土壤修复用土壤取样器的制作方法

本发明属于土壤区取样技术领域，具体涉及一种土壤修复用土壤取样器。

背景技术：

土壤石油污染不仅破坏土壤，而且污染水体和空气，其污染物能通过各种途径危害人类健康。石油污染场地作为目前非常严重的环境问题，精确界定其场地土壤污染物的边界和受污染的土方量对后续的风险评估、修复治理等工作具有重要作用，在精确界定其场地土壤污染物的边界和受污染的土方量的过程中通常需通过对土壤取样进行检测。

目前对土壤取样时，普遍采用手动取样，这种取样方式有如下缺点：取样效率低下，取样过程中土样原结构破坏大；由于土壤受石油污染后，土壤流动性比一般土壤要强一些，当土样取样完成后抽离过程中，可能会由于土壤与取样器摩擦力不够，而发生土样脱离的情况，手动取样方式不适合用于石油污染区域的土壤取样工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种土壤修复用土壤取样器，通过机械控制土壤取样过程，有效提高取样效率，取得的土样接近天然结构的原状土样，并且土样抽离过程中防止土样脱离情况发生。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：土壤修复用土壤取样器，包括：

架体，

升降组件，包括与水平面垂直设置在架体上的蜗杆，架体上安装有与蜗杆配合的第一套筒和用于驱动蜗杆上下移动的涡轮，

取样组件，与水平面垂直设置，取样组件由升降组件驱动做旋转运动并上下升降对土体取样，

其中，取样组件包括取样圆筒，取样圆筒内部设柱状中空的取样腔，取样腔内壁环绕布设有记忆合金丝，记忆合金丝呈直线状且平行于取样圆筒的中心轴线，记忆合金丝受热可形变呈锯齿状。第一套筒内壁具有与蜗杆配合的螺纹。涡轮由安装在架体上的电机驱动。

本发明通过利用涡轮驱动蜗杆在架体上下移动，架体上安装有与蜗杆齿形对应的第一套筒实现蜗杆在架体上下移动，并通过可上下移动并旋转的蜗杆与取样组件的连接来实现取样组件的升降及旋转运动，采用此方式替代以人工下压力或者其他人工方式对土体的取样，相比较于人工取样时用力不均匀导致土样周围压力变化大，土样原结构破坏必然增大的情况，本发明利用蜗杆驱动取样组件以旋转状态上下升降对土体取样可保证向下钻取土体用力及速度的均匀，使取样时土中周围压力变化均匀，避免土样遭受扰动和破坏，取得接近天然结构的原状土样，并进一步通过在取样圆筒内空腔内壁设置记忆合金丝的方式来增加取样圆筒内的土样与取样圆筒内腔的摩擦力并降低土样流动性，在取样中记忆合金丝与取样圆筒内的土样具有一定的摩擦接触可导致记忆合金丝产生形变呈锯齿状来填充所获取的土样的各土层之间的裂缝，并降低土壤颗粒流动性，而记忆合金丝采用热弹性马氏体相变原理制成，具有初始形状的记忆合金丝在加热到相变点以上，就可产生形变，当其降温后又恢复初始形状。

具体的，蜗杆底端连接有同轴的装配体，取样圆筒端部具有与装配体插接的装配槽孔。取样圆筒外壁螺旋环绕设置有螺旋翼。通过装配体作为连接件实现将取样圆筒与蜗杆之间的连接，使蜗杆的旋转力通过装配体传递给取样圆筒实现取样圆筒旋转，以实现带动取样圆筒底部的刀体旋转来对土体钻取，通过在取样圆筒外壁螺旋环绕设置螺旋翼便于取样圆筒在向下掘进的过程中利用螺旋翼引导取样圆筒外壁土体向上移动并使其松动，降低取样圆筒外部受压对取样圆筒内部土样的影响，并且利用涡轮蜗杆配合通过蜗杆的升降来驱动取样圆筒的升降，控制取样圆筒钻取深度，便于获取数据来精确界定其场地土壤污染物的边界和受污染的土方量。

