专利名称:软土砂砾倒卡式自控离合长筒工程地质取样器的制作方法
本发明属于击入式工程地质取样器的新设计。
工程地质取样器是在科学研究和工程设计中进行工程地质勘探、分析地层结构以及土动、静力学研究、沉积相研究等所必需的取土工具。国内外学者以及工程技术人员已进行过长期和广泛深入的研究。Hans F·Winterkorn等在《基础工程手册》一书中有比较全面的记录。
目前文献记载的海上及陆上击入式工程地质取样器近200种，基本结构都是由冲击接头、内管、外管、卡簧和钻头组成，但都没有自动控制离合器装置，因此对卡簧的张开及关闭不能按照取样的需要实行有效的自动控制，无法达到理想的取样效果。卡簧的簧片多是向下正装，靠复什的液压系统或投球水压系统控制，因此不能海陆通用。近年虽有簧片向上倒装卡簧的取样器出现。但因没有自动控制离合器装置，不能实现贯入过程中张开，提钻时自动关闭，全靠土样顶开卡簧，簧片抓擦土样表面，不能实现非扰动取样。同时簧片太软，不能强力关闭，无法杜绝土样脱落，不能取中粗以上原状砂样，更不能长筒取样。例如Fugro公司的Wipsampler取样管，用于海上，每次贯入土样仅70公分。我国从法国进口的“自动超前切割靴取样器”(Sphincter)，用于陆上，只能取到中砂，粗砂以上不能取，也不能长筒取样。国产CH-3型重力活塞取样管，取样长度达到7.72米，但也没有自动控制离合器装置，亦靠土样顶开卡簧贯入，而且卡簧太软，不能杜绝漏样，因此不能取原状砂样，也不能海陆通用。因此现有技术还不能做到全孔连续长筒原状取样，特别不能取中粗以上砂砾样，不能揭露并精确划分微夹层及沉积相变化剧烈的各土层界面，无法达到精细分层要求，不能做到海陆通用。
本发明提供一种具有能夹紧内管，并能使内装原状土样的内管在取样结束提钻时自动脱离卡簧的自动控制离合器装置和在取样时完全张开，不抓擦土样，在提钻时能自动强力关闭，从而实现非扰动精细分层全孔连续长筒原状取样的倒装卡簧装置的工程地质取样器，以解决上述的存在问题。
本发明由冲击接头、自动控制离合器装置、内管、外管、倒装卡簧装置和钻头所组成。
本发明的要点在于自动控制离合器装置是由粗牙螺母2、心轴14、凸键管13、凹键环25、凹键环套3、滑套22、锥套23、涨箍21、定位内套7、定位接首8和自动控制弹簧装置等部件所组成(如附图三所示)。它一方面能夹紧内管24，使被夹紧的内管能承受1吨的重量，另一方面能使内管24和外管9在一定范围内上下相对移动，这种上下相对移动由自动控制弹簧装置(如附图六所示)来自动控制，不需要复什的液压系统或投球水压系统控制，因此可以海陆通用直至深海取样。倒装卡簧装置(如附图四所示)是一个用强力弹性簧片排成一圈，形成一个半球状卡簧29，可以用钻头接首10和短节内管导入。固定于外管9下端，簧片向上套在内管24外壁，藏于内、外管之间不出露，当内管24向上移动刚好脱离卡簧29时，簧片立即出露并自动强力关闭的装置。这样安装的卡簧不抓擦土样，并杜绝漏样。
