沈立娜，阮海龍，劉海龍，劉協(xié)魯，趙義

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

采取原狀土樣是工程鉆探的目的之一，在采取試樣過程中應(yīng)該保持試樣的天然結(jié)構(gòu)，從而為測定土的天然結(jié)構(gòu)的容量、密度、溫度、抗剪強(qiáng)度、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)等物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行巖土的特性描述和確定土層的承載能力和穩(wěn)定性，提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。對于土樣，目前的鉆探取土方法分貫入式和回轉(zhuǎn)式兩種。貫入式取土器可分為敞口取土器和活塞取土器兩大類型。敞口取土器按管壁厚度分為厚壁和薄壁兩種，活塞取土器則分為固定活塞、水壓固定活塞、自由活塞等幾種。敞口取土器不易控制土樣質(zhì)量、土樣易于脫落，活塞取土器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。貫入式取土器一般只適用于軟土及部分可塑狀土。對于堅(jiān)硬、密實(shí)的土類目前多采用回轉(zhuǎn)式取土器?；剞D(zhuǎn)取土器主要有兩種類型：單動二重管取土器和雙動二重管取土器，這兩種取土管結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作不便[1,5,9]。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)研制一種中空螺旋取土鉆具，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對土樣擾動小，且可直觀觀測土壤樣品。

1 中空螺旋無水取土鉆具研制

1.1 鉆具材質(zhì)的選取

中空螺旋取土鉆具主材(包括螺旋葉片、中心外管、軸承外殼、軸承上下蓋、上接頭、鉆頭鋼體、超前管靴)采用304不銹鋼材料，既能夠承受一定沖擊和變形又不會對土壤樣品造成污染。

鉆頭切削具及葉片底部切削具選用硬質(zhì)合金，其具有優(yōu)異的焊接性和耐磨性，能夠保證鉆頭在鉆進(jìn)過程中的切削效率和使用壽命。對于較硬密實(shí)土層，切削具可改用金剛石復(fù)合片。

土樣收集內(nèi)襯管采用透明PC管，PC(聚碳酸酯)樹脂是一種性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，具有突出的抗沖擊能力，耐蠕變和尺寸穩(wěn)定性好，耐熱、吸水率低、無毒、介電性能優(yōu)良，具有良好透明性，因此，在取土鉆進(jìn)過程中可無需倒出樣心，直接對其進(jìn)行簡易觀察，避免對樣品的二次擾動。

1.2 螺旋鉆桿的主要參數(shù)設(shè)計(jì)

對于中空螺旋取土鉆具，主要涉及葉片螺距S、厚度h，螺旋鉆桿外徑(螺旋葉片外徑)Db，葉片內(nèi)徑Ds，中心外管直徑Dc等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中空螺旋鉆具示意圖

1.2.1 螺旋鉆桿直徑Db

螺旋鉆桿直徑即螺旋葉片外徑Db，主要取決于鉆孔成孔直徑，以3英寸中空螺旋鉆具為例，由于成孔為3英寸，因此鉆具外徑Db=76.1 mm。

1.2.2 螺旋葉片螺距S

設(shè)計(jì)螺旋葉片螺距S時，若螺距過大，土層自重過大而難以攀升；螺距過小，葉片土層受擠壓程度加大，結(jié)團(tuán)而不易排出。為保證螺旋面上被輸送的鉆屑不因自重而滑落，應(yīng)使其螺旋上升角小于鉆屑與螺旋面之間的摩擦角[3,6,7]，當(dāng)螺旋上升角為α，鉆屑與螺旋面的摩擦角為φ時，則有

tanα≤ tanφ

(1)

螺旋上升角α和螺距S關(guān)系見下式:

tanα=S/(π·D)

(2)

式中：D為葉片某點(diǎn)所在圓的直徑；S為螺距。

由于

f=tanφ

(3)

式中：f為螺旋葉片的摩擦系數(shù)；φ為鉆屑與螺旋面的摩擦角。

當(dāng)f=0.5時，對于3英寸中空螺旋鉆桿計(jì)算得到S≤119.47 mm。根據(jù)鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，螺旋鉆桿螺距的取值可見表1。對于一般土層，螺距S=(0.8～1.0)Ds，由于鉆進(jìn)地層為致密較硬土層，取S=1.0Ds，取整后螺距S=80 mm。

表1 螺旋鉆桿螺距S的大小取值

1.2.3 螺旋葉片厚度h

螺旋葉片厚度一般為2～10 mm，鉆桿直徑小、鉆進(jìn)均質(zhì)軟巖時取低值；鉆進(jìn)砂礫、砂土?xí)r，取高值。選擇時可以參考表2。

但為了實(shí)現(xiàn)對土壤的快速切削排屑，同時保證其耐磨強(qiáng)度，在葉片最底部位置，設(shè)計(jì)平滑過渡的硬質(zhì)合金切片。