具体的，蜗杆中部贯通，蜗杆上端连接有电加热器，电加热器通过设于蜗杆贯通孔内的导热丝与装配体连接，记忆合金丝延伸至装配槽孔的槽壁上。装配槽孔为齿形槽孔，具有齿槽，记忆合金丝延伸至齿槽内。通过加热方式可控制记忆合金丝产生的形变量，在取样完成后抽离过程中，为避免取样获得的土样在抽离过程中应其流动性及与取样圆筒内壁的摩擦性稳定导致土样脱离至数据不精准的情况出现，在抽离前通过电加器通过导热丝将热量传导至装配体上，并设置记忆合金丝延伸至装配槽孔的槽壁上使其与加热状态的装配体接触传导热量，增大记忆合金丝形变量对取样圆筒内的土样加固并降低其土壤颗粒流动量，确保取得接近天然结构的原状土样，而通过对装配体的加热还可有效提升装配体与取样圆筒的连接紧密性，防止取样圆筒在旋转或升降过程中松动，通过设置装配槽孔为齿形槽孔，具有齿槽，利用齿形配合的方式来实现蜗杆旋转带动装配体旋转，并利用齿形齿面驱动取样圆筒旋转，实现力传递。

具体的，装配体和装配槽孔的截面均为形状对应的齿形，便于力的传递，实现装配体将蜗杆的旋转力传递给取样圆筒，装配体和装配槽孔之间还设有用于填充装配体和装配槽孔之间间隙的装配套，防止取样过程中取样圆筒产生松动，取样圆筒旋转时的圆跳动公差值增大导致其内部的土样结构产生破坏，装配套和装配体均为金属，且为导热金属，例如铜、铁等，便于热量传导提高记忆合金丝的形变量以及受热形变速度。

具体的，取样圆筒底部连接有同轴的钻套，钻套内孔直径与取样腔内孔直径相同，钻套侧面设有螺旋设置的导向条，钻套底面设有环绕于钻套轴心设置的刀体。利用钻取方式使取样圆筒向土层底部方向钻取所需土样，所选用的刀体的刀口采用平变形或v字形，利用该两种形态的刀口在钻取过程中稳定性高的特点来保证钻取获得的土样结构完整性，所用刀体选用三把切削刀具，以120°的间隔分布，用于保证切削载荷以及避免刀具热量升高影响钻进效率，通过在钻套侧面设置导向条实现刀体在对土体钻取过程中使产生的土屑向上沿导向条方向移动，避免钻进过程中产生的土屑粘附在刀体上导致钻取工作停止。

具体的，取样圆筒上套接有第二套筒，第二套筒通过支撑组件与架体连接。第二套筒具有与取样圆筒外壁螺旋翼配合的螺纹，利用第二套筒与取样套筒的配合连接使取样套筒在旋转过程中产生的圆跳动值降低，保证其内部获取的土样完整性，相比较于现有常用的洛阳铲或其他土样钻取工具来说，有效解决钻取工具长度过大时产生的圆跳动值过大，钻取工具产生抖动量增大至所钻取的土样完整性遭到破坏的问题。

具体的，支撑组件包括与第二套筒侧壁连接的移动杆和与架体连接的固定杆，移动杆与固定杆插接，移动杆底端具有限位环，固定杆内部具有限制限位环移动距离的限位通槽，固定杆还具有用于实现移动杆在固定杆内移动的滑移通槽。通过插接的方式连接移动杆和固定杆使移动杆可具有一定的移动范围，用于对取样圆筒圆跳动值过大产生抖动时吸振并降低圆跳动值的扩大，同时为保证支撑组件对第二套筒的支撑使其固定于一定范围内并保持与取样圆筒同轴心，通过设定限位环和限位通槽的方式来实现，滑移通槽的设置便于实现移动杆相对固定杆之间的移动，也便于流体在其内部的流动来吸收第二套筒方向所传递的振动能量。

具体的，移动杆内部中空，移动杆侧面连接有用于填充其侧面与滑移通槽间隙的密封圈，密封圈至限位环部分移动杆内部中空且放置有流动液体，中空部分的移动杆侧面开设第一通孔。取样圆筒外壁螺旋翼即螺旋环绕设置于取样圆筒外壁的矩形螺纹。移动杆中空部分所放置的流动液体为油类流体，取样圆筒旋转圆跳动值扩大时，支撑组件通过第二套筒对取样圆筒进行支撑并通过移动杆相对固定杆之间的移动使移动杆内部的流体在限位通槽和滑移通槽内流动，利用流动的油类消耗取样圆筒抖动所传递到支撑组件的振动能量，减小结构的振动反应，实现将取样圆筒旋转过程中产生的圆跳动值控制在一定范围内，保证取样圆筒内部的土样结构完整性。

具体的，架体侧方底部连接有水平放置的底板，底板底面具有尖刺状的凸起，底板表面设有水平仪，用于实现获取地面垂直方向上的一定深度的土样，还通过底板地面尖刺状的凸起来进一步固定架体，提高在钻取土样时架体的稳定性。

