Устройство для отбора проб грунта

(51)21 47/02 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ ГРУНТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Комиссаров Феликс Давидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для отбора проб грунта, включающее металлический корпус, выполненный в виде прямоугольной трубы с челнокообразным наконечником, две металлические ленты, установленные в пазах корпуса с возможностью выдвижения, выдвижной прямоугольный поршень, металлическую плиту и механизм перекрытия входного отверстия и внедрения устройства в грунт, отличающееся тем, что на внутренней поверхности выдвижного прямоугольного поршня выполнены пазы, в которых установлены пакеты металлических пластинок с режущими ножами, имеющими возможность проходить через решетку, установленную в корпусе, механизм перекрытия входного отверстия и внедрения устройства в грунт включает рычаг с осью вращения, верхним и нижним плечом, на нижнем плече которого имеется подвижный на оси цилиндрической формы подпружиненный толкатель с вырезом, контактирующий с упорным элементом в форме скобы,установленным на наружной задней стенке поршня, на оси подпружиненного толкателя с двух сторон прикреплены упоры, контактирующие с перекладиной, скрепляющей две 8542 1 2006.10.30 противоположные металлические ленты для перекрытия входного отверстия, на направляющих установлены ползуны, контактирующие с поршнем, причем противолежащие ползуны скреплены распорками, челнокообразный наконечник в исходном положении размещен в корпусе с возможностью перемещения под действием механизма перекрытия входного отверстия и внедрения устройства в грунт, металлическая плита расположена горизонтально относительно грунта и имеет продольно выфрезерованный паз для размещения в нем рычага и поперечные выступы для крепления оси вращения рычага. Изобретение относится к устройствам для отбора проб грунта, в частности для отбора проб грунтов, загрязненных радиоактивными веществами, при изучении миграции радионуклидов из верхних слоев в более глубокие горизонты почв, а также для выяснения геохимического и геофизического состава и физических свойств почвенных образцов. Известно устройство для отбора образцов пород из стенок скважины в рыхлых породах под названием Скребковый грунтонос. Устройство содержит корпус, спускаемый на грузоподъемном элементе в виде кабеля. Внутри корпуса размещен пробоотборный контейнер с режущей кромкой и рычажная система перемещения контейнера, которая снабжена упруго деформируемым кинематическим звеном, состоящим из воздействующей на толкатель пружины, установленной на штоке, и кинематически связанного винтовой парой с редуктором электромеханического привода. Рычажная система перемещения контейнера образована шарнирно соединенными толкателем и звеном, а также выдвижным рычагом. Контейнер закреплен на нижнем конце выдвижного рычага шарниром с ограничителем перемещения 1. Скребковый грунтонос работает следующим образом. После установки его на глубине опробования с поверхности включается привод, момент силы которого редуцируется повышающим редуктором. При помощи винтовой пары вращательное движение редуктора преобразуется в возвратно-поступательное движение штока. При достаточном раскрытии рычаг, упираясь в стенку скважины, отжимает корпус к противоположной стенке скважины и кромка контейнера внедряется в грунт. Конструкцией обеспечивается острый угол встречи кромки со стенкой скважины. Раскрывшийся грунтонос протягивают при помощи каротажной лебедки вверх и кромка контейнера подрезает со стенки скважины пласт грунта, который осыпается в контейнер. К недостаткам устройства следует отнести невозможность отбора пробы грунта, сохраняя при этом его естественную структуру и целостность его слоя, так как получаются при таком способе отбора только фрагменты слоев грунта россыпью без возможности восстановления их последовательного распределения. Известно устройство для отбора образцов породы из стенок скважины большого диаметра и шурфов под названием Бочковый грунтонос. Устройство содержит корпус, соединенный с грунтоподъемным элементом, и установленные в корпусе гильзу для отбора пробы с механизмом подачи и механизмом ее извлечения, имеющим полиспастную систему с подвижными роликами на грузоподъемной гильзе, неподвижными роликами на корпусе и с огибающими ролики приводным тросом, механизм подачи гильзы выполнен в виде пружин сжатия, установленных между корпусом и грунтоприемной гильзой, при этом один конец привода троса соединен с грунтоподъемным элементом, а его другой конец соединен с корпусом 2. Устройство работает следующим образом. Перед спуском в шурф грунтонос закрепляют на тросу. При натяжении троса, который в системе с подвижными и неподвижными роликами образует двойной полиспаст, усилие от веса грунтоноса в тросе сжимает пружины, перемещая грунтоприемную гильзу внутрь корпуса. 2 8542 1 2006.10.30 По достижении грунтоносом плоскости забоя канат прослабляется и, освободившись от натяжения каната, пружины начинают передавать нагрузку на днище грунтоприемной гильзы, внедряя ее в стенку шурфа. При подъеме троса от веса корпуса и остальных деталей происходит сжатие пружин и гильза с отобранной пробой перемещается внутрь корпуса. При установке грунтоноса на площадку гильза с пробой вынимается из корпуса и из нее отбирается образец грунта. К недостаткам устройства следует отнести 1) большой вес конструкции грунтоноса и необходимость использовать для отбора проб подъемную машину 2) невозможность точно установить гильзу грунтоноса на нужную точку слоя грунта в скважине, т.