CN204959723U - 静力触探式深层取土器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种静力触探式取土器，它与静力触探贯入设备结合使用在不进行钻孔的情况下可以将埋藏在地下深部的土样快速取出。取样筒（8）两端分别连接外壳（6）和管靴（11），并组成筒体结构，其内部放置第一承力轴（4）和第二承力轴（5），第二承力轴（5）下端固定扩土锥头（10），外壳（6）内侧设有环形凹槽（12），环形凹槽（12）、板件（7）和弹性部件（13）一起形成自锁机构。该设备与静力触探贯入设备结合使用，适用于软土、一般性黏土、粉土和非密实砂土，与传统钻孔取样相比，它除了具有结构简单、使用方便、快速省力、成本低的特点外，能够在地下水位以下工作时大大减小水压对土样的扰动，增大取土的成功率和土样的质量。

Description

静力触探式深层取土器

技术领域

本实用新型属于勘探设备技术领域，具体涉及一种与静力触探贯入设备结合使用的可取地下深处土样的取土器。

背景技术

取土样是岩土工程勘察中必不可少的、经常性的工作，为定量评价岩土工程问题而提供室内试验的样品。现在取土器技术较为成熟，种类繁多，适用于各种类型的土体。国内现有的取土器除了在地面工程地质测绘调查和坑探工程中采取试样外，主要是在钻孔中使用。对于地下深部的土体，必须使用合适的钻具和钻进方法进行钻孔，达到取样位置后取出钻头再下放取土器进行取样。钻探取样工作量较大，速度慢，成本较高，一般占整个勘察费用的30%以上。

静力触探技术是指利用压力机械装置将具有一定规格的圆锥形探头均匀压入土中，通过测定各土层的锥头阻力、侧壁摩阻力等参数，以确定土体的某些基本物理力学特性的一种原位测试方法。该技术适用于软土、一般性黏土、粉土、砂土和含少量碎石的土，至今已有80多年的历史，特别是近几年来静力触探技术向多功能、多领域方向迅速发展。除锥头阻力、侧壁摩阻力参数外，孔隙水压力、温度、地震波、甚至密度参数均可获得。从20世纪80年代开始，在国外出现了可取土样的多功能探头，至今已有较大发展。而国内这方面起步相当晚，目前国内广泛使用的单双桥静力触探和孔压静力触探不具备取样的功能。2012年国家知识产权局公布一种可取土样的环境孔压静力触探探头，专利号为201110413998.4，比较新颖，但技术不成熟，缺点明显，实用性不强，表现在：1.取土样的功能显然被定位成探头的附加功能，严格讲不算是专用取土器；2.自锁机构占用的横向空间明显过大，利用钢珠重力开锁存在明显缺陷；3.缺乏密封设计，不能排除地下水压力对取土活动的不利影响；4.从行业实践及技术原理上看，静力触探探头不适合将数据采集功能同取样功能完全整合在同一个结构设备上，因为其功能的实现并不同步或协调。静力触探的贯入系统由触探主机和反力装置两部分组成，触探主机按其传动方式不同，可分为机械式和液压式。反力装置有自重式和地锚式。工程普遍使用中的触探主机提供的最大贯入力一般在30KN到200KN范围内，近年国内有关单位经过科技攻关成功研发的新型触探车可提供的最大贯入力达到350KN，不仅可以贯入一般性土层，还能贯入到碎石土、卵（砾）石土层中。触探深度受设备条件、地质条件、勘探深度要求等因素的影响，应用中一般在35m以内，国外可见报道的最大实验深度已达80多米。

传统取样器及其使用方法具有设备复杂、工作量大、速度慢、成本高、环境影响较大等缺点，静力触探具有设备简单、工作量小、速度快、价格低的优点，但不可取样。通过改造传统取土器结构，使之可以和静力触探贯入系统结合使用，用静力触探压力设备向下贯入代替钻机成孔，无疑是取土器及取样方法的一个新的发展途径。

申请号201510183777.0的专利公布了一种静力触探式深层取土器，具有结构简单、使用方便、能隔水的特点，与贯入设备结合实施取样活动理论上具有较高的效率，其采用由弹性环、钢片、控制杆、薄壁管等组成主承力轴的自锁机构结构合理，理论上具有较高的可靠性，但缺乏实验与应用的验证。