具体的，架体上设有与蜗杆平行的标尺，通过观察电加热器相对标尺的移动数值即可获取钻取深度，便于获取数据来精确界定其场地土壤污染物的边界和受污染的土方量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过利用涡轮驱动蜗杆在架体上下移动，架体上安装有与蜗杆齿形对应的第一套筒实现蜗杆在架体上下移动，并通过可上下移动并旋转的蜗杆与取样组件的连接，来实现取样组件的升降及旋转运动，采用此方式替代以人工下压力或者其他人工方式对土体的取样，相比较于人工取样时用力不均匀导致土样周围压力变化大，土样原结构破坏必然增大的情况，本发明利用蜗杆驱动取样组件以旋转状态上下升降对土体取样可保证向下钻取土体用力及速度的均匀，使取样时图中周围压力变化均匀，避免土样遭受扰动和破坏，取得接近天然结构的原状土样。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明土壤修复用土壤取样器示意图；

图2是取样组件结构示意图；

图3钻套结构示意图；

图4是电加热器、蜗杆、装配体、装配套以及取样圆筒装配后的拆分示意图；

图5是电加热器、蜗杆、装配体、装配套装配后的拆分示意图；

图6是装配套结构示意图；

图7是取样圆筒内部示意图；

图8是取样圆筒内记忆合金丝受热形变后的示意图；

图9是记忆合金丝初始状态示意图；

图10是记忆合金丝受热形变状态示意图；

图11是支撑组件示意图；

图12是实施例2中进行土壤取样试验中取样圆筒的圆跳动值变化表。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见图1-11所示，土壤修复用土壤取样器，包括：

架体10，

升降组件，包括与水平面垂直设置在架体10上的蜗杆30，架体10上安装有与蜗杆30配合的第一套筒33和用于驱动蜗杆30上下移动的涡轮31，

取样组件50，与水平面垂直设置，取样组件50由升降组件驱动做旋转运动并上下升降对土体取样，

其中，取样组件50包括取样圆筒52，取样圆筒52内部设柱状中空的取样腔57，取样腔57内壁环绕布设有记忆合金丝62，记忆合金丝62呈直线状且平行于取样圆筒52的中心轴线，记忆合金丝62受热可形变呈锯齿状。第一套筒31内壁具有与蜗杆30配合的螺纹。涡轮31由安装在架体10上的电机32驱动。

本发明通过利用涡轮31驱动蜗杆30在架体10上下移动，架体10上安装有与蜗杆30齿形对应的第一套筒33实现蜗杆30在架体10上下移动，并通过可上下移动并旋转的蜗杆30与取样组件50的连接，来实现取样组件50的升降及旋转运动，采用此方式替代以人工下压力或者其他人工方式对土体的取样，相比较于人工取样时用力不均匀导致土样周围压力变化大，土样原结构破坏必然增大的情况，本发明利用蜗杆30驱动取样组件50以旋转状态上下升降对土体取样可保证向下钻取土体用力及速度的均匀，使取样时土中周围压力变化均匀，避免土样遭受扰动和破坏，取得接近天然结构的原状土样，并进一步通过在取样圆筒52内空腔57内壁设置记忆合金丝62的方式来增加取样圆筒52内的土样与取样圆筒52内腔的摩擦力并降低土样流动性，在取样中记忆合金丝62与取样圆筒52内的土样具有一定的摩擦接触可导致记忆合金丝62产生形变呈锯齿状来填充所获取的土样的各土层之间的裂缝，并降低土壤颗粒流动性，而记忆合金丝62采用热弹性马氏体相变原理制成，具有初始形状的记忆合金丝62在加热到相变点以上，就可产生形变，当其降温后又恢复初始形状。

蜗杆30底端连接有同轴的装配体22，取样圆筒52端部具有与装配体22插接的装配槽孔60。取样圆筒52外壁螺旋环绕设置有螺旋翼53。通过装配体22作为连接件实现将取样圆筒52与蜗杆30之间的连接，使蜗杆30的旋转力通过装配体22传递给取样圆筒52实现取样圆筒52旋转，以实现带动取样圆筒52底部的刀体56旋转来对土体钻取，通过在取样圆筒52外壁螺旋环绕设置螺旋翼53便于取样圆筒52在向下掘进的过程中利用螺旋翼53引导取样圆筒52外壁土体向上移动并使其松动，降低取样圆筒52外部受压对取样圆筒52内部土样的影响，并且利用涡轮蜗杆配合通过蜗杆30的升降来驱动取样圆筒52的升降，控制取样圆筒52钻取深度，便于获取数据来精确界定其场地土壤污染物的边界和受污染的土方量。

