰开关24。‘L’形触发器23的直角部通过轴连接设置在靠近切割筒件7顶部的外壁上。扭簧26的常规状态为‘八’字形，‘八’字形扭簧26固定在靠近挂钩25一侧的切割筒件7外壁上，扭簧26的一根触脚位于卡扣30与挂钩25的连接通道上，同时，在切割筒件7的外壁上分别设有与扭簧26两条触脚位置对应的限位柱27。而用于拦阻卡扣30的卡槽13则设置在靠近刃口19的切割筒件7外壁上，卡槽13位于挂钩25的垂直下方。为方便对卡扣30进行拦阻和卡持，卡槽13的宽度大于卡扣30的宽度。

为进一步提高使用性能，在气液排出件2的气液排出通道8上设有单向阀9，单向阀9可有效控制静压取土过程中进入废土筒件3中增压后的气、液向外有序排出，同时，为控制后续取土样过程中废土筒件3的内、外压力平衡，在废土筒件3的管壁上还设有与外界连通的手动压力平衡阀14，以便随时手动调节内、外压差。

为避免对取土筒件4中取土样的二次扰动，在废土筒件3与取土筒件4的连接端端面上设有径向的十字切割丝10，十字切割丝10为两条钢丝成十字分布组成，十字切割丝10可在后续取土筒件4与废土筒件3旋转分拆中对废土样进行自动切割，以断开废土样与取土样的连接。同时，在切割筒件7的内壁上嵌有环形切割丝21，环形切割丝21由封闭的环状钢丝构成，环形切割丝21嵌入在凹槽22中，不会对取土样过程产生任何干扰，而环形切割丝21上设有径向的抽拉手柄12，抽拉手柄12位于切割筒件7的外壁上。通过提拉抽拉手柄12，环形切割丝21可对切割筒件7中的废土样进行切割，从而与取土样实现拆卸前的自动断开。当然，环形切割丝21应靠近切割筒件7的顶部端口。

为进一步方便取土样过程，本例中，在废土筒件3的管壁内侧还设有触发报警器15。触发报警器15在静压取土过程中可与废土接触产生报警，方便随时掌握取土进程，快速完成取土过程。

根据上述结构对具体取土方法做进一步的详细说明：

一种滨海软土层的取土方法，具体步骤包括：

步骤1、在取土筒件内壁中铺设环刀和对开卡瓦后，将钻杆连接件、气液排出件、废土筒件、取土筒件和切割筒件相互活动连接。

多个环刀和对开卡瓦的设置可以方便后续取土样过程，减少对土样的干扰，进而形成可靠的环刀土样。钻杆连接件、气液排出件、废土筒件、取土筒件和切割筒件相互活动连接，可以方便相互组合和分拆过程，简化操作步骤，进而避免对取土样的扰动。

步骤2、将左、右切割体套在切割筒件上并向上推动，连接在左、右切割体之间的钢丝和拉簧被撑开，并带动钢丝绷紧，卡扣在上移过程中带动扭簧一侧触脚收缩并与触发器挂钩卡持，取土装置组装完成。

由于钢丝和拉簧组成的环形弹性体分布在靠近左、右切割体顶部和中部位置的内侧壁上，所以在左、右切割体的顶部和中部位置会分别产生一个环形的收缩力，为后续触发脱离及左、右切割体的自动合拢提供了保障。当然，为推动左、右切割体的向下脱离过程，本发明通过卡扣与挂钩卡持过程中，将扭簧一侧触脚挤压并支撑在卡扣上，进而在卡扣与挂钩触发脱离时，扭簧会对卡扣施加一个向下脱离的推力，确保了左、右切割体向下快速脱离以及合拢过程的顺利进行。

步骤3、将取土装置的钻杆连接件与外界钻机连接，对钻孔进行清孔后，下放取土装置到钻孔中。

步骤4、静压滨海软土层，废土筒件中气液增压，单向阀开启，废土进入废土筒件中触碰触发报警器报警，静压取土动作完成。

由于滨海软土层含水量高、形态不稳定，所以在静压取土过程中会有大量水、气进入到废土筒件中，进而在废土筒件中形成增压。当设置的单向阀开启后，不仅可以有效简单废土筒件中的压力继续增加，还可在废土筒件中保有一定的压力存在，避免对取土样状态的破坏。而触发报警器的设置，可以随时掌握取土过程中废土进入废土筒件的高度，确保报警提醒后，取土样达到所需高度。