发明内容

为了克服国内现有技术中静力触探设备不能取土样和钻探取样费用高、速度慢、工艺复杂、环境影响大等缺点，本实用新型提供一种与静力触探贯入设备结合使用在不进行钻孔的情况下可以将埋藏在地下深部（0-80m）的土样快速取出的取土器，它具有结构简单、使用方便、隔离水压、成本低的特点。

本实用新型采用一种全新的自锁机制，以区别于申请号201510183777.0所公布的自锁机构的机制，提高其自锁的可靠性和耐久性，且更加方便技术人员的解锁操作。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种静力触探式深层取土器，包括外壳（6）、取样筒（8）、第一承力轴（4）、管靴（11）、扩土锥头（10）、第二承力轴（5）、板件（7）、轴承（9）、弹性部件（13）、环形钢耳（2）；外壳（6）为厚壁圆筒状，壁厚宜不小于3毫米，其内表面设有环形凹槽（12）作为卡位；取样筒（8）为薄壁筒状结构，两端分别与外壳（6）和管靴（11）固定连接；外壳（6）、取样筒（8）和管靴（11）共同组成的筒体结构内部放置第二承力轴（5）以及扩土锥头（10）；第二承力轴（5）的上端固定连接第一承力轴（4），下端固定连接扩土锥头（10）；第一承力轴（4）的上端固定环形钢耳（2），环形钢耳（2）的直径不小于外壳（6）的内径；第二承力轴（5）内置相互扭结的两个板件（7），每个板件（7）具有两个端头，在弹性部件（13）的控制下实现张合，其下端头能嵌入环形凹槽（12）；环形凹槽（12）、板件（7）和弹性部件（13）一起形成自锁机构；当两个板件（7）在弹性部件（13）的弹力作用下张开并使其下端头嵌入外壳（6）内部的环形凹槽（12）时能够阻止第二承力轴（5）及其上固定连接的其他部件相对于外壳（6）向下运动，实现自锁；两板件（7）闭合使其下端头脱离环形凹槽（12）时，第二承力轴（5）能够相对于外壳（6）向下运动直到环形钢耳（2）紧压外壳（6），即为解锁。

本文中提到的带方向性的词（如上端和下端）均是在参照本实用新型的正常工作状态下确定的。作为上述技术方案的进一步改进：

所述第二承力轴（5）为圆杆状，由两部分拼合而成，中部沿长度方向预留与板件（7）相适应的矩形穿孔，矩形穿孔的两侧面中部固定或活动设置轴承（9）。第二承力轴（5）上部与第一承力轴（4）螺纹丝扣连接，下部与扩土锥头（10）通过螺纹丝扣连接。

所述管靴（11）四周设有至少两个突起体，底部带刃角，管靴（11）的内径小于取样筒（8）的内径。

所述板件（7）是厚度大于2mm的刚性板件，具有两个端头，中间位置预留直径稍大于轴承（9）直径的圆孔。两个板件（7）反向叠置于第二承力轴（5）中部的矩形孔中，其圆孔套在轴承（9）上，以实现两个板件（7）的扭结。

所述第一承力轴（4）上部与转接头（1）通过螺纹丝扣连接。转接头（1）上端连接静力触探机的探杆，通过更换不同的转接头（1），可以方便得将取土器与不同型号的探杆牢固连接。

所述扩土锥头（10）上端呈锥形台状并在顶边斜面上设有防水垫层（3），下端呈圆锥形，起着扩土成孔的作用。

所述环形钢耳（2）斜面上设有防水垫层（3）。

所述取样筒（8）两端通过螺纹丝扣分别与外壳（6）、管靴（11）连接，取样筒（8）两端接口处加厚。

所述外壳（6）上端和下端的接口内部设为斜面，能分别与环形钢耳（2）和扩土锥头（10）的斜面贴合。

所述环形凹槽（12）在靠近外壳（6）下端接口的一侧采用阶梯型过渡，而在靠近外壳（6）上端接口的一侧采用平滑过渡，保证环形凹槽（12）能够卡住板件（7）的下端，使板件（7）不下移，同时保证环形凹槽（12）不卡住板件（7）的上端，使板件（7）能顺利上移。

