軟土砂礫倒卡式自控離合長筒工程地質取樣器的製作方法

2023-05-20 14:32:01 2

專利名稱:軟土砂礫倒卡式自控離合長筒工程地質取樣器的製作方法
本發明屬於擊入式工程地質取樣器的新設計。
工程地質取樣器是在科學研究和工程設計中進行工程地質勘探、分析地層結構以及土動、靜力學研究、沉積相研究等所必需的取土工具。國內外學者以及工程技術人員已進行過長期和廣泛深入的研究。Hans F·Winterkorn等在《基礎工程手冊》一書中有比較全面的記錄。
目前文獻記載的海上及陸上擊入式工程地質取樣器近200種，基本結構都是由衝擊接頭、內管、外管、卡簧和鑽頭組成，但都沒有自動控制離合器裝置，因此對卡簧的張開及關閉不能按照取樣的需要實行有效的自動控制，無法達到理想的取樣效果。卡簧的簧片多是向下正裝，靠復什的液壓系統或投球水壓系統控制，因此不能海陸通用。近年雖有簧片向上倒裝卡簧的取樣器出現。但因沒有自動控制離合器裝置，不能實現貫入過程中張開，提鑽時自動關閉，全靠土樣頂開卡簧，簧片抓擦土樣表面，不能實現非擾動取樣。同時簧片太軟，不能強力關閉，無法杜絕土樣脫落，不能取中粗以上原狀砂樣，更不能長筒取樣。例如Fugro公司的Wipsampler取樣管，用於海上，每次貫入土樣僅70公分。我國從法國進口的「自動超前切割靴取樣器」(Sphincter)，用於陸上，只能取到中砂，粗砂以上不能取，也不能長筒取樣。國產CH-3型重力活塞取樣管，取樣長度達到7.72米，但也沒有自動控制離合器裝置，亦靠土樣頂開卡簧貫入，而且卡簧太軟，不能杜絕漏樣，因此不能取原狀砂樣，也不能海陸通用。因此現有技術還不能做到全孔連續長筒原狀取樣，特別不能取中粗以上砂礫樣，不能揭露並精確劃分微夾層及沉積相變化劇烈的各土層界面，無法達到精細分層要求，不能做到海陸通用。
本發明提供一種具有能夾緊內管，並能使內裝原狀土樣的內管在取樣結束提鑽時自動脫離卡簧的自動控制離合器裝置和在取樣時完全張開，不抓擦土樣，在提鑽時能自動強力關閉，從而實現非擾動精細分層全孔連續長筒原狀取樣的倒裝卡簧裝置的工程地質取樣器，以解決上述的存在問題。
本發明由衝擊接頭、自動控制離合器裝置、內管、外管、倒裝卡簧裝置和鑽頭所組成。
本發明的要點在於自動控制離合器裝置是由粗牙螺母2、心軸14、凸鍵管13、凹鍵環25、凹鍵環套3、滑套22、錐套23、漲箍21、定位內套7、定位接首8和自動控制彈簧裝置等部件所組成(如附圖三所示)。它一方面能夾緊內管24，使被夾緊的內管能承受1噸的重量，另一方面能使內管24和外管9在一定範圍內上下相對移動，這種上下相對移動由自動控制彈簧裝置(如附圖六所示)來自動控制，不需要復什的液壓系統或投球水壓系統控制，因此可以海陸通用直至深海取樣。倒裝卡簧裝置(如附圖四所示)是一個用強力彈性簧片排成一圈，形成一個半球狀卡簧29，可以用鑽頭接首10和短節內管導入。固定於外管9下端，簧片向上套在內管24外壁，藏於內、外管之間不出露，當內管24向上移動剛好脫離卡簧29時，簧片立即出露並自動強力關閉的裝置。這樣安裝的卡簧不抓擦土樣，並杜絕漏樣。