к. на тросу грунтонос может повернуться от выбранного оператором положения и занять положение,противоположное заданному. Известно устройство для отбора секционных проб почвы, состоящее из 4 основных узлов подающего механизма, заключенного в стальной корпус, съемной нивелировочной плиты, пробоотборника и ножа 3. Подающий механизм предназначен для подачи монолита пробы из пробоотборника на желательную величину снимаемого слоя и состоит из подающей плиты, жестко связанной с фланцем, который сопряжен с головкой подающего винта и осуществляет их относительное вращение с помощью ручки через систему полуколец, гайку и направляющую рейку, которая не позволяет плите совершать вращательное движение. Корпус прибора изготовлен из листовой стали и имеет в торцевой стенке дверцу на шарнирах, позволяющую вставлять в корпус пробоотборник. Корпус установлен на ножках с возможностью придания ему необходимого наклона для удобства работы с отобранным образцом в пробоотборнике. Съемная нивелировочная плита изготовлена из листовой стали, к плите при помощи уголков прикреплены эксцентрические замки. Пробоотборник изготовлен в виде четырехугольного короба из стального листа, нижние режущие кромки которого заточены, высота стенок 15 см. Нож изготовлен с односторонней заточкой и с двумя ручками. Отбор проб производится пробоотборником, установленным на ровной площадке способом забивания. После окончания этой операции пробоотборник обкапывают лопатой и подрезают снизу грунт. Полученный монолит почвы вместе с пробоотборником через дверцу торцевой стенки устанавливают в корпус устройства, выравнивая поверхность отобранной пробы нивелировочной плитой, за счет подачи подающего механизма и поджима к нивелировочной плите. После чего нивелировочная плита снимается. При повороте ручки подающего отобранную пробу механизма выдвигают монолит из пробоотборника на необходимую высоту, а выступающая часть монолита срезается ножом. Затем этот процесс повторяется и срезается следующая часть отобранной пробы. К недостаткам устройства следует отнести 1) его изготовление из четырех самостоятельных узлов, каждый из которых имеет свои конструкционные особенности и большую металлоемкость и вес 2) применение большого числа манипуляций при отборе пробы,при ее установке в корпус, при нивелировке, обрезанию слоя необходимой толщины и при пересыпании срезанного слоя происходят невосполнимые потери, особенно при отборе пробы из рыхлых грунтов и на поверхностях всех узлов остаются большие остатки почвы из-за выполнения их с применением различных зажимов, гаек и отверстий. В результате чего проба получается непредставительной 3) для исключения загрязнения последующих проб радионуклидами от предыдущей пробы требуется проведение дезактивации, которая затруднена сложностью поверхностей всех узлов устройства 4) способ отбора пробы грунта сверху вниз способствует проникновению загрязняющих грунт радиоактивных веществ от одного более загрязненного слоя в другой, чем нарушается представительность отобранной пробы, особенно при исследовании проникновения альфа-излучающих горячих частиц по глубине профиля почвы. 3 8542 1 2006.10.30 Наиболее близким по своей технической сущности является устройство для отбора проб грунта, содержащее корпус, выполненный из квадратной трубы с челнокообразным наконечником, выдвижной прямоугольный поршень с выдвижными металлическими лентами и механизм перекрытия входного отверстия, содержащий пустотелый винт, металлическую плиту со штоком 4. Устройство работает следующим образом. Устройство с открытым входным отверстием при полном подъеме выдвижного квадратного поршня в вертикальном положении задавливается в грунт на заданную глубину, в результате чего корпус заполняется грунтом. Вращением винта механизма перекрытия входного отверстия поршень перемещается вниз, а его две металлические ленты, подрезая грунт, перекрывают входное отверстие. Во время вращения винта устройство благодаря квадратной форме корпуса не проворачивается. После перекрытия входного отверстия устройство поднимают на поверхность, оставляя неподвижными выжимную плиту со штоком. Входное отверстие открывается в результате обратного вращения винта поршня. Затем при помощи штока с выжимной плитой образец пробы медленно выжимается из устройства. К недостаткам данного устройства следует отнести 1) то, что устройство не позволяет производить горизонтальный послойный отбор проб грунта ввиду его такого конструкционного исполнения, где передвижение поршня осуществляется при помощи винта, размещенного по продольной оси устройства. Применение такого устройства для отбора проб грунта в горизонтальной плоскости до глубин 1 м невозможно и по причине отсутствия в устройстве узла, обеспечивающего внедрение устройства в грунт. В настоящее время требуется производить отбор проб на площадях с высокой поверхностной плотностью загрязнения радионуклидами таким образом, чтобы отбор проб производился только параллельно поверхности грунта. Из условий практики (для увеличения точности измерения радиоактивности и получения представительных проб) требуется получать пробы с большими площадями поверхностей керна 2) устройство не имеет в своей конструкции делителя керна на фрагменты, что необходимо для определения глубины миграции радионуклидов по профилю почвы, которая определяется по разности плотности загрязнения верхних и нижних слоев грунта 3) способ отбора проб грунта сверху вниз не правомочен при высокой плотности загрязнения радионуклидами слоев грунта, т.