高频声波式低扰动钻进取芯装置及取芯方法与流程

本发明涉及土样采集，具体而言涉及高频声波式低扰动钻进取芯装置及取芯方法。

背景技术：

1、目前污染场地调查主要采用回转钻机、冲击式钻机、直推式钻机等取芯，回转钻机价格较低，钻进深度大，能够获取大口径深层土壤岩芯，在场地调查及水文地质勘察领域应用广泛，但在钻进过程使用高速回转作用力，对样品扰动较大，样品常常出现不同程度的缺失，另外在出样过程会使用高压水枪泵，造成土样与水直接接触，污染样品；冲击式钻机，适用地层范围广，但其取芯依赖低频振动作用，振动幅度大，易串层污染，取芯保真度不高；直推式钻机在污染场地调查中应用极为广泛，是目前市场上最为推崇的土壤取样钻机之一，主要优势在于：通过静压力将钻具无扰动的推入地层，搭配使用薄壁取土器对土层扰动较小，能够获取完整的岩芯，适用于松软填土、中硬土层取芯；钻进效率高，但在实际应用中存在样品压缩率高、取芯口径小、坚硬地层难钻进、钻进深度浅、空间精度不足等问题。

2、声波钻机耦合高频振动作用、低速回转作用、推进力钻进取芯，高频振动作用能够液化周边土粒，实现低阻钻进，样品压缩率低，保真度高，但在场地调查过程中缺乏系统化使用方法，配套功能不全，取芯钻具设计不合理导致样品保真度不高，具体表现为：垂向精度不足、系统清洁不到位、取芯器单一、缺乏温度控制单元、使用方法不规范等，为解决上述问题，提出了一种高频声波式低扰动钻进取芯装置及取芯方法。

技术实现思路

1、本发明第一方面提出一种技术方案，一种高频声波式低扰动钻进取芯装置，包括：

2、振动部件，包括一连接头，所述振动部件用于产生高频振动；

3、驱动部件，连接到所述振动部件，所述驱动部件被设置为能驱动所述连接头沿其轴线转动以及沿其轴线方向移动；

4、取样部件，第一端连接到所述连接头，第二端连接到钻头；

5、定中套，被设置为具有环形的通道，所述取样部件能从所述通道穿过，并沿着所述通道的轴线方向移动；

6、夹持部件，用于夹持所述定中套、取样部件或钻头，并使被夹持对象处于预设的位置；

7、其中，所述取样部件包括第一管体和第二管体，所述第二管体处于所述第一管体内壁的内侧，所述钻头被设置为环形钻头，所述钻头连接到所述第一管体的第一端，所述第一管体的第二端连接到连接头，所述钻头的内侧设有与所述第一管体内径略小的空孔，使经钻头切割所形成的柱状土样进入到所述第一管体的内壁内侧，所述钻头被驱动以高频振动、预定的转速以及推进速度向下钻进；

8、所述第一管体被设置为空心管，所述钻头的钻进面设有注水孔，所述第一管体具有夹层，所述夹层内设有第一通道和第二通道，所述第一通道内用于容纳冷却剂，所述第二通道与钻头的注水孔连通。

9、优选的，所述钻头的钻进面被构造成环形，所述钻头的钻进面设有多个研磨球，所述注水孔间隔的分布在所述研磨球的周围，并且所述注水孔凹陷在钻头的钻进面，所述研磨球凸出在钻头的钻进面。

10、优选的，所述驱动部件包括直推驱动器和回转驱动器，所述直推驱动器用于控制所述连接头向下或向上运动，所述回转驱动器用于控制所述连接头发生旋转运动。

11、优选的，所述第一通道中设有温度传感器，所述第一通道的两端连接冷却液控制系统，用于控制冷却液在第一通道内的流动，保持所述第一管体处于预设的温度。

12、优选的，所述第二管体的底部设有反爪，所述反爪被设置为阻止进入到所述第二管体内的土样在第二管体提升时向下掉落。

13、优选的，所述取样部件还包括第三管体以及加长杆，所述第三管体可套设在所述第一管体的外壁，且所述第三管体能连接到所述连接头，所述加长杆的第一端能连接到所述连接头，第二端能连接到所述第一管体的上端。

