用于砂土層連續(xù)采樣的柔性軟袋式鉆取采樣技術(shù)研究

田 野 陳萌萌 楊 飛 侯緒研 唐鈞躍 鄧宗全

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院， 哈爾濱 150028； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 哈爾濱 150006)

0 引言

農(nóng)業(yè)、建筑以及環(huán)境污染研究等領(lǐng)域中，為了分析砂土層的天然形成結(jié)構(gòu)、含水率并測定其容重、天然孔隙比等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，需要對(duì)砂土層進(jìn)行采樣。取土器的結(jié)構(gòu)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(huán)刀壓入式，即借助人工或機(jī)械、液壓等動(dòng)力在軸向上產(chǎn)生壓力，將環(huán)刀或末端取樣器壓入地表以下。由于砂土顆粒與環(huán)刀的相互摩擦阻力作用，以及顆粒物質(zhì)進(jìn)入管內(nèi)形成的力鏈效應(yīng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)取土采樣方法每次采集的深度有限，無法保持樣品連續(xù)的層序信息，采樣效率低、成本高。

目前對(duì)于砂土采樣的方法及設(shè)備研究主要圍繞傳統(tǒng)環(huán)刀壓入式硬質(zhì)管采樣方式對(duì)原位砂土的擾動(dòng)影響。吳躍東等[4]通過觀測取土器貫入過程中土體擾動(dòng)的變形，得到取土器內(nèi)徑和貫入速率對(duì)土樣擾動(dòng)影響規(guī)律；李艷潔等[5]基于離散元仿真模擬方法，研究了圓錐形設(shè)備貫入砂土?xí)r，貫入力和圓錐結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)周邊砂土的原始狀態(tài)產(chǎn)生的破壞和擾動(dòng)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(nèi)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(tǒng)環(huán)刀壓入方法無法采集長度大于20 cm且具備連續(xù)層序信息樣品的問題。砂土層顆粒之間內(nèi)聚力小，極易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，采用傳統(tǒng)環(huán)刀壓入采樣方法會(huì)影響其原位狀態(tài)，因此，本文基于我國探月采樣任務(wù)的鉆取裝置研究基礎(chǔ)[7-11]，提出一種針對(duì)砂土層連續(xù)采樣的柔性軟袋式取芯技術(shù)。建立砂土顆粒與鉆具相互作用模型，結(jié)合仿真模擬對(duì)比兩種取芯方法，通過砂土取芯試驗(yàn)驗(yàn)證理論分析及鉆進(jìn)取芯方案的可行性。

1 采樣裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

針對(duì)砂土層連續(xù)采樣的柔性軟袋式鉆取裝置由取芯鉆頭、螺旋鉆桿、取芯機(jī)構(gòu)、鉆機(jī)及進(jìn)尺驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)軌和支撐座等組成，如圖1所示。

圖1 采樣鉆具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure composition of sampling drilling tool1.支撐座 2.牽引鋼絲 3.進(jìn)尺驅(qū)動(dòng)裝置 4.導(dǎo)軌 5.拉力傳感器 6.回轉(zhuǎn)電機(jī) 7.柔性軟袋拉繩 8.取芯機(jī)構(gòu) 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(jī)構(gòu)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(zhuǎn)鉆機(jī)相連，在進(jìn)尺電機(jī)的作用下，鉆具對(duì)砂土層進(jìn)行破碎鉆進(jìn)。

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(nèi)部，其上端通過柔性軟袋拉繩與固定吊點(diǎn)相連接，當(dāng)鉆進(jìn)到指定深度后，提拉柔性軟袋拉繩進(jìn)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(jìn)行封口，為提高采樣成功率，采用兩級(jí)封口。繼續(xù)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(jī)理分析

2.1 砂土切削的失效模型

假設(shè)砂土的失效滿足莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)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(qū)所對(duì)應(yīng)的切削力Pc，中心失效區(qū)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(nèi)摩擦角；c為砂土內(nèi)聚力；Rc為砂土破壞面所受壓力。

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

根據(jù)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(nèi)側(cè)的距離

由于砂土顆粒之間相互粘結(jié)和嵌入，導(dǎo)致鉆頭的切削刃在破碎砂土?xí)r，除了切削刃前刀面砂土產(chǎn)生中心破碎區(qū)外，在其側(cè)面還會(huì)產(chǎn)生側(cè)向失效區(qū)[12]，該區(qū)域會(huì)對(duì)樣芯邊緣的顆粒原始位置產(chǎn)生影響，如圖4所示。圖5所示為沿取芯鉆具回轉(zhuǎn)中心線方向的投影示意圖，切削刃的水平切削力會(huì)使砂土形成中心失效區(qū)ABCD和兩側(cè)失效區(qū)AED、BCF3部分。位于切削刃內(nèi)側(cè)的側(cè)向失效區(qū)AED部分與砂土樣芯產(chǎn)生重疊進(jìn)而擾動(dòng)樣芯。

圖4 側(cè)向失效區(qū)對(duì)樣芯的影響關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic of influence of lateral failure zone on sample center

圖5 副切削刃導(dǎo)致側(cè)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(qū)長度r可以近似得到側(cè)向失效區(qū)面積

(2)

2.2 取芯方式對(duì)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(jī)構(gòu)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(gè)點(diǎn)，隨著鉆頭、鉆桿和保持心管的鉆進(jìn)動(dòng)作，保持心管下降，柔性軟袋從外部翻入保持心管內(nèi)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(chǎn)生任何相對(duì)滑動(dòng)，因此能夠保持樣芯的原始狀態(tài)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(jìn)過程中僅能破碎樣芯外側(cè)砂土，而對(duì)進(jìn)入其內(nèi)部的土樣，由于鉆頭內(nèi)壁與砂土顆粒接觸，且對(duì)樣芯產(chǎn)生平面剪切作用[13]，使靠近阻隔環(huán)內(nèi)壁的顆粒隨其轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，剪切力時(shí)刻與鉆頭內(nèi)壁相切，因此不會(huì)對(duì)樣芯的原始結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向應(yīng)力。

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

圖7 鉆頭內(nèi)部砂土微元旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出類似流體的特性，因此對(duì)進(jìn)入到鉆頭內(nèi)部的小部分砂土建立連續(xù)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(dòng)量方程Mr和Mθ為

(4)

(5)

式中p——砂土樣芯應(yīng)力

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

vθ=ωrr

(6)

式中ωr——砂土顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

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

垂直土壓力σz表達(dá)式為

(7)

式中D——軟袋直徑H——軟袋長度

φ——砂土內(nèi)摩擦角

K——砂土壓力系數(shù)

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

為了減少取土器的結(jié)構(gòu)對(duì)仿真對(duì)比結(jié)果的影響，本文采用了外螺旋式硬質(zhì)環(huán)刀取土器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與柔性袋取土器相同，兩者不同的是環(huán)刀式內(nèi)徑光滑，而柔性軟袋式的鉆桿內(nèi)部內(nèi)置柔性軟袋機(jī)構(gòu)。仿真模擬時(shí)在柔性袋式取土器的內(nèi)徑上設(shè)置了“平移面模型”(moving plane)來等效柔性袋結(jié)構(gòu)[17]，設(shè)定好平移面與顆粒的摩擦因數(shù)和速度(與進(jìn)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(nèi)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(xué)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度來看，樣芯內(nèi)的沙土顆粒相對(duì)于外界砂土是靜止的，而相對(duì)于鉆進(jìn)的鉆具是運(yùn)動(dòng)的，在采用EDEM進(jìn)行仿真模擬時(shí)，需要對(duì)進(jìn)入軟袋的顆粒施加一個(gè)速度使其相對(duì)于外界顆粒靜止、相對(duì)鉆具運(yùn)動(dòng)，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(duì)傳統(tǒng)環(huán)刀與柔性軟袋式進(jìn)行對(duì)比仿真模擬，仿真參數(shù)如表1。其中顆粒的密度通過與實(shí)際砂土密度對(duì)比測量得到，剪切模量和泊松比參考文獻(xiàn)[18-19]，接觸參數(shù)如顆粒與顆粒間的恢復(fù)系數(shù)、靜/動(dòng)摩擦因數(shù)，顆粒與鉆具之間的恢復(fù)系數(shù)、靜/動(dòng)摩擦因數(shù)，參照文獻(xiàn)[20-21]。

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

圖8是傳統(tǒng)環(huán)刀式和柔性袋式砂土取樣仿真始末時(shí)刻的剖視圖，在開始仿真之前，對(duì)砂土進(jìn)行分層(深度40 mm)并標(biāo)定了不同的顏色以便于觀察，如圖8a所示。從圖8b、8c的對(duì)比可以看出，進(jìn)入環(huán)刀式取土器內(nèi)部的砂土樣芯高度明顯低于柔性袋式取土方式內(nèi)部的樣芯高度，并且傳統(tǒng)環(huán)刀內(nèi)的砂土樣芯與外部土層產(chǎn)生了“錯(cuò)層”現(xiàn)象，砂土樣芯體積減小,說明該方法對(duì)樣芯產(chǎn)生了壓縮并有部分樣芯被排出，因此該方法取土相對(duì)于柔性袋方法對(duì)砂土樣芯擾動(dòng)影響較大。

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

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖9 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.9 Test bench composition chart1.進(jìn)尺電機(jī) 2.回轉(zhuǎn)電機(jī) 3.力矩傳感器 4.進(jìn)尺力傳感器 5.機(jī)架 6.采樣取芯機(jī)具 7.砂土

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，通過綜合采樣試驗(yàn)臺(tái)對(duì)砂土采樣的取芯率進(jìn)行對(duì)比。取芯率是樣芯的長度除以實(shí)際鉆進(jìn)的深度。試驗(yàn)臺(tái)組成如圖9所示[22]，裝有回轉(zhuǎn)電機(jī)和進(jìn)尺電機(jī)為采樣機(jī)具提供回轉(zhuǎn)和直插運(yùn)動(dòng)，裝有的回轉(zhuǎn)力矩和進(jìn)尺力傳感器可實(shí)時(shí)采集采樣過程中的力載信號(hào)。圖10為綜合采樣試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物及鉆進(jìn)采樣工作過程。圖11為采樣結(jié)束后柔性軟袋裝滿砂土樣芯的柔性軟袋實(shí)物。圖12、13為3次重復(fù)試驗(yàn)中某次試驗(yàn)的進(jìn)尺力曲線，兩幅數(shù)據(jù)曲線對(duì)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(wěn)，而環(huán)刀法的軸向力隨深度的增加而增加。

圖10 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物及鉆進(jìn)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(shí)物Fig.11 Flexible bag filled with sand sample core

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

圖13 環(huán)刀壓入式進(jìn)尺力曲線Fig.13 Feed force curve of ring cut

試驗(yàn)對(duì)兩種采樣方式的采樣率進(jìn)行了對(duì)比，傳統(tǒng)的環(huán)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(zhuǎn)速度，0.001 m/s的進(jìn)尺速度鉆進(jìn)2 m深。

圖14 取芯率對(duì)比Fig.14 Comparison diagram of coring rate

兩類試驗(yàn)分別以運(yùn)動(dòng)參數(shù)劃分成組，每組參數(shù)做3次試驗(yàn)，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(huán)刀壓入法。柔性袋方法取芯率隨轉(zhuǎn)速增加降幅10.4%，而環(huán)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(zhuǎn)速影響較小，方法穩(wěn)定。這是由于柔性軟袋方法對(duì)樣芯的擾動(dòng)小，樣芯顆粒與采樣器內(nèi)部無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(jié)論

(1)提出了柔性軟袋式鉆取采樣技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)砂土的連續(xù)鉆進(jìn)采樣。通過在取芯率及采樣深度方面與傳統(tǒng)環(huán)刀壓入法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了柔性袋式取芯技術(shù)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(shù)的工作機(jī)理，解釋了其對(duì)砂土樣芯擾動(dòng)影響相對(duì)小的原因。

(3)通過對(duì)比試驗(yàn)，柔性袋方法的取芯率隨轉(zhuǎn)速的增加降低10.4%，環(huán)刀壓入法隨壓力的增加提高16.4%，數(shù)據(jù)表明前者受轉(zhuǎn)速影響較小，方法穩(wěn)定。采用柔性袋方法取芯率均值可從傳統(tǒng)方法的13.08%提高到84.08%。