一种射流式原位取土器制造技术

一种射流式原位取土器，用于获取土样并保持其原位特性，其具备：切入机构，其能够沿纵轴线向下移动以切入土样中，并在垂直于所述纵轴线的第一半径上限定形成土样捕集室(S1)，进入土样捕集室(S1)的土样由凝胶溶液包覆外周面以保持其原位特性；以及，钻进机构，其沿所述纵轴线向下施力于所述切入机构，且其配置有绕所述纵轴线旋转的水刀组件(6)，该水刀组件(6)在大于所述第一半径的第二半径上沿圆周切割土样以减小所述切入机构的切入阻力。本发明专利技术采用高压射流切割土壤，钻进清孔，在土样进入连接内筒前通过凝胶溶液包裹土样，极大地减小土样与连接内筒侧壁间的摩擦，极大地减小对土样的扰动，能够最大程度地保持土样的原位特性。

【技术实现步骤摘要】
一种射流式原位取土器
本专利技术涉及工程地质钻探领域，具体涉及一种射流式原位取土器，可用于软土和砂土进行I类取样，该标准水平的土样可为土的物理、力学试验或土层划分提供试验样本。
技术介绍
工程地质勘察是为查明影响工程建筑物的地质因素而进行的地质调查研究工作，为确定保证建筑物稳定与正常使用的防护措施提供依据。随着我国经济建设需求与发展，以及近年兴建的各种大中型岩土工程项目的增多，对于新型取土器的研发已经成为工程地质勘察领域工作者关心的重要问题。要想取得土的各项物理力学特性指标,目前除了价格昂贵的原位测试外,主要还是采用钻探取样后进行室内土工实验这一手段。取土器是用来采集工程场地土样的工具，取得的土样运回实验室，通过室内试验测定场地的基本物理力学参数，包括密度、孔隙比、含水率、比重、内摩擦角、粘聚力、固结系数、无侧限抗压强度等，为后续工程设计提供参数。其中取土器的取样质量直接决定了这些基本物理力学参数准确与否，如果取样质量很差，测定的基本物理力学参数不准确，会导致设计过于保守，增加工程造价，或者设计偏于危险，容易造成工程事故，因此获得高质量的土样是十分必要的。工程地质勘察中，主要遇到的是软黏土或者砂土。软黏土是工程地质勘察中经常遇到的一种土类，软黏土的主要特点天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差等。在对有软土分布地层的岩土工程勘察中，常常需要对软黏土取样，进行室内土工试验，通过室内测定的物理力学特性指标反映天然土层的物理和力学特性，而取样过程中土样受扰动程度大小，直接影响到室内试验物理力学特性指标的可靠性，即土样受扰动很小时，室内的物理力学指标能够真实反映天然土层物理力学性质；土样受扰动较大时，室内的物理力学指标不能反映天然土层物理力学性质，两者差距过大。而对于砂性土，由于颗粒间几乎不存在粘聚力，导致取样困难。目前市面上的取土器，在软黏土取样方面表现尚可，但是在砂土取样方面，很难获得高质量的砂样，主要原因如下：①采样过程中砂样体积压缩或膨胀，造成砂样相对密实度的改变，结构性被破坏，这是由于砂样与内管壁之间存在高摩擦而引起的，或者取样管直径大于切割切入靴直径导致土样松弛而引起的；②有效应力的恢复和相关变化，进而导致土样的变形；③砂样在从钻孔中取出时极易脱落，造成土样的缺损。目前的取土器，在取土过程中，并不能很好的减小对土样的扰动，具体来说，包括取土器穿透土壤时挤土造成的扰动以及土样在进入取样管时与管壁的摩擦造成的扰动。例如，专利文献CN101140201A设计了一种水压式薄壁取土器。取土器为空心钻杆下端连着分水头，分水头连接着活塞杆和外筒体，一个动活塞密封滑套于活塞杆上并与外筒体的内壁密封滑配，动活塞连接着一个土样筒，活塞杆的下端连接着一个固定活塞。当水压由钻杆通至动活塞上时，将动活塞压下，迫使土样筒压入土内。固定活塞不能活动，土样筒被压下时固定活塞就相对上升，造成封闭，使土样不至脱落，起拔时外筒体与土样筒一起提起。这种取土器在切入靴穿透土层时挤土效应明显，对土样造成较大的扰动，并且土样和取样内管壁之间会产生过大的摩擦力，造成土样扰动，导致土样结构性损伤。例如，专利文献CN105699118A设计了一种直接用于原状砂土试样动力特性试验的取土器，取土器的上外筒和下外筒旋装，下外筒两侧有滑槽，上外筒下部内的弹簧压在下外筒内的内筒顶部，内筒顶部有侧耳，侧耳下方在内筒两侧有软管孔，内筒旋装在废土管上；废土管与取土管连接，取土管和切入靴的上端连接，该专利技术将传统的原状试样的钻孔采集环节与实验室加工制备环节合二为一，砂土原状试样存储和拆卸方便，可直接安装在动三轴仪或共振柱仪上进行砂土原状试样的动力特性试验。