靜力觸探式深層取土器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于勘探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種與靜力觸探貫入設(shè)備結(jié)合使用的可取地下深處土樣的取土器。
【背景技術(shù)】
[0002]取土樣是巖土工程勘察中必不可少的、經(jīng)常性的工作，為定量評(píng)價(jià)巖土工程問(wèn)題而提供室內(nèi)試驗(yàn)的樣品?，F(xiàn)在取土器技術(shù)較為成熟，種類繁多，適用于各種類型的土體。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的取土器除了在地面工程地質(zhì)測(cè)繪調(diào)查和坑探工程中采取試樣外，主要是在鉆孔中使用。對(duì)于地下深部的土體，必須使用合適的鉆具和鉆進(jìn)方法進(jìn)行鉆孔，達(dá)到取樣位置后取出鉆頭再下放取土器進(jìn)行取樣。鉆探取樣工作量較大，速度慢，成本較高，一般占整個(gè)勘察費(fèi)用的30%以上。
[0003]靜力觸探技術(shù)是指利用壓力機(jī)械裝置將具有一定規(guī)格的圓錐形探頭均勻壓入土中，通過(guò)測(cè)定各土層的錐頭阻力、側(cè)壁摩阻力等參數(shù)，以確定土體的某些基本物理力學(xué)特性的一種原位測(cè)試方法。該技術(shù)適用于軟土、一般性黏土、粉土、砂土和含少量碎石的土，至今已有80多年的歷史，特別是近幾年來(lái)靜力觸探技術(shù)向多功能、多領(lǐng)域方向迅速發(fā)展。除錐頭阻力、側(cè)壁摩阻力參數(shù)外，孔隙水壓力、溫度、地震波、甚至密度參數(shù)均可獲得。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，在國(guó)外出現(xiàn)了可取土樣的多功能探頭，至今已有較大發(fā)展。而國(guó)內(nèi)這方面起步相當(dāng)晚，目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的單雙橋靜力觸探和孔壓靜力觸探不具備取樣的功能。2012年國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公布一種可取土樣的環(huán)境孔壓靜力觸探探頭，專利號(hào)為201110413998.4，比較新穎，但技術(shù)不成熟，缺點(diǎn)明顯，實(shí)用性不強(qiáng)，表現(xiàn)在:1.取土樣的功能顯然被定位成探頭的附加功能，嚴(yán)格講不算是專用取土器；2.自鎖機(jī)構(gòu)占用的橫向空間明顯過(guò)大，利用鋼珠重力開(kāi)鎖存在明顯缺陷；3.缺乏密封設(shè)計(jì)，不能排除地下水壓力對(duì)取土活動(dòng)的不利影響；4.從行業(yè)實(shí)踐及技術(shù)原理上看，靜力觸探探頭不適合將數(shù)據(jù)采集功能同取樣功能完全整合在同一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)備上，因?yàn)槠涔δ艿膶?shí)現(xiàn)并不同步或協(xié)調(diào)。靜力觸探的貫入系統(tǒng)由觸探主機(jī)和反力裝置兩部分組成，觸探主機(jī)按其傳動(dòng)方式不同，可分為機(jī)械式和液壓式。反力裝置有自重式和地錨式。工程普遍使用中的觸探主機(jī)提供的最大貫入力一般在30KN到200KN范圍內(nèi)，近年國(guó)內(nèi)有關(guān)單位經(jīng)過(guò)科技攻關(guān)成功研發(fā)的新型觸探車可提供的最大貫入力達(dá)到350KN，不僅可以貫入一般性土層，還能貫入到碎石土、卵(礫)石土層中。觸探深度受設(shè)備條件、地質(zhì)條件、勘探深度要求等因素的影響，應(yīng)用中一般在35m以內(nèi)，國(guó)外可見(jiàn)報(bào)道的最大實(shí)驗(yàn)深度已達(dá)80多米。
[0004]傳統(tǒng)取樣器及其使用方法具有設(shè)備復(fù)雜、工作量大、速度慢、成本高、環(huán)境影響較大等缺點(diǎn)，靜力觸探具有設(shè)備簡(jiǎn)單、工作量小、速度快、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但不可取樣。通過(guò)改造傳統(tǒng)取土器結(jié)構(gòu)，使之可以和靜力觸探貫入系統(tǒng)結(jié)合使用，用靜力觸探壓力設(shè)備向下貫入代替鉆機(jī)成孔，無(wú)疑是取土器及取樣方法的一個(gè)新的發(fā)展途徑。
