JP2021161863A - ジェット式原位置土壌サンプラー - Google Patents

Abstract

【課題】土壌試料に大きな撹乱を与えることを回避し、土壌試料が接続内筒に入る前に受ける壁摩擦を低減して、不撹乱構造を保持して、高品質の土壌試料を取得するジェット式原位置土壌サンプラーを提供する。【解決手段】原位置における特性を保持するためのジェット式原位置土壌サンプラーであって、縦軸線に沿って下方へ移動して土壌試料の中に切込むことができる切込み機構と、上記切込み機構の下方へに力をかけて且つウォーターナイフアセンブリ（６）を有するドリリング機構とを備え、切込み機構は縦軸線に垂直な第一の半径上に土壌試料捕集室を限定して形成し、上記土壌試料捕集室に入った土壌試料は外周面がゲル溶液で被覆されてその原位置における特性を保持し、ウォーターナイフアセンブリ（６）は縦軸線の周りを回転して第一の半径よりも大きい第二の半径上に円周に沿って土壌試料を切断することで切込み機構の切込み抵抗を減少する。【選択図】図１

Description

本発明は工事地質掘削の分野に関し、具体的にジェット式原位置土壌サンプラーに関し、該土壌サンプラーは軟質土壌と砂に対してＩ類の試料採取を行うために用いられ、該標準レベルの土壌試料は土壌の物理的、力学的試験又は土層分類のために試験試料を提供することができる。

工事地質調査は工事の建築物に影響した地質学的要因を明らかにするために行った地質調査研究の仕事であり、建築物の安定と正常な使用を確保する防護対策を確定するために根拠を提供する。中国の経済建設の需要と発展、及び近年建てられた様々な大型や中型の地盤工学プロジェクトの増加につれて、新型の土壌サンプラーの研究開発は既に工事地質調査分野の従業者が気に掛けている重要課題となっている。土壌の各種の物理的や力学的特性指標を取得するために、現在高価な原位置試験の他に、主に掘削サンプリング後に屋内の地質工学実験を行うという手段を採用している。土壌サンプラーは工事現場の土壌試料を採取するためのツールであり、得られた土壌試料は実験室に運送されて、屋内試験により密度、孔隙率、含水率、比重、内部摩擦角、凝集力、圧密係数、一軸圧縮強度等を含む、現場の基本的な物理的や力学的パラメータを測定することで、その後の工事設計にパラメータを提供する。土壌サンプラーのサンプリング品質は、これらの基本的な物理的や力学的パラメータが正確であるか否かを直接決定づけており、サンプリング品質が悪い場合には、測定された基本的な物理的や力学的パラメータが不正確であるため、設計が控えめすぎて工事のコストを増加させたり、設計が安全ではなくて工事事故になりやすかったりするので、品質の高い土壌試料を得ることは非常に必要である。

工事地質調査において出会ったのは主に軟弱粘土や砂である。軟弱粘土は工事地質調査においてよく出会った土壌の一種であって、高い天然含水量、大きい天然孔隙率、高い圧縮性、低いせん断強度、小さい圧密係数、長い圧密時間、高い感度、大きい撹乱性、悪い透水性などを主な特点とする。軟質土壌の分布を有する地層への地盤工学調査において、よく軟弱粘土のサンプルを取って、屋内の地質工学試験を行って、屋内で測定された物理的や力学的特性指標から天然土層の物理的や力学的特性を反映する必要があるが、サンプリングの過程で土壌試料が受けた撹乱の度合いは屋内試験の物理的や力学的特性指標の信頼性に直接影響し、即ち、土壌試料が受けた撹乱は非常に小さい場合、屋内の物理的や力学的指標が天然土層の物理的や力学的性質を如実に反映することができ、土壌試料が受けた撹乱は比較的に大きい場合、屋内の物理的や力学的指標が天然土層の物理的や力学的性質を反映できず、両者間の差が大きすぎる。砂の場合には、粒子の間に凝集力がほとんど存在しないため、サンプリングが困難である。

市場にある既存の土壌サンプラーは軟弱粘土のサンプリングを良好に行うことができるが、砂のサンプリングでは高品質の砂試料を得ることが困難であり、その主な原因は以下のとおりである：（１）サンプリングの過程で砂試料の体積が圧縮されたり膨張したりして、砂試料の相対的緻密性を変化させて、構造性が破壊され、これは砂試料と内管壁との間に高い摩擦が存在したり、試料採取管の直径が切断シューの直径よりも大きくて土壌試料を弛ませたりするからである；（２）有効応力の回復と関連変化はさらに土壌試料の変形を引き起こす；（３）砂試料はドリルホールから取り出した際に非常に脱落しやすくて、土壌試料の欠損を招く。

既存の土壌サンプラーは土を取る過程で土壌試料への撹乱をうまく減少させることができず、具体的には、上述の撹乱は土壌サンプラーが土壌を貫通した時の土壌押出による撹乱及び土壌試料が試料採取管に入った時の管壁との摩擦による撹乱を含んでいる。

