栗金文 陳愷昱 白維卿

摘要：取土器是用于提取地層表面或深層土樣的專(zhuān)門(mén)裝置，為土工試驗(yàn)提供試驗(yàn)樣品，通過(guò)土工試驗(yàn)為工程項(xiàng)目提供地基土的物理力學(xué)性能指標(biāo)。本文從專(zhuān)利文獻(xiàn)的角度對(duì)取土器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了取土器技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)、介紹了取土器技術(shù)的發(fā)展路線，以及國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人的技術(shù)路線及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：取土器;申請(qǐng)量;申請(qǐng)人

中圖分類(lèi)號(hào)：TU621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）06-0138-03

1 取土器技術(shù)簡(jiǎn)介

取土器是用于提取地層表面或深層土樣的專(zhuān)門(mén)裝置，為土工試驗(yàn)提供試驗(yàn)樣品，通過(guò)土工試驗(yàn)為工程項(xiàng)目提供地基土的物理力學(xué)性能指標(biāo)。取土器按結(jié)構(gòu)類(lèi)型可分為：厚壁取土器、敞口薄壁取土器、固定活塞薄壁取土器、自由活塞薄壁取土器、水壓固定活塞取土器、束節(jié)式取土器、黃土取土器、三重管雙動(dòng)回轉(zhuǎn)取土器和三重管單動(dòng)回轉(zhuǎn)取土器[1]。取土器根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求而采用不同的工作方式，不同的試驗(yàn)內(nèi)容決定不同的取樣對(duì)象，簡(jiǎn)介導(dǎo)致取土器在工作形式上的差異。巖芯質(zhì)量、取樣效率等均要受到取土器工作形式的影響。按工作形式取土器可分為靜壓式、回轉(zhuǎn)式和動(dòng)壓式[2]。

目前國(guó)內(nèi)一些科研勘測(cè)單位通過(guò)在總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)和眾多試驗(yàn)的基礎(chǔ)上中不斷探索創(chuàng)新，研制出多種具有應(yīng)用前景的取土器和巖芯采集法[3]。對(duì)比國(guó)內(nèi)外取土技術(shù)的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)取土器有壁厚、擾動(dòng)大、巖芯采集率低等缺陷，與巖芯采集技術(shù)較為先進(jìn)的國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)在取土器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等方面的技術(shù)差距還很大。目前為止，國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有一項(xiàng)巖芯采集技術(shù)和取土器在國(guó)際上被正式采納。

2 取土器技術(shù)申請(qǐng)專(zhuān)利分析

2.1 專(zhuān)利申請(qǐng)量分析

通過(guò)在incopat數(shù)據(jù)庫(kù)中利用關(guān)鍵詞“取土器”進(jìn)行標(biāo)題檢索，去除重復(fù)的專(zhuān)利申請(qǐng)，并且將同族專(zhuān)利申請(qǐng)作為一件專(zhuān)利申請(qǐng)，共得到679篇專(zhuān)利申請(qǐng)。

經(jīng)研究得知，近20年取土器專(zhuān)利申請(qǐng)量國(guó)內(nèi)為653件，國(guó)外為24件，國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量遠(yuǎn)高于國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)量;取土器專(zhuān)利申請(qǐng)量在2009年以后國(guó)內(nèi)呈迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大申請(qǐng)量為205件（2018年申請(qǐng)），而國(guó)外基本維持個(gè)位數(shù)申請(qǐng)量，這說(shuō)明近20年取土器的科研開(kāi)發(fā)主要集中在國(guó)內(nèi)，國(guó)際在該領(lǐng)域的科研開(kāi)發(fā)成果相對(duì)較少?；趯?duì)取土器技術(shù)的理解，取土器裝置的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)是基于大量工程實(shí)踐和工程經(jīng)驗(yàn)的積累實(shí)現(xiàn)的，2008年后中國(guó)有大量的工程建設(shè)項(xiàng)目，不同行業(yè)、不同土質(zhì)、不同目的的建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)而促進(jìn)了取土器技術(shù)的科研開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用。國(guó)內(nèi)一些科研、勘察單位在工程實(shí)踐中不斷探索創(chuàng)新，基于大量的工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出多種有實(shí)用價(jià)值的取土器和巖芯采集法[4]。所以國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量較大，增長(zhǎng)較快。