[0005]申請(qǐng)?zhí)?01510183777.0的專利公布了一種靜力觸探式深層取土器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、能隔水的特點(diǎn)，與貫入設(shè)備結(jié)合實(shí)施取樣活動(dòng)理論上具有較高的效率，其采用由彈性環(huán)、鋼片、控制桿、薄壁管等組成主承力軸的自鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，理論上具有較高的可靠性，但缺乏實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用的驗(yàn)證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)中靜力觸探設(shè)備不能取土樣和鉆探取樣費(fèi)用高、速度慢、工藝復(fù)雜、環(huán)境影響大等缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提供一種與靜力觸探貫入設(shè)備結(jié)合使用在不進(jìn)行鉆孔的情況下可以將埋藏在地下深部(0-80m)的土樣快速取出的取土器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、隔離水壓、成本低的特點(diǎn)。
[0007]本實(shí)用新型采用一種全新的自鎖機(jī)制，以區(qū)別于申請(qǐng)?zhí)?01510183777.0所公布的自鎖機(jī)構(gòu)的機(jī)制，提高其自鎖的可靠性和耐久性，且更加方便技術(shù)人員的解鎖操作。
[0008]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案如下:
[0009]一種靜力觸探式深層取土器，包括外殼(6)、取樣筒(8)、第一承力軸(4)、管靴
(11)、擴(kuò)土錐頭(10)、第二承力軸(5)、板件(7)、軸承(9)、彈性部件(13)、環(huán)形鋼耳(2);夕卜殼(6)為厚壁圓筒狀，壁厚宜不小于3毫米，其內(nèi)表面設(shè)有環(huán)形凹槽(12)作為卡位；取樣筒
(8)為薄壁筒狀結(jié)構(gòu)，兩端分別與外殼(6)和管靴(11)固定連接；外殼(6)、取樣筒(8)和管靴(11)共同組成的筒體結(jié)構(gòu)內(nèi)部放置第二承力軸(5)以及擴(kuò)土錐頭(10);第二承力軸(5)的上端固定連接第一承力軸(4)，下端固定連接擴(kuò)土錐頭(10);第一承力軸(4)的上端固定環(huán)形鋼耳(2)，環(huán)形鋼耳(2)的直徑不小于外殼(6)的內(nèi)徑；第二承力軸(5)內(nèi)置相互扭結(jié)的兩個(gè)板件(7)，每個(gè)板件(7)具有兩個(gè)端頭，在彈性部件(13)的控制下實(shí)現(xiàn)張合，其下端頭能嵌入環(huán)形凹槽(12);環(huán)形凹槽(12)、板件(7)和彈性部件(13)—起形成自鎖機(jī)構(gòu)；當(dāng)兩個(gè)板件(7)在彈性部件(13)的彈力作用下張開(kāi)并使其下端頭嵌入外殼(6)內(nèi)部的環(huán)形凹槽
(12)時(shí)能夠阻止第二承力軸(5)及其上固定連接的其他部件相對(duì)于外殼(6)向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自鎖；兩板件(7)閉合使其下端頭脫離環(huán)形凹槽(12)時(shí)，第二承力軸(5)能夠相對(duì)于外殼
(6)向下運(yùn)動(dòng)直到環(huán)形鋼耳(2)緊壓外殼(6)，即為解鎖。
[0010]本文中提到的帶方向性的詞(如上端和下端)均是在參照本實(shí)用新型的正常工作狀態(tài)下確定的。作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):
[0011]所述第二承力軸(5)為圓桿狀，由兩部分拼合而成，中部沿長(zhǎng)度方向預(yù)留與板件
(7)相適應(yīng)的矩形穿孔，矩形穿孔的兩側(cè)面中部固定或活動(dòng)設(shè)置軸承(9)。第二承力軸(5)上部與第一承力軸(4)螺紋絲扣連接，下部與擴(kuò)土錐頭(10)通過(guò)螺紋絲扣連接。
[0012]所述管靴(11)四周設(shè)有至少兩個(gè)突起體，底部帶刃角，管靴(11)的內(nèi)徑小于取樣筒(8)的內(nèi)徑。
[0013]所述板件(7)是厚度大于2mm的剛性板件，具有兩個(gè)端頭，中間位置預(yù)留直徑稍大于軸承(9)直徑的圓孔。兩個(gè)板件(7)反向疊置于第二承力軸(5)中部的矩形孔中，其圓孔套在軸承(9)上，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)板件(7)的扭結(jié)。
[0014]所述第一承力軸(4)上部與轉(zhuǎn)接頭(1)通過(guò)螺紋絲扣連接。轉(zhuǎn)接頭(1)上端連接靜力觸探機(jī)的探桿，通過(guò)更換不同的轉(zhuǎn)接頭(1)，可以方便得將取土器與不同型號(hào)的探桿牢固連接。
[0015]所述擴(kuò)土錐頭(10)上端呈錐形臺(tái)狀并在頂邊斜面上設(shè)有防水墊層(3)，下端呈圓錐形，起著擴(kuò)土成孔的作用。
[0016]所述環(huán)形鋼耳(2 )斜面上設(shè)有防水墊層(3 )。
[0017]所述取樣筒(8)兩端通過(guò)螺紋絲扣分別與外殼(6)、管靴(11)連接，取樣筒(8)兩端接口處加厚。