蜗杆30中部贯通，蜗杆30上端连接有电加热器20，电加热器20通过设于蜗杆30贯通孔内的导热丝21与装配体22连接，记忆合金丝62延伸至装配槽孔60的槽壁上。装配槽孔60为齿形槽孔，具有齿槽61，记忆合金丝62延伸至齿槽61内。通过加热方式可控制记忆合金丝62产生的形变量，在取样完成后抽离过程中，为避免取样获得的土样在抽离过程中应其流动性及与取样圆筒52内壁的摩擦性稳定导致土样脱离至数据不精准的情况出现，在抽离前通过电加器20通过导热丝21将热量传导至装配体22上，并设置记忆合金丝62延伸至装配槽孔60的槽壁上使其与加热状态的装配体22接触传导热量，增大记忆合金丝62形变量对取样圆筒52内的土样加固并降低其土壤颗粒流动量，确保取得接近天然结构的原状土样，而通过对装配体22的加热还可有效提升装配体22与取样圆筒52的连接紧密性，防止取样圆筒52在旋转或升降过程中松动，通过设置装配槽孔60为齿形槽孔，具有齿槽61，利用齿形配合的方式来实现蜗杆30旋转带动装配体22旋转，并利用齿形齿面驱动取样圆筒52旋转，实现力传递。

装配体22和装配槽孔60的截面均为形状对应的齿形，便于力的传递，实现装配体22将蜗杆30的旋转力传递给取样圆筒52，装配体22和装配槽孔60之间还设有用于填充装配体22和装配槽孔60之间间隙的装配套70，防止取样过程中取样圆筒52产生松动，取样圆筒52旋转时的圆跳动值增大导致其内部的土样结构产生破坏，装配套70和装配体22均为金属，且为导热金属，例如铜、铁等，便于热量传导提高记忆合金丝62的形变量以及受热形变速度。

取样圆筒52底部连接有同轴的钻套54，钻套54内孔直径与取样腔57内孔直径相同，钻套54侧面设有螺旋设置的导向条55，钻套54底面设有环绕于钻套54轴心设置的刀体56。利用钻取方式使取样圆筒52向土层底部方向钻取所需土样，所选用的刀体56的刀口采用平变形或v字形，利用该两种形态的刀口在钻取过程中稳定性高的特点来保证钻取获得的土样结构完整性，所用刀体56选用三把切削刀具，以120°的间隔分布，用于保证切削载荷以及避免刀具热量升高影响钻进效率，通过在钻套54侧面设置导向条55实现刀体56在对土体钻取过程中使产生的土屑向上沿导向条55方向移动，避免钻进过程中产生的土屑粘附在刀体56上导致钻取工作停止。

取样圆筒52上套接有第二套筒51，第二套筒51通过支撑组件40与架体10连接。第二套筒51具有与取样圆筒52外壁螺旋翼53配合的螺纹，利用第二套筒51与取样套筒52的配合连接使取样套筒52在旋转过程中产生的圆跳动值降低，保证其内部获取的土样完整性，相比较于现有常用的洛阳铲或其他土样钻取工具来说，有效解决钻取工具长度过大时产生的圆跳动值过大，钻取工具产生抖动量增大至所钻取的土样完整性遭到破坏的问题。

支撑组件40包括与第二套筒51侧壁连接的移动杆42和与架体10连接的固定杆47，移动杆42与固定杆47插接，移动杆42底端具有限位环44，固定杆47内部具有限制限位环44移动距离的限位通槽46，固定杆47还具有用于实现移动杆42在固定杆47内移动的滑移通槽45。通过插接的方式连接移动杆42和固定杆47使移动杆可具有一定的移动范围，用于对取样圆筒52圆跳动值过大产生抖动时吸振并降低圆跳动值的扩大，同时为保证支撑组件40对第二套筒51的支撑使其固定于一定范围内并保持与取样圆筒52同轴心，通过设定限位环44和限位通槽46的方式来实现，滑移通槽45的设置便于实现移动杆42相对固定杆47之间的移动，也便于流体在其内部的流动来吸收第二套筒51方向所传递的振动能量。