但存在的最大问题是切入靴穿透时挤土效应对土壤产生过大的扰动，挤土效应明显，砂样进入取土管时与管壁存在过大的摩擦阻力，砂样天然结构已经被破坏，受到较大扰动。总体来看，目前的取土器在穿透土层过程中无可避免地会产生挤土效应，对土样产生较大的扰动，并且在土样进入取样内管时两者间存在着较大的摩擦力，从而造成土样扰动太大，造成室内土工试验物理力学指标失真，无法反应现场原位土的物理力学特性，影响工程设计及施工。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术公开了一种用于现场原位取样的射流式原位取土器，既适用于软黏土又适用于砂土取样，能够同时解决取土器在穿透土层过程中挤土效应明显，取样时土样及取样管内壁摩擦过大，取样过程中土样相对密实度改变，结构性破坏以及取样完成后取土器取出时土样易脱落而造成缺损等这些问题。具体的，通过水刀组件射出的高压水柱切割土壤、钻进清孔，几乎没有挤土效应，避免了传统静压穿透挤土效应明显，对土样产生较大扰动的缺陷，同时在土样进入连接内筒前通过聚合物凝胶溶液包裹土样，极大减小土样所受的侧壁摩擦，尽可能的保持土样原状结构，取得高质量土样。本专利技术采用的技术方案如下：一种射流式原位取土器，用于获取土样并保持其原位特性，其特征在于，具备：切入机构，其能够沿纵轴线向下移动以切入土样中，并在垂直于所述纵轴线的第一半径上限定形成土样捕集室，进入土样捕集室的土样由凝胶溶液包覆外周面以保持其原位特性；以及，钻进机构，其沿所述纵轴线向下施力于所述切入机构，且其配置有绕所述纵轴线旋转的水刀组件，该水刀组件在大于所述第一半径的第二半径上沿圆周切割土样以减小所述切入机构的切入阻力。进一步地，所述切入机构包括连接外筒和固定连接在连接外筒上的切入靴。进一步地，所述钻进机构包括受动力源驱动而绕所述纵轴线旋转的旋转头、以及与该旋转头固定连接的外筒体，所述水刀组件固定安装在外筒体上。进一步地，所述钻进机构通过止转组件连接切入机构以在其旋转头旋转的同时将旋转头在纵轴线上的位移传递给不可旋转的连接外筒。进一步地，所述止转组件包括传力压头和轴向轴承；其中，所述轴向轴承的套圈固定安装在旋转头上，其轴圈固定安装在传力压头上；其中，所述轴圈设置在套圈内部且能够沿纵轴线上下移动，所述套圈或旋转头通过一加载弹簧向该轴圈施加轴向压力以在切入靴上产生切入土样的加载力。进一步地，所述加载弹簧的上端部抵压在旋转头上，其下端部抵压在所述轴圈上。进一步地，所述止转组件还包括至少一径向滑动轴承，该径向滑动轴承固定连接至所述套圈上，所述传力压头具有穿过所述径向滑动轴承的轴部。进一步地，所述连接外筒固定安装在传力压头上，且连接外筒内置有由连接内筒、浮动活塞和传力压头共同围设形成的凝胶存储室；其中，所述连接内筒固定安装在传力压头上，且其与连接外筒之间具有间隙以形成连通凝胶存储室和土样捕集室的凝胶挤入通道，所述连接内筒的上部具有开孔以连通凝胶挤入通道和凝胶存储室；其中，所述浮动活塞设置在连接内筒中且二者之间密封式滑配连接。进一步地，所述土样捕集室是由浮动活塞和连接内筒共同围设形成，且在所述浮动活塞上行时，所述土样捕集室逐渐增大，所述凝胶存储室逐渐减小；所述切入靴内部形成有供土样进入土样捕集室的土样捕集口。进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种射流式原位取土器，用于获取土样并保持其原位特性，其特征在于，具备：/n切入机构，其能够沿纵轴线向下移动以切入土样中，并在垂直于所述纵轴线的第一半径上限定形成土样捕集室(S1)，进入土样捕集室(S1)的土样由凝胶溶液包覆外周面以保持其原位特性；以及，/n钻进机构，其沿所述纵轴线向下施力于所述切入机构，且其配置有绕所述纵轴线旋转的水刀组件(6)，该水刀组件(6)在大于所述第一半径的第二半径上沿圆周切割土样以减小所述切入机构的切入阻力；/n优选地：所述旋转头(10)上配置有多通配水头(11)，该多通配水头(11)经由旋转头(10)、高压水管连通水刀组件(6)，所述旋转头(10)上具有连通高压水管(16)和多通配水头(11)的配水管路(24)。/n

【技术特征摘要】
1.一种射流式原位取土器，用于获取土样并保持其原位特性，其特征在于，具备：
切入机构，其能够沿纵轴线向下移动以切入土样中，并在垂直于所述纵轴线的第一半径上限定形成土样捕集室(S1)，进入土样捕集室(S1)的土样由凝胶溶液包覆外周面以保持其原位特性；以及，
钻进机构，其沿所述纵轴线向下施力于所述切入机构，且其配置有绕所述纵轴线旋转的水刀组件(6)，该水刀组件(6)在大于所述第一半径的第二半径上沿圆周切割土样以减小所述切入机构的切入阻力；
优选地：所述旋转头(10)上配置有多通配水头(11)，该多通配水头(11)经由旋转头(10)、高压水管连通水刀组件(6)，所述旋转头(10)上具有连通高压水管(16)和多通配水头(11)的配水管路(24)。


2.根据权利要求1所述的射流式原位取土器，其特征在于：所述切入机构包括连接外筒(4)和固定连接在连接外筒(4)上的切入靴(1)。


3.根据权利要求2所述的射流式原位取土器，其特征在于：所述钻进机构包括受动力源驱动而绕所述纵轴线旋转的旋转头(10)、以及与该旋转头(10)固定连接的外筒体(5)，所述水刀组件(6)固定安装在外筒体(5)上。


4.根据权利要求3所述的射流式原位取土器，其特征在于：所述钻进机构通过止转组件连接切入机构以在其旋转头(10)旋转的同时将旋转头(10)在纵轴线上的位移传递给不可旋转的连接外筒(4)。


5.根据权利要求4所述的射流式原位取土器，其特征在于：
所述止转组件包括传力压头(9)和轴向轴承(14)；
其中，所述轴向轴承(14)的套圈固定安装在旋转头(10)上，其轴圈固定安装在传力压头(9)上；
其中，所述轴圈设置在套圈内部且能够沿纵轴线上下移动，所述套圈或旋转头(10)通过一加载弹簧(12)向该轴圈施加轴向压力以在切入靴(1)上产生切入土样的加载力。


6.根据权利要求5所述的射流式原位取土器，其特征在于：所述加载弹簧(12...

【专利技术属性】
技术研发人员：周燕国，田雨，周鑫辉，陈仕海，陈云敏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33