取土器技術(shù)申請專利分析

栗金文 陳愷昱 白維卿

摘要：取土器是用于提取地層表面或深層土樣的專門裝置，為土工試驗提供試驗樣品，通過土工試驗為工程項目提供地基土的物理力學(xué)性能指標(biāo)。本文從專利文獻的角度對取土器技術(shù)的發(fā)展進行統(tǒng)計分析，總結(jié)了取土器技術(shù)的專利申請趨勢、介紹了取土器技術(shù)的發(fā)展路線，以及國內(nèi)重要申請人的技術(shù)路線及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：取土器;申請量;申請人

中圖分類號：TU621 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）06-0138-03

1 取土器技術(shù)簡介

取土器是用于提取地層表面或深層土樣的專門裝置，為土工試驗提供試驗樣品，通過土工試驗為工程項目提供地基土的物理力學(xué)性能指標(biāo)。取土器按結(jié)構(gòu)類型可分為：厚壁取土器、敞口薄壁取土器、固定活塞薄壁取土器、自由活塞薄壁取土器、水壓固定活塞取土器、束節(jié)式取土器、黃土取土器、三重管雙動回轉(zhuǎn)取土器和三重管單動回轉(zhuǎn)取土器[1]。取土器根據(jù)具體實驗要求而采用不同的工作方式，不同的試驗內(nèi)容決定不同的取樣對象，簡介導(dǎo)致取土器在工作形式上的差異。巖芯質(zhì)量、取樣效率等均要受到取土器工作形式的影響。按工作形式取土器可分為靜壓式、回轉(zhuǎn)式和動壓式[2]。

目前國內(nèi)一些科研勘測單位通過在總結(jié)工程經(jīng)驗和眾多試驗的基礎(chǔ)上中不斷探索創(chuàng)新，研制出多種具有應(yīng)用前景的取土器和巖芯采集法[3]。對比國內(nèi)外取土技術(shù)的現(xiàn)狀，國內(nèi)取土器有壁厚、擾動大、巖芯采集率低等缺陷，與巖芯采集技術(shù)較為先進的國家相比，國內(nèi)在取土器設(shè)計、生產(chǎn)等方面的技術(shù)差距還很大。目前為止，國內(nèi)幾乎沒有一項巖芯采集技術(shù)和取土器在國際上被正式采納。

2 取土器技術(shù)申請專利分析

2.1 專利申請量分析

通過在incopat數(shù)據(jù)庫中利用關(guān)鍵詞“取土器”進行標(biāo)題檢索，去除重復(fù)的專利申請，并且將同族專利申請作為一件專利申請，共得到679篇專利申請。

經(jīng)研究得知，近20年取土器專利申請量國內(nèi)為653件，國外為24件，國內(nèi)專利申請量遠高于國外專利申請量;取土器專利申請量在2009年以后國內(nèi)呈迅速增長趨勢，最大申請量為205件（2018年申請），而國外基本維持個位數(shù)申請量，這說明近20年取土器的科研開發(fā)主要集中在國內(nèi)，國際在該領(lǐng)域的科研開發(fā)成果相對較少?；趯θ⊥疗骷夹g(shù)的理解，取土器裝置的開發(fā)和改進是基于大量工程實踐和工程經(jīng)驗的積累實現(xiàn)的，2008年后中國有大量的工程建設(shè)項目，不同行業(yè)、不同土質(zhì)、不同目的的建設(shè)項目進而促進了取土器技術(shù)的科研開發(fā)和工程應(yīng)用。國內(nèi)一些科研、勘察單位在工程實踐中不斷探索創(chuàng)新，基于大量的工程經(jīng)驗和試驗測試的基礎(chǔ)上開發(fā)出多種有實用價值的取土器和巖芯采集法[4]。所以國內(nèi)專利申請量較大，增長較快。

2.2 取土器技術(shù)發(fā)展路線

在取土器技術(shù)發(fā)展的過程中，如何控制巖芯擾動、軟土取土器、砂土取土器、改進薄壁取土器是取土器主要研究熱點。通過分析相關(guān)專利申請，可以發(fā)現(xiàn)，在控制巖芯擾動方面，主要有102篇典型專利（CN201920738484.8、CN201710962277.6等），在軟土取土器方面，主要有40篇典型專利（CN201420575966.3、CN201410598866.7、CN201320801203.1、CN201220699379.6等），在砂土取土器方面，主要有30篇典型專利（CN201811344214.5、CN201610155334.5等），在改進薄壁取土器方面，主要有29篇典型專利（CN201710538552.1、CN201811344214.5、CN201910428231.5、CN201810669049.4等）。

2.3 國內(nèi)重要申請人的技術(shù)發(fā)展

對取土器專利申請人進行統(tǒng)計，得到國內(nèi)主要申請人，排在前十名的是：無錫中地地質(zhì)裝備有限公司，河海大學(xué)，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），吉林師范大學(xué)，中國地震局地球物理勘探中心，吉林大學(xué)，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，昆明理工大學(xué)，河北工程大學(xué)。

2.3.1 無錫中地地質(zhì)裝備有限公司。無錫中地地質(zhì)裝備有限公司于2014年申請了一種提高巖芯采集效率的的取土器（CN201410665807.7），取土器包括圓環(huán)形底座，底座的中心借助連板固連有導(dǎo)向座，導(dǎo)向座的中心滑動裝置取土桿，取土桿為上端帶有絲桿下端帶有取土套的結(jié)構(gòu)，絲桿螺旋連接于絲桿座內(nèi)，絲桿座與圓環(huán)形底座通過多根固定桿固定連接，絲桿的上端帶有把手;設(shè)置向外擴張結(jié)構(gòu)的插板及底座下表面的環(huán)形凸緣，避免底座相對地面旋轉(zhuǎn)，提高連接穩(wěn)固性，提高取土樣品的操作效率;于取土套的下端連接錐形套，避免土樣脫離取土套，實現(xiàn)一次取樣，提高取樣效率。于2014年申請了一種多點式電動取土裝置（CN201410830722.X），取土器包括殼體結(jié)構(gòu)的外殼，外殼的下端帶有開口，其上端帶有開孔;外殼內(nèi)腔下端裝置有底座，上端裝置有上下設(shè)置的、共軸的錐齒輪及中心轉(zhuǎn)輪，錐齒輪與中心轉(zhuǎn)輪的輪軸與底座固連，外殼的上表面裝置有電機，電機的電機軸上裝置有與錐齒輪嚙合的驅(qū)動輪;底座上裝置有多個取樣桿，取樣桿的下端帶有取樣套;取樣桿的上部裝置有與中心轉(zhuǎn)輪嚙合的側(cè)轉(zhuǎn)輪，側(cè)轉(zhuǎn)輪與取樣桿螺旋連接;中心轉(zhuǎn)輪的中心螺旋連接有取樣桿，取樣桿的上端伸出所述開孔，其下端的取樣套貫穿底座中心;取樣套的下端帶有收縮套，收縮套帶有下端小于上端的錐形收縮結(jié)構(gòu);本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、取樣效率及質(zhì)量高。于2015年申請了一種穩(wěn)固型取土器（CN201410664759.X），取土器包括圓環(huán)形底座，底座的中心借助連板固連有導(dǎo)向座，導(dǎo)向座的中心滑動裝置取土桿，取土桿為上端帶有絲桿下端帶有取土套的結(jié)構(gòu)，絲桿螺旋連接于絲桿座內(nèi)，絲桿座與圓環(huán)形底座通過多根固定桿固定連接，絲桿的上端帶有把手，所述底座的外周側(cè)面固連有插板，插板相對底座的中心對稱布置，插板朝向底座的下方;設(shè)置向外擴張結(jié)構(gòu)的插板及底座下表面的環(huán)形凸緣，避免底座相對地面旋轉(zhuǎn)，提高連接穩(wěn)固性，提高取土樣品的操作效率。

2.3.2 河海大學(xué)。河海大學(xué)于2017年申請了一種取土器及其取樣方法（CN201710962277.6），通過采用取土器頂端帶有排泥水孔和橡膠賽的外管，用鉸鏈連接于外管下端的若干個瓣片，下端帶有和瓣片配套的若干個開孔的內(nèi)管，位于內(nèi)管上端的排泥水孔，以解決現(xiàn)有取土器所存在的密封吸附力會對土樣產(chǎn)生擾動，對粉土等含水率低、粘度低的土體難以形成密封，取樣效果不理想等問題。于2019年申請了一種輕便攜帶的取土器及其取樣方法（CN201920180602.8），通過采用設(shè)置有腳踏板和水準(zhǔn)儀，以保證取土更加穩(wěn)固、深度更精確;設(shè)置彈簧與卡位槽，達到取土深度可控;推土板下端設(shè)探針，能借助取土器插入土樣中對體積含水率進行測定。于2018年申請了一種貫入式螺旋桿取土器（CN201821081184.9），通過依靠螺旋桿作為驅(qū)動手段的取土器，是一種土樣擾動小、操作簡單便利的螺旋桿薄壁取土器。于2018年申請了一種復(fù)合式杠桿取土器（CN201820762053.0），通過均勻分布有齒槽的鏟身與鉸接有杠桿的轉(zhuǎn)軸齒輪連接，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用便捷的復(fù)合式杠桿取土器。于2014年申請了貫入式敞口薄壁取土器及取樣方法（CN201410195464.2），其取樣管有內(nèi)外雙套管組成，并且在內(nèi)套管內(nèi)壁粘有光滑內(nèi)襯，取樣時之間將光滑內(nèi)襯拉出，按照試驗所需進行切樣操作。本發(fā)明能夠大大減少土樣在貫入與推樣過程中與取土器之間的摩擦作用，降低土樣的擾動程度，減少土樣的變形。

2.3.3 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）。中國地質(zhì)大學(xué)于2017年申請了一種適用于淤泥軟土的便攜可拆卸式敞口取土器（CN201910097541.3），通過轉(zhuǎn)動拉桿帶動滑桿從而切斷下部的土樣，實現(xiàn)了取樣土與底土的分離，能防止由于拔出取土器而造成的土樣脫落，提高了采樣比、采樣質(zhì)量;方形取土筒可以組裝拆卸，從取樣筒中取樣時，可以通過抽出側(cè)壁的方式完整取出土樣，實現(xiàn)了取樣與存樣一體化，避免了由推力取樣而造成的二次擾動，同時也提高了采樣質(zhì)量。于2013年申請了一種滑帶土原狀取土器（CN201310323843.0），通過改進取土器結(jié)構(gòu)，設(shè)置雙向棘輪，既可適用于采取滑帶土原狀樣又可用于采取一般野外地質(zhì)斷面原狀土，兼適于橫向鉆進和豎向鉆進取土。于2014年申請了一種旋轉(zhuǎn)式取土器用的加壓裝置（CN201420817700.5），通過設(shè)置加壓裝置取土，設(shè)備簡單實用且操作簡單，能保持取土器內(nèi)土層的穩(wěn)定，從而提高測試的精度。于2014年申請了一種箱式環(huán)刀土樣取土器盒子（CN201420782451.0），通過設(shè)置取土器盒子，所取的原狀土樣更能保持其的天然應(yīng)力狀態(tài)，放置標(biāo)簽后，可以將所取的原狀土樣均放在此盒子中，攜帶更加方便，使其在運輸過程中不會受到擾動，從而使實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確適用。

2.3.4 吉林大學(xué)。吉林大學(xué)于2011年申請了一種用于砂質(zhì)松散土壤的原狀取土器（CN201110253374.0），本發(fā)明是由內(nèi)外套管組成，外套管前端為錐體刃口，刃口內(nèi)部設(shè)有導(dǎo)向內(nèi)錐，內(nèi)套管前端設(shè)有多個與導(dǎo)向內(nèi)錐相配合彈性封口片，內(nèi)套管中間段設(shè)置有隔土板插口，內(nèi)外套管前端設(shè)有封土板插口，后部設(shè)有同步定位銷插孔;本方法取土形式類似于貫入法取土，但是克服了貫入法取土上下層之間的相互影響，能夠取到接近土壤原狀的式樣;本方法的容重測量和環(huán)刀法相似，測定容積內(nèi)的土壤不流失，測定精確度高。于2012年申請了多段旋轉(zhuǎn)薄壁式取土器（CN201220632632.6），本發(fā)明由鉆桿接頭內(nèi)設(shè)有三通排水管，在三通排水管的交接處設(shè)有球閥，鉆桿接頭通過尾管的內(nèi)螺紋與環(huán)狀套管的外螺紋連接，套管內(nèi)裝有土樣盒，套管的外螺紋與螺旋鉆頭的內(nèi)螺紋連接構(gòu)成;本實用新型解決了現(xiàn)有取土器單次取土深度小，含水量大土體取樣困難及對原狀土擾動較大的不足;由于采用鉆入式，更容易深入土體，適合不同地質(zhì)條件的地層;取土效率高，取土器可根據(jù)取土層厚度的需要任意增加長度，滿足單次取土深度要求，對含水率較大的土體取樣效果較好;同時采用內(nèi)置多段的土樣盒，極大方便了取樣后的包樣，對原狀土擾動較小。于2017年申請了一種軟土的靜三軸原位取土器（CN201711085433.1），外管通過螺紋連接錐形套管，在錐形套管上部設(shè)有螺紋柱體;且外管與管靴通過螺紋連接，管靴內(nèi)部通過連接軸桿設(shè)有六片扇形閥片，且在管靴的下部設(shè)有刃口，在外管內(nèi)部設(shè)有取土筒，在取土器提拉過程中，通過彈簧的彈力作用使扇形閥片切割土體，與此同時封閉管靴。于2017年申請了一種低擾動取土器（CN201721902249.7），本實用新型通過支架固定，使取土器在各樣地形地貌的鉆進過程中都能沿著地面的表面垂直鉆進，方向和角度不會發(fā)生變化，從而減少在取土過程中對土樣的擾動。

通過分析上述重要申請人的專利申請可知，申請人的取土器開發(fā)和改進思路側(cè)重于減少巖芯擾動、提高取土效率，提高巖芯采集率等方面，與工程實際要求和室內(nèi)試驗對土樣的要求相一致。

3 小結(jié)

通過以上對取土器技術(shù)專利申請分析及相關(guān)技術(shù)發(fā)展路線可知，近20年國際在該領(lǐng)域的科研開發(fā)成果相對較少，取土器的科研開發(fā)主要集中在國內(nèi);對于國內(nèi)申請者，占主導(dǎo)地位的是國內(nèi)的高校和研究所，其不僅發(fā)表了眾多學(xué)術(shù)論文，也申請了大量專利，這也充分體現(xiàn)了國內(nèi)研究學(xué)者對取土器專利的重視，也促進了中國取土器技術(shù)的快速發(fā)展;國內(nèi)申請人的取土器開發(fā)和改進思路側(cè)重于減少巖芯擾動、提高取土效率，提高巖芯采集率等方面，與工程實際要求和室內(nèi)試驗對土樣的要求相一致。

參考文獻：

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[3] GB50021-2001（2009年版），巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中華人民共和國建設(shè)部，2019.

[4] 姜安龍，高大釗，取土器直徑對取樣擾動的影響分析[J].工程勘察，2002，（4）：13-15.