本实用新型的有益效果主要有以下几点：

1、传统取土器必须和钻探结合才能将地下深部的土体取出，而静力触探式深层取土器自带扩土锥头，可以利用静力触探试验的贯入装置将整个取土器直接贯入地下最大深度以内的任一指定深度的土层中，免去了传统取土样工艺中的钻探环节，减少了工作量，节省了钻探所需的各种成本。当然，因贯入机提供的贯入力有限以及探杆和取样筒直径较小，故其适用范围较传统取样方式小一些，现有技术条件下，该设备与方法仅适用于深度在0到80m之间的软土、软塑粘土、粉土、粉细砂等土层，相信随着相关设备技术的进步，其适用范围必会进一步扩大。

2、与传统取芯钻头相比成本更低、更轻便、工作量更少、省时省力。

3、现有技术中，专利号201110413998.4所公布的一种可取土样的环境孔压静力触探探头和本实用新型具有一定的相似性。与之相比，本实用新型有三点优势：一、采用更加先进的自锁机构，后者采用球形锁，由于球形锁的工作方式决定了连接杆限位槽和空心圆柱形取样管顶部的环形凹槽必须具有较大的深度，以保证球形锁的活动性，这样必然会导致探头直径增大或传递压力的连接杆的最小直径减小。探头直径增大无意将大大增加贯入的阻力，连接杆的最小直径减小将显著减小探头的最大贯入力，这两方面都不利于探头的贯入深度。本实用新型所公布的静力触探式深层取土器采用剪刀型的自锁机构，这种新的自锁机构对横向空间的占用与前者相比更少，减小了外壳与主承力轴的环形凹槽的深度，从而有利于增大主承力轴的最小直径或减小取土器的最大外径。二、具备密封性，能够隔离水压，使本实用新型在向下贯入时，钢圈上的防水垫层与外壳贴合，可以有效减少泥沙涌入其内部造成阻塞的可能性，在其向上拔出的过程中扩土锥头上的防水垫层与外壳贴合，可以阻隔孔内水和取样筒中土样的联系，有效保证土样不滑落，取土工作成功率较高，土样扰动也较小，而后者无防水垫层，阻塞、土样滑落和土样扰动发生的几率更大。三、整个结构都围绕方便取样进行优化，专业性更强，有利于提高土样质量，而专利号201110413998.4的设备是将静力触探（包括测贯入阻力、测孔隙水压力）作为主要功能，取样只是其众多附属功能（如：测温度、测波速、测密度、测斜、取样）中的一个。除取样外其余功能均可通过专门的多功能孔压静力触探仪来实现，没必要全部整合到一个设备上，况且多余功能不仅无助于取样质量的提高，还存在功能互相干扰的问题，比如为了取到不同深度的土样，当贯入到对应深度时，必须停止包括贯入阻力、孔压、波速等数据的采集，完成取样后贯入到该深度才能重新开始数据的采集，提钻和中断数据采集可能引起各种隐患。土样越多，反复的贯入的次数越多，对线缆的损耗就越大。本实用新型去掉了各种传感器，摆脱了线缆的困扰，操作更方便，虽然少了若干功能，但若将本实用新型与其他多功能探头结合使用，互补长短，则效果将更好。

4、与申请号2015202342963的专利公布的一种静力触探式深层取土器相比，本实用新型提供了一种全新的自锁机构，提高自锁机构的可靠性、耐久性和可维护性，降低了制造难度，同时更加方便技术人员的解锁操作。前者的自锁机构的关键性部件：弹性环和钢片属于细小零件，特别是弧形钢片的加工难度大，耐久性降低，后者所采用的板件和轴承体积较大，形状简单。本实用新型采用按压方式解锁也较前者的滑动式解锁更方便。前者的解锁部件与主承力轴之间的缝隙小，易阻塞，且阻塞后不便于清洗干净，导致解锁困难；后者第二承力轴内部空间大，加上板件的开合方式，不易阻塞，容易清洗干净。

5、应用本实用新型可以方便的把静力触探原位测试和取样工作结合到一起，相比传统方式二者结合的更紧密。二者所获取的资料互相印证和补充，有助于提高静力触探原位测试资料解释的可信度和说服力，更利于土体原位测试技术的推广。虽然做原位测试的平面位置与取样工作的平面位置无法实现完全重合（即在同一孔中既做原位测试又取样），但两者的距离可以控制在0.2m—1.0m范围内，大多数情况下在该范围内地层特征的变化很小，可以忽略，故而可以近似看成是在同一孔中进行的两项工作，资料的结合具备可行性。另外，由于本使用新型工作方式的简单快捷，环境影响小，非常适合一些深部检测性取样的工作，比如桩后高压注浆技术中检测浆体扩散范围和质量，强夯法处理地基中检测深部土层的加固效果。