14、优选的，所述夹持部件包括第一夹持器和第二夹持器，所述第一夹持器和第二夹持器通过支撑结构立在负载面，所述第一夹持器和第二夹持器呈上下分布，且所述第一夹持器和第二夹持器均包括钳状夹持结构。

15、优选的，上下相邻的两个所述第三管体通过螺纹连接，所述钻头和所述第一管体通过螺纹连接，所述加长杆与所述第一管体通过螺纹连接，使第一夹持器和第二夹持器夹持两个所述第三管体中的任意一个时，通过控制其中一个第三管体回转完成两个所述第三管体的安装和拆卸。

16、优选的，还包括探测仪，所述探测仪用于检测钻头的钻进深度。

17、本发明第二方面提出一种技术方案，高频声波式低扰动钻进取芯方法，采用上述的高频声波式低扰动钻进取芯装置，包括以下步骤：

18、步骤1、调整支撑结构，使驱动部件、第一夹持器和第二夹持器处于水平状态，调整定中套、振动部件的倾斜角度，使定中套的轴线方向、振动部件的作用方向与地面垂直；

19、步骤2、向夹层内的第一通道中注入冷却剂，使所述第一管体保持预定的温度；

20、步骤3、将第一管体连接到振动部件的连接头，并视地层情况向第一管体内安装第二管体(硬化地层不放置第二管体)，再在第一管体的端部安装钻头；

21、步骤4、第一管体从定中套的内侧穿过，振动部件以及驱动部件控制第一管体沿定中套的轴线方向以预定的振动频率、推进速度和转速向下钻进，通过探测仪检测钻头钻进位置，直至达到预定深度；

22、步骤5、断开第一管体与连接头的连接，连接头连接第三管体，振动部件以及驱动部件控制第三管体沿定中套的轴线方向以预定的振动频率、推进速度和转速向下钻进，并套在第一管体的外侧至预定深度；

23、步骤6、断开第三管体与连接头的连接，连接头连接第一管体，振动部件以及驱动部件控制第一管体沿定中套的轴线方向以预定的振动频率、推进速度和转速向上回拔第一管体，拆卸钻头，取出第一管体内包含土样的第二管体，并将第二管体放置到样品箱中，所述样品箱用于为第二管体中的样本提供合适的储存温度；

24、步骤7、清洗钻头，以及清洗第一管体的内/外管壁，并放未使用的第二管体，进行下一次钻进；

25、步骤8、在后续的钻进中，通过加长杆延长第一管体的钻进深度，通过增加第三管体延长第三管体在第一管体外侧的延伸深度，直至达到预定的钻进深度；

26、其中，每一次钻进并取出包含土样的第二管体后，都清洗第一管体并放入新的第二管体；

27、其中，在步骤4-6的钻进过程中，以预设的振动频率(w0>100hz)、转速n0的回转、速度v0的推进速度钻进，根据探测仪反馈的钻进深度h，若当前周期钻进深度hn小于上周期的钻进深度hn-1，迅速降低推进速度，对钻进周期内的振动频率、回转转速进行多轮调整，优先调整振动频率，每一轮中振动频率wn＝wn-1+a％w0，a≤10，当wn>wm时，进行多轮转速调整，每一轮增加回转转速nn＝nn-1+b％n0，b≤8，每一轮振动频率或回转速度调整后，观察振动部件与连接头的相对位置，若相对位置恢复初始状态，增加推进速度vn，每轮速度增量小于等于10％v0，并观察振动部件与连接头的相对位置，若相对位置明显缩短，迅速降低推进速度，继续调整振动频率或回转速度，再调整推进速度vn，至恢复原始速度且连接头和振动部件相对位置不发生明显变化，维持系统平稳钻进。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

29、本技术提出的高频声波式低扰动钻进取芯装置，采用高频振动、压力以及转动相结合的方式使取样的管体钻进土层中，且配合定中套保证钻进角度，配合探测仪把控钻进深度，取样管包括三根管体，内层为取样管，中层为取样构造良好的取样环境，外层可避免土层坍塌，这种取样方式能减少对土层的压缩率以及干扰性，尤其是降低挥发性有机污染物损失率，获取低扰动完整土芯样品，精准还原垂向地层分布和污染分布。