[0018]所述外殼(6)上端和下端的接口內(nèi)部設(shè)為斜面，能分別與環(huán)形鋼耳(2)和擴(kuò)土錐頭(10)的斜面貼合。
[0019]所述環(huán)形凹槽(12)在靠近外殼(6)下端接口的一側(cè)采用階梯型過(guò)渡，而在靠近外殼(6)上端接口的一側(cè)采用平滑過(guò)渡，保證環(huán)形凹槽(12)能夠卡住板件(7)的下端，使板件
(7)不下移，同時(shí)保證環(huán)形凹槽(12)不卡住板件(7)的上端，使板件(7)能順利上移。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果主要有以下幾點(diǎn):
[0021]1、傳統(tǒng)取土器必須和鉆探結(jié)合才能將地下深部的土體取出，而靜力觸探式深層取土器自帶擴(kuò)土錐頭，可以利用靜力觸探試驗(yàn)的貫入裝置將整個(gè)取土器直接貫入地下最大深度以內(nèi)的任一指定深度的土層中，免去了傳統(tǒng)取土樣工藝中的鉆探環(huán)節(jié)，減少了工作量，節(jié)省了鉆探所需的各種成本。當(dāng)然，因貫入機(jī)提供的貫入力有限以及探桿和取樣筒直徑較小，故其適用范圍較傳統(tǒng)取樣方式小一些，現(xiàn)有技術(shù)條件下，該設(shè)備與方法僅適用于深度在0到80m之間的軟土、軟塑粘土、粉土、粉細(xì)砂等土層，相信隨著相關(guān)設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，其適用范圍必會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
[0022]2、與傳統(tǒng)取芯鉆頭相比成本更低、更輕便、工作量更少、省時(shí)省力。
[0023]3、現(xiàn)有技術(shù)中，專利號(hào)201110413998.4所公布的一種可取土樣的環(huán)境孔壓靜力觸探探頭和本實(shí)用新型具有一定的相似性。與之相比，本實(shí)用新型有三點(diǎn)優(yōu)勢(shì):一、采用更加先進(jìn)的自鎖機(jī)構(gòu)，后者采用球形鎖，由于球形鎖的工作方式?jīng)Q定了連接桿限位槽和空心圓柱形取樣管頂部的環(huán)形凹槽必須具有較大的深度，以保證球形鎖的活動(dòng)性，這樣必然會(huì)導(dǎo)致探頭直徑增大或傳遞壓力的連接桿的最小直徑減小。探頭直徑增大無(wú)意將大大增加貫入的阻力，連接桿的最小直徑減小將顯著減小探頭的最大貫入力，這兩方面都不利于探頭的貫入深度。本實(shí)用新型所公布的靜力觸探式深層取土器采用剪刀型的自鎖機(jī)構(gòu)，這種新的自鎖機(jī)構(gòu)對(duì)橫向空間的占用與前者相比更少，減小了外殼與主承力軸的環(huán)形凹槽的深度，從而有利于增大主承力軸的最小直徑或減小取土器的最大外徑。二、具備密封性，能夠隔離水壓，使本實(shí)用新型在向下貫入時(shí)，鋼圈上的防水墊層與外殼貼合，可以有效減少泥沙涌入其內(nèi)部造成阻塞的可能性，在其向上拔出的過(guò)程中擴(kuò)土錐頭上的防水墊層與外殼貼合，可以阻隔孔內(nèi)水和取樣筒中土樣的聯(lián)系，有效保證土樣不滑落，取土工作成功率較高，土樣擾動(dòng)也較小，而后者無(wú)防水墊層，阻塞、土樣滑落和土樣擾動(dòng)發(fā)生的幾率更大。三、整個(gè)結(jié)構(gòu)都圍繞方便取樣進(jìn)行優(yōu)化，專業(yè)性更強(qiáng)，有利于提高土樣質(zhì)量，而專利號(hào)201110413998.4的設(shè)備是將靜力觸探(包括測(cè)貫入阻力、測(cè)孔隙水壓力)作為主要功能，取樣只是其眾多附屬功能(如:測(cè)溫度、測(cè)波速、測(cè)密度、測(cè)斜、取樣)中的一個(gè)。除取樣外其余功能均可通過(guò)專門的多功能孔壓靜力觸探儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)必要全部整合到一個(gè)設(shè)備上，況且多余功能不僅無(wú)助于取樣質(zhì)量的提高，還存在功能互相干擾的問(wèn)題，比如為了取到不同深度的土樣，當(dāng)貫入到對(duì)應(yīng)深度時(shí)，必須停止包括貫入阻力、孔壓、波速等數(shù)據(jù)的采集，完成取樣后貫入到該深度才能重新開(kāi)始數(shù)據(jù)的采集，提鉆和中斷數(shù)據(jù)采集可能引起各種隱患。土樣越多，反復(fù)的貫入的次數(shù)越多，對(duì)線纜的損耗就越大。本實(shí)用新型去掉了各種傳感器，擺脫了線纜的困擾，操作更方便，雖然少了若干功能，但若將本實(shí)用新型與其他多功能探頭結(jié)合使用，互補(bǔ)長(zhǎng)短，則效果將更好。
[0024]4、與申請(qǐng)?zhí)?015202342963的專利公布的一種靜力觸探式深層取土器相比，本實(shí)用新型提供了一種全新的自鎖機(jī)構(gòu)，提高自鎖機(jī)構(gòu)的可靠性、耐久性和可維護(hù)性，降低了制造難度，同時(shí)更加