附图说明

图1是本实用新型的元件装置立面图；

图2是本实用新型在一种工作状态下的立面图；

图3是图1C处的放大图；

图4是图1的B-B’剖视图；

图5是图1的A-A’剖视图；

图6是板件（7）的立体图；

图7是第二承力轴（5）的剖面图。

图中1.转接头2.环形钢耳3.防水垫层4.第一承力轴5.第二承力轴6.外壳7.板件8.取样筒9.轴承10.扩土锥头11.管靴12.环形凹槽13.弹性部件

具体实施方式

以下将参照附图对本实用新型的优选实施例进行详细说明，以进一步理解本实用新型的技术方案。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，一种静力触探式深层取土器，包括外壳（6）、取样筒（8）、扩土锥头（10）、第一承力轴（4）、第二承力轴（5）、板件（7）、轴承（9）、管靴（11）、弹性部件（13）等，外壳（6）为厚壁圆筒状，内表面设有环形凹槽（12）作为卡位，壁厚宜为6mm。环形凹槽（12）的特征是其下表面为水平或略微内倾的斜面或凹形弧面，环形凹槽（12）的侧面与外壳（6）上半部分内表面逐渐过渡，深度宜不小于3mm。第二承力轴（5）为圆杆状，由左右对称两部分拼合而成，每一部分中部内侧沿长度方向预留与板件（7）相适应的方形凹槽，两部分拼合后形成矩形孔，矩形孔的两侧各固定一个轴承（9）。管靴（11）四周设有至少两个突起体，用于在触探孔孔壁上划槽形成过水通道以减小水压阻力，刃角小于0.36，管靴（11）的内径略小于取样筒（8）的内径，以降低对土样的扰动。板件（7）是厚度宜为3mm的刚性板件，中间大两端小，中间位置预留直径稍大于轴承（9）直径的圆孔，具有上下两个端头，其中下端头表面与环形凹槽（12）的下表面贴合，上端头外倾以方便手指按压。两个板件（7）反向叠置于第二承力轴（5）中部的矩形孔中，其圆孔套在轴承（9）上，以实现两个板件（7）的扭结，两个板件（7）的开合由弹性部件（13）控制。弹性部件（13）用弹簧制作，并连接两个板件（7）的上端。第二承力轴（5）上部与第一承力轴（4）螺纹丝扣连接，下部与扩土锥头（10）通过螺纹丝扣连接。第一承力轴（4）上部与转接头（1）通过螺纹丝扣连接并固定环形钢耳（2）。转接头（1）上端连接静力触探机的探杆，通过更换不同的转接头（1），可以方便得将取土器与不同型号的探杆牢固连接。扩土锥头（10）上端呈锥形台状并在顶边斜面上设有防水垫层（3），下端呈圆锥形，起着扩土成孔的作用。环形钢耳（2）斜面上设有防水垫层（3）。取样筒（8）两端通过螺纹丝扣分别与外壳（6）、管靴（11）连接，取样筒（8）两端接口处加厚1mm。外壳（6）上端和下端的接口内部设为斜面，能分别与环形钢耳（2）和扩土锥头（10）的斜面贴合。除防水垫层（3）外，所有部件均应采用高强度的耐腐蚀的金属材料或合金材料制成。防水垫层（3）可以用橡胶等防渗材料制成，呈薄层环状。外壳（6）、取样筒（8）、管靴（11）组成中空筒状结构，第一承力轴（4）、第二承力轴（5）、扩土锥头（10）等组成杆状结构，后者放置于前者的内部，可以相对运动。在未自锁状态下向下贯入取土器时，管靴（11）、取样筒（8）和外壳（6）的外表面所受摩阻力通过环形刚耳（2）传递给第一承力轴（4）。自锁之后，摩阻力通过两个板件（7）和第二承力轴（5）传递给第一承力轴（4）。