例えば、特許文献ＣＮ１０１１４０２０１Ａには水圧式薄壁土壌サンプラーが設計されている。土壌サンプラーは中空ドリルロッドの下端に配水ヘッドが連結されており、該配水ヘッドにピストンロッドと外筒体が連結されており、可動ピストンは気密にピストンロッドに摺動自在に嵌められ且つ気密に外筒体の内壁に摺動可能に嵌合され、該可動ピストンに土壌試料筒が連結されており、ピストンロッドの下端に固定ピストンが連結されている。水圧がドリルロッドから可動ピストンに伝達されると、可動ピストンが押し下げられ、土壌試料筒が土に圧入される。固定ピストンが動けないので、土壌試料筒が押し下げられた時に固定ピストンは土壌試料が脱落しないように相対的に上昇して閉鎖を形成し、引抜きの時に外筒体は土壌試料筒と共に持ち上げられる。このような土壌サンプラーでは、切断シューが土層を貫通した時に土壌押出効果が明らかであって、土壌試料に大きな撹乱を与え、且つ土壌試料と試料採取管の内管壁との間に過大な摩擦力が生成して、土壌試料への撹乱が生じて、土壌試料の構造上の損傷を引き起こす。

例えば、特許文献ＣＮ１０５６９９１１８Ａには不撹乱砂試料の動的特性試験に直接使用される土壌サンプラーが設計されており、該土壌サンプラーの上部外筒と下部外筒は螺着され、下部外筒の両側に摺動溝があり、上部外筒の下部の内にあるバネは下部外筒の内にある内筒の最上部に押し付けられ、内筒の最上部にサイドラグがあり、該サイドラグの下方に内筒の両側にホース用穴があり、内筒は廃土管に螺着され、廃土管は採土管に接続され、採土管は切断シューの上端に接続され、該発明は従来の不撹乱試料のドリリング採集と実験室の加工調製とを合わせて一つにするため、砂の不撹乱試料の貯蔵と取外しは便利で、動的三軸試験装置や共振柱試験装置に直接装着されて砂の不撹乱試料の動的特性試験を行うことができる。しかし、存在した最大の問題は、切断シューが貫通した時に土壌押出効果が土壌に過大な撹乱を与え、土壌押出効果が明らかであり、砂試料が採土管に入った時に管壁との間に過大な摩擦抵抗が存在し、砂試料の天然構造が既に破壊されており、大きな撹乱を受けていることである。

全体的に見ると、既存の土壌サンプラーは土層を貫通する過程で必然的に土壌押圧効果を生じさせて、土壌試料に大きな攪乱を与え、且つ土壌試料が試料採取内管に入った時に両者の間に大きな摩擦力が存在して、土壌試料への攪乱が大きすぎるため、屋内の地質工学試験の物理的や力学的指標に歪みがあって、現場原位置における土壌の物理的や力学的特性を反映できず、工学的設計及び施工に影響する。

中国特許公開番号ＣＮ１０１１４０２０１Ａ 中国特許公開番号ＣＮ１０５６９９１１８Ａ

従来技術に存在した問題を解決するために、本発明に現場原位置サンプリングに使用されるジェット式原位置土壌サンプラーが開示されており、該土壌サンプラーは軟弱粘土だけでなく砂のサンプリングにも適用でき、土壌サンプラーが土層を貫通する過程における明らかな土壌押出効果、サンプリング時の土壌試料と試料採取管内壁との過大な摩擦、サンプリング過程における土壌試料の相対的緻密性の変化、構造上の破壊、サンプリング完成後の土壌サンプラーを取り出した時の土壌試料脱落による欠損などの問題を同時に解決できる。具体的には、ウォーターナイフアセンブリに射出された高圧水柱で土壌を切断して穴の掘削清掃を行うため、土壌押出効果がほとんど存在せず、従来の静圧貫通による土壌押出効果が明らかであって、土壌試料に大きな撹乱を与えることを回避すると同時に、土壌試料が接続内筒に入る前に重合体ゲル溶液で土壌試料を被覆することによって、土壌試料が受けた側壁摩擦を大いに低減して、可能な限り土壌試料の不撹乱構造を保持して、高品質の土壌試料を取得する。

本発明が採用した技術的解決策は次のとおりである：
土壌試料を取得しその原位置における特性を保持するためのジェット式原位置土壌サンプラーであって、縦軸線に沿って下方へ移動して土壌試料の中に切込むことができる切込み機構と、上記縦軸線に沿って下方へ上記切込み機構に力をかけて且つウォーターナイフアセンブリ（６）を有するドリリング機構とを備え、上記切込み機構は上記縦軸線に垂直な第一の半径上に土壌試料捕集室（Ｓ１）を限定して形成し、上記土壌試料捕集室（Ｓ１）に入った土壌試料は外周面がゲル溶液で被覆されてその原位置における特性を保持し、上記ウォーターナイフアセンブリ（６）は上記縦軸線の周りを回転して上記第一の半径よりも大きい第二の半径上に円周に沿って土壌試料を切断することで上記切込み機構の切込み抵抗を減少することを特徴とする。
さらに、上記切込み機構は接続外筒と、接続外筒に固定されて接続される切断シューとを備える。

さらに、上記ドリリング機構は、動力源に駆動されて上記縦軸線の周りを回転する回転ヘッドと、該回転ヘッドに固定されて接続される外筒体とを備え、上記ウォーターナイフアセンブリは外筒体に固定されて装着される。