自动控制离合器装置的心轴14是一个上端做成粗牙方扣丝桿、下端做成喇叭状的中空粗厚柱状部件。心轴顶端开口与冲击接头1的球阀12相接(如附图二所示)。心轴14上端粗牙方扣丝桿外套粗牙螺母2，心轴14中段外套一个凸键管13，凸键管13的顶端用细牙螺纹连接顶圈15，凸键管13通过顶圈15、盖板16和盖板固定螺钉17与粗牙螺母2连接，使粗牙螺母2在转动的时候能带动凸键管13上下移动。凸键管13的上部外周有若干个凸键18环绕，以一定间隔均匀排列成一圈。在凸键管13的中部每一个凸键18的下方都有一个纵长形通孔叫导孔19，每一个导孔中都有一个定位螺钉20把凸键管13和心轴14连成一体，使凸键管13在心轴14上只能沿上下方向移动。心轴的喇叭状下端外套涨箍21，涨箍是一个园筒状，上下边各有纵向开槽、具有缩、涨弹性的部件。涨箍21的外面是滑套22，凸键管13的下端用螺纹连接锥套23，锥套上缘顶住滑套22上端的内厚边，使滑套22不能脱出凸键管13，只能在限定范围内上下移动。锥套23的锥度和心轴14下端喇叭口的锥度分别与涨箍21的上、下边锥度相配合，涨箍21和滑套22之间有一定空隙可以插入内管24。在转动上面的粗牙螺母2时，心轴14能向上移动，使涨箍21扩张，涨箍21和滑套22之间的空隙减少，这样构成夹持内管的装置。
自动控制离合器装置的凹键环25是一个带凹键26的园环(如附图五所示)，它的凹键26正好与凸键管13的凸键18相耦合。凹键环25外面套有凹键环套3，凹键环25嵌入凹键环套3的内壁之中，并有一定的活动间隙，保证凹键环25只能转动，不能上下移动。在凹键环套3的下端有螺纹与定位内套7连接，定位内套7围绕在凸键管的导孔19外面，定位内套7的内壁与每一个定位螺钉20相对应的位置都有一条纵向凹槽，定位螺钉20只能在这条凹槽内上下滑动。这一结构保证整个心轴和内管系统只能上下移动，不能转动。定位内套7下端与定位接首8相连，定位接首8下端用螺纹与外管9相接，外管9下端用螺纹与钻头接首10相接，钻头接首10下端用螺纹与钻头11相接，这样连结成整个外管系统，外管系统和内管系统的上下相对移动便完全由凹键环25控制，凹键26与凸键18对齐，内管系统才能上下移动。若转动凹键环25，使凹键与凸键位置错开，内管系统便不能上下移动，这样构成离合装置。
自动控制离合器装置的自动控制弹簧装置(如附图六所示)是在凹键环套3的外壁沿凹键环25转动的弧线上做一长形开孔，叫凹键环运行槽4，凹键环运行槽4内安放复位拉簧6，在凹键环运行槽4的一端安装一条拉簧轴27，用以固定复位拉簧6的一端，复位拉簧6的另一端与固定于凹键环25上的拨销5相连接。拨销5与凹键环25连接的位置必须满足以下要求，即把拨销5扳到与拉簧轴27相对的凹键环运行槽4的另一终端时，正好使凹键环25的凹键26与凸键管13的凸键18位置错开，离合器处于闭合状态，同时复位拉簧6处于紧张状态。在凹键环运行槽4的中间安装一条档柱28，档柱的安装位置必须满足以下要求，即当复位拉簧6把拨销5拉到档柱28的位置时，凹键环25转动的角度正好使凹键26和凸键18对齐，凸键可以通过凹键，离合器处于开放状态，这样构成自动控制弹簧装置。
在使用的时候，先把内管24、外管9和自动控制离合器连接好。内管24采用硬质塑料管。外管9是分段用螺纹连接的钢管。内管24和外管9的长度可按工作需要任意加长，然后安装卡簧29、钻头11和冲击接头1，再和钻桿连接。这时取样管处于准备工作的状态卡簧29完全张开，自动控制离合器装置的凸键18通过凹键26，凸键18位置在凹键26下面。在下钻以前，把自动控制弹簧装置的拨销5扳到闭合位置，使凹键26和凸键18位置错开。这样，在下钻时，凹键环25被压在凸键18上面不能转动，使整个外管系统都悬挂在凸键18上面。当钻头11第一次触地时，外管系统加在凸键18上的压力消失，凹键环25便可以转动，拨销5被复位拉簧6拉回档柱28的位置，凹键26和凸键18对齐，离合器处于接通位置。在取样结束提钻的时候，凸键18通过凹键26向上移动一定距离，进入凹键环25的上面，刚好使内管24脱离卡簧29，卡簧29强力关闭，从而达到非扰动精细分层全孔连续长筒原状取样的技术要求。