当然，本实用新型并不限于上述实施例，比如外壳（6）的厚度、环形凹槽（12）的深度和板件（7）是厚度均可以在材料满足强度要求的情况下适当调整，特别是新型高强度材料不断被开发出来，取土器可以做得更加轻薄。管靴（11）的刃角也可以根据其耐久性、土质和取样要求而调整。一般来讲，对于相同土质，刃角越小，取样的质量越高，而管靴的耐久性越低；刃角越大，取样的质量越差，而管靴的耐久性越好。又比如外壳（6）与取样筒（8）的连接方式还可以采用销钉。再比如第二承力轴（5）并不一定必须要求左右两部分一样，只要其中部预留的矩形空间能活动放置两个板件（7）和弹性部件（13）即可。板件（7）的形状也不一定是附图6的形状，其上下端头均可以设计成向外的水平圆柱形突起，这样也能有效嵌入卡位，既方便实现锁定也方便技术人员的按压解锁操作。防水垫层（3）起密封隔水的作用，也可以去掉防水垫层（3）直接采用机械密封，这种方案适合于对隔水要求不高的取样。

以上述理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

以上述实施例为例阐述应用本实用新型的具体方法步骤及相应工作原理：

1、选用合适的转接头（1）将取土器与探杆和静力触探车连接。

2、露出扩土锥头（10），使环形钢耳（2）紧压外壳（6），利用静力触探车将静力触探式深层取土器贯入到指定的深度，然后停止贯入。此过程中扩土锥头（10）将起到类似静力触探探头的扩土作用，由于环形钢耳（2）斜面附有防水垫层（3）起密封作用，地下水便不能通过取样筒（8）和外壳（6）的内部向上流动，只能通过管靴（11）周围的突起在侧壁划出的槽痕向上流动，从而有效防止泥沙涌入取土器内造成阻塞的可能。

3、将探杆上提，控制上提位移，使第二承力轴（5）上的板件（7）的下端头在弹性部件（13）的作用下扩张并嵌入环形凹槽（12）中，从而使第一承力轴（4）和扩土锥头（10）不能单独贯入。

4、继续向下贯入取土器，探杆传下的轴力将通过板件（7）传递给外壳（6）和取样筒（8），使之向下运动，土样受管靴（11）切割而进入取样筒（8）内，与此同时，取样筒内的水将从第二承力轴（5）与外壳（6）之间的空隙排除。取得土样后停止贯入。

5、提升探杆，将取土器取回地面，在此过程中，扩土锥头（10）上的防水垫层（3）与外壳（6）下端斜面贴合，形成密封，使取样筒（8）内部压强与取土器以下空间压强一致，土样不易脱落。

6、打开外壳（6）与取样筒（8）的丝扣，取出土样密封保存，清洗设备。按压板件（7）的上端头，其下端头自然收缩，实现解锁。

7、取样结束后，可重复上述过程进行另一深度的取样。注意：在第二次向下贯入的过程中，环形钢耳（2）上的防水垫层（3）与外壳（6）上部斜面贴合，形成密封，取土器下方的水不能通过取土器内部流动，而是通过取土器与孔壁之间的空隙或孔壁刻槽向上流动，大大减少取土器内部阻塞的可能性。

Claims (3)

1.一种静力触探式深层取土器，包括外壳（6）、取样筒（8）、第一承力轴（4）、管靴（11）、扩土锥头（10），其特征在于：

还包括第二承力轴（5）、板件（7）、轴承（9）、弹性部件（13）、环形钢耳（2）；

外壳（6）为圆筒状，其内表面设有环形凹槽（12）；

取样筒（8）为薄壁筒状结构，两端分别与外壳（6）和管靴（11）固定连接；

外壳（6）、取样筒（8）和管靴（11）共同组成的筒体结构内部放置第二承力轴（5）以及扩土锥头（10）；

第二承力轴（5）的上端固定连接第一承力轴（4），下端固定连接扩土锥头（10）；

第一承力轴（4）的上端固定环形钢耳（2）；

第二承力轴（5）内置相互扭结的两个板件（7），每个板件（7）具有两个端头，在弹性部件（13）的控制下实现张合，其下端头能嵌入环形凹槽（12）。

2.根据权利要求1所述的静力触探式深层取土器，其特征在于：所述第二承力轴（5）为圆杆状，由两部分拼合而成，中部沿长度方向预留与板件（7）相适应的矩形穿孔，矩形穿孔的两侧面中部设置轴承（9）。

3.根据权利要求1所述的静力触探式深层取土器，其特征在于：板件（7）是厚度大于2mm的刚性板件，具有两个端头，其中间位置预留圆孔，两个板件（7）通过轴承（9）实现扭结。