取土器技術申請專利分析

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性能指標。本文從專利文獻的角度對取土器技術的發展進行統計分析，總結了取土器技術的專利申請趨勢、介紹了取土器技術的發展路線，以及國內重要申請人的技術路線及發展方向。

關鍵詞：取土器;申請量;申請人

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

1 取土器技術簡介

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性能指標。取土器按結構類型可分為：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、束節式取土器、黃土取土器、三重管雙動回轉取土器和三重管單動回轉取土器[1]。取土器根據具體實驗要求而采用不同的工作方式，不同的試驗內容決定不同的取樣對象，簡介導致取土器在工作形式上的差異。巖芯質量、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、回轉式和動壓式[2]。

目前國內一些科研勘測單位通過在總結工程經驗和眾多試驗的基礎上中不斷探索創新，研制出多種具有應用前景的取土器和巖芯采集法[3]。對比國內外取土技術的現狀，國內取土器有壁厚、擾動大、巖芯采集率低等缺陷，與巖芯采集技術較為先進的國家相比，國內在取土器設計、生產等方面的技術差距還很大。目前為止，國內幾乎沒有一項巖芯采集技術和取土器在國際上被正式采納。

2 取土器技術申請專利分析

2.1 專利申請量分析

通過在incopat數據庫中利用關鍵詞“取土器”進行標題檢索，去除重復的專利申請，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。

經研究得知，近20年取土器專利申請量國內為653件，國外為24件，國內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申請量，這說明近20年取土器的科研開發主要集中在國內，國際在該領域的科研開發成果相對較少。基于對取土器技術的理解，取土器裝置的開發和改進是基于大量工程實踐和工程經驗的積累實現的，2008年后中國有大量的工程建設項目，不同行業、不同土質、不同目的的建設項目進而促進了取土器技術的科研開發和工程應用。國內一些科研、勘察單位在工程實踐中不斷探索創新，基于大量的工程經驗和試驗測試的基礎上開發出多種有實用價值的取土器和巖芯采集法[4]。所以國內專利申請量較大，增長較快。

2.2 取土器技術發展路線

在取土器技術發展的過程中，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。通過分析相關專利申請，可以發現，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 國內重要申請人的技術發展

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

2.3.1 無錫中地地質裝備有限公司。無錫中地地質裝備有限公司于2014年申請了一種提高巖芯采集效率的的取土器（CN201410665807.7），取土器包括圓環形底座，底座的中心借助連板固連有導向座，導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構，絲桿螺旋連接于絲桿座內，絲桿座與圓環形底座通過多根固定桿固定連接，絲桿的上端帶有把手;設置向外擴張結構的插板及底座下表面的環形凸緣，避免底座相對地面旋轉，提高連接穩固性，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），取土器包括殼體結構的外殼，外殼的下端帶有開口，其上端帶有開孔;外殼內腔下端裝置有底座，上端裝置有上下設置的、共軸的錐齒輪及中心轉輪，錐齒輪與中心轉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輪嚙合的側轉輪，側轉輪與取樣桿螺旋連接;中心轉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構;本發明的結構簡單、設計合理、取樣效率及質量高。于2015年申請了一種穩固型取土器（CN201410664759.X），取土器包括圓環形底座，底座的中心借助連板固連有導向座，導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構，絲桿螺旋連接于絲桿座內，絲桿座與圓環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;設置向外擴張結構的插板及底座下表面的環形凸緣，避免底座相對地面旋轉，提高連接穩固性，提高取土樣品的操作效率。

2.3.2 河海大學。河海大學于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管，位于內管上端的排泥水孔，以解決現有取土器所存在的密封吸附力會對土樣產生擾動，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），通過采用設置有腳踏板和水準儀，以保證取土更加穩固、深度更精確;設置彈簧與卡位槽，達到取土深度可控;推土板下端設探針，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軸齒輪連接，提供一種結構簡單、使用便捷的復合式杠桿取土器。于2014年申請了貫入式敞口薄壁取土器及取樣方法（CN201410195464.2），其取樣管有內外雙套管組成，并且在內套管內壁粘有光滑內襯，取樣時之間將光滑內襯拉出，按照試驗所需進行切樣操作。本發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 中國地質大學（武漢）。中國地質大學于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），通過轉動拉桿帶動滑桿從而切斷下部的土樣，實現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，可以通過抽出側壁的方式完整取出土樣，實現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），通過改進取土器結構，設置雙向棘輪，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年申請了一種旋轉式取土器用的加壓裝置（CN201420817700.5），通過設置加壓裝置取土，設備簡單實用且操作簡單，能保持取土器內土層的穩定，從而提高測試的精度。于2014年申請了一種箱式環刀土樣取土器盒子（CN201420782451.0），通過設置取土器盒子，所取的原狀土樣更能保持其的天然應力狀態，放置標簽后，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，從而使實驗結果更加準確適用。

2.3.4 吉林大學。吉林大學于2011年申請了一種用于砂質松散土壤的原狀取土器（CN201110253374.0），本發明是由內外套管組成，外套管前端為錐體刃口，刃口內部設有導向內錐，內套管前端設有多個與導向內錐相配合彈性封口片，內套管中間段設置有隔土板插口，內外套管前端設有封土板插口，后部設有同步定位銷插孔;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刀法相似，測定容積內的土壤不流失，測定精確度高。于2012年申請了多段旋轉薄壁式取土器（CN201220632632.6），本發明由鉆桿接頭內設有三通排水管，在三通排水管的交接處設有球閥，鉆桿接頭通過尾管的內螺紋與環狀套管的外螺紋連接，套管內裝有土樣盒，套管的外螺紋與螺旋鉆頭的內螺紋連接構成;本實用新型解決了現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，適合不同地質條件的地層;取土效率高，取土器可根據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，在錐形套管上部設有螺紋柱體;且外管與管靴通過螺紋連接，管靴內部通過連接軸桿設有六片扇形閥片，且在管靴的下部設有刃口，在外管內部設有取土筒，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和改進思路側重于減少巖芯擾動、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試驗對土樣的要求相一致。

3 小結

通過以上對取土器技術專利申請分析及相關技術發展路線可知，近20年國際在該領域的科研開發成果相對較少，取土器的科研開發主要集中在國內;對于國內申請者，占主導地位的是國內的高校和研究所，其不僅發表了眾多學術論文，也申請了大量專利，這也充分體現了國內研究學者對取土器專利的重視，也促進了中國取土器技術的快速發展;國內申請人的取土器開發和改進思路側重于減少巖芯擾動、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試驗對土樣的要求相一致。

參考文獻：

[1] 劉海剛，薄壁取土器的結構及取樣過程分析[J].巖土工程學報，1990，12（6）：76-83.

[2] JGJ/T87-2012，建筑工程地質勘探與取樣技術規程[S].北京：中華人民共和國建設部，2012.

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