移动杆47内部中空，移动杆47侧面连接有用于填充其侧面与滑移通槽45间隙的密封圈41，密封圈41至限位环44部分移动杆42内部中空且放置有流动液体，中空部分的移动杆42侧面开设第一通孔43。取样圆筒52外壁螺旋翼53即螺旋环绕设置于取样圆筒52外壁的矩形螺纹。移动杆47中空部分所放置的流动液体为油类流体，取样圆筒52旋转圆跳动值扩大时，支撑组件40通过第二套筒51对取样圆筒52进行支撑并通过移动杆42相对固定杆47之间的移动使移动杆47内部的流体在限位通槽46和滑移通槽45内流动，利用流动的油类消耗取样圆筒52抖动所传递到支撑组件40的振动能量，减小结构的振动反应，实现将取样圆筒52旋转过程中产生的圆跳动值控制在一定范围内，保证取样圆筒52内部的土样结构完整性。

架体10侧方底部连接有水平放置的底板11，底板11底面具有尖刺状的凸起，底板11表面设有水平仪12，用于实现获取地面垂直方向上的一定深度的土样，还通过底板11地面尖刺状的凸起来进一步固定架体10，提高在钻取土样时架体10的稳定性。

架体10上设有与蜗杆30平行的标尺13，通过观察电加热器20相对标尺的移动数值即可获取钻取深度，便于获取数据来精确界定其场地土壤污染物的边界和受污染的土方量。

实施例2：

本发明的土壤修复用土壤取样装置实际使用时：将架体10安装在钻取区域的土体表面，根据水平仪12调整架体10，钻取土样前，记录电加热器20相对标尺13的高度位置，通过启动电机32来驱动涡轮31旋转使其带动蜗杆30旋转并向下移动，蜗杆30在旋转过程中带动装配体22旋转，装配体22通过齿面将旋转力传递至取样圆筒52并使其旋转，取样圆筒52底部设有钻套54，通过旋转方式进行钻取土样，钻取过程中通过第二套筒51级支撑组件40减小取样套筒52晃动保证获取土样的完整性，在完成钻取土样在抽离前通过电加器20通过导热丝21将热量传导至装配体22上，并设置记忆合金丝62延伸至装配槽孔60的槽壁上使其与加热状态的装配体22接触传导热量，增大记忆合金丝62形变量对取样圆筒52内的土样加固并降低其土壤颗粒流动量，确保取得接近天然结构的原状土样。

土样取样试验：

通过铺设土层模拟取样土层，具体为：在透明容器内进行铺设便于观测土样原结构用于比对试验，取样土层由四层土层铺设而出，土层由下至上分别为第一土层d、第二土层c、第三土层b、第四土层a。第一土层d、第二土层c、第三土层b、第四土层a的厚度比为10:40:15:1.5，第一土层d由粒径<0.5mm与<1mm的黄土按质量比1:1混合后填装10cm，第二土层b由粒径<0.5mm的砂土与淤泥按质量比3:1混合后填装40cm，第三土层c由粒径<0.5mm的砂土填装15cm；第四土层由粒径<0.5mm的黄土与淤泥按质量比2.65:1混合后填装1.5cm。土层铺设完成后在土体表层倒入石油模拟石油泄漏。

分设实验组1、实验组2和对照组进行土样钻取，

实验组1选用实施例1的土壤修复用土壤取样器进行取样。

实施例2选用实施例1的土壤修复用土壤取样器进行取样，与实验组1不同的是，实验组2的取样器中将第二套筒51和支撑组件40移除。

对照组选用实施例1的土壤修复用土壤取样器进行取样。与实验组1不同的是，对照组的取样器中将第二套筒51、支撑组件40以及记忆合金丝62移除。

通过对取样后的土样进行分析比对，实验组1所钻取的土样完整性较高，接近天然结构的原状土样，抽离过程中未出现土样掉落情况，实验组2所钻取的土样原结构少量改变且在抽离过程中出现了少量土样掉落的情况，对照组所钻取的土样原结构被破坏且在抽离时有较多的土样掉落，经测试可知实验组1的取样器所获取的土样完整性高于实验组2和对照组，且抽离过程中不会出现土样掉落情况。

为进一步测试实验组2和对照组所钻取土样质量差的原因，通过对实验组2和对照组的取样器中的取样圆筒52进行圆跳动公差数值获取，参见图12所示，可知对照组的取样器随钻取深度的增加圆跳动公差值不断增大，取样圆筒52晃动量增大，导致了对照组所获取的土样完整性低于实验组1、2，且在土样钻取完成抽离过程中出现土样大量掉落的情况。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。