1.2.4 中心外管外徑Dc

中心外管主要用于傳遞扭矩和壓力，其外徑Dc與螺旋葉板上的鉆屑與螺旋面之間的摩擦角等有關(guān)。一般鉆桿的管外徑可取(0.5～0.8)Ds比較合理[3]，為獲取最大巖心，對3英寸中空螺旋鉆具取0.8Ds，即60.88 mm，取整后為60 mm。但同時該尺寸需滿足公式(1)，即內(nèi)螺旋角也應(yīng)小于摩擦角[4]。若按土與螺旋葉片的摩擦系數(shù)f=0.5，螺距S=80 mm，根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算得到葉片小徑D≥50.96 mm。因此，3英寸中空螺旋鉆桿中心外管外徑Dc須≥50.96 mm，而60 mm滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 螺旋葉片厚度與孔徑、地層的關(guān)系

1.2.5 中心外管壁厚

取土鉆具取土?xí)r土樣與鉆具內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦造成土樣邊緣擾動，擾動程度與取土鉆具的壁厚有很大關(guān)系，通常壁厚越小，對土樣的擾動以及鉆進(jìn)時所受到阻力也越小，但取土鉆具太薄容易產(chǎn)生變形或破裂，參考薄壁取土器在較硬黏土層的設(shè)計(jì)壁厚，應(yīng)小于6 mm[5]。

1.3 關(guān)鍵取心部件的設(shè)計(jì)

1.3.1 單動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在鉆進(jìn)過程中，為了保證外管轉(zhuǎn)動而內(nèi)襯管不轉(zhuǎn)動的雙管鉆具稱為單動雙管鉆具。由于單動雙管鉆具避免了鉆具轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的摩擦振動對巖礦心的機(jī)械破碎，因而取心質(zhì)量高，為了實(shí)現(xiàn)中心外管的單動，在透明PC內(nèi)襯管外側(cè)設(shè)計(jì)特制薄壁軸承，不銹鋼簡易密封軸承。軸承采用密封結(jié)構(gòu)主要是為了防止取土過程中土壤進(jìn)入軸承件運(yùn)動副縫隙，阻礙軸承的正常工作。

1.3.2 取心鉆頭及管靴的設(shè)計(jì)

在鉆土取樣過程中，取心鉆頭是與土層接觸的重要構(gòu)件。鉆頭在獲取樣心的同時，還應(yīng)配合螺旋鉆具將鉆屑及時排出[8]。由于土樣的硬度遠(yuǎn)低于巖石，因此，采用硬質(zhì)合金作為鉆頭主要切削具。設(shè)計(jì)制造了兩種結(jié)構(gòu)鉆頭，如圖2所示。

圖2 中空螺旋取土鉆具鉆頭結(jié)構(gòu)圖

薄壁超前管靴底部內(nèi)徑略小于取心直徑，薄壁超前管靴首先壓緊到工作面，隨著鉆深的增加，柱狀樣品通過2°錐面進(jìn)入到鉆具透明PC內(nèi)襯管，外部鉆屑沿鉆頭外螺旋葉片排出。由于超前管斜以插入式獲取樣心，阻隔了外部切削具的干擾，能夠較好的保持樣心的層理信息并提高采取率。經(jīng)過以上分析，設(shè)計(jì)研制的中空螺旋取土鉆具結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在各零件外筒設(shè)計(jì)有勾頭扳手孔位便于鉆具拆裝擰卸。

1.快速轉(zhuǎn)換接頭；2.軸承外殼；3.軸承上蓋；4.軸承下蓋；5.標(biāo)準(zhǔn)軸承；6.內(nèi)襯管；7.復(fù)合薄壁軸承；8.中心外管；9.鉆頭；10.超前管靴；11.螺旋葉片圖3 中空螺旋取土鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

中空螺旋取土鉆具進(jìn)行了8個回次的取土鉆進(jìn)試驗(yàn)，鉆頭取樣情況見圖4、圖5，鉆進(jìn)取心情況見表3。由表3數(shù)據(jù)可知，采用20°～30°倒角結(jié)構(gòu)鉆頭組裝的中空螺旋取土鉆具，其取心率不足80%，純切削進(jìn)尺時間約20 s。經(jīng)過改進(jìn)后的(8°～12°倒角結(jié)構(gòu))中空螺旋取土鉆具平均10 s即可實(shí)現(xiàn)一回次鉆進(jìn)，除第一桶鉆遇卵礫石外，其他取心率均高于90%，具有較高工作效率。

圖4 20°～30°倒角結(jié)構(gòu)鉆頭取樣情況

圖5 8°～12°倒角結(jié)構(gòu)鉆頭取樣情況

鉆進(jìn)所取巖心圖片如圖6所示。 由圖6中可清晰觀察到所取土樣樣心的層理，證明了中空螺旋取土鉆具對土樣樣品的低擾動性。

表3 中空螺旋取土鉆具試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語

中空螺旋取土鉆具在無液介質(zhì)循環(huán)下，于淺層土鉆進(jìn)取樣中具有如下優(yōu)點(diǎn)：①鉆具結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，因而工作效率較高；②樣心采取率高；③對土樣擾動?。虎茔@取后擰卸鉆具即可直觀觀察土樣。但其底部巖心存在土樣壓緊夯實(shí)現(xiàn)象，今后有待進(jìn)一步改進(jìn)提高。

圖6 鉆取土樣