2.2 取土器技術(shù)發(fā)展路線

在取土器技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，如何控制巖芯擾動(dòng)、軟土取土器、砂土取土器、改進(jìn)薄壁取土器是取土器主要研究熱點(diǎn)。通過(guò)分析相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)，可以發(fā)現(xiàn)，在控制巖芯擾動(dòng)方面，主要有102篇典型專(zhuān)利（CN201920738484.8、CN201710962277.6等），在軟土取土器方面，主要有40篇典型專(zhuān)利（CN201420575966.3、CN201410598866.7、CN201320801203.1、CN201220699379.6等），在砂土取土器方面，主要有30篇典型專(zhuān)利（CN201811344214.5、CN201610155334.5等），在改進(jìn)薄壁取土器方面，主要有29篇典型專(zhuān)利（CN201710538552.1、CN201811344214.5、CN201910428231.5、CN201810669049.4等）。

2.3 國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人的技術(shù)發(fā)展

對(duì)取土器專(zhuān)利申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到國(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)人，排在前十名的是：無(wú)錫中地地質(zhì)裝備有限公司，河海大學(xué)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），吉林師范大學(xué)，中國(guó)地震局地球物理勘探中心，吉林大學(xué)，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，昆明理工大學(xué)，河北工程大學(xué)。

2.3.1 無(wú)錫中地地質(zhì)裝備有限公司。無(wú)錫中地地質(zhì)裝備有限公司于2014年申請(qǐng)了一種提高巖芯采集效率的的取土器（CN201410665807.7），取土器包括圓環(huán)形底座，底座的中心借助連板固連有導(dǎo)向座，導(dǎo)向座的中心滑動(dòng)裝置取土桿，取土桿為上端帶有絲桿下端帶有取土套的結(jié)構(gòu)，絲桿螺旋連接于絲桿座內(nèi)，絲桿座與圓環(huán)形底座通過(guò)多根固定桿固定連接，絲桿的上端帶有把手;設(shè)置向外擴(kuò)張結(jié)構(gòu)的插板及底座下表面的環(huán)形凸緣，避免底座相對(duì)地面旋轉(zhuǎn)，提高連接穩(wěn)固性，提高取土樣品的操作效率;于取土套的下端連接錐形套，避免土樣脫離取土套，實(shí)現(xiàn)一次取樣，提高取樣效率。于2014年申請(qǐng)了一種多點(diǎn)式電動(dòng)取土裝置（CN201410830722.X），取土器包括殼體結(jié)構(gòu)的外殼，外殼的下端帶有開(kāi)口，其上端帶有開(kāi)孔;外殼內(nèi)腔下端裝置有底座，上端裝置有上下設(shè)置的、共軸的錐齒輪及中心轉(zhuǎn)輪，錐齒輪與中心轉(zhuǎn)輪的輪軸與底座固連，外殼的上表面裝置有電機(jī)，電機(jī)的電機(jī)軸上裝置有與錐齒輪嚙合的驅(qū)動(dòng)輪;底座上裝置有多個(gè)取樣桿，取樣桿的下端帶有取樣套;取樣桿的上部裝置有與中心轉(zhuǎn)輪嚙合的側(cè)轉(zhuǎn)輪，側(cè)轉(zhuǎn)輪與取樣桿螺旋連接;中心轉(zhuǎn)輪的中心螺旋連接有取樣桿，取樣桿的上端伸出所述開(kāi)孔，其下端的取樣套貫穿底座中心;取樣套的下端帶有收縮套，收縮套帶有下端小于上端的錐形收縮結(jié)構(gòu);本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、取樣效率及質(zhì)量高。于2015年申請(qǐng)了一種穩(wěn)固型取土器（CN201410664759.X），取土器包括圓環(huán)形底座，底座的中心借助連板固連有導(dǎo)向座，導(dǎo)向座的中心滑動(dòng)裝置取土桿，取土桿為上端帶有絲桿下端帶有取土套的結(jié)構(gòu)，絲桿螺旋連接于絲桿座內(nèi)，絲桿座與圓環(huán)形底座通過(guò)多根固定桿固定連接，絲桿的上端帶有把手，所述底座的外周側(cè)面固連有插板，插板相對(duì)底座的中心對(duì)稱(chēng)布置，插板朝向底座的下方;設(shè)置向外擴(kuò)張結(jié)構(gòu)的插板及底座下表面的環(huán)形凸緣，避免底座相對(duì)地面旋轉(zhuǎn)，提高連接穩(wěn)固性，提高取土樣品的操作效率。

2.3.2 河海大學(xué)。河海大學(xué)于2017年申請(qǐng)了一種取土器及其取樣方法（CN201710962277.6），通過(guò)采用取土器頂端帶有排泥水孔和橡膠賽的外管，用鉸鏈連接于外管下端的若干個(gè)瓣片，下端帶有和瓣片配套的若干個(gè)開(kāi)孔的內(nèi)管，位于內(nèi)管上端的排泥水孔，以解決現(xiàn)有取土器所存在的密封吸附力會(huì)對(duì)土樣產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)粉土等含水率低、粘度低的土體難以形成密封，取樣效果不理想等問(wèn)題。于2019年申請(qǐng)了一種輕便攜帶的取土器及其取樣方法（CN201920180602.8），通過(guò)采用設(shè)置有腳踏板和水準(zhǔn)儀，以保證取土更加穩(wěn)固、深度更精確;設(shè)置彈簧與卡位槽，達(dá)到取土深度可控;推土板下端設(shè)探針，能借助取土器插入土樣中對(duì)體積含水率進(jìn)行測(cè)定。于2018年申請(qǐng)了一種貫入式螺旋桿取土器（CN201821081184.9），通過(guò)依靠螺旋桿作為驅(qū)動(dòng)手段的取土器，是一種土樣擾動(dòng)小、操作簡(jiǎn)單便利的螺旋桿薄壁取土器。于2018年申請(qǐng)了一種復(fù)合式杠桿取土器（CN201820762053.0），通過(guò)均勻分布有齒槽的鏟身與鉸接有杠桿的轉(zhuǎn)軸齒輪連接，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用便捷的復(fù)合式杠桿取土器。于2014年申請(qǐng)了貫入式敞口薄壁取土器及取樣方法（CN201410195464.2），其取樣管有內(nèi)外雙套管組成，并且在內(nèi)套管內(nèi)壁粘有光滑內(nèi)襯，取樣時(shí)之間將光滑內(nèi)襯拉出，按照試驗(yàn)所需進(jìn)行切樣操作。本發(fā)明能夠大大減少土樣在貫入與推樣過(guò)程中與取土器之間的摩擦作用，降低土樣的擾動(dòng)程度，減少土樣的變形。

2.3.3 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)于2017年申請(qǐng)了一種適用于淤泥軟土的便攜可拆卸式敞口取土器（CN201910097541.3），通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)拉桿帶動(dòng)滑桿從而切斷下部的土樣，實(shí)現(xiàn)了取樣土與底土的分離，能防止由于拔出取土器而造成的土樣脫落，提高了采樣比、采樣質(zhì)量;方形取土筒可以組裝拆卸，從取樣筒中取樣時(shí)，可以通過(guò)抽出側(cè)壁的方式完整取出土樣，實(shí)現(xiàn)了取樣與存樣一體化，避免了由推力取樣而造成的二次擾動(dòng)，同時(shí)也提高了采樣質(zhì)量。于2013年申請(qǐng)了一種滑帶土原狀取土器（CN201310323843.0），通過(guò)改進(jìn)取土器結(jié)構(gòu)，設(shè)置雙向棘輪，既可適用于采取滑帶土原狀樣又可用于采取一般野外地質(zhì)斷面原狀土，兼適于橫向鉆進(jìn)和豎向鉆進(jìn)取土。于2014年申請(qǐng)了一種旋轉(zhuǎn)式取土器用的加壓裝置（CN201420817700.5），通過(guò)設(shè)置加壓裝置取土，設(shè)備簡(jiǎn)單實(shí)用且操作簡(jiǎn)單，能保持取土器內(nèi)土層的穩(wěn)定，從而提高測(cè)試的精度。于2014年申請(qǐng)了一種箱式環(huán)刀土樣取土器盒子（CN201420782451.0），通過(guò)設(shè)置取土器盒子，所取的原狀土樣更能保持其的天然應(yīng)力狀態(tài)，放置標(biāo)簽后，可以將所取的原狀土樣均放在此盒子中，攜帶更加方便，使其在運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)受到擾動(dòng)，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確適用。

2.3.4 吉林大學(xué)。吉林大學(xué)于2011年申請(qǐng)了一種用于砂質(zhì)松散土壤的原狀取土器（CN201110253374.0），本發(fā)明是由內(nèi)外套管組成，外套管前端為錐體刃口，刃口內(nèi)部設(shè)有導(dǎo)向內(nèi)錐，內(nèi)套管前端設(shè)有多個(gè)與導(dǎo)向內(nèi)錐相配合彈性封口片，內(nèi)套管中間段設(shè)置有隔土板插口，內(nèi)外套管前端設(shè)有封土板插口，后部設(shè)有同步定位銷(xiāo)插孔;本方法取土形式類(lèi)似于貫入法取土，但是克服了貫入法取土上下層之間的相互影響，能夠取到接近土壤原狀的式樣;本方法的容重測(cè)量和環(huán)刀法相似，測(cè)定容積內(nèi)的土壤不流失，測(cè)定精確度高。于2012年申請(qǐng)了多段旋轉(zhuǎn)薄壁式取土器（CN201220632632.6），本發(fā)明由鉆桿接頭內(nèi)設(shè)有三通排水管，在三通排水管的交接處設(shè)有球閥，鉆桿接頭通過(guò)尾管的內(nèi)螺紋與環(huán)狀套管的外螺紋連接，套管內(nèi)裝有土樣盒，套管的外螺紋與螺旋鉆頭的內(nèi)螺紋連接構(gòu)成;本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有取土器單次取土深度小，含水量大土體取樣困難及對(duì)原狀土擾動(dòng)較大的不足;由于采用鉆入式，更容易深入土體，適合不同地質(zhì)條件的地層;取土效率高，取土器可根據(jù)取土層厚度的需要任意增加長(zhǎng)度，滿足單次取土深度要求，對(duì)含水率較大的土體取樣效果較好;同時(shí)采用內(nèi)置多段的土樣盒，極大方便了取樣后的包樣，對(duì)原狀土擾動(dòng)較小。于2017年申請(qǐng)了一種軟土的靜三軸原位取土器（CN201711085433.1），外管通過(guò)螺紋連接錐形套管，在錐形套管上部設(shè)有螺紋柱體;且外管與管靴通過(guò)螺紋連接，管靴內(nèi)部通過(guò)連接軸桿設(shè)有六片扇形閥片，且在管靴的下部設(shè)有刃口，在外管內(nèi)部設(shè)有取土筒，在取土器提拉過(guò)程中，通過(guò)彈簧的彈力作用使扇形閥片切割土體，與此同時(shí)封閉管靴。于2017年申請(qǐng)了一種低擾動(dòng)取土器（CN201721902249.7），本實(shí)用新型通過(guò)支架固定，使取土器在各樣地形地貌的鉆進(jìn)過(guò)程中都能沿著地面的表面垂直鉆進(jìn)，方向和角度不會(huì)發(fā)生變化，從而減少在取土過(guò)程中對(duì)土樣的擾動(dòng)。

通過(guò)分析上述重要申請(qǐng)人的專(zhuān)利申請(qǐng)可知，申請(qǐng)人的取土器開(kāi)發(fā)和改進(jìn)思路側(cè)重于減少巖芯擾動(dòng)、提高取土效率，提高巖芯采集率等方面，與工程實(shí)際要求和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)土樣的要求相一致。

3 小結(jié)

通過(guò)以上對(duì)取土器技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)分析及相關(guān)技術(shù)發(fā)展路線可知，近20年國(guó)際在該領(lǐng)域的科研開(kāi)發(fā)成果相對(duì)較少，取土器的科研開(kāi)發(fā)主要集中在國(guó)內(nèi);對(duì)于國(guó)內(nèi)申請(qǐng)者，占主導(dǎo)地位的是國(guó)內(nèi)的高校和研究所，其不僅發(fā)表了眾多學(xué)術(shù)論文，也申請(qǐng)了大量專(zhuān)利，這也充分體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)取土器專(zhuān)利的重視，也促進(jìn)了中國(guó)取土器技術(shù)的快速發(fā)展;國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的取土器開(kāi)發(fā)和改進(jìn)思路側(cè)重于減少巖芯擾動(dòng)、提高取土效率，提高巖芯采集率等方面，與工程實(shí)際要求和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)土樣的要求相一致。

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