本发明提供的工程地质取样器已在两项重大工程中试验，并取得突出效果。共钻67个孔，进尺750米，其中4个为全孔连续取原状样，取样长度达到16.70米，所取样品经X光照片检查，证实已取到粉、细砂、中粗砂以及砾砂的非扰动样，并对砾径2-4毫米，厚度只有0.3米的砾砂原状样达到精细分层。本发明所提供的工程地质取样器和现有技术比较有以下优点1.可取软土、细砂和中粗以上砂砾样，夹在土中的直径达20-30毫米的巨砾亦可取到。
2.可实现长筒取样。
3.能做到非扰动精细分层原状取样，分层精度达到15毫米。
4.利用本发明的精细分层可将我国现有重型动力触探的连续值一一对应地换算成连续的SPT值，即每30公分的连续标贯N63.5真值。
5.可以海陆通用。
附图一为软土砂砾倒卡式自控离合长筒工程地质取样器的主视图。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ部分的内部结构分别由附图二、附图三、附图四表示。
附图二为冲击接头结构图。
附图三为自动控制离合器装置结构图。
附图四为倒装卡簧装置结构图。
附图五为凸键和凹键的耦合关系示意。
附图六为自动控制弹簧装置结构图。
附图一至附图六统一的阿拉伯数字编号分别为1、冲击接头 16、盖板2、粗牙螺母 17、盖板固定螺钉3、凹键环套 18、凸键4、凹键环运行槽 19、导孔5、拨销 20、定位螺钉6、复位拉簧 21、涨箍7、定位内套 22、滑套8、定位接首 23、锥套9、外管 24、内管10、钻头接首 25、凹键环11、钻头 26、凹键12、球阀 27、拉簧轴13、凸键管 28、档柱14、心轴 29、卡簧15、顶圈本发明的实施例是根据本发明而设计的EG-1型工程地质取样器，已在试用中取得突出效果。结构如前述，其重要设计参数如下1.外管为φ110×7mm岩心管，管长2000～10000mm。
2.内管为φ90×5mm硬塑管，管长2000～10000mm。
3.凸键管上部有4个凸键围绕，凸键厚度为10mm，按90°角一个排列。
4.凹键环厚度为10mm，有4个凹键与凸键管的凸键相耦合，凹键环和凹键环套之间有1mm的跳动间隙。
5.凸键通过凹键上下移动的最大距离为67mm。
6.导孔纵长为42mm。
7.涨箍长度为100mm。
8.心轴中央通孔φ35mm。
9.卡簧张开长度为95mm。卡簧闭合高度为73mm。
权利要求
1.一种由冲击接头、内管、外管、卡簧和钻头组成的击入式工程地质取样器，其特征在于(1)、具有能夹紧内管、并能使内装原状土样的内管在取样结束提钻时自动脱离卡簧的自动控制离合器装置。(2)、具有在取样时完全张开、不抓擦土样、在提钻时能自动强力关闭的倒装卡簧装置。
2.按照权利要求
1所述的工程地质取样器，其特征在于所说的自动控制离合器装置是由粗牙螺母、心轴、凸键管、凹键环、凹键环套、滑套、錐套、涨箍、定位内套、定位接首和自动控制弹簧装置等部件所组成。
3.按照权利要求