步骤5、静力上移取土装置，钻孔壁触动触碰开关，‘L’形触发器转动，挂钩开启，扭簧对卡扣产生向下的轴向推力，左、右切割体向下滑落的同时，拉簧带动钢丝收缩并使左、右切割体向内合拢，左、右切割体相互闭合形成漏斗状封闭在切割筒件的刃口上，卡扣滑落到卡槽中形成卡持，刃口封闭完成。

利用外界钻机静力上移取土装置，上移瞬间，钻孔壁触动触碰开关，卡扣与挂钩脱离，扭簧对卡扣产生向下推力，左、右切割体下滑过程中在拉簧和钢丝的带动下，在靠近刃口的位置开始闭合，并在卡槽对卡扣再次卡持支撑下，左、右切割体最终合拢形成漏斗状，实现对刃口的整体遮挡，避免了取土装置上移过程中可能产生的取土样下滑现象，确保了静压取土后上移过程顺利进行。

步骤6、利用外界钻机提升取土装置，取土装置拆下后平置在外界取样器支架上，操作手动压力平衡阀减压。

利用外界钻机的卷扬设备将取土装置完全提升出钻孔后，将取土装置整体平躺放置在取样器支架上。由于废土筒件中受单向阀的控制，其内部保留有一定的压力。此时，通过操作手动压力平衡阀进行废土筒件减压，可使取土装置的内、外压力实现平衡，再次避免了后续拆卸取土装置时，由于可能存在的压差问题对取土样产生二次扰动。

步骤7、将废土筒件固定，旋转取土筒件，十字切割丝将废土筒件中废土样断开，提拉环形切割丝上的抽拉手柄，环形切割丝将切割筒件内的废土样断开。

由于十字切割丝固定在靠近取土筒件的废土筒件端口上，旋转取土筒件时，十字切割丝会对旋转中的废土样进行切割、断开，进而避免了后续再进行废土样单独切割的过程，降低了对取土样的扰动。而设置在切割筒件顶部的的环形切割丝，可在对抽拉手柄的提拉操作中，完成对取土样下端废土样的切割、断开，有效避免了后续切割过程对取土样的二次扰动，实现了拆卸切割筒件和废土筒件前，即可完成对内部废土样与取土样间的切割断开。

步骤8、拆下废土筒件和切割筒件，将外界端盖连接在取土筒件两端，滨海软土层取土样过程完成。

步骤9、将带有端盖的取土筒件送至实验室，去掉两端端盖后，将取土筒件下部朝下安装在外界推土器上。

步骤10、操作推土器推动取土筒件中环刀、对开卡瓦和土样整体上移，直至环刀部分露出取土筒件。

步骤11、用钢丝锯将土样顶部削平至与环刀顶端平齐，并放置玻璃板后，操作推土器继续向上推动，直至对开卡瓦完全露出。

步骤12、剥掉对开卡瓦，用钢丝锯在对开卡瓦处切割，得到第一段土样。

步骤13、将第一段土样随玻璃板反向放置在削土台上，用钢丝锯将土样削至与环刀端面平齐，盖上玻璃板，得到环刀土样。

步骤14、重复上述步骤10-13，直至取土筒件中所有环刀土样取出。

整个过程从静压取土、上移、取土装置拆卸、取土样断开、环刀土样获取等环节都进行了扰动保护，确保了滨海软土层取土过程的质量，为后续得到准确试验数据提供了保障。

Claims (9)

1.一种滨海软土层的取土装置，包括相互活动连接的钻杆连接件、气液排出件、废土筒件、取土筒件和切割筒件，其特征在于，还包括用于切割筒件上刃口封闭的切割封闭件，所述切割封闭件通过切割筒件上设置的触发装置连接在切割筒件的外壁上；所述气液排出件的气液排出通道上设有单向阀；所述取土筒件螺纹连接在废土筒件上，废土筒件与取土筒件的连接端端面上设有径向的十字切割丝，废土筒件的管壁上设有与外界连通的手动压力平衡阀；所述切割筒件的内壁上还嵌有环形切割丝，环形切割丝上设有径向的抽拉手柄，抽拉手柄位于切割筒件的外壁上；所述切割封闭件包括相互对称的左、右切割体以及两条环形弹性体；所述左、右切割体相互对接后形成漏斗状，靠近左、右切割体顶部和中部位置的内侧壁上设有水平方向环形分布的限位环，靠近左、右切割体顶部限位环的下方内壁上分别设有向内突出的卡扣，卡扣卡持在触发装置上；所述两条环形弹性体对应穿引在水平方向环形分布的限位环中。

