用于砂土層連續采樣的柔性軟袋式鉆取采樣技術研究

田 野 陳萌萌 楊 飛 侯緒研 唐鈞躍 鄧宗全

(1.哈爾濱商業大學輕工學院， 哈爾濱 150028； 2.哈爾濱工業大學機電工程學院， 哈爾濱 150006)

0 引言

農業、建筑以及環境污染研究等領域中，為了分析砂土層的天然形成結構、含水率并測定其容重、天然孔隙比等物理力學性質指標，需要對砂土層進行采樣。取土器的結構形式有皮切爾(Pitcher)、丹尼森(Denison)型、雙管單活門型等[1-3]，但其采樣原理均屬于環刀壓入式，即借助人工或機械、液壓等動力在軸向上產生壓力，將環刀或末端取樣器壓入地表以下。由于砂土顆粒與環刀的相互摩擦阻力作用，以及顆粒物質進入管內形成的力鏈效應，導致傳統取土采樣方法每次采集的深度有限，無法保持樣品連續的層序信息，采樣效率低、成本高。

目前對于砂土采樣的方法及設備研究主要圍繞傳統環刀壓入式硬質管采樣方式對原位砂土的擾動影響。吳躍東等[4]通過觀測取土器貫入過程中土體擾動的變形，得到取土器內徑和貫入速率對土樣擾動影響規律；李艷潔等[5]基于離散元仿真模擬方法，研究了圓錐形設備貫入砂土時，貫入力和圓錐結構尺寸對周邊砂土的原始狀態產生的破壞和擾動影響及范圍；WUEST等[6]提出了一種采集淺層(0～30 mm)砂土樣品的采樣器，可將圓柱采樣器內部樣品推出，減小樣品出管后的直線膨脹，提高砂土采集效率。但上述研究均未能解決傳統環刀壓入方法無法采集長度大于20 cm且具備連續層序信息樣品的問題。砂土層顆粒之間內聚力小，極易產生相對滑動，采用傳統環刀壓入采樣方法會影響其原位狀態，因此，本文基于我國探月采樣任務的鉆取裝置研究基礎[7-11]，提出一種針對砂土層連續采樣的柔性軟袋式取芯技術。建立砂土顆粒與鉆具相互作用模型，結合仿真模擬對比兩種取芯方法，通過砂土取芯試驗驗證理論分析及鉆進取芯方案的可行性。

1 采樣裝置結構與工作原理

針對砂土層連續采樣的柔性軟袋式鉆取裝置由取芯鉆頭、螺旋鉆桿、取芯機構、鉆機及進尺驅動裝置、導軌和支撐座等組成，如圖1所示。

圖1 采樣鉆具結構示意圖Fig.1 Structure composition of sampling drilling tool1.支撐座 2.牽引鋼絲 3.進尺驅動裝置 4.導軌 5.拉力傳感器 6.回轉電機 7.柔性軟袋拉繩 8.取芯機構 9.柔性軟袋 10.螺旋鉆桿 11.取芯鉆頭 12.取芯鉆具 13.柔性軟袋接頭 14.拉繩 15.保持心管

取芯機構由柔性軟袋、保持心管、柔性軟袋接頭和拉繩組成，鉆桿末端與回轉鉆機相連，在進尺電機的作用下，鉆具對砂土層進行破碎鉆進。

如圖2所示，柔性軟袋包覆在保持心管的外壁并安裝在空心鉆桿內部，其上端通過柔性軟袋拉繩與固定吊點相連接，當鉆進到指定深度后，提拉柔性軟袋拉繩進行封口，拉繩的末端事先交織在柔性軟袋上以系扣的方式進行封口，為提高采樣成功率，采用兩級封口。繼續提拉軟袋拉繩，可將裝有砂土樣芯的柔性軟袋提出。

圖2 柔性軟袋式采樣裝置工作過程示意圖Fig.2 Work process of flexible bag type sample device1.柔性袋拉繩 2.地表 3.砂土 4.鉆頭 5.柔性袋 6.柔性袋接頭 7.螺旋鉆桿 8.封口系扣 9.保持心管

2 柔性軟袋式取芯鉆具與砂土相互作用機理分析

2.1 砂土切削的失效模型

假設砂土的失效滿足莫爾-庫倫破壞準則，成分均一、各向同性且忽略砂土的慣性力。單一切削具切削砂土過程中，通過二維受力分析即可求解中心失效區所對應的切削力Pc，中心失效區的受力分析如圖3所示，d為切削深度(底出刃)；q為法向壓力；δ為鉆具-砂土摩擦角；β為砂土失效角，即切削具前端砂土破壞線BC與土體表面所呈的夾角；α為切削具切削角；φ為砂土內摩擦角；c為砂土內聚力；Rc為砂土破壞面所受壓力。

圖3 中心失效區受力模型Fig.3 Stress model of central failure zone

根據極限平衡原理得到平衡方程，求得Pc在水平方向的分量Hc，即水平切削力

(1)

式中w——切削具寬度γ——砂土容重

r——樣芯中心到鉆頭內側的距離

由于砂土顆粒之間相互粘結和嵌入，導致鉆頭的切削刃在破碎砂土時，除了切削刃前刀面砂土產生中心破碎區外，在其側面還會產生側向失效區[12]，該區域會對樣芯邊緣的顆粒原始位置產生影響，如圖4所示。圖5所示為沿取芯鉆具回轉中心線方向的投影示意圖，切削刃的水平切削力會使砂土形成中心失效區ABCD和兩側失效區AED、BCF3部分。位于切削刃內側的側向失效區AED部分與砂土樣芯產生重疊進而擾動樣芯。

圖4 側向失效區對樣芯的影響關系示意圖Fig.4 Schematic of influence of lateral failure zone on sample center

圖5 副切削刃導致側向失效的俯視圖Fig.5 Top view of secondary cutting edge causing lateral failure

失效表層近似為扇形，由已知的中心破壞區長度r可以近似得到側向失效區面積

(2)

2.2 取芯方式對砂土樣芯的影響分析

圖6a所示為去掉外層螺旋鉆桿的柔性軟袋取芯機構工作原理圖，外層鉆具的功能是破碎樣芯周邊的土壤，形成圓柱狀的樣芯，利于柔性軟袋包裹樣芯。如圖6b所示，在柔性軟袋上固定1～7個點，隨著鉆頭、鉆桿和保持心管的鉆進動作，保持心管下降，柔性軟袋從外部翻入保持心管內部包裹鉆頭破碎砂土后形成的砂土樣芯。柔性軟袋與土壤樣芯不產生任何相對滑動，因此能夠保持樣芯的原始狀態和層序信息。

圖6 柔性軟袋取芯原理圖Fig.6 Flexible tube working principle

砂土顆粒具有離散性，使取芯鉆頭在鉆進過程中僅能破碎樣芯外側砂土，而對進入其內部的土樣，由于鉆頭內壁與砂土顆粒接觸，且對樣芯產生平面剪切作用[13]，使靠近阻隔環內壁的顆粒隨其轉動而運動，剪切力時刻與鉆頭內壁相切，因此不會對樣芯的原始結構產生軸向應力。

由于砂土在被鉆頭切削后進入鉆頭內部時形成圓柱狀樣芯，因此以鉆頭底面進樣口圓面的中心為原點，以其中心軸線為Z方向，建立圓柱坐標系[14]，如圖7所示。

圖7 鉆頭內部砂土微元旋轉運動示意圖Fig.7 Sketch of rotational motion of sand micro-element in bit1.取芯鉆頭 2.切削刃 3.砂土

砂土在受迫運動時會表現出類似流體的特性，因此對進入到鉆頭內部的小部分砂土建立連續性方程

(3)

式中vr——砂土徑向速度

vθ——砂土周向速度

徑向和周向的動量方程Mr和Mθ為

(4)

(5)

式中p——砂土樣芯應力

由于場量分布與θ無關，Mθ可寫為二階常微分方程。根據歐拉定理結合邊界條件，可得

vθ=ωrr

(6)

式中ωr——砂土顆粒轉動角速度

當r=0時，vθ=0，表示位于中心線處的樣芯顆粒速度為零；當r=r0時，vθ=ωrr，表示位于樣芯最外側與樣芯接觸的顆粒速度。

垂直土壓力σz表達式為

(7)

式中D——軟袋直徑H——軟袋長度

φ——砂土內摩擦角

K——砂土壓力系數

柔性軟袋式取芯方法能夠保持樣品的原有狀態，而環刀式壓入方法在樣品進入的過程中砂土顆粒與樣品管內壁會產生相對滑動，并且顆粒與顆粒之間相互擠壓傳遞外力，使環刀式取芯裝置的內外砂土中力鏈[15-16]效應明顯。外形幾何形態非規則的顆粒普遍客觀地存在于自然界，無論環刀壓入式或柔性軟袋式取芯方式均會遇到非規則形態顆粒對樣芯產生擾動情況，并且該影響隨機性較大，因此為對比兩種采樣方式優劣，在對顆粒建模并仿真的過程中忽略了非規則形態顆粒影響。

為了減少取土器的結構對仿真對比結果的影響，本文采用了外螺旋式硬質環刀取土器，其結構參數與柔性袋取土器相同，兩者不同的是環刀式內徑光滑，而柔性軟袋式的鉆桿內部內置柔性軟袋機構。仿真模擬時在柔性袋式取土器的內徑上設置了“平移面模型”(moving plane)來等效柔性袋結構[17]，設定好平移面與顆粒的摩擦因數和速度(與進給速度大小相等、方向相反)。柔性袋式取土方法的原理是利用逐步內翻的柔性袋包裹住鉆頭切削后形成的砂土樣芯，若從物理學的相對運動角度來看，樣芯內的沙土顆粒相對于外界砂土是靜止的，而相對于鉆進的鉆具是運動的，在采用EDEM進行仿真模擬時，需要對進入軟袋的顆粒施加一個速度使其相對于外界顆粒靜止、相對鉆具運動，因此施加moving plane特征等效模擬柔性袋取土方法的原理。

分別對傳統環刀與柔性軟袋式進行對比仿真模擬，仿真參數如表1。其中顆粒的密度通過與實際砂土密度對比測量得到，剪切模量和泊松比參考文獻[18-19]，接觸參數如顆粒與顆粒間的恢復系數、靜/動摩擦因數，顆粒與鉆具之間的恢復系數、靜/動摩擦因數，參照文獻[20-21]。

表1 離散元模型仿真參數Tab.1 Parameters of discrete element model

圖8是傳統環刀式和柔性袋式砂土取樣仿真始末時刻的剖視圖，在開始仿真之前，對砂土進行分層(深度40 mm)并標定了不同的顏色以便于觀察，如圖8a所示。從圖8b、8c的對比可以看出，進入環刀式取土器內部的砂土樣芯高度明顯低于柔性袋式取土方式內部的樣芯高度，并且傳統環刀內的砂土樣芯與外部土層產生了“錯層”現象，砂土樣芯體積減小,說明該方法對樣芯產生了壓縮并有部分樣芯被排出，因此該方法取土相對于柔性袋方法對砂土樣芯擾動影響較大。

圖8 砂土取樣仿真始末時刻剖視圖Fig.8 Simulation of drilling sand

3 試驗驗證

圖9 試驗臺結構原理圖Fig.9 Test bench composition chart1.進尺電機 2.回轉電機 3.力矩傳感器 4.進尺力傳感器 5.機架 6.采樣取芯機具 7.砂土

為了驗證理論分析的正確性，通過綜合采樣試驗臺對砂土采樣的取芯率進行對比。取芯率是樣芯的長度除以實際鉆進的深度。試驗臺組成如圖9所示[22]，裝有回轉電機和進尺電機為采樣機具提供回轉和直插運動，裝有的回轉力矩和進尺力傳感器可實時采集采樣過程中的力載信號。圖10為綜合采樣試驗臺實物及鉆進采樣工作過程。圖11為采樣結束后柔性軟袋裝滿砂土樣芯的柔性軟袋實物。圖12、13為3次重復試驗中某次試驗的進尺力曲線，兩幅數據曲線對比可知，柔性軟袋式鉆取采樣所需的軸向力隨深度增加趨于平穩，而環刀法的軸向力隨深度的增加而增加。

圖10 試驗臺實物及鉆進采樣過程Fig.10 Test rig and drilling sampling process

圖11 裝滿砂土樣芯的柔性軟袋實物Fig.11 Flexible bag filled with sand sample core

圖12 柔性軟袋式取芯方式進尺力曲線Fig.12 Feed force curve of flexible tube sample method

圖13 環刀壓入式進尺力曲線Fig.13 Feed force curve of ring cut

試驗對兩種采樣方式的采樣率進行了對比，傳統的環刀壓入法采樣壓入壓力分別為80、90、120、180 N，壓入速度為0.001 m/s，壓入深度為1 m；柔性軟袋鉆取采樣以60、80、100、120 r/min回轉速度，0.001 m/s的進尺速度鉆進2 m深。

圖14 取芯率對比Fig.14 Comparison diagram of coring rate

兩類試驗分別以運動參數劃分成組，每組參數做3次試驗，將取芯率取平均值，如圖14所示。從圖中可以看出，使用柔性軟袋方法的取芯率明顯高于環刀壓入法。柔性袋方法取芯率隨轉速增加降幅10.4%，而環刀壓入法隨壓力增加漲幅16.4%，說明柔性袋方法的砂土取芯采樣受轉速影響較小，方法穩定。這是由于柔性軟袋方法對樣芯的擾動小，樣芯顆粒與采樣器內部無相對運動，因此，可以保持樣品的層序信息，明顯提高取芯率，取芯率均值從13.08%提高到84.08%。

4 結論

(1)提出了柔性軟袋式鉆取采樣技術，可實現針對砂土的連續鉆進采樣。通過在取芯率及采樣深度方面與傳統環刀壓入法進行對比，驗證了柔性袋式取芯技術的可行性及其理論分析的正確性。

(2)分析了柔性軟袋式采樣技術的工作機理，解釋了其對砂土樣芯擾動影響相對小的原因。

(3)通過對比試驗，柔性袋方法的取芯率隨轉速的增加降低10.4%，環刀壓入法隨壓力的增加提高16.4%，數據表明前者受轉速影響較小，方法穩定。采用柔性袋方法取芯率均值可從傳統方法的13.08%提高到84.08%。