さらに、上記ドリリング機構は回転止めアセンブリを介して切込み機構に接続されて、その回転ヘッドが回転すると同時に回転ヘッドの縦軸線上における変位を回転不可能な接続外筒に伝える。

さらに、上記回転止めアセンブリは力伝達圧力ヘッドと軸方向ベアリングとを備え、ただし、上記軸方向ベアリングはフェルールが回転ヘッドに固定されて装着され、シャフトカラーが力伝達圧力ヘッドに固定されて装着され、ただし、上記シャフトカラーはフェルールの内部に設けられ且つ縦軸線に沿って上下移動することができ、上記フェルール又は回転ヘッドは荷重ばねを通じて該シャフトカラーに軸方向圧力をかけて切断シュー上に土壌試料を切断する負荷力を生じる。
さらに、上記荷重ばねの上端部は回転ヘッドに押し当てられ、その下端部は前記シャフトカラーに押し当てられる。

さらに、上記回転止めアセンブリはさらに少なくとも１つの径方向滑り軸受を備え、該径方向滑り軸受は上記フェルールに固定されて接続され、上記力伝達圧力ヘッドは上記径方向滑り軸受を通り抜ける軸部を有する。

さらに、上記接続外筒は力伝達圧力ヘッドに固定されて装着され、且つ接続外筒に接続内筒、浮動ピストン及び力伝達圧力ヘッドに共同で囲まれたゲル貯蔵室が内蔵されており、ただし、上記接続内筒は力伝達圧力ヘッドに固定されて装着され、且つ接続外筒との間に隙間を有してゲル貯蔵室と土壌試料捕集室を連通するゲル押し込み通路を形成し、上記接続内筒の上部に開孔を有してゲル押し込み通路とゲル貯蔵室を連通し、ただし、上記浮動ピストンは接続内筒の中に設けられ且つ両者の間に密封式の遊嵌接続がある。

さらに、上記土壌試料捕集室は浮動ピストンと接続内筒に共同で囲まれるように形成され、且つ上記浮動ピストンが上方へ移動した時に、上記土壌試料捕集室が次第に増大し、上記ゲル貯蔵室が次第に小さくなり、上記切断シューの内部に土壌試料が土壌試料捕集室に入るように土壌試料捕集口が形成されている。

さらに、上記土壌試料捕集室の内径は土壌試料捕集口の内径よりもやや大きくて接続内筒の内壁と捕集された土壌試料の外壁との間に土壌試料をゲルで被覆するためのゲル注入隙間を形成し、ただし、上記接続内筒の底部に土壌試料捕集室とゲル押し込み通路を連通するゲル注入孔が設けられている。

さらに、上記回転ヘッドにゲル排出孔が設けられており、上記ゲル貯蔵室はゲル溢出管を経由してゲル排出孔と連通して余分のゲルを排出し、ただし、上記ゲル溢出管は回転ヘッドに固定され、力伝達圧力ヘッドを経由してゲル貯蔵室に挿入され、且つ該ゲル溢出管は力伝達圧力ヘッドと密封接触する。

さらに、上記回転ヘッドに多通路配水ヘッドが配置されており、該多通路配水ヘッドは回転ヘッド、高圧水管を経由してウォーターナイフアセンブリと連通し、上記回転ヘッドに高圧水管と多通路配水ヘッドを連通する配水管路がある。

本発明の有利な効果は次のとおりである：
１）サンプリングの過程で、切断シューに入った土壌試料はゲル塗布リングを経由してゲル溶液で被覆されて、土壌試料が接続内筒に入った時の摩擦を大いに低減して、土壌試料への攪乱が比較的に小さくて、可能な限り土壌試料の不撹乱構造を保持する。
２）重合体ゲル溶液で土壌試料の外面を被覆して、土壌試料の運輸、貯蔵等過程における水分散失を回避する。

３）屋内の土壌試料を土壌サンプラーから押し出す必要があった時に、土壌試料が重合体ゲル溶液に被覆されるため、土壌試料と採土管内壁との摩擦が非常に小さくて、可能な限り土壌試料の天然構造を保持する。

４）ウォーターナイフから射出された超高圧水柱で土壌を切断して穴の掘削清掃を行うため、効率が高くて、土壌押出効果がほとんどなくて、土壌への撹乱が小さい。
５）土壌サンプラー全体はモジュール化された設計と標準化された構造を有し、各部品が螺接されるので、取外しが簡単で便利である。

６）土を取る前に、浮動ピストンは土壌サンプラーの底部に置かれて、切断シューの刃先と面一になっているため、ドリルホールの中にあるスラリー等が接続内筒に入ることを完全に阻止して、土壌試料の高い採取比率を確保することができる。

本発明が説明したジェット式原位置土壌サンプラーの断面構造模式図である。 本発明が説明した浮動ピストンの斜視模式図である。 本発明が説明したゲル塗布リングの斜視模式図である。 本発明が説明したウォーターナイフアセンブリの分解図である。 本発明が説明したジェット式原位置土壌サンプラーの作業状態の模式図である。

以下、図面と実施例を参照してさらなる説明をする。以下の実施例は本発明の範囲を制限せず、ただ本発明を説明するために用いられるだけである。また、本発明が説明した内容を閲読した後に、当業者は本発明に対して様々な変更や修正を行ってよく、これらの等価形式も本出願が添付した特許請求の範囲に包含されることを理解されたい。

図１に示すように、土壌サンプラーは多通路配水ヘッド１１、土壌サンプラーヘッド１０、伝動接続筒１３、力伝達圧力ヘッド９、接続外筒４、接続内筒３、ゲル塗布リング７、切断シュー１、浮動ピストン８、外筒体５、高圧水管１６、ウォーターナイフアセンブリ６、ジェットシュー２を備える。ただし、多通路配水ヘッド１１の下側のローター端はボルトを介して土壌サンプラーヘッド１０に接続され、土壌サンプラーヘッド１０の下端側壁の雄ネジは外筒体５の上端の雌ネジに接続され、土壌サンプラーヘッド１０の下端内部凹孔の雌ネジは伝動接続筒１３の上端の雄ネジに接続され、伝動接続筒１３内に荷重ばね１２、軸方向ベアリング１４、力伝達圧力ヘッド９及び径方向滑り軸受１５が取り付けられており、力伝達圧力ヘッド９は軸方向ベアリング１４から伝えられた軸方向押す力と径方向滑り軸受１５から伝えられた径方向力を受けて、伝動接続筒１３内に間接に固定され、力伝達圧力ヘッド９の側壁の雄ネジは接続外筒４の上端の雌ネジに接続され、力伝達圧力ヘッド９の下端フランジの雄ネジは接続内筒３の上端の雌ネジに接続され、接続内筒３の下端の雄ネジはゲル塗布リング７の上端の雌ネジに接続され、浮動ピストン８は気密に接続内筒３に摺動可能に嵌合され且つ底部に置かれ、接続外筒４の下端の雄ネジは切断シュー１の上端の雌ネジに接続され、外筒体５の下端の雌ネジはジェットシュー２の上端の雄ネジに接続され、ジェットシュー２内にウォーターナイフアセンブリ６が装着されて固定され、高圧水管１６の両端はそれぞれ土壌サンプラーヘッド１０とウォーターナイフアセンブリ６に接続される。

本発明のジェット式原位置土壌サンプラーは土壌試料を取得してその原位置における特性を保持するために用いられ、全体構造から見ると、該土壌サンプラーは切込み機構とドリリング機構とを備える。ただし、切込み機構は縦軸線に沿って下方へ移動して土壌試料の中に切込むことができ、且つ上記縦軸線に垂直な第一の半径上に土壌試料捕集室Ｓ１を限定して形成し、土壌試料捕集室Ｓ１に入った土壌試料は外周面がゲル溶液で被覆されてその原位置における特性を保持し、ドリリング機構は上記縦軸線に沿って下方へ上記切込み機構に力をかけ且つウォーターナイフアセンブリ６を有し、該ウォーターナイフアセンブリは上記縦軸線の周りを回転して上記第一の半径より大きい第二の半径上に円周に沿って土壌試料を切断して上記切込み機構の切込み抵抗を減少する。即ち、ウォーターナイフアセンブリ６は切込み機構の外側に設置され、まず予め土壌試料と外界との接続を切断して、切込み機構の切込み抵抗を減少する。本実施例において、第一の半径も第二の半径も固定値であって、それぞれ切断シュー１のピッチ円直径とウォーターナイフヘッドのピッチ円直径である。他の実施形態において、第一の半径と第二の半径は変数値であってもよい。

具体的には、上記切込み機構は接続外筒４と接続外筒４に固定されて接続される切断シュー１とを備える。上記ドリリング機構は動力源に駆動されて上記縦軸線の周りを回転する回転ヘッド１０と、該回転ヘッド１０に固定されて接続される外筒体５とを備え、上記ウォーターナイフアセンブリ６は外筒体５に固定されて装着される。上記ドリリング機構は回転止めアセンブリを介して切込み機構に接続されてその回転ヘッド１０が回転すると同時に回転ヘッド１０の縦軸線上における変位を回転不可能な接続外筒（４）に伝える。

ただし、接続外筒４は土壌サンプラーの貫入過程における貫入抵抗を抵抗する機能を果たすため、接続内筒３が変形して土壌採取の品質に影響することを防止する。接続内筒３は実際の土壌採取に使用され、且つ取外しを便利に行える。

具体的な実施において、接続内筒３は内径が７３．２ｍｍ、外径が７７．２ｍｍであり、接続外筒４は内径が８７．４ｍｍ、外径が９５．４ｍｍであり、接続内筒３の内径よりもやや小さい切断シュー１は刃先の内径が７２．１ｍｍ、切れ刃傾き角が８°であると、該土壌サンプラーの内部隙間比ＩＣＲ＝１．５０％、０に近い。土壌試料の側面は土壌サンプラーに入った時にゲル溶液で被覆されるため、内部隙間比が非常に小さい場合、土壌試料と接続内筒３との摩擦も非常に小さい。

図１に示すように、土壌サンプラーヘッド１０に配水管路２４が設けられており、配水管路２４は上端が高圧エルボー２５を介して多通路配水ヘッド１１のローター端の開孔に接続されて、下端が高圧水管１６を介してウォーターナイフアセンブリ６に接続され、且つ多通路配水ヘッド１１のステーター端は地面の加圧系統に連結されることにより、完全なジェット系統を形成する。

ただし、多通路配水ヘッド１１に貫通穴が開けられており、該貫通穴は土壌サンプラーヘッド１０の上側の連結管を通り抜けて、下側のローター端のボルトにより土壌サンプラーヘッド１０の上端面に接続され、上記貫通穴と連結管の間に一定の隙間がある。ドリルロッドの力で土壌サンプラーヘッド１０を回転させて、多通路配水ヘッド１１のローター端を回転させ、ローター端から送り出された高圧液体は土壌サンプラーヘッドにおける配水管路２４を通って、高圧水管１６を経由して、ウォーターナイフアセンブリ６に送り込まれる一方、多通路配水ヘッド１１のステーター端はそれと連結した複数本の高圧水管を通じて固定されることにより、高圧液体を回転しているウォーターナイフアセンブリ内に供給できる。

図１に示すように、荷重ばね１２の両端はそれぞれ土壌サンプラーヘッド１０の凹孔内壁、軸方向ベアリング１４の台座シートの上端面と押圧接触し、軸方向ベアリング１４は台座シートが伝動接続筒１３に固定されて接続され、シャフトシートが力伝達圧力ヘッド９の上端面に固定されて接続され、両者の間に転動体を通じて軸方向力を伝達する一方、径方向滑り軸受１５は外輪が伝動接続筒１３の下端側壁に固定されて接続され、内輪が力伝達圧力ヘッド９の側壁に固定されて接続され、両者の間に転動体を通じて径方向力を伝達することで、力伝達圧力ヘッド９に接続された接続外筒４を接続内筒３から隔離する機能を果たして、それらの回転を回避する。

ただし、切断シュー１と接続外筒４は力伝達圧力ヘッド９を介して軸方向ベアリング１４と径方向滑り軸受１５で固定される。土壌採取の時に外筒体５が回転するが、切断シュー１と接続外筒４は軸受系統の隔離により回転するわけではなく、ただドリル工具が与えた軸方向圧力と径方向力だけを受ける。外筒体５の底部のウォーターナイフアセンブリ６が土層を切断すると同時に、接続内筒３に接続された切断シュー１は土層に押し込まれる。土壌サンプラーのドリリングにつれて、土壌試料は接続内筒３に押し込まれる。軸方向ベアリング１４は荷重ばね１２でロードされて、ドリル工具が与えたドリリング圧力を伝えて、サンプリングの過程で切断シュー１により安定な荷重を提供する。土壌の硬度や密度により、ジェットシュー２のジェットドリリングの過程で、ジェットシュー２に対する切断シュー１の距離が一定しているわけではない。軟質土壌において、切断シュー１が相対的に貫通しやすいため、切断シュー１とジェットシュー２との距離は最大間隔に接近するが、硬くて緻密な土壌において、切断シュー１は引っ込んで後退することにより、ジェットシュー２をもっと試料採取面に近づけて、超高圧ジェットにより切断シュー１の貫通を促す。

ただし、軸方向ベアリング１４はフェルールと、シャフトカラーと、転動素子と、該転動素子を保持するホルダーとから構成され、軸方向ベアリング１４において、フェルールとシャフトカラーは軸方向に沿って平行に並設され、転動体は二つの台座シートとシャフトシートとの間に挟まれて、軸方向荷重を受けるために用いられる。径方向滑り軸受１５は外輪と、内輪と、転動体と、ホルダーとから構成されて、径方向荷重を受けるために用いられる。

言い換えれば、上記回転止めアセンブリは力伝達圧力ヘッド９と軸方向ベアリング１４を備え；ただし、上記軸方向ベアリング１４はフェルールが回転ヘッド１０に固定されて装着され、シャフトカラーが力伝達圧力ヘッド９に固定されて装着され；ただし、上記シャフトカラーはフェルール内部に設けられ且つ縦軸線に沿って上下移動することができ、上記フェルール又は回転ヘッド１０は荷重ばね１２を介して該シャフトカラーに軸方向圧力をかけて、切断シュー１に土壌試料を切断する負荷力を生じる。

より具体的には、上記荷重ばね１２は上端部が回転ヘッド１０に押し当てられ、下端部が上記シャフトカラーに押し当てられる。上記回転止めアセンブリはさらに少なくとも一つの径方向滑り軸受１５を備え、該径方向滑り軸受１５は上記フェルールに固定されて接続され、上記力伝達圧力ヘッド９は上記径方向滑り軸受１５を通り抜ける軸部を有する。

上記接続内筒３の最上部に円周に沿って開孔２６が分布されており、該開孔２６は接続内筒３の内壁、浮動ピストン８の上端面、及び力伝達圧力ヘッド９の下端面で構成されたゲル収容空洞を接続内筒３の外壁と接続外筒４の内壁との環状空洞と連通させる。

図２に示すように、浮動ピストン８の側壁にO形シールリング溝２７が設けられており、該O形シールリング溝２７内に溝幅にマッチしたO形シールリング２８が取り付けられており、サンプリングの時にO形シールリング２８の外周は接続内筒３の内壁と緊密に接触する。

図３に示すように、ゲル塗布リング７の側面に円周に沿って多くのスロット２９を設けることで、接続内筒３と接続外筒４との間の環状空洞を流れるゲル溶液を通過させて、さらに採取した土壌試料の外面を被覆することができ、且つゲル塗布リング７の内径は接続内筒３の内径と同じである。土壌サンプラーヘッド１０内にゲル溢出管２３が取り付けられているため、余分のゲル溶液はゲル溢出管２３に沿ってドリルホールの中に排出されて、土壌サンプラーの内部に生じた過大な液圧を回避する。

ただし、ゲル塗布リング７の内径は接続内筒３の内径と同じであり、切断シュー１の内径は接続内筒３の内径よりもやや小さい。本発明のゲル溶液は重合体ゲル溶液であり、具体的には部分的に加水分解されたポリアクリルアミド（通常、ＰＨＰ重合体と呼ぶ）である。該ゲル溶液は非常にいい潤滑性を有するので、潤滑油のように土壌試料の表面に付着して潤滑性のいい薄膜を形成して、土壌試料が接続内筒３に入った時の摩擦力を大いに低減することができる。

言い換えれば、上記接続外筒４は力伝達圧力ヘッド９に固定されて装着され、且つ接続外筒４に接続内筒３、浮動ピストン８、及び力伝達圧力ヘッド９で囲まれるように形成されたゲル貯蔵室Ｓ２が内蔵されており；ただし、上記接続内筒３は力伝達圧力ヘッド９に固定されて装着され、且つ接続外筒４との間に隙間を有してゲル貯蔵室Ｓ２と土壌試料捕集室Ｓ１を連通するゲル押し込み通路を形成する。上記接続内筒３の上部に開孔２６を有してゲル押し込み通路とゲル貯蔵室Ｓ２を連通し；ただし、上記浮動ピストン８は接続内筒３の中に設置され且つ両者の間に密封式の遊嵌接続がある。

具体的には、上記土壌試料捕集室Ｓ１は浮動ピストン８と接続内筒３で囲まれるように形成され、且つ上記浮動ピストン８が上方へ移動した時に、上記土壌試料捕集室Ｓ１は次第に増大し、上記ゲル貯蔵室Ｓ２は次第に小さくなり；上記切断シュー１の内部に土壌試料が土壌試料捕集室Ｓ１に入るように土壌試料捕集口Ｃ１が形成されている。

上記土壌試料捕集室Ｓ１の内径は土壌試料捕集口Ｃ１の内径よりもやや大きくて、接続内筒３の内壁と捕集された土壌試料の外壁との間に土壌試料をゲルで被覆するためのゲル注入隙間を形成し；ただし、上記接続内筒３の底部に土壌試料捕集室Ｓ１とゲル押し込み通路を連通するゲル注入孔が設置されている。他の実施形態において、土壌試料捕集室Ｓ１の内径は土壌試料捕集口Ｃ１の内径と同じであって、ゲル貯蔵室Ｓ２の圧力により土壌試料をゲルで密封する。

上記回転ヘッド１０にゲル排出孔が設けられており、上記ゲル貯蔵室Ｓ２はゲル溢出管２３を経由してゲル排出孔と連通して余分のゲルを排出し；ただし、上記ゲル溢出管２３は回転ヘッド１０に固定され、力伝達圧力ヘッド９を経由してゲル貯蔵室Ｓ２に挿入され、且つ該ゲル溢出管は力伝達圧力ヘッド９と密封接触する。

図４に示すように、ウォーターナイフアセンブリ６はナット２２と、ノズル２１と、連結ロッド２０と、フロースイッチ１８と、シリンダー１７とから構成されている。ノズル２１は連結ロッド２０の下側凹孔に取り付けられて、ナット２２の雌ネジにより連結ロッド２０の下端の雄ネジに連結されて固定される。連結ロッド２０の上端の雄ネジはフロースイッチ１８の下端凹孔の雌ネジに連結され、フロースイッチ１８の上端凹孔の雌ネジはシリンダー１７の下端の雄ネジに連結される。フロースイッチ１８の側面に超高圧注水口１９が設けられており、シリンダー１７の上面の高圧空気入口はそれぞれ高圧水管１６に接続される。

ただし、地面に位置した加圧系統は高圧水を高圧水管で多通路配水ヘッド１１のステーター端に輸送して、多通路配水ヘッド１１のローター端から高圧エルボー２５、配水管路２４、高圧水管１６を経由して最後にウォーターナイフアセンブリ６に輸送し；シリンダー１７はフロースイッチ１８の開閉を制御して、シリンダー１７が通気を行った後、シリンダーのピストンはプッシュロッドを押して、針弁に印加された圧力を低減させることにより、高圧水は球面クッションの中心の小孔を通過して連結ロッドの中心の貫通穴を経由してノズル２１に到達する。気体は地面から多通路配水ヘッド１１のステーター端を通過して、多通路配水ヘッド１１のローター端から送り出されて、高圧エルボー２５、配水管路２４、高圧水管１６を経由して最後にウォーターナイフアセンブリ６のシリンダー１７に輸送されて、水ジェットの開閉を制御する。

