原状土取土设备中美岩土工程勘察规范对比研究

原状土取土设备中美岩土工程勘察规范对比研究

师海涛 张超

机械工业勘察设计研究院有限公司 710043

摘要：紧跟着国家“一带一路”战略的实施，越来越多的中国企业走出去开展境外业务。在基础设施建设领域，岩土工程勘察作为工程行业的排头兵也是必然不可或缺的。由于境外国家所采用的技术标准都有所不同，特别是有些国家没有本国的规范体系而采用美国标准或者欧洲标准，对于岩土工程行业从业者也提出了更高的要求，必须充分研究美国、欧洲等技术标准与中国技术标准的差异，从而求同存异，融会贯通才能顺利与外方咨询和管理团队达成一致意见，与当地公司开展更好的交流和合作，充分融入到所在国家的基础建设过程中。

关键字：岩土工程勘察、原状土取土设备、取土器、取砂器

1引言

随着“一带一路”倡议的不断推进，越来越来的中资企业“走出去”参与到全球基础设施建设中去。在参境外基础设施建设的同时，也必须充分了解当地工程采用的技术标准等问题，比如缅甸、柬埔寨、菲律宾等国家尚未建立属于本国家的标准体系，而采用的美国标准。而对于岩土工程行业从业者来说，在这些国家开展勘察业务的时候，需要充分研究美国标准，明确美国岩土工程勘察规范的相关规定，解译各种勘察手段和测试手段的测试方法、实施原理、适用范围和技术要求等，才能够更好满足业主方或监理的技术要求，深入参与到所在国家的工程建设当中去。本文结合工程实践，以原状土取土设备为例，对于中国规范《工程地质手册》和《美国陆军工程兵团工程与设计岩土工程勘察规范》进行了对比分析和研究。

2原状土取土设备概述

关于钻孔过程中原状土取土设备，在中国规范《工程地质手册》第五版及相关规范中都有相当多的描述，主要以《工程地质手册》为主；美国规范《美国陆军工程兵团工程与设计岩土工程勘察》规范中也有相关的规定和描述，规定中既有相同的地方，也存在着较多差异。总体而言，原状土取土设备主要分为贯入式取土器和回转式取土器。

贯入式取土器分为开放式和活塞式式取土器，亦属于薄壁取土器类型，活塞式式取土器又分为固定活塞式取土器、自由活塞式取土器、水压式固定活塞式取土器（奥斯特伯格Osterberg型取土器。）

3开放式取土器

（1）相同处：

开放式取土器（敞口式取土器）是最简单的一类取土器，结构基本相同，包括止水球阀、固定螺钉以及薄壁器等，取土操作均比较简单，底部刃口为斜面或锥形，形成锋利的切削面，最主要缺点是操作时容易出现跑土逃土现象。该取土器针主要可以获取中等软硬程度的土壤。

（2）不同处：

美国规范中对于该类型取土器介绍比较详细，包含一些具体参数等，市场上常见的具有7.5或12.5厘米(3或5英寸)直径管的取土器头，取土器底部锥角一般为约10至15℃，一般常用的取土管或套管整形器具有的内部净空率为管内径的0至1.5%。《工程地质手册》中极少介绍性能和参数，主要说明国外的常用说法为谢尔贝取土管。

4活塞式取土器

（1）相同处

活塞式取土器两种规范中均包括自由活塞式取土器、固定活塞式取土器。自由活塞式取土器结构和操作比较简单，在到达取土深度时活塞均位于取土器底部，通过解锁活塞，然后土样随着活塞向上移动到取土器顶部。土样取出前，活塞被锁定在取土器顶部防止移动，有利于样品的回收。由于样品向上顶活塞时容易受到扰动，所以取土质量相对略低。

固定活塞式取土器，相当于在敞口活塞式取土器中增加一个活塞以及一套与之相连的活塞杆装置。活塞在取土前位于取土器刃口底部，基本与刃口齐平，在取土器推进之前、推进时和之后都被锁定在固定位置。取土时钻杆把取土管压入土体中，活塞在下放取土器时排开孔底浮土，向上提钻时隔绝上部水压和气压，防止逃土。固定活塞式取土器取土质量高，成功率比较高。

美标规范中提到的液压驱动型取土器（Osterberg取土器）与《工程地质手册》中水压固定活塞式取土器结构上基本一致，包含两个活塞，固定活塞和可活动活塞、活塞杆、压力缸、取土管等部件，容易操作和组装使用。到达取土位置后，固定活塞与取土器刃口齐平，然后钻机、活塞杆及其他外部装置固定好后，通过钻杆施加水压（或者气压），推动取土管前部可活动活塞向下压入土体中，压力从活塞杆下部的小孔释放并循环到泥浆池中。在使用前，应该仔细了解取土器结构和零件，确保正确使用和操作。

（2）不同处

美标规范活塞式取土器还包括可伸缩活塞式取土器，但规范中的介绍相关较少。美标中固定活塞式取土器根据驱动不同还分为两种类型，机械启动型和液压驱动型，机械启动型其中包括Hvorslev和Butters取土器。液压驱动型取土器包括Osterberg取土器及其改进型。

对于Hvorslev和Butters取土器，与固定活塞式取土器结构和操作模式基本一致，不同的是，在取土器到达取土深度后，需要通过地面上的活塞杆顺时针旋转来解锁活塞，然后钻杆通过钻机液压把取土管压入土体中，完成取土任务后，通过活塞杆逆时针旋转解锁活塞并将活塞杆与取土管分开，这样活塞杆就可以被取开。Hvorslev和Butters固定活塞式取土器含有较多零件和螺丝，在使用仪器之前，操作者应深入了解取土器的原理、调整和操作方法。精密零件如活塞锁定和松开装置和分叉锥钳和弹簧容易误用或不正确的组装会使取土器发生损伤事故。对于Hvorslev取土器，取土器头部设计为7.5厘米直径管，但不太容易用适配环和活塞扩大组件转换成12厘米直径管；而Butters取土器头部设计未7.5厘米直径推管，是可以利用适配环和活塞放大组件，转换成12.5厘米直径管来一起使用。

液压驱动型固定活塞式取土器，美标规范中还提到金属箔及弹力组织物取土器。瑞典金属箔取土器属于改进版固定活塞式取土器，取土器在推进过程中，上部的活塞始终保持静止状态，随着取土器压入土体，样品会被薄的金属箔片所包裹起来，以降低土样与取土管之间的摩擦。市场上主要由两种直径的金属箔取土器。

对于代尔夫特取土器，曾用于获取直径为30毫米的样品。当取土器被推进土体里，尼龙型增强塑料从取土器前部匣子中上展开包围样品的外部，因为增强塑料被展开，上面涂有的硫化液，然后将其储存在取土器的长筒管和外筒之间的盒子内。当涂层的长筒管接触到取土器内部的膨润土水浆，硫化液体就会凝固。结果是，土皮盒子变成一个水密容器，其防止土壤样品的侧向应变。

金属箔和内衬塑料取土器的主要缺点是操作费用比较昂贵，同时由于切削面积比较大而增加了样品扰动的可能性。

在《工程地质手册》中，贯入式取土器又包含了束节式取土器、黄土取土器和厚壁取土器。束节式取土器可以用来代替薄壁取土器，主要由球阀、废土管、半和取样管、衬管或环刀、束节取样管靴等组成。黄土取土器适用于湿陷性黄土和新近纪黄土。厚壁取土器，我过目前大多数单位使用的内装镀锌铁皮衬管的对分式取土器。这种取土器与国际上惯用的取土器相比，性能相差甚远，理想情况下，也只能取得Ⅱ级土样，并非高质量取土器。

5回转式取土器

（1）相同处

回转式取土器基本结构与岩芯钻探的双层岩芯管相同，分为单动和双动两类。

单动三重（二重）管取土器，类似岩芯钻探中的双层岩芯管，取土时外管旋转，内管不动。典型性型号为丹尼森（Denison）取土器，是双层单动取土器，在内管中可装上衬管，也称三重管取土器，适用于软土至中等硬度的土类。在钻孔中使用钻杆和钻井液，钻孔过程中钻液从钻杆内部流动到内管和外管之间的环形通道，然后从钻头流出来，清洗掉钻头表面的沉渣或者碎屑。该型号取土器结构主要包括外管、内管（取土管及衬管）、外管钻头、内管管靴、轴承、内管头（内装逆止阀）等。

皮切尔型（Pitcher）取土器是丹尼森取土器的改进型。丹尼森取土器需通过更换不同长度的外管钻头来改变内管的超前度。该型取土器中装有调节弹簧，其设在内头上方的内管和外管之间，弹簧加载的内管组件自动调整取土管的刀刃的相对位置，以适应被取土的岩层，这种取土器对软硬交替的土层尤为适用。

（2）不同处

美国规范中列举了，改进型的Denison取土器，用于获取坚硬砾石土壤和岩石样本。取土器设计主要为获取原状样品的尺寸为127毫米内径和133毫米外径钢管，该钢管后面可以被切割成段进行测试工作，而不需要把土壤从管中取出来。外管切割靴装置允许内管切割刀刃引导或跟随外管切割靴。内管适配器设有垫片以改变两个管的相对位置。带有内部或底部放置钻头带有碳化钨齿的岩芯管，对于钻探或者取土坚硬或者最坚硬土是非常适合的。切削齿相对于半径设置为20至30度，以产生切削动作，这种作用将会迫使切削产生的岩屑和钻井液离开岩芯管。也可以使用底部组件，这些组件允许使用篮子式或开扣环型岩芯提升器，以防止岩芯在提取过程中的损失。

美国规范介绍了空心阀杆螺旋取土器，该取土系统包括旋转外空心阀杆管(在其底部装有截齿)和非旋转内管(取土器)装有切削靴。其操作原理与旋转岩芯管取土器类似。固定的内管在旋转的外钻头之前在样品上滑动，从而扩大了样品上方的孔径，而多余岩屑被外管上的螺旋叶片提起来。

连续式空心杆螺旋取土系统的主要优点包括：在没有钻井液的干燥材料或者没有套管护壁的不稳定材料中钻进。当在地下水位以下进行螺旋钻操作时，空心杆内部始终保持静水压力，以防止钻孔的底部出现起伏和管涌。如果使用中心活塞时，应使用O形环以防止水进入螺旋钻杆。

6取砂器

《工程地质手册》中仅简单介绍了取砂器，分为内环刀取砂器和双管单动内环刀取砂器。内环刀取砂器构件主要包括接头、六角提杆、活塞式及O型密封圈、废土管、隔环、环刀、取砂筒和官靴。双管单动取砂器构件主要包括接头、弹簧、水冲口、回转总成、排气排水孔、钢球单向阀、外管钻头、环刀、隔环和官靴。

美国规范中提到的砂土取土器，Hvorslev (在1949)提出了几种方法，包括在泥浆护壁钻孔中使用薄壁固定活塞式取土器，使用压缩空气的开放式取土器，原位冻结或浸渍。然而这样的结果会使得原位砂土致密化。

Bishop(1948)制作了63毫米直径薄壁开放式驱动取土器，其主要为获取砂样而设计。取土器配备了排气孔和隔膜单向阀。整个取土器被封装在压缩空气罩中，该空气压缩罩在地面连接空气压缩机。为了进行操作，将带有压缩空气罩的取土器降至清洁后的钻孔的底部，将取土管从压缩空气罩推出来，进入原状土中。在钻杆与取土器分开并从钻孔移出来后，将压缩空气打入空气罩中。当气泡开始通过钻井液升到表面，所有钻井液被压迫出压缩空气罩。将装有样品的取土管从原位地层拉出进入罩中，然后将整个组件通过缆绳快速拉回到地面。该操作使用了在砂的空气和水界面上的拱起和毛细管压力的原理，将样品保留在试管内，并减少样品的损失。

此外，振动取土器已经被用于获取饱和的细沙和粉砂的样本。利用振动方法取土的原理包括使取土管附近的材可能会发生液化，而不是施加大的压力推动取土管。因为靠近取土管的材料可能会发生液化，样品会受到严重扰动。从而，使用振动取土方法对于获得砂土的原状样品结果也很不令人满意。

7结束语

本文仅以原状土取土设备为例，重点对于《工程地质手册》和《美国陆军工程兵团工程与设计岩土工程勘察规范》中的相关章节和内容进行分析和研究，对于从事境外岩土工程勘察行业的技术人员来说有一定的借鉴意义。如果长期从事境外工程研究的话，还需要结合海外工程实践经验，进行更加深入的研究和分析，对于提高海外工程勘察设计工作效率有着重要的作用，也是中国企业“走出去”实现相互理解和紧密合作的重要技术支撑。

参考文献:

[1]《工程地质手册》第5版[M].中国建筑工业出版社，2018.4.

[2]《US Army Corps of Engineers Engineering and Design Geotechnical Investigations》[M].2001.January 1

[3]《欧美岩土工程勘察标准解读》刘为民,丁小军,谷志文等.[M].中国建筑工业出版社，2018.7.

[4]《岩土工程勘察》王贵荣,唐亦川等.[M].西北工业大学出版社，2007.8.