2.根据权利要求1所述的一种滨海软土层的取土装置，其特征在于，所述环形弹性体包括钢丝和拉簧，所述钢丝穿引在限位环中并且两端分别与拉簧的两个弹性连接端相连接；所述拉簧固定在切割体内壁上。

3.根据权利要求1所述的一种滨海软土层的取土装置，其特征在于，所述触发装置包括触发器、扭簧和卡槽；所述触发器为‘L’形，‘L’ 形触发器的一侧端部设有挂钩，另一侧端部设有向外侧突出的触碰开关，‘L’ 形触发器的直角部轴连接在靠近切割筒件顶部的外壁上；所述扭簧固定在靠近挂钩一侧的切割筒件外壁上，扭簧的一根触脚位于挂钩的连接通道上；所述切割筒件的外壁上分别设有与扭簧两条触脚位置对应的限位柱；所述卡槽设置在靠近刃口的切割筒件外壁上，卡槽位于挂钩的垂直下方。

4.根据权利要求3所述的一种滨海软土层的取土装置，其特征在于，所述卡槽的宽度大于卡扣的宽度。

5.根据权利要求1所述的一种滨海软土层的取土装置，其特征在于，所述废土筒件的管壁内侧还设有触发报警器。

6.根据权利要求1所述的一种滨海软土层的取土装置，其特征在于，所述环形切割丝靠近切割筒件的顶部端口。

7.根据权利要求1所述的一种滨海软土层的取土装置，其特征在于，所述取土筒件内沿长度方向分布有多个环刀，相邻环刀之间分布有一个对开卡瓦。

8.基于上述权利要求1-7中任一所述一种滨海软土层的取土装置的取土方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1、在取土筒件内壁中铺设环刀和对开卡瓦后，将钻杆连接件、气液排出件、废土筒件、取土筒件和切割筒件相互活动连接，然后将左、右切割体套在切割筒件上并向上推动，左、右切割体之间连接的拉簧撑开并带动钢丝绷紧，卡扣在上移过程中带动扭簧一侧触脚收缩并与触发器挂钩卡持，取土装置组装完成；

步骤2、将取土装置的钻杆连接件与外界钻机连接，对钻孔进行清孔后，下放取土装置到钻孔中；

步骤3、静压滨海软土层，废土筒件中气液增压，单向阀开启，废土进入废土筒件中触碰触发报警器报警，静压取土动作完成；

步骤4、静力上移取土装置，钻孔壁触动触碰开关，‘L’ 形触发器转动，挂钩开启，扭簧对卡扣产生向下的轴向推力，左、右切割体向下滑落的同时，拉簧带动钢丝收缩并使左、右切割体向内合拢，左、右切割体相互闭合形成漏斗状封闭在切割筒件的刃口上，卡扣滑落到卡槽中形成卡持，刃口封闭完成；

步骤5、利用外界钻机提升取土装置，取土装置拆下后平置在外界取样器支架上，操作手动压力平衡阀减压；

步骤6、固定废土筒件，旋转取土筒件，十字切割丝将废土筒件中废土样断开，提拉环形切割丝上的抽拉手柄，环形切割丝将切割筒件内的废土样断开；

步骤7、拆下废土筒件和切割筒件，将外界端盖连接在取土筒件两端，滨海软土层取土样过程完成。

9.根据权利要求8所述的取土方法，其特征在于，还包括环刀土样获取，具体包括：

步骤8、将带有端盖的取土筒件送至实验室，去掉两端端盖后，将取土筒件下部朝下安装在外界推土器上；

步骤9、操作推土器推动取土筒件中环刀、对开卡瓦和土样整体上移，直至环刀部分露出取土筒件；

步骤10、用钢丝锯将土样顶部削平至与环刀顶端平齐，并放置玻璃板后，操作推土器继续向上推动，直至对开卡瓦完全露出；

步骤11、剥掉对开卡瓦，用钢丝锯在对开卡瓦处切割，得到第一段土样；

步骤12、将第一段土样随玻璃板反向放置在削土台上，用钢丝锯将土样削至与环刀端面平齐，盖上玻璃板，得到环刀土样；

步骤13、重复上述步骤9-12，直至取土筒件中所有环刀土样取出。