一种岩土智能取样装置的制作方法

本发明涉及地层勘查取样领域，具体涉及一种岩土智能取样装置。

背景技术：

1、目前，岩土工程勘查中常用的取样设备主要包括单管取心钻具、双管单动取心钻具及三重管取心钻具等，这些设备通常依赖固定的机械结构和人工操作的钻进、取样流程完成作业，在实际应用中，地层岩性及分层界面的识别多依赖于事先获取的区域地质资料，存在较大的推测性和不确定性，部分现场操作会借助随钻测量装置采集钻压、扭矩等参数，但数据需上传至地面并由经验丰富的人员进行分析判断，难以实现实时、自动化的地层响应。

2、在取样方式上，钻具普遍采用“先钻进、后提拉取样”的作业模式，即完成钻孔后直接提拉取样管，使样品与地层之间的连接面未被彻底切断，由于样品底部仍与地层相连，提拉过程中不可避免地产生扰动，尤其在软土、松散砂层、破碎带等复杂地层中，样品易发生结构破坏、层理紊乱、含水率失真等问题，导致原状岩土样品的有效采取率低、扰动率高，难以满足室内土工试验对样品原状性的严格要求。

3、此外，传统设备的钻进系统与取样机构共用同一传动与支撑结构，取样过程中无法有效隔绝钻进系统带来的振动、进给、旋转等扰动因素，进一步的加剧样品的结构损伤，缺乏对不同地层特征的智能响应能力，使得取样参数（如切断深度、提升方式等）无法根据实际地层类型进行自适应调整，限制复杂地质条件下原状样品的可靠获取。

4、为此，本发明提出一种岩土智能取样装置，主要针对如何实现对样品底部的完全切断、避免提拉扰动、解耦钻进与取样动作，并具备地层自适应的智能控制能力，是当前岩土勘查取样领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对“先取样后提拉”的方式，使得样品与地层未完全切断，提拉扰动导致的原状岩土样品结构破坏和参数失真，目的在于设置一种岩土智能取样装置，用于解决上述技术问题。

2、本发明提供下述装置：一种岩土智能取样装置，包括钻具本体和设置于钻具本体内部的环切组件和取样提升结构；

3、钻具本体，包括三层同轴包覆的嵌套管体结构，其包括由外向内依次包覆的外套管、钻杆本体和内层管，内层管内中部开设有圆柱形空腔结构的采样仓；

4、驱动杆，轴向且竖直活动安装于内层管中部并对应采样仓的轴向位置，驱动杆设置有第一工作状态和第二工作状态；

5、取样提升结构，包括设置于内层管内侧上端的提升卡孔，驱动杆对应提升卡孔的外侧安装有锁止座，锁止座内沿径向安装有与提升卡孔相匹配的锁止板；

6、环切组件，设置于内层管内部的下端，包括圆周阵列设置的多个分切刀以及上凸轮与下凸轮，下凸轮安装于内层管下端的空腔内并与分切刀连接，上凸轮沿斜面竖直活动安装于下凸轮外侧。

7、第一工作状态时，也即环切切断阶段：根据预先获取或随钻判断的地层特征如软土、硬岩，控制系统指令气缸二输出预设的伸缩行程，对换向杆的向下移动距离进行限位，随后，取样油缸启动，驱动驱动杆竖直向下移动，通过密封活塞、传动杆、换向杆推动上凸轮沿下凸轮斜面下滑，斜面作用将轴向运动转化为下凸轮的径向收缩，带动四片分切刀同步向心收拢，对样品底部进行360°环形切削；

8、第二工作状态前段，也即样品环切切断完成后的锁通联动阶段：在环切完成后，取样油缸反向动作，驱动杆带动分切刀及上方已切断的圆柱状样品微向上移，直至样品上端面与密封活塞下端面贴合，此时，控制系统触发气缸一，气缸一推动上凸杆移动，释放对下凸卡杆的顶推力，在回复弹簧的弹力作用下，下凸卡杆径向向外弹出，精准卡入密封活塞内侧的卡槽中，实现驱动杆与密封活塞的刚性互锁。