1和2所述的工程地质取样器，其特征在于所说的自动控制离合器的心轴是一个上端做成粗牙方扣丝桿、下端做成喇叭状的中空粗厚柱状部件，心轴上端粗牙方扣丝桿外套粗牙螺母，心轴中段外套一个凸键管，凸键管的顶端用细牙螺纹连接顶圈，凸键管通过顶圈、盖板和盖板固定螺钉与粗牙螺母连接，使粗牙螺母在转动的时候能带动凸键管上下移动，凸键管的上部外周有若干个凸键环绕，以一定间隔均匀排列成一圈，在凸键管的中部每一个凸键的下方都有一个纵长形通孔叫导孔，每一个导孔中都有一个定位螺钉把凸键管和心轴连成一体，使凸键管在心轴上只能沿上下方向移动，心轴的喇叭状下端外套涨箍，涨箍是一个园筒状、上下边各有纵向开槽、具有缩、涨弹性的部件，涨箍外面是滑套，凸键管下端用螺纹连接錐套，錐套上缘顶住滑套上端的内厚边，使滑套不能脱出凸键管，只能在限定范围内上下移动，錐套的錐度和心轴下端喇叭口的錐度分别与涨箍上、下边的錐度相配合，涨箍和滑套之间有一定空隙可以插入内管，这样构成夹持内管的装置。
4.按照权利要求
1和2所述的工程地质取样器，其特征在于所说的自动控制离合器装置的凹键环是一个带凹键的园环，它的凹键正好与凸键管的凸键相耦合，凹键环外面套有凹键环套，凹键环嵌入凹键环套的内壁之中，并有一定的活动间隙，保证凹键环只能转动，不能上下移动，在凹键环套的下端有螺纹与定位内套连接，定位内套围绕在凸键管的导孔外面，定位内套的内壁与每一个定位螺钉相对应的位置都有一条纵向凹槽，定位螺钉只能在这条凹槽内上下滑动，这一结构保证整个心轴和内管系统只能上下移动，不能转动，定位内套下端与定位接首相连，定位接首下端用螺纹与外管相接，外管下端用螺纹与钻头接首相接，钻头接首下端用螺纹与钻头相接，这样连结成整个外管系统，外管系统和内管系统的上下相对移动完全由凹键环控制，这样构成离合装置。
5.按照权利要求
1和2所述的工程地质取样器，其特征在于所说的自动控制离合器装置的自动控制弹簧装置是在凹键环套的外壁沿凹键环转动的弧线上做一长形开孔，叫凹键环运行槽，凹键环运行槽内安放复位拉簧，在凹键环运行槽的一端安装一条拉簧轴，用以固定复位拉簧的一端，复位拉簧的另一端与固定于凹键环上的拨销相连接，拨销与凹键环连接的位置必须满足以下要求，即把拨销板到与拉簧轴相对的凹键环运行槽的另一终端时，正好使凹键环的凹键与凸键管的凸键位置错开，离合器处于闭合状态，同时复位拉簧处于紧张状态，在凹键环运行槽的中间安装一条档柱，档柱的安装位置必须满足以下要求，即当复位拉簧把拨销拉到档柱的位置时，凹键环转动的角度正好使凹键和凸键对齐，凸键可以通过凹键，离合器处于开放状态，这样构成自动控制弹簧装置。
6.按照权利要求
1和2所述的工程地质取样器，其特征在于所说的倒装卡簧装置是一个用强力弹性簧片排成一圈，形成一个半球状卡簧，可以用钻头接首和短节内管导入，固定于外管下端，簧片向上套在内管外壁，藏于内、外管之间不出露，当内管向上移动刚好脱离卡簧时，簧片立即出露并自动强力关闭的装置。
专利摘要
软土砂砾倒卡式自控离合长筒工程地质取样器，属于击入式工程地质取样器的新设计。它通过自动控制离合器装置在取样过程中对倒装卡簧的开闭实现有效的自动控制，使卡簧在贯入过程中完全张开，不抓擦土样，在取样结束提钻时自动强力关闭，杜绝漏样，达到非扰动精细分层全孔连续长筒原状取样的技术要求，可取软土到中粗以上原状砂砾样，可海陆通用，是工程地质勘探、基础工程、水利水电勘察、地震工程、近海及海湾工程以及土动、静力学研究、沉积相研究等必需的取土工具。
文档编号E21B25/00GK86102973SQ86102973
公开日1988年3月9日 申请日期1986年4月25日
发明者王兰锟, 陈绍谋, 王有强 申请人:中国科学院南海海洋研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan