取土器技术申请专利分析

栗金文 陈恺昱 白维卿

摘要：取土器是用于提取地层表面或深层土样的专门装置，为土工试验提供试验样品，通过土工试验为工程项目提供地基土的物理力学性能指标。本文从专利文献的角度对取土器技术的发展进行统计分析，总结了取土器技术的专利申请趋势、介绍了取土器技术的发展路线，以及国内重要申请人的技术路线及发展方向。

关键词：取土器;申请量;申请人

中图分类号：TU621 文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）06-0138-03

1 取土器技术简介

取土器是用于提取地层表面或深层土样的专门装置，为土工试验提供试验样品，通过土工试验为工程项目提供地基土的物理力学性能指标。取土器按结构类型可分为：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、水压固定活塞取土器、束节式取土器、黄土取土器、三重管双动回转取土器和三重管单动回转取土器[1]。取土器根据具体实验要求而采用不同的工作方式，不同的试验内容决定不同的取样对象，简介导致取土器在工作形式上的差异。岩芯质量、取样效率等均要受到取土器工作形式的影响。按工作形式取土器可分为静压式、回转式和动压式[2]。

目前国内一些科研勘测单位通过在总结工程经验和众多试验的基础上中不断探索创新，研制出多种具有应用前景的取土器和岩芯采集法[3]。对比国内外取土技术的现状，国内取土器有壁厚、扰动大、岩芯采集率低等缺陷，与岩芯采集技术较为先进的国家相比，国内在取土器设计、生产等方面的技术差距还很大。目前为止，国内几乎没有一项岩芯采集技术和取土器在国际上被正式采纳。

2 取土器技术申请专利分析

2.1 专利申请量分析

通过在incopat数据库中利用关键词“取土器”进行标题检索，去除重复的专利申请，并且将同族专利申请作为一件专利申请，共得到679篇专利申请。

经研究得知，近20年取土器专利申请量国内为653件，国外为24件，国内专利申请量远高于国外专利申请量;取土器专利申请量在2009年以后国内呈迅速增长趋势，最大申请量为205件（2018年申请），而国外基本维持个位数申请量，这说明近20年取土器的科研开发主要集中在国内，国际在该领域的科研开发成果相对较少。基于对取土器技术的理解，取土器装置的开发和改进是基于大量工程实践和工程经验的积累实现的，2008年后中国有大量的工程建设项目，不同行业、不同土质、不同目的的建设项目进而促进了取土器技术的科研开发和工程应用。国内一些科研、勘察单位在工程实践中不断探索创新，基于大量的工程经验和试验测试的基础上开发出多种有实用价值的取土器和岩芯采集法[4]。所以国内专利申请量较大，增长较快。

2.2 取土器技术发展路线

在取土器技术发展的过程中，如何控制岩芯扰动、软土取土器、砂土取土器、改进薄壁取土器是取土器主要研究热点。通过分析相关专利申请，可以发现，在控制岩芯扰动方面，主要有102篇典型专利（CN201920738484.8、CN201710962277.6等），在软土取土器方面，主要有40篇典型专利（CN201420575966.3、CN201410598866.7、CN201320801203.1、CN201220699379.6等），在砂土取土器方面，主要有30篇典型专利（CN201811344214.5、CN201610155334.5等），在改进薄壁取土器方面，主要有29篇典型专利（CN201710538552.1、CN201811344214.5、CN201910428231.5、CN201810669049.4等）。

2.3 国内重要申请人的技术发展

对取土器专利申请人进行统计，得到国内主要申请人，排在前十名的是：无锡中地地质装备有限公司，河海大学，中国地质大学（武汉），吉林师范大学，中国地震局地球物理勘探中心，吉林大学，山西农业大学，昆明理工大学，河北工程大学。

2.3.1 无锡中地地质装备有限公司。无锡中地地质装备有限公司于2014年申请了一种提高岩芯采集效率的的取土器（CN201410665807.7），取土器包括圆环形底座，底座的中心借助连板固连有导向座，导向座的中心滑动装置取土杆，取土杆为上端带有丝杆下端带有取土套的结构，丝杆螺旋连接于丝杆座内，丝杆座与圆环形底座通过多根固定杆固定连接，丝杆的上端帶有把手;设置向外扩张结构的插板及底座下表面的环形凸缘，避免底座相对地面旋转，提高连接稳固性，提高取土样品的操作效率;于取土套的下端连接锥形套，避免土样脱离取土套，实现一次取样，提高取样效率。于2014年申请了一种多点式电动取土装置（CN201410830722.X），取土器包括壳体结构的外壳，外壳的下端带有开口，其上端带有开孔;外壳内腔下端装置有底座，上端装置有上下设置的、共轴的锥齿轮及中心转轮，锥齿轮与中心转轮的轮轴与底座固连，外壳的上表面装置有电机，电机的电机轴上装置有与锥齿轮啮合的驱动轮;底座上装置有多个取样杆，取样杆的下端带有取样套;取样杆的上部装置有与中心转轮啮合的侧转轮，侧转轮与取样杆螺旋连接;中心转轮的中心螺旋连接有取样杆，取样杆的上端伸出所述开孔，其下端的取样套贯穿底座中心;取样套的下端带有收缩套，收缩套带有下端小于上端的锥形收缩结构;本发明的结构简单、设计合理、取样效率及质量高。于2015年申请了一种稳固型取土器（CN201410664759.X），取土器包括圆环形底座，底座的中心借助连板固连有导向座，导向座的中心滑动装置取土杆，取土杆为上端带有丝杆下端带有取土套的结构，丝杆螺旋连接于丝杆座内，丝杆座与圆环形底座通过多根固定杆固定连接，丝杆的上端带有把手，所述底座的外周侧面固连有插板，插板相对底座的中心对称布置，插板朝向底座的下方;设置向外扩张结构的插板及底座下表面的环形凸缘，避免底座相对地面旋转，提高连接稳固性，提高取土样品的操作效率。

2.3.2 河海大学。河海大学于2017年申请了一种取土器及其取样方法（CN201710962277.6），通过采用取土器顶端带有排泥水孔和橡胶赛的外管，用铰链连接于外管下端的若干个瓣片，下端带有和瓣片配套的若干个开孔的内管，位于内管上端的排泥水孔，以解决现有取土器所存在的密封吸附力会对土样产生扰动，对粉土等含水率低、粘度低的土体难以形成密封，取样效果不理想等问题。于2019年申请了一种轻便携带的取土器及其取样方法（CN201920180602.8），通过采用设置有脚踏板和水准仪，以保证取土更加稳固、深度更精确;设置弹簧与卡位槽，达到取土深度可控;推土板下端设探针，能借助取土器插入土样中对体积含水率进行测定。于2018年申请了一种贯入式螺旋杆取土器（CN201821081184.9），通过依靠螺旋杆作为驱动手段的取土器，是一种土样扰动小、操作简单便利的螺旋杆薄壁取土器。于2018年申请了一种复合式杠杆取土器（CN201820762053.0），通过均匀分布有齿槽的铲身与铰接有杠杆的转轴齿轮连接，提供一种结构简单、使用便捷的复合式杠杆取土器。于2014年申请了贯入式敞口薄壁取土器及取样方法（CN201410195464.2），其取样管有内外双套管组成，并且在内套管内壁粘有光滑内衬，取样时之间将光滑内衬拉出，按照试验所需进行切样操作。本发明能够大大减少土样在贯入与推样过程中与取土器之间的摩擦作用，降低土样的扰动程度，减少土样的变形。

2.3.3 中国地质大学（武汉）。中国地质大学于2017年申请了一种适用于淤泥软土的便携可拆卸式敞口取土器（CN201910097541.3），通过转动拉杆带动滑杆从而切断下部的土样，实现了取样土与底土的分离，能防止由于拔出取土器而造成的土样脱落，提高了采样比、采样质量;方形取土筒可以组装拆卸，从取样筒中取样时，可以通过抽出侧壁的方式完整取出土样，实现了取样与存样一体化，避免了由推力取样而造成的二次扰动，同时也提高了采样质量。于2013年申请了一种滑带土原状取土器（CN201310323843.0），通过改进取土器结构，设置双向棘轮，既可适用于采取滑带土原状样又可用于采取一般野外地质断面原状土，兼适于横向钻进和竖向钻进取土。于2014年申请了一种旋转式取土器用的加压装置（CN201420817700.5），通过设置加压装置取土，设备简单实用且操作简单，能保持取土器内土层的稳定，从而提高测试的精度。于2014年申请了一种箱式环刀土样取土器盒子（CN201420782451.0），通过设置取土器盒子，所取的原状土样更能保持其的天然应力状态，放置标签后，可以将所取的原状土样均放在此盒子中，携带更加方便，使其在运输过程中不会受到扰动，从而使实验结果更加准确适用。

2.3.4 吉林大学。吉林大学于2011年申请了一种用于砂质松散土壤的原状取土器（CN201110253374.0），本发明是由内外套管组成，外套管前端为锥体刃口，刃口内部设有导向内锥，内套管前端设有多个与导向内锥相配合弹性封口片，内套管中间段设置有隔土板插口，内外套管前端设有封土板插口，后部设有同步定位销插孔;本方法取土形式类似于贯入法取土，但是克服了贯入法取土上下层之间的相互影响，能够取到接近土壤原状的式样;本方法的容重测量和环刀法相似，测定容积内的土壤不流失，测定精确度高。于2012年申请了多段旋转薄壁式取土器（CN201220632632.6），本发明由钻杆接头内设有三通排水管，在三通排水管的交接处设有球阀，钻杆接头通过尾管的内螺纹与环状套管的外螺纹连接，套管内装有土样盒，套管的外螺纹与螺旋钻头的内螺纹连接构成;本实用新型解决了现有取土器单次取土深度小，含水量大土体取样困难及对原状土扰动较大的不足;由于采用钻入式，更容易深入土体，适合不同地质条件的地层;取土效率高，取土器可根据取土层厚度的需要任意增加长度，满足单次取土深度要求，对含水率较大的土体取样效果较好;同时采用内置多段的土样盒，极大方便了取样后的包样，对原状土扰动较小。于2017年申请了一种软土的静三轴原位取土器（CN201711085433.1），外管通过螺纹连接锥形套管，在锥形套管上部设有螺纹柱体;且外管与管靴通过螺纹连接，管靴内部通过连接轴杆设有六片扇形阀片，且在管靴的下部设有刃口，在外管内部设有取土筒，在取土器提拉过程中，通过弹簧的弹力作用使扇形阀片切割土体，与此同时封闭管靴。于2017年申请了一种低扰动取土器（CN201721902249.7），本实用新型通过支架固定，使取土器在各樣地形地貌的钻进过程中都能沿着地面的表面垂直钻进，方向和角度不会发生变化，从而减少在取土过程中对土样的扰动。

通过分析上述重要申请人的专利申请可知，申请人的取土器开发和改进思路侧重于减少岩芯扰动、提高取土效率，提高岩芯采集率等方面，与工程实际要求和室内试验对土样的要求相一致。

3 小结

通过以上对取土器技术专利申请分析及相关技术发展路线可知，近20年国际在该领域的科研开发成果相对较少，取土器的科研开发主要集中在国内;对于国内申请者，占主导地位的是国内的高校和研究所，其不仅发表了众多学术论文，也申请了大量专利，这也充分体现了国内研究学者对取土器专利的重视，也促进了中国取土器技术的快速发展;国内申请人的取土器开发和改进思路侧重于减少岩芯扰动、提高取土效率，提高岩芯采集率等方面，与工程实际要求和室内试验对土样的要求相一致。

参考文献：

[1] 刘海刚，薄壁取土器的结构及取样过程分析[J].岩土工程学报，1990，12（6）：76-83.

[2] JGJ/T87-2012，建筑工程地质勘探与取样技术规程[S].北京：中华人民共和国建设部，2012.

[3] GB50021-2001（2009年版），岩土工程勘察规范[S].北京：中华人民共和国建设部，2019.

[4] 姜安龙，高大钊，取土器直径对取样扰动的影响分析[J].工程勘察，2002，（4）：13-15.