贯入式取土器：提升Ca值，改进活塞式取土器

4.3.2.1　贯入式取土器

1.贯入式取土器设计控制指标

贯入式取土器的两种取样管示于图4-10。

图4-10　取土器取样管

（1）面积比C_a:

对于无管靴的薄壁取土器，Dw＝D_t，故

式中:D_t——取样管外径；

D_s——取样管内径；

D_e——管靴刃口内径；

Dw——管靴外径。

C_a越大，被排挤的土愈多，挤进土样中的多余土也可能愈多，扰动的可能性愈大，因此，C_a值宜尽量减小，最好能减小到取土器结构强度所能允许的程度。一般薄壁取土器的C_a值应≤10%，采取低级别土样的厚壁取土器C_a值可达到30%。C_a值过大的缺陷可采用提高贯入速度、设置固定活塞、特别是减小刃口角度的办法来弥补。

（2）内间隙比C_i:

适当的C_i值可使内壁摩擦力减小，使扰动程度降低，但当C_i值过大，会使土样进入后过分膨胀，增加扰动，并造成逃土的可能性。因此对于短的取土器，C_i可取0%～1.0%；对于中等长度的取土器，C_i可取0.5%～3.0%。

C_i的最佳值随着土样直径的增大而减小。内壁光洁，刃口角度很小的取土管，C_i可降低至零。

（3）外间隙比C₀:

C₀增大可减小外壁摩擦力，使面积比C_a增大。所以，对于无黏性土，C₀可取零值。对黏性土，C₀值不大于2%～3%。薄壁取土器的C₀为零。

（4）取土器直径。

考虑取土方法、土层性质、环刀直径等因素后，取土器的内径应稍大于室内试验试样的直径。目前试样直径多采用φ50mm或φ80mm，相应的取土器直径宜采用φ75mm或φ110mm。在湿陷性黄土地区，取土器直径不应小于120mm，砂土可采用直径较小的取土器，以免提取时脱落土样。

（5）取土器长度L。

取土器长度决定于所谓“安全贯入深度”Hs。安全贯入深度Hs是指贯入深度H与进入管内的土样长度L保持正常比值（等于或略低于1.0）关系的贯入深度，应略小于极限贯入深度。国外对直径2～3in（1in＝0.025　4m）的取土器推荐的合适长度为:

对无黏性土

对黏性土

（6）刃口角度α。

刃口角度α是影响土样质量的重要因素。小的α值可在很大程度上弥补面积比C_a过大的缺陷。但α过小，要求使用良好的材质及加工处理技术，否则刃口易受损，寿命降低，成本提高。

不同壁厚的贯入式取土器技术规格见表4-6。

表4-6　不同壁厚取土器的技术规格

注:①取样管及衬管内壁必须光滑圆整，内壁加工光洁度应达▽5～▽6；②在特殊情况下取土器直径可增大至150～250mm。

2.各种贯入式取土器(www.xing528.com)

贯入式取土器可分为敞口取土器和活塞取土器两大类型。敞口取土器按管壁厚度分为厚壁和薄壁两种；活塞取土器则分为固定活塞、水压活塞、自由活塞等几种。

（1）敞口取土器。

国外称谢尔贝管，是最简单的取土器，其主要优点是结构简单，取样操作简便，缺点是对土样质量不易控制，且易于逃土。在取样管内加装内衬管的取土器称为敞口厚壁取土器（图4-11），其外管多采用半合管，易于卸出衬管和土样。其下接厚壁管靴，能应用于软硬变化范围很大的多种土类。由于壁厚，面积比C_a可达30%～40%，对土样扰动大，只能取得Ⅱ级以下的土样。薄壁取土器（图4-12）只用一薄壁无缝管作取样管，面积比可降低至10%以下，可作为采取Ⅰ级土样的取土器。薄壁取土器内不可能设衬管，一般是将取样管与土样一同封装运送到实验室。薄壁取土器只能用于软土或较疏松的土层取样。若土质过硬，取土器易于受损。

考虑到我国管材供应的实际问题，薄壁取土器难以完全普及，《岩土工程勘察规范》允许以束节式取土器代替薄壁取土器。这种束节式取土器（图4-13）是综合了厚壁和薄壁取土器的优点而设计的。将厚壁取土器下端刃口段改为薄壁管（此段薄壁管的长度一般不应短于刃口直径的3倍），能减轻厚壁管面积比的不利影响，取出的土样可达到或接近Ⅰ级。

（2）活塞取土器。

如果在敞口取土器的刃口部装一活塞，在下放取土器的过程中，使活塞与取样管的相对位置保持不变，即可排开孔底浮土，使取土器顺利达到预计取样位置。此后将活塞固定不动，贯入取样管，土样则相对地进入取样管，但土样顶端始终处于活塞之下，不可能产生凸起变形。回提取土器时，处于土样顶端的活塞既可隔绝上部水压、气压，也可以在土样与活塞之间保持一定的负压，防止土样失落而又不会出现过分的抽吸。依照这种原理制成的取土器称为活塞取土器。活塞取土器有以下几种。

图4-11　敞口厚壁取土器

1-球阀；2-废土管；3-半合壁取样管；4-衬管；5-加厚管靴

图4-12　敞口薄壁取土器1-球阀；2-固定螺丝；3-薄壁取样管

①固定活塞取土器。在敞口薄壁取土器内增加一个活塞以及一套与之相连接的活塞杆，活塞杆可通过取土器的头部并经由钻杆的中空延伸至地面（图4-14）；下放取土器时，活塞处于取样管刃口端部，活塞杆与钻杆同步下放，到达取样位置后，固定活塞杆与活塞，通过钻杆压入取样管进行取样。固定活塞薄壁取土器是目前国际上公认的高质量取土器，但因需要两套杆件，操作比较费事。其代表型号有Hvorslev型、NGI型等。

图4-13　束节式取土器

1-球阀；2-废土管；3-半合壁取样管；4-衬管或环刀；5-束节取样管靴

图4-14　固定活塞薄壁取土器1-固定活塞；2-薄壁取样管；3-活塞杆；4-消除真空管；5-固定螺钉

②水压固定活塞取土器。是针对固定活塞式取土器的缺点而制造的改进型。国外以其发明者命名为奥斯特伯格取土器，其特点是去掉了活塞杆，将活塞连接在钻杆底端，取样管则与另一套在活塞缸内的可动活塞联结，取样时通过钻杆施加水压，驱动活塞缸内的可动活塞，将取样管压入土中，其取样效果与固定活塞式相同，操作较为简单，但结构仍较复杂（图4-15）。

③自由活塞取土器。与固定活塞取土器不同之处在于活塞杆不延伸至地面，而只穿过接头，用弹簧锥卡予以控制，使活塞杆只能向上不能向下。取样时依靠土试样将活塞顶起，操作较为简单，但土试样上顶活塞时易受扰动，取样质量不及以上两种（图4-15）。

图4-15　水压固定活塞取土器

1-可动活塞；2-固定活塞；3-活塞杆；4-压力缸；5-竖向导管；6-取样管；7-衬管；8-取样管刃靴

图4-16　自由活塞取土器1-活塞；2-薄壁取样管；3-活塞杆；4-消除真空杆；5-弹簧锥卡

4.3.2.2　回转式取土器

回转式取土器有以下两种。

1.单动三重（二重）管取土器

类似于岩心钻探中的双层岩心管，取样时外管切削旋转，内管不动，故称单动。如在内管内再加衬管，则成为三重管。其代表型号为丹尼森（Denison）取土器（图4-17）。丹尼森取土器的改进型称为皮切尔（Pitcher）取土器（图4-18），其特点是内管刃口的超前值可通过一个竖向弹簧按土层软硬程度自动调节。单动三重管取土器可用于中等以至较硬的土层中。

2.双动三重（二重）管取土器

与单动不同之处在于取样时内管也旋转（图4-19），因此可切削进入坚硬的地层，一般适用于坚硬黏性土，密实砂砾以至软岩。但所取土样质量等级不及单动三重（二重）管取土器。