自動控制離合器裝置的心軸14是一個上端做成粗牙方扣絲桿、下端做成喇叭狀的中空粗厚柱狀部件。心軸頂端開口與衝擊接頭1的球閥12相接(如附圖二所示)。心軸14上端粗牙方扣絲桿外套粗牙螺母2，心軸14中段外套一個凸鍵管13，凸鍵管13的頂端用細牙螺紋連接頂圈15，凸鍵管13通過頂圈15、蓋板16和蓋板固定螺釘17與粗牙螺母2連接，使粗牙螺母2在轉動的時候能帶動凸鍵管13上下移動。凸鍵管13的上部外周有若干個凸鍵18環繞，以一定間隔均勻排列成一圈。在凸鍵管13的中部每一個凸鍵18的下方都有一個縱長形通孔叫導孔19，每一個導孔中都有一個定位螺釘20把凸鍵管13和心軸14連成一體，使凸鍵管13在心軸14上只能沿上下方向移動。心軸的喇叭狀下端外套漲箍21，漲箍是一個園筒狀，上下邊各有縱向開槽、具有縮、漲彈性的部件。漲箍21的外面是滑套22，凸鍵管13的下端用螺紋連接錐套23，錐套上緣頂住滑套22上端的內厚邊，使滑套22不能脫出凸鍵管13，只能在限定範圍內上下移動。錐套23的錐度和心軸14下端喇叭口的錐度分別與漲箍21的上、下邊錐度相配合，漲箍21和滑套22之間有一定空隙可以插入內管24。在轉動上面的粗牙螺母2時，心軸14能向上移動，使漲箍21擴張，漲箍21和滑套22之間的空隙減少，這樣構成夾持內管的裝置。
自動控制離合器裝置的凹鍵環25是一個帶凹鍵26的園環(如附圖五所示)，它的凹鍵26正好與凸鍵管13的凸鍵18相耦合。凹鍵環25外面套有凹鍵環套3，凹鍵環25嵌入凹鍵環套3的內壁之中，並有一定的活動間隙，保證凹鍵環25隻能轉動，不能上下移動。在凹鍵環套3的下端有螺紋與定位內套7連接，定位內套7圍繞在凸鍵管的導孔19外面，定位內套7的內壁與每一個定位螺釘20相對應的位置都有一條縱向凹槽，定位螺釘20隻能在這條凹槽內上下滑動。這一結構保證整個心軸和內管系統只能上下移動，不能轉動。定位內套7下端與定位接首8相連，定位接首8下端用螺紋與外管9相接，外管9下端用螺紋與鑽頭接首10相接，鑽頭接首10下端用螺紋與鑽頭11相接，這樣連結成整個外管系統，外管系統和內管系統的上下相對移動便完全由凹鍵環25控制，凹鍵26與凸鍵18對齊，內管系統才能上下移動。若轉動凹鍵環25，使凹鍵與凸鍵位置錯開，內管系統便不能上下移動，這樣構成離合裝置。
自動控制離合器裝置的自動控制彈簧裝置(如附圖六所示)是在凹鍵環套3的外壁沿凹鍵環25轉動的弧線上做一長形開孔，叫凹鍵環運行槽4，凹鍵環運行槽4內安放復位拉簧6，在凹鍵環運行槽4的一端安裝一條拉簧軸27，用以固定復位拉簧6的一端，復位拉簧6的另一端與固定於凹鍵環25上的撥銷5相連接。撥銷5與凹鍵環25連接的位置必須滿足以下要求，即把撥銷5扳到與拉簧軸27相對的凹鍵環運行槽4的另一終端時，正好使凹鍵環25的凹鍵26與凸鍵管13的凸鍵18位置錯開，離合器處於閉合狀態，同時復位拉簧6處於緊張狀態。在凹鍵環運行槽4的中間安裝一條檔柱28，檔柱的安裝位置必須滿足以下要求，即當復位拉簧6把撥銷5拉到檔柱28的位置時，凹鍵環25轉動的角度正好使凹鍵26和凸鍵18對齊，凸鍵可以通過凹鍵，離合器處於開放狀態，這樣構成自動控制彈簧裝置。
在使用的時候，先把內管24、外管9和自動控制離合器連接好。內管24採用硬質塑料管。外管9是分段用螺紋連接的鋼管。內管24和外管9的長度可按工作需要任意加長，然後安裝卡簧29、鑽頭11和衝擊接頭1，再和鑽桿連接。這時取樣管處於準備工作的狀態卡簧29完全張開，自動控制離合器裝置的凸鍵18通過凹鍵26，凸鍵18位置在凹鍵26下面。在下鑽以前，把自動控制彈簧裝置的撥銷5扳到閉合位置，使凹鍵26和凸鍵18位置錯開。這樣，在下鑽時，凹鍵環25被壓在凸鍵18上面不能轉動，使整個外管系統都懸掛在凸鍵18上面。當鑽頭11第一次觸地時，外管系統加在凸鍵18上的壓力消失，凹鍵環25便可以轉動，撥銷5被復位拉簧6拉回檔柱28的位置，凹鍵26和凸鍵18對齊，離合器處於接通位置。在取樣結束提鑽的時候，凸鍵18通過凹鍵26向上移動一定距離，進入凹鍵環25的上面，剛好使內管24脫離卡簧29，卡簧29強力關閉，從而達到非擾動精細分層全孔連續長筒原狀取樣的技術要求。