9、进一步的，机架，设置于地面上的钻具驱动主体上，其下端通过联动杆与钻具本体相连接。

10、进一步的，采样仓内轴向活动设置有密封活塞，密封活塞的上端安装有传动杆，传动杆反向贯穿内层管连接有换向杆，换向杆的下端与上凸轮的上侧连接。

11、进一步的，驱动杆延伸至采样仓内部的端部安装有用于与密封活塞实现可分离式刚性互锁的锁通结构；

12、锁通结构包括开设于密封活塞内侧下端的卡槽、嵌设于驱动杆下端的气缸一、与气缸一输出端连接的上凸杆，以及径向移动安装于上凸杆下端并与卡槽相匹配的下凸卡杆；

13、下凸卡杆与下凸轮的内环侧之间安装有用于为下凸卡杆提供径向复位动力的回复弹簧。

14、进一步的，内层管内侧上端开设有提升卡孔，驱动杆对应提升卡孔的外侧安装有锁止座，锁止座内沿径向安装有与提升卡孔相匹配的锁止板，用于在样品提升阶段实现驱动杆与内层管的相对固定。

15、进一步的，内层管对应密封活塞的上端安装有与传动杆顶面对接的限位凸台，限位凸台的底部安装有气缸二，气缸二的伸缩行程用于限制换向杆的轴向移动距离，从而控制分切刀的环切深度，实现不同地层的取样。

16、进一步的，机架内侧中部安装有作为独立动力源的取样油缸，取样油缸的输出端与驱动杆相连接，用于实现取样动作或钻进动作。

17、进一步的，钻杆本体的下端安装有锁接的钻头本体，钻头本体的外刃面与外套管下端的外斜面相重合，形成用于防止孔壁坍塌并保证取样同轴精度的护壁联动结构。

18、进一步的，与钻具本体相通讯连接有智能取样控制系统，智能取样控制系统包括：

19、地层特征获取单元，用于获取目标地层的类型特征数据，类型特征数据包括软土层、硬岩层或破碎带中的至少一种，并将类型特征数据发送至环切深度调控单元；

20、环切深度调控单元，用于根据接收到的类型特征数据，生成对应的环切深度调控指令，并将环切深度控制指令发送至气缸二，以限制换向杆的轴向移动距离，从而控制分切刀的径向环切深度；

21、锁通控制单元，用于在环切组件完成样品底部切断后，生成锁通控制信号并发送至气缸一，驱动下凸卡杆径向卡入密封活塞的卡槽中，实现驱动杆与密封活塞的刚性互锁并生成提样信号发送至取样提升控制单元；

22、取样提升控制单元接收到提样信号后控制取样油缸驱动驱动杆向上移动，并在锁止座与提升卡孔对位时，控制锁止板径向伸出，完成整体提样动作。

23、本发明具备下述有益效果：

24、1、 通过由分切刀、上凸轮、下凸轮组成的环切组件，将驱动杆的轴向动力高效、可靠地转化为径向环切动力，实现对样品底部的360°完全切断，彻底摒弃传统的“提拉切断”方式，结合密封活塞与取样仓的精密密封设计，从物理动作根源上避免样品在切断和提升过程中的结构扰动与污染。

25、2、 还利用取样油缸作为独立的动力源，专门负责取样过程中的环切与推样动作，与钻具驱动主体的钻进动力系统完全解耦，配合三层同轴嵌套结构的高刚性设计，以及钻头本体与外套管的护壁联动，在取样时可确保钻具整体稳定静止，杜绝钻进振动、进给等扰动因素，提升样品原状性。

26、3、 还通过气缸二精准控制换向杆的行程，进而调节分切刀的径向环切深度，针对软土、松散砂层可缩短环切深度避免样品破碎，针对硬岩、破碎地层可加大环切深度确保完全切断，实现取样参数对不同地层特征的自适应调整，提高各类复杂地层中原状样品的有效采取率。