用于砂土层连续采样的柔性软袋式钻取采样技术研究

田 野 陈萌萌 杨 飞 侯绪研 唐钧跃 邓宗全

(1.哈尔滨商业大学轻工学院， 哈尔滨 150028； 2.哈尔滨工业大学机电工程学院， 哈尔滨 150006)

0 引言

农业、建筑以及环境污染研究等领域中，为了分析砂土层的天然形成结构、含水率并测定其容重、天然孔隙比等物理力学性质指标，需要对砂土层进行采样。取土器的结构形式有皮切尔(Pitcher)、丹尼森(Denison)型、双管单活门型等[1-3]，但其采样原理均属于环刀压入式，即借助人工或机械、液压等动力在轴向上产生压力，将环刀或末端取样器压入地表以下。由于砂土颗粒与环刀的相互摩擦阻力作用，以及颗粒物质进入管内形成的力链效应，导致传统取土采样方法每次采集的深度有限，无法保持样品连续的层序信息，采样效率低、成本高。

目前对于砂土采样的方法及设备研究主要围绕传统环刀压入式硬质管采样方式对原位砂土的扰动影响。吴跃东等[4]通过观测取土器贯入过程中土体扰动的变形，得到取土器内径和贯入速率对土样扰动影响规律；李艳洁等[5]基于离散元仿真模拟方法，研究了圆锥形设备贯入砂土时，贯入力和圆锥结构尺寸对周边砂土的原始状态产生的破坏和扰动影响及范围；WUEST等[6]提出了一种采集浅层(0～30 mm)砂土样品的采样器，可将圆柱采样器内部样品推出，减小样品出管后的直线膨胀，提高砂土采集效率。但上述研究均未能解决传统环刀压入方法无法采集长度大于20 cm且具备连续层序信息样品的问题。砂土层颗粒之间内聚力小，极易产生相对滑动，采用传统环刀压入采样方法会影响其原位状态，因此，本文基于我国探月采样任务的钻取装置研究基础[7-11]，提出一种针对砂土层连续采样的柔性软袋式取芯技术。建立砂土颗粒与钻具相互作用模型，结合仿真模拟对比两种取芯方法，通过砂土取芯试验验证理论分析及钻进取芯方案的可行性。

1 采样装置结构与工作原理

针对砂土层连续采样的柔性软袋式钻取装置由取芯钻头、螺旋钻杆、取芯机构、钻机及进尺驱动装置、导轨和支撑座等组成，如图1所示。

图1 采样钻具结构示意图Fig.1 Structure composition of sampling drilling tool1.支撑座 2.牵引钢丝 3.进尺驱动装置 4.导轨 5.拉力传感器 6.回转电机 7.柔性软袋拉绳 8.取芯机构 9.柔性软袋 10.螺旋钻杆 11.取芯钻头 12.取芯钻具 13.柔性软袋接头 14.拉绳 15.保持心管

取芯机构由柔性软袋、保持心管、柔性软袋接头和拉绳组成，钻杆末端与回转钻机相连，在进尺电机的作用下，钻具对砂土层进行破碎钻进。

如图2所示，柔性软袋包覆在保持心管的外壁并安装在空心钻杆内部，其上端通过柔性软袋拉绳与固定吊点相连接，当钻进到指定深度后，提拉柔性软袋拉绳进行封口，拉绳的末端事先交织在柔性软袋上以系扣的方式进行封口，为提高采样成功率，采用两级封口。继续提拉软袋拉绳，可将装有砂土样芯的柔性软袋提出。

图2 柔性软袋式采样装置工作过程示意图Fig.2 Work process of flexible bag type sample device1.柔性袋拉绳 2.地表 3.砂土 4.钻头 5.柔性袋 6.柔性袋接头 7.螺旋钻杆 8.封口系扣 9.保持心管

2 柔性软袋式取芯钻具与砂土相互作用机理分析

2.1 砂土切削的失效模型

假设砂土的失效满足莫尔-库伦破坏准则，成分均一、各向同性且忽略砂土的惯性力。单一切削具切削砂土过程中，通过二维受力分析即可求解中心失效区所对应的切削力Pc，中心失效区的受力分析如图3所示，d为切削深度(底出刃)；q为法向压力；δ为钻具-砂土摩擦角；β为砂土失效角，即切削具前端砂土破坏线BC与土体表面所呈的夹角；α为切削具切削角；φ为砂土内摩擦角；c为砂土内聚力；Rc为砂土破坏面所受压力。

图3 中心失效区受力模型Fig.3 Stress model of central failure zone

根据极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——切削具宽度γ——砂土容重

r——样芯中心到钻头内侧的距离

由于砂土颗粒之间相互粘结和嵌入，导致钻头的切削刃在破碎砂土时，除了切削刃前刀面砂土产生中心破碎区外，在其侧面还会产生侧向失效区[12]，该区域会对样芯边缘的颗粒原始位置产生影响，如图4所示。图5所示为沿取芯钻具回转中心线方向的投影示意图，切削刃的水平切削力会使砂土形成中心失效区ABCD和两侧失效区AED、BCF3部分。位于切削刃内侧的侧向失效区AED部分与砂土样芯产生重叠进而扰动样芯。

图4 侧向失效区对样芯的影响关系示意图Fig.4 Schematic of influence of lateral failure zone on sample center

图5 副切削刃导致侧向失效的俯视图Fig.5 Top view of secondary cutting edge causing lateral failure

失效表层近似为扇形，由已知的中心破坏区长度r可以近似得到侧向失效区面积

(2)

2.2 取芯方式对砂土样芯的影响分析

图6a所示为去掉外层螺旋钻杆的柔性软袋取芯机构工作原理图，外层钻具的功能是破碎样芯周边的土壤，形成圆柱状的样芯，利于柔性软袋包裹样芯。如图6b所示，在柔性软袋上固定1～7个点，随着钻头、钻杆和保持心管的钻进动作，保持心管下降，柔性软袋从外部翻入保持心管内部包裹钻头破碎砂土后形成的砂土样芯。柔性软袋与土壤样芯不产生任何相对滑动，因此能够保持样芯的原始状态和层序信息。

图6 柔性软袋取芯原理图Fig.6 Flexible tube working principle

砂土颗粒具有离散性，使取芯钻头在钻进过程中仅能破碎样芯外侧砂土，而对进入其内部的土样，由于钻头内壁与砂土颗粒接触，且对样芯产生平面剪切作用[13]，使靠近阻隔环内壁的颗粒随其转动而运动，剪切力时刻与钻头内壁相切，因此不会对样芯的原始结构产生轴向应力。

由于砂土在被钻头切削后进入钻头内部时形成圆柱状样芯，因此以钻头底面进样口圆面的中心为原点，以其中心轴线为Z方向，建立圆柱坐标系[14]，如图7所示。

图7 钻头内部砂土微元旋转运动示意图Fig.7 Sketch of rotational motion of sand micro-element in bit1.取芯钻头 2.切削刃 3.砂土

砂土在受迫运动时会表现出类似流体的特性，因此对进入到钻头内部的小部分砂土建立连续性方程

(3)

式中vr——砂土径向速度

vθ——砂土周向速度

径向和周向的动量方程Mr和Mθ为

(4)

(5)

式中p——砂土样芯应力

由于场量分布与θ无关，Mθ可写为二阶常微分方程。根据欧拉定理结合边界条件，可得

vθ=ωrr

(6)

式中ωr——砂土颗粒转动角速度

当r=0时，vθ=0，表示位于中心线处的样芯颗粒速度为零；当r=r0时，vθ=ωrr，表示位于样芯最外侧与样芯接触的颗粒速度。

垂直土压力σz表达式为

(7)

式中D——软袋直径H——软袋长度

φ——砂土内摩擦角

K——砂土压力系数

柔性软袋式取芯方法能够保持样品的原有状态，而环刀式压入方法在样品进入的过程中砂土颗粒与样品管内壁会产生相对滑动，并且颗粒与颗粒之间相互挤压传递外力，使环刀式取芯装置的内外砂土中力链[15-16]效应明显。外形几何形态非规则的颗粒普遍客观地存在于自然界，无论环刀压入式或柔性软袋式取芯方式均会遇到非规则形态颗粒对样芯产生扰动情况，并且该影响随机性较大，因此为对比两种采样方式优劣，在对颗粒建模并仿真的过程中忽略了非规则形态颗粒影响。

为了减少取土器的结构对仿真对比结果的影响，本文采用了外螺旋式硬质环刀取土器，其结构参数与柔性袋取土器相同，两者不同的是环刀式内径光滑，而柔性软袋式的钻杆内部内置柔性软袋机构。仿真模拟时在柔性袋式取土器的内径上设置了“平移面模型”(moving plane)来等效柔性袋结构[17]，设定好平移面与颗粒的摩擦因数和速度(与进给速度大小相等、方向相反)。柔性袋式取土方法的原理是利用逐步内翻的柔性袋包裹住钻头切削后形成的砂土样芯，若从物理学的相对运动角度来看，样芯内的沙土颗粒相对于外界砂土是静止的，而相对于钻进的钻具是运动的，在采用EDEM进行仿真模拟时，需要对进入软袋的颗粒施加一个速度使其相对于外界颗粒静止、相对钻具运动，因此施加moving plane特征等效模拟柔性袋取土方法的原理。

分别对传统环刀与柔性软袋式进行对比仿真模拟，仿真参数如表1。其中颗粒的密度通过与实际砂土密度对比测量得到，剪切模量和泊松比参考文献[18-19]，接触参数如颗粒与颗粒间的恢复系数、静/动摩擦因数，颗粒与钻具之间的恢复系数、静/动摩擦因数，参照文献[20-21]。

表1 离散元模型仿真参数Tab.1 Parameters of discrete element model

图8是传统环刀式和柔性袋式砂土取样仿真始末时刻的剖视图，在开始仿真之前，对砂土进行分层(深度40 mm)并标定了不同的颜色以便于观察，如图8a所示。从图8b、8c的对比可以看出，进入环刀式取土器内部的砂土样芯高度明显低于柔性袋式取土方式内部的样芯高度，并且传统环刀内的砂土样芯与外部土层产生了“错层”现象，砂土样芯体积减小,说明该方法对样芯产生了压缩并有部分样芯被排出，因此该方法取土相对于柔性袋方法对砂土样芯扰动影响较大。

图8 砂土取样仿真始末时刻剖视图Fig.8 Simulation of drilling sand

3 试验验证

图9 试验台结构原理图Fig.9 Test bench composition chart1.进尺电机 2.回转电机 3.力矩传感器 4.进尺力传感器 5.机架 6.采样取芯机具 7.砂土

为了验证理论分析的正确性，通过综合采样试验台对砂土采样的取芯率进行对比。取芯率是样芯的长度除以实际钻进的深度。试验台组成如图9所示[22]，装有回转电机和进尺电机为采样机具提供回转和直插运动，装有的回转力矩和进尺力传感器可实时采集采样过程中的力载信号。图10为综合采样试验台实物及钻进采样工作过程。图11为采样结束后柔性软袋装满砂土样芯的柔性软袋实物。图12、13为3次重复试验中某次试验的进尺力曲线，两幅数据曲线对比可知，柔性软袋式钻取采样所需的轴向力随深度增加趋于平稳，而环刀法的轴向力随深度的增加而增加。

图10 试验台实物及钻进采样过程Fig.10 Test rig and drilling sampling process

图11 装满砂土样芯的柔性软袋实物Fig.11 Flexible bag filled with sand sample core

图12 柔性软袋式取芯方式进尺力曲线Fig.12 Feed force curve of flexible tube sample method

图13 环刀压入式进尺力曲线Fig.13 Feed force curve of ring cut

试验对两种采样方式的采样率进行了对比，传统的环刀压入法采样压入压力分别为80、90、120、180 N，压入速度为0.001 m/s，压入深度为1 m；柔性软袋钻取采样以60、80、100、120 r/min回转速度，0.001 m/s的进尺速度钻进2 m深。

图14 取芯率对比Fig.14 Comparison diagram of coring rate

两类试验分别以运动参数划分成组，每组参数做3次试验，将取芯率取平均值，如图14所示。从图中可以看出，使用柔性软袋方法的取芯率明显高于环刀压入法。柔性袋方法取芯率随转速增加降幅10.4%，而环刀压入法随压力增加涨幅16.4%，说明柔性袋方法的砂土取芯采样受转速影响较小，方法稳定。这是由于柔性软袋方法对样芯的扰动小，样芯颗粒与采样器内部无相对运动，因此，可以保持样品的层序信息，明显提高取芯率，取芯率均值从13.08%提高到84.08%。

4 结论

(1)提出了柔性软袋式钻取采样技术，可实现针对砂土的连续钻进采样。通过在取芯率及采样深度方面与传统环刀压入法进行对比，验证了柔性袋式取芯技术的可行性及其理论分析的正确性。

(2)分析了柔性软袋式采样技术的工作机理，解释了其对砂土样芯扰动影响相对小的原因。

(3)通过对比试验，柔性袋方法的取芯率随转速的增加降低10.4%，环刀压入法随压力的增加提高16.4%，数据表明前者受转速影响较小，方法稳定。采用柔性袋方法取芯率均值可从传统方法的13.08%提高到84.08%。