本發明提供的工程地質取樣器已在兩項重大工程中試驗，並取得突出效果。共鑽67個孔，進尺750米，其中4個為全孔連續取原狀樣，取樣長度達到16.70米，所取樣品經X光照片檢查，證實已取到粉、細砂、中粗砂以及礫砂的非擾動樣，並對礫徑2-4毫米，厚度只有0.3米的礫砂原狀樣達到精細分層。本發明所提供的工程地質取樣器和現有技術比較有以下優點1.可取軟土、細砂和中粗以上砂礫樣，夾在土中的直徑達20-30毫米的巨礫亦可取到。
2.可實現長筒取樣。
3.能做到非擾動精細分層原狀取樣，分層精度達到15毫米。
4.利用本發明的精細分層可將我國現有重型動力觸探的連續值一一對應地換算成連續的SPT值，即每30公分的連續標貫N63.5真值。
5.可以海陸通用。
附圖一為軟土砂礫倒卡式自控離合長筒工程地質取樣器的主視圖。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ部分的內部結構分別由附圖二、附圖三、附圖四表示。
附圖二為衝擊接頭結構圖。
附圖三為自動控制離合器裝置結構圖。
附圖四為倒裝卡簧裝置結構圖。
附圖五為凸鍵和凹鍵的耦合關係示意。
附圖六為自動控制彈簧裝置結構圖。
附圖一至附圖六統一的阿拉伯數字編號分別為1、衝擊接頭 16、蓋板2、粗牙螺母 17、蓋板固定螺釘3、凹鍵環套 18、凸鍵4、凹鍵環運行槽 19、導孔5、撥銷 20、定位螺釘6、復位拉簧 21、漲箍7、定位內套 22、滑套8、定位接首 23、錐套9、外管 24、內管10、鑽頭接首 25、凹鍵環11、鑽頭 26、凹鍵12、球閥 27、拉簧軸13、凸鍵管 28、檔柱14、心軸 29、卡簧15、頂圈本發明的實施例是根據本發明而設計的EG-1型工程地質取樣器，已在試用中取得突出效果。結構如前述，其重要設計參數如下1.外管為φ110×7mm巖心管，管長2000～10000mm。
2.內管為φ90×5mm硬塑管，管長2000～10000mm。
3.凸鍵管上部有4個凸鍵圍繞，凸鍵厚度為10mm，按90°角一個排列。
4.凹鍵環厚度為10mm，有4個凹鍵與凸鍵管的凸鍵相耦合，凹鍵環和凹鍵環套之間有1mm的跳動間隙。
5.凸鍵通過凹鍵上下移動的最大距離為67mm。
6.導孔縱長為42mm。
7.漲箍長度為100mm。
8.心軸中央通孔φ35mm。
9.卡簧張開長度為95mm。卡簧閉合高度為73mm。
權利要求
1.一種由衝擊接頭、內管、外管、卡簧和鑽頭組成的擊入式工程地質取樣器，其特徵在於(1)、具有能夾緊內管、並能使內裝原狀土樣的內管在取樣結束提鑽時自動脫離卡簧的自動控制離合器裝置。(2)、具有在取樣時完全張開、不抓擦土樣、在提鑽時能自動強力關閉的倒裝卡簧裝置。
2.按照權利要求
1所述的工程地質取樣器，其特徵在於所說的自動控制離合器裝置是由粗牙螺母、心軸、凸鍵管、凹鍵環、凹鍵環套、滑套、錐套、漲箍、定位內套、定位接首和自動控制彈簧裝置等部件所組成。
3.按照權利要求
1和2所述的工程地質取樣器，其特徵在於所說的自動控制離合器的心軸是一個上端做成粗牙方扣絲桿、下端做成喇叭狀的中空粗厚柱狀部件，心軸上端粗牙方扣絲桿外套粗牙螺母，心軸中段外套一個凸鍵管，凸鍵管的頂端用細牙螺紋連接頂圈，凸鍵管通過頂圈、蓋板和蓋板固定螺釘與粗牙螺母連接，使粗牙螺母在轉動的時候能帶動凸鍵管上下移動，凸鍵管的上部外周有若干個凸鍵環繞，以一定間隔均勻排列成一圈，在凸鍵管的中部每一個凸鍵的下方都有一個縱長形通孔叫導孔，每一個導孔中都有一個定位螺釘把凸鍵管和心軸連成一體，使凸鍵管在心軸上只能沿上下方向移動，心軸的喇叭狀下端外套漲箍，漲箍是一個園筒狀、上下邊各有縱向開槽、具有縮、漲彈性的部件，漲箍外面是滑套，凸鍵管下端用螺紋連接錐套，錐套上緣頂住滑套上端的內厚邊，使滑套不能脫出凸鍵管，只能在限定範圍內上下移動，錐套的錐度和心軸下端喇叭口的錐度分別與漲箍上、下邊的錐度相配合，漲箍和滑套之間有一定空隙可以插入內管，這樣構成夾持內管的裝置。
4.按照權利要求
1和2所述的工程地質取樣器，其特徵在於所說的自動控制離合器裝置的凹鍵環是一個帶凹鍵的園環，它的凹鍵正好與凸鍵管的凸鍵相耦合，凹鍵環外面套有凹鍵環套，凹鍵環嵌入凹鍵環套的內壁之中，並有一定的活動間隙，保證凹鍵環只能轉動，不能上下移動，在凹鍵環套的下端有螺紋與定位內套連接，定位內套圍繞在凸鍵管的導孔外面，定位內套的內壁與每一個定位螺釘相對應的位置都有一條縱向凹槽，定位螺釘只能在這條凹槽內上下滑動，這一結構保證整個心軸和內管系統只能上下移動，不能轉動，定位內套下端與定位接首相連，定位接首下端用螺紋與外管相接，外管下端用螺紋與鑽頭接首相接，鑽頭接首下端用螺紋與鑽頭相接，這樣連結成整個外管系統，外管系統和內管系統的上下相對移動完全由凹鍵環控制，這樣構成離合裝置。
5.按照權利要求
1和2所述的工程地質取樣器，其特徵在於所說的自動控制離合器裝置的自動控制彈簧裝置是在凹鍵環套的外壁沿凹鍵環轉動的弧線上做一長形開孔，叫凹鍵環運行槽，凹鍵環運行槽內安放復位拉簧，在凹鍵環運行槽的一端安裝一條拉簧軸，用以固定復位拉簧的一端，復位拉簧的另一端與固定於凹鍵環上的撥銷相連接，撥銷與凹鍵環連接的位置必須滿足以下要求，即把撥銷板到與拉簧軸相對的凹鍵環運行槽的另一終端時，正好使凹鍵環的凹鍵與凸鍵管的凸鍵位置錯開，離合器處於閉合狀態，同時復位拉簧處於緊張狀態，在凹鍵環運行槽的中間安裝一條檔柱，檔柱的安裝位置必須滿足以下要求，即當復位拉簧把撥銷拉到檔柱的位置時，凹鍵環轉動的角度正好使凹鍵和凸鍵對齊，凸鍵可以通過凹鍵，離合器處於開放狀態，這樣構成自動控制彈簧裝置。
6.按照權利要求
1和2所述的工程地質取樣器，其特徵在於所說的倒裝卡簧裝置是一個用強力彈性簧片排成一圈，形成一個半球狀卡簧，可以用鑽頭接首和短節內管導入，固定於外管下端，簧片向上套在內管外壁，藏於內、外管之間不出露，當內管向上移動剛好脫離卡簧時，簧片立即出露並自動強力關閉的裝置。
專利摘要
軟土砂礫倒卡式自控離合長筒工程地質取樣器，屬於擊入式工程地質取樣器的新設計。它通過自動控制離合器裝置在取樣過程中對倒裝卡簧的開閉實現有效的自動控制，使卡簧在貫入過程中完全張開，不抓擦土樣，在取樣結束提鑽時自動強力關閉，杜絕漏樣，達到非擾動精細分層全孔連續長筒原狀取樣的技術要求，可取軟土到中粗以上原狀砂礫樣，可海陸通用，是工程地質勘探、基礎工程、水利水電勘察、地震工程、近海及海灣工程以及土動、靜力學研究、沉積相研究等必需的取土工具。
文檔編號E21B25/00GK86102973SQ86102973
公開日1988年3月9日 申請日期1986年4月25日
發明者王蘭錕, 陳紹謀, 王有強 申請人:中國科學院南海海洋研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan