一种层间错动带原状土取样装置的制作方法

本实用新型涉及岩石力学与工程技术领域，更具体地说它是一种层间错动带原状土取样装置。

背景技术：

我国西南高山峡谷地区水资源丰富，近些年，在雅鲁藏布江、金沙江水域规划和兴建了一系列大型水利水电工程。这些工程集中分布在地应力量级高，地质构造发育的西部深山峡谷中，其规模和建设难度空前，其中大多采用大型或超大型地下洞室群作为主要水工建筑物。在地下洞室、厂房开挖过程中不可避免会遇到一种复杂地质现象-长大软弱层间错动带，如二滩水电站、白鹤滩水电站等工程都遇到了这种地质现象。层间错动带是硬岩岩层间夹含具有剪切、挤压痕迹的薄层状泥化软层或破碎带，其物理力学性质远较周围岩体差，常常是控制岩体稳定性的重要边界；而且，目前有关于层间错动带软弱岩体力学特性和工程处置措施的研究都相当有限。因此，亟需开展层间错动带软弱夹层的研究工作，尤其是在室内利用能反映层间错动带原始状态的原状试样进行各种力学实验。

在复杂的洞室环境中，如何制取软弱破碎的层间错动带非扰动原状试样一直是困扰岩土工程界同仁的难题，目前国内外尚无成熟可靠的经验、手段可以借鉴。现场原状试样的制取工作，是进行层间错动带软岩(土) 研究的最基础工作，同时也是最重要的一步工作。纵观国内外相关领域内原状土取样装置及方法主要有以下几种：贯入式取土器装置及方法，回转式取土器装置及方法，探井、探槽取样装置及方法，这些方法钻取试样后，需采用硬物敲击钻筒，使试样从筒体中脱落，极易破坏试样完整性。在某水电项目层间错动带现场原状样取样过程中，采用了以上几种装置，通过现场实践发现：探井、探槽取样装置及方法劳动强度大，取样效率较低；贯入式取土器装置及方法难于用静力平稳贯入夹杂有坚硬岩石碎块的层间错动带内；回转式取土器装置及方法在钻取层间错动带内软弱破碎的夹泥碎石屑时，钻取的岩样呈碎散状态，无法成型。

现亟需一种操作简便、高效便捷，取出的试样受扰动小、结构完整性高的层间错动带原状土取样装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了提供一种层间错动带原状土取样装置，操作简便、高效便捷，取出的试样受扰动小、结构完整性高。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种层间错动带原状土取样装置，包括支架、钻机、钻头，钻头固定于钻机上，钻机固定于支架上，其特征在于：钻头为可拆卸钻头，钻头包括第一钻头、第二钻头，第二钻头的后端设置外螺纹，螺纹的方向与钻头的旋进方向一致，第二钻头与第一钻头通过螺纹连接；第二钻头的前端设置呈齿状结构；支架包括支撑在地面的支架和支撑在墙壁上的支架，支撑在地面的支架包括纵向支架和横向支架，横向支架的一端套入固定套筒内；有螺孔设置于固定套筒上，固定套筒套于纵向支架上，且通过螺栓紧固于纵向支架上，横向支架的另一端与支撑在墙壁上的支架固定连接；纵向支架上设置纵向通孔、横向通孔，横向通孔与横向支架平行，纵向通孔与横向支架呈垂直设置；钻机固定于钻机固定底座上端，钻机固定底座活动连接于横向支架上；支撑在墙壁上的支架通过螺栓固定于墙壁上；钢管套于纵向支架下端，钢管下端固定于地面上，钢筋作为地面支撑间隔固定于钢管上。

在上述技术方案中，固定套筒为三通结构或四通结构；当固定套筒为三通结构，固定套筒包括垂直方向的圆形套管、水平方向的方形套管，方形套管垂直固定于圆形套管上；当固定套筒为四通结构，固定套筒包括垂直方向的圆形套管、水平方向的第一方形套管、倾斜方向的第二方形套管，第一方形套管垂直固定于圆形套管上，第二方形套管固定于第一方形套管上，第二方形套管与第一方形套管连接呈45°夹角；第二方形套管与第一方形套管相连通，第一方形套管与圆形套管相连通；横向支架的一端套入固定套筒的水平方向的第一方形套管内或套入固定套筒的倾斜方向的第二方形套管内，固定套筒的垂直方向的圆形套管套于纵向支架上，且通过螺栓紧固。

在上述技术方案中，纵向通孔有多个，且呈间隔设置；横向通孔有多个，且呈间隔设置。

在上述技术方案中，支撑在墙壁上的支架设置呈曲面结构。

在上述技术方案中，横向支架设置呈滑轨结构，横向支架上端设置有齿轨；横向支架的下部宽度大于上部宽度。

本实用新型具有如下优点：

(1)操作简便、高效便捷，取出的试样受扰动小、结构完整性高；克服了现有技术钻机钻取试样后，需采用硬物敲击钻筒，使试样从筒体中脱落，极易破坏试样完整性的缺点；

(2)钻机支架结构稳固、安装简单，能够适应刚开挖洞室内的不良地质环境。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型可拆卸钻头结构示意图。

图3为本实用新型固定套筒结构示意图一。

图4为本实用新型固定套筒结构示意图二。

图5为本实用新型实施例提供的层间错动带原状试样洞室内取样结构示意图。

图6为本实用新型实施例提供的层间错动带原状试样预钻孔布置结构示意图。

图中1-支架,1.1-纵向支架，1.11-纵向通孔，1.12-横向通孔，1.2- 横向支架，2-钻头,2.1-第一钻头，2.2-第二钻头，2.21-第二钻头的前端， 3-钢管,4-钢筋，5-螺孔,6-固定套筒，7-支撑在墙壁上的支架，8-钻机固定底座，9-钻机,10-液氮泵,11-洞室,12-层间错动带,13-待取试样点,14- 预钻孔。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种层间错动带原状土取样装置，包括支架1、钻机9、钻头2，钻头2固定于钻机9上，钻机9固定于支架1上，钻头2为可拆卸钻头，钻头2包括第一钻头2.1、第二钻头2.2，第二钻头2.2的后端设置外螺纹，螺纹的方向与钻头2的旋进方向一致，第二钻头2.2与第一钻头 2.1通过螺纹连接；第二钻头的前端2.21设置呈中空的齿状结构；支架1 包括支撑在地面的支架和支撑在墙壁上的支架7，支撑在地面的支架包括纵向支架1.1和横向支架1.2，横向支架1.2的一端套入固定套筒6内；有螺孔5设置于固定套筒6上，固定套筒6套于纵向支架1.1上，且通过螺栓紧固于纵向支架1.1上，横向支架1.2的另一端与支撑在墙壁上的支架7 固定连接；纵向支架1.1上设置纵向通孔1.11、横向通孔1.12，横向通孔 1.12与横向支架1.2平行，纵向通孔1.11与横向支架1.2呈垂直设置；钻机9固定于钻机固定底座8上端，钻机固定底座8活动连接于横向支架1.2 上；支撑在墙壁上的支架7通过螺栓固定于墙壁上；钢管3套于纵向支架 1.1下端，钢管3下端固定于地面上，钢筋4作为地面支撑间隔固定于钢管 3上(如图1、图2所示)。

固定套筒6为三通结构或四通结构；当固定套筒6为三通结构，固定套筒6包括垂直方向的圆形套管6.1、水平方向的方形套管6.2，方形套管 6.2垂直固定于圆形套管6.1上；当固定套筒6为四通结构，固定套筒6包括垂直方向的圆形套管6.1、水平方向的第一方形套管6.2、倾斜方向的第二方形套管6.3，第一方形套管6.2垂直固定于圆形套管6.1上，第二方形套管6.3固定于第一方形套管6.2上，第二方形套管6.3与第一方形套管 6.2连接呈45°夹角；第二方形套管6.3与第一方形套管6.2相连通，第一方形套管6.2与圆形套管6.1相连通；横向支架1.2一端套入固定套筒6 水平方向的第一方形套管6.2内或套入固定套筒6倾斜方向的第二方形套管6.3内，固定套筒6垂直方向的圆形套管6.1套于纵向支架1.1上(如图3、图4所示)，且通过螺栓紧固，便于调节不同方向进行钻取。

纵向通孔1.11有多个，且呈间隔设置；横向通孔1.12有多个，且呈间隔设置，便于钻机根据钻探需求变换钻进高度。

支撑在墙壁上的支架7设置呈曲面结构，便于支撑在墙壁上的支架与墙壁紧密固定。

横向支架1.2设置呈滑轨结构，横向支架1.2上端设置有齿轨，钻机可以前后移动，进行钻进；横向支架1.2的下部宽度大于上部宽度(如图1 所示)，便于将钻机固定于横向支架上。

本实用新型所述的一种层间错动带原状土取样装置的取样过程如下：选址：选择方便人员操作且层间错动带典型赋存区进行冻结法取样；钻机定位：安装钻机固定平台(即：支架)，并装上钻机进行定位；预钻孔：在洞室边墙上用冲击钻预钻一圈钻孔；低温冻结：利用低温系统(如液氮系统、氨-盐水系统)通过预钻孔将取芯处的岩(土)屑与其中水分冻结为一个整体；测温：通过在预钻孔扰动区，钻一个小孔，用测温仪测温，查看冷冻效果；钻机钻进：冷冻完成后，钻取岩(土)芯；钻筒取芯：钻到预期深度后，关闭钻机，卸下钻筒，拧开可拆卸式钻头，将冻结试样取出；密封包装：将冻结试样迅速缠绕保鲜膜密封，并将其放入到预制的铁桶中，让其自然解冻，解冻后擦除保鲜膜表面液化产生的水分并蜡封。

实施例：

现结合某水电站大型地下厂房洞室群中层间错动带的取样对本实用新型进行更为详细的说明。

在新开挖的排水洞内进行取样工作，洞室11整体呈马蹄形，宽4米左右，边墙高2.5米左右。该排水洞大致沿层间错动带C2的走向方向布置，洞室内出露的层间错动带12的厚度为10-30厘米，距离底板1.2-2米，该层间错动带12主要为岩屑夹泥型，上盘为玄武岩，较下盘完整；下盘为凝灰岩，呈劈裂破坏状态；层间错动带附近的岩体极易发生掉块，片帮，渗水，活化滑移等灾害，易造成工程事故；其变形破坏稳定性问题是水电站面临的主要难题之一；为更好地研究层间错动带的剪切力学特性，如图5 所示，采用本实用新型所述的一种层间错动带原状土取样装置进行取样，具体步骤如下所示：

1)：在洞室11内选择含水量较大处，尤其是有水渗处的典型层间错动带12进行冻结法取样，并提前排除两帮及顶板松动岩块；

2)：安装钻机固定平台(即支架)，并将钻机定位；

3)：在洞室边墙上以待取试样点13为中心用冲击钻间隔60°预打6个预钻孔14，孔深约250mm，直径约20mm，钻孔向下倾斜15°左右，预钻孔 14的具体排布方式如图6所示；

4)：利用手捏式增压液氮泵10，将液氮通过排液管泵入到预钻孔中，当液氮从孔中流出时，拔出排液管并用木塞堵住预钻孔，继续向下一个预钻孔14中泵入液氮；

5)：通过在预钻孔扰动区，钻一个10毫米的孔，用测温仪测温，查看冷冻效果，保证冷冻区温度低于零度；

6)：钻取岩(土)芯；在钻取试样的过程中，由于取样筒摩擦生热，会降低冷冻效果，通过查看测温仪显示的温度，决定是否向孔中泵入液氮；

7)：钻到预期深度后，关闭钻机，从钻机上卸下钻筒，拧下钻筒上的可拆卸式钻头，将冻结试样取出；

8)：将冻结试样迅速缠绕保鲜膜密封，并将其放入到预制的铁桶中，让其自然解冻，解冻后擦除保鲜膜表面液化产生的水分并蜡封。

结论：取得的层间错动带非扰动原状试样能最大程度的反映错动带的原始状态，为层间错动带室内力学试验的开展提供了保证。

为了能够更加清楚的说明本实用新型所述的一种层间错动带原状土取样装置与现有的层间错动带原状土取样装置相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本实用新型所述的一种层间错动带原状土取样装置与现有的层间错动带原状土取样装置相比，所取试样的完整性较好，取样效率较高、劳动强度较小。

其它未说明的部分均属于现有技术。