言い換えれば、上記回転ヘッド１０に多通路配水ヘッド１１が配置されており、該多通路配水ヘッド１１は回転ヘッド１０、高圧水管を経由してウォーターナイフアセンブリ６に連通され、上記回転ヘッド１０に高圧水管１６と多通路配水ヘッド１１を連通する配水管路（２４）がある。

なお、本発明のウォーターナイフアセンブリ６は従来技術におけるウォーターナイフ構造を採用して、適性の改造を行って本発明に適用されてもよいので、当分野の普通の技術者は創作的活動を行うことなくウォーターナイフアセンブリ６を実施すればよい。
以下、図５を参照して本発明のジェット式原位置土壌サンプラーの動作原理及び過程を詳細に説明する。

本発明の土壌サンプラーがドリルホールの底部に接近した時に、ドリルロッドの回転が開始し、水ジェット系統の運転が開始する。高圧水柱がジェットシュー２に固定された複数のウォーターナイフアセンブリ６のノズルから射出されるにつれて、ウォーターナイフアセンブリ６の回転と高圧水柱の圧力で土壌を切断して、穴の掘削清掃を実現する。

土壌サンプラーが全体的に下方へ進むにつれて、土壌サンプラーの切断シュー１の刃先がドリルホールの底部に接触すると、切断シュー１は土壌の貫通を開始する。採集した土壌試料の最上部の浮動ピストン８が下方の土壌試料によって押されて接続内筒３に対して上方へ動くことにより、接続内筒３における重合体ゲル溶液は開孔２６を通って接続内筒３と接続外筒４との間の環状空隙に流入して、最後に接続外筒４の下端に接続されたゲル塗布リング７のスロット２９から均一に外へ流出してゲル塗布リング７を通った土壌試料の外面に塗布される。それと同時に、余分の重合体ゲル溶液はゲル溢出管２３に沿って排出されてよい。

土壌サンプラーが継続して下方へ動くにつれて、外面にゲルが均一に塗布されている土壌試料は上方へ接続内筒３内に入る。土壌試料の外面を重合体ゲルで均一に被覆することで、土壌試料が接続内筒に入った時の摩擦力を効果的に低減させて、土壌試料への撹乱を回避することができる。

土壌サンプラーが下方へ予定した距離（例えば、１．０５ｍ）進んでから、進行を停止してサンプリングを終了し、その後ドリルホールから土壌サンプラー全体をそっと持ち出せばよい。

具体的な実施において、土を取る過程で、ドリルロッドは中間速度（４０−８０回転数/分間）で連続的に回転して、その駆動下で外筒体５とジェットシュー２が回転するが、軸受系統は接続外筒４を接続内筒３から隔離して、それらの回転を防止する。

以上の詳細な説明から分かるように、本発明のジェット式原位置土壌サンプラーはドリルロッドの駆動により外筒体及びウォーターナイフアセンブリを回転させて、高圧水柱で土壌を切断して、穴の掘削清掃を実現するため、ドリリングの効率が高い上に、土壌押出効果がほとんどなく、土壌への撹乱が小さく、後に続く切断シューの土壌採取のために良好な条件を作り出す。サンプリングの過程で、切断シューに入った土壌試料の最上部は浮動ピストンを上方へ押して、接続内筒の内部におけるゲル溶液を内筒と接続外筒との間の環状空隙に押出して、最後にゲル塗布リングの下端のスロットにより上記ゲル溶液を土壌試料の外面に均一に塗布することで、土壌試料が接続内筒に入る前にその外面に滑らかなゲル被覆層が形成されているのを確保する。土壌試料が継続して上方へ動いて接続内筒に入る時に、ゲル被覆層の存在で、接続内筒の内壁と土壌試料との間の摩擦力は効果的に低減され、土壌試料は摩擦がほとんどない条件下で順調に接続内筒に入るため、土壌試料にとても小さな攪乱を与えて、土壌試料の不撹乱構造を極力保持して、後の地質工学試験のために確実な土壌試料を提供して、後期の土壌試料の試験結果の精度を確保することができる。

１，切断シュー；２，ジェットシュー；３，接続内筒；４，接続外筒；５，外筒体；６，ウォーターナイフアセンブリ；７，ゲル塗布リング；８，浮動ピストン；９，力伝達圧力ヘッド；１０，回転ヘッド；１１，多通路配水ヘッド；１２，荷重ばね；１３，伝動接続筒；１４，軸方向ベアリング；１５，径方向滑り軸受；１６，高圧水管；１７，シリンダー；１８，フロースイッチ；１９，高圧注水口；２０，連結ロッド；２１，ノズル；２２，ナット；２３，ゲル溢出管；２４，配水管路；２５，高圧エルボー；２６，開孔；２７，O形シールリング溝；２８，O形シールリング，２９，スロット

Claims (12)

1. 土壌試料を取得しその原位置における特性を保持するためのジェット式原位置土壌サンプラーであって、
   縦軸線に沿って下方へ移動して土壌試料の中に切込むことができる切込み機構と、
   前記縦軸線に沿って下方へ前記切込み機構に力をかけて且つウォーターナイフアセンブリ（６）を有するドリリング機構とを備え、
   前記切込み機構は前記縦軸線に垂直な第一の半径上に土壌試料捕集室（Ｓ１）を限定して形成し、前記土壌試料捕集室（Ｓ１）に入った土壌試料は外周面がゲル溶液で被覆されてその原位置における特性を保持し、前記ウォーターナイフアセンブリ（６）は前記縦軸線の周りを回転して前記第一の半径よりも大きい第二の半径上に円周に沿って土壌試料を切断することで前記切込み機構の切込み抵抗を減少する、
   ことを特徴とするジェット式原位置土壌サンプラー。
2. 前記切込み機構は接続外筒（４）と、前記接続外筒（４）に固定されて接続される切断シュー（１）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
3. 前記ドリリング機構は、動力源に駆動されて前記縦軸線の周りを回転する回転ヘッド（１０）と、該回転ヘッド（１０）に固定されて接続される外筒体（５）とを備え、前記ウォーターナイフアセンブリ（６）は外筒体（５）に固定されて装着されることを特徴とする、請求項２に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
4. 前記ドリリング機構は回転止めアセンブリを介して切込み機構に接続されて、その回転ヘッド（１０）が回転すると同時に回転ヘッド（１０）の縦軸線上における変位を回転不可能な接続外筒（４）に伝えることを特徴とする、請求項３に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
5. 前記回転止めアセンブリは力伝達圧力ヘッド（９）と軸方向ベアリング（１４）とを備え、
   ただし、前記軸方向ベアリング（１４）は、フェルールが回転ヘッド（１０）に固定されて装着され、シャフトカラーが力伝達圧力ヘッド（９）に固定されて装着され、
   ただし、前記シャフトカラーはフェルールの内部に設けられ且つ縦軸線に沿って上下移動することができ、前記フェルール又は回転ヘッド（１０）は荷重ばね（１２）を通じて該シャフトカラーに軸方向圧力をかけて切断シュー（１）上に土壌試料を切断する負荷力を生じることを特徴とする、請求項４に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
6. 前記荷重ばね（１２）の上端部は回転ヘッド（１０）に押し当てられ、その下端部は前記シャフトカラーに押し当てられることを特徴とする、請求項５に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
7. 前記回転止めアセンブリはさらに少なくとも１つの径方向滑り軸受（１５）を備え、該径方向滑り軸受（１５）は前記フェルールに固定されて接続され、前記力伝達圧力ヘッド（９）は前記径方向滑り軸受（１５）を通り抜ける軸部を有することを特徴とする、請求項５又は６に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
8. 前記接続外筒（４）は力伝達圧力ヘッド（９）に固定されて装着され、且つ接続外筒（４）に接続内筒（３）、浮動ピストン（８）及び力伝達圧力ヘッド（９）に共同で囲まれたゲル貯蔵室（Ｓ２）が内蔵されており、
   ただし、前記接続内筒（３）は力伝達圧力ヘッド（９）に固定されて装着され、且つ接続外筒（４）との間に隙間を有してゲル貯蔵室（Ｓ２）と土壌試料捕集室（Ｓ１）を連通するゲル押し込み通路を形成し、前記接続内筒（３）の上部に開孔（２６）を有してゲル押し込み通路とゲル貯蔵室（Ｓ２）を連通し、
   ただし、前記浮動ピストン（８）は接続内筒（３）の中に設けられ且つ両者の間に密封式の遊嵌接続があることを特徴とする、請求項５又は６に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
9. 前記土壌試料捕集室（Ｓ１）は浮動ピストン（８）と接続内筒（３）に共同で囲まれるように形成され、且つ前記浮動ピストン（８）が上方へ移動した時に、前記土壌試料捕集室（Ｓ１）が次第に増大し、前記ゲル貯蔵室（Ｓ２）が次第に小さくなり、
   前記切断シュー（１）の内部に土壌試料が土壌試料捕集室（Ｓ１）に入るように土壌試料捕集口（Ｃ１）が形成されていることを特徴とする、請求項８に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
10. 前記土壌試料捕集室（Ｓ１）の内径は土壌試料捕集口（Ｃ１）の内径よりもやや大きくて接続内筒（３）の内壁と捕集された土壌試料の外壁との間に土壌試料をゲルで被覆するためのゲル注入隙間を形成し、
    ただし、前記接続内筒（３）の底部に土壌試料捕集室（Ｓ１）とゲル押し込み通路を連通するゲル注入孔が設けられていることを特徴とする、請求項８に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
11. 前記回転ヘッド（１０）にゲル排出孔が設けられており、前記ゲル貯蔵室（Ｓ２）はゲル溢出管（２３）を経由してゲル排出孔と連通して余分のゲルを排出し、
    ただし、前記ゲル溢出管（２３）は回転ヘッド（１０）に固定されて、力伝達圧力ヘッド（９）を経由してゲル貯蔵室（Ｓ２）に挿入され、且つ該ゲル溢出管は力伝達圧力ヘッド（９）と密封接触することを特徴とする、請求項８に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
12. 前記回転ヘッド（１０）に多通路配水ヘッド（１１）が配置されており、該多通路配水ヘッド（１１）は回転ヘッド（１０）、高圧水管を経由してウォーターナイフアセンブリ（６）と連通し、前記回転ヘッド（１０）に高圧水管（１６）と多通路配水ヘッド（１１）を連通する配水管路（２４）があることを特徴とする、請求項３に記載のジェット式原位置土壌サンプラー。
    
    

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