к. при этом происходит смещение прилегающих к режущим кромкам наконечника частичек грунта и перенесение их на большую глубину, что способствует нарушению представительности пробы при их разделении на фрагменты по глубине залегания слоев. Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего послойный отбор проб грунтов в полевых условиях без нарушения естественной структуры залегания слоев, обеспечивающего использование всей колонки отобранной пробы. Поставленная задача решается тем, что устройство для отбора проб грунта, включающее металлический корпус, выполненный в виде прямоугольной трубы с челнокообразным наконечником, две металлические ленты, установленные в пазах корпуса с возможностью выдвижения, выдвижной прямоугольный поршень, металлическую плиту и механизм перекрытия входного отверстия и внедрения устройства в грунт. Отличительной особенностью устройства является то, что на внутренней поверхности выдвижного прямоугольного поршня выполнены пазы, в которых установлены пакеты металлических пластинок с режущими ножами, имеющими возможность проходить через решетку, установленную в корпусе, механизм перекрытия входного отверстия и внедрения устройства в грунт включает рычаг с осью вращения, верхним и нижним плечом, на нижнем плече которого имеется подвижный на оси цилиндрической формы подпружиненный толкатель с вырезом, контактирующий с упорным элементом в форме скобы, установленным на наружной задней стенке поршня, на оси подпружиненного толкателя с двух сторон крепятся упоры, контактирующие с перекладиной, скрепляющей две проти 4 8542 1 2006.10.30 воположные металлические ленты для перекрытия входного отверстия, на направляющих установлены ползуны, контактирующие с поршнем, причем противолежащие ползуны скреплены распорками, челнокообразный наконечник в исходном положении размещен в корпусе с возможностью перемещения под действием механизма перекрытия входного отверстия и внедрения устройства в грунт, металлическая плита расположена горизонтально относительно грунта и имеет продольно выфрезерованный паз для размещения в нем рычага и поперечные выступы для крепления оси вращения рычага. На фиг. 1 изображено устройство с механизмом перекрытия входного отверстия корпуса в форме рычага в исходной позиции, продольный разрез. На фиг. 2 изображено то же устройство в разрезе по линии . На фиг. 3 изображено то же устройство после перекрытия входного отверстия, поперечный разрез по линии . На фиг. 4 изображен в разрезе поршень с пакетами металлических пластинок в сборе с режущими ножами. Устройство включает в себя корпус 1, наконечник 2, металлические ленты 3, пазы корпуса 4, выдвижной поршень 5, металлическую плиту 6, входное отверстие 7, пазы поршня 8, пакеты металлических пластин 9 с ножами 10, решетку 11 с пазами 12, механизм внедрения устройства в грунт, выполненный в виде рычага 13, с осью вращения 14,верхним 15 и нижним 16 плечами, толкатель 17 с вырезом, скобу 18, упоры 19, перекладину 20, направляющие 21, ползуны 22, распорки 23, выфрезерованный паз 24, поперечные выступы 25. На фиг. 1 показано устройство для послойного отбора проб грунта, состоящее из металлического корпуса 1, с челнокообразным наконечником 2, имеющим возможность перемещаться вдоль продольной оси корпуса 1, двух выдвижных металлических лент 3,служащих для перекрытия входного отверстия 7 и пазов корпуса 4, по которым имеют возможность перемещаться металлические ленты 3, выдвижного прямоугольного поршня 5, в пазах 8 которого установлены пакеты металлических пластин 9 с ножами 10, металлической плиты 6, имеющей продольно выфрезерованный паз 24, решетки 11 с пазами 12,предназначенными для прохода ножей 10, механизма внедрения устройства в грунт и перекрытия входного отверстия, выполненного в виде рычага 13 с осью вращения 14 и с верхним 15 и нижним 16 плечами, подвижного на оси 14 подпружиненного толкателя 17 с вырезом, рычага 13, служащего для упора в скобу 18 с целью перемещения наконечника 2 вдоль продольной оси корпуса 1, упоров 19, служащих для перемещения перекладины 20,поперечных выступов 25, предназначенных для упора оси 14 рычага 13, ползунов 22, контактирующих с поршнем 5 и распорок 23, скрепляющих между собой ползуны 22, направляющих 21, по которым имеют возможность перемещаться ползуны 22. Механизм перекрытия входного отверстия 7 устройства (фиг. 1), выполненный в виде рычага 13 с осью вращения 14, верхним 15 плечом и нижним 16 плечом, имеет возможность входить в контакт со скобой 18 при внедрении челнокообразного наконечника 2 в грунт, а при повороте рычага вдоль его продольной оси на 180 служит для обеспечения упора в перекладину 20, скрепляющую две противоположные гибкие металлические ленты 3 корпуса 1, для перекрытия входного отверстия 7. На фиг. 2 изображено то же устройство, что и на фиг. 1, поперечный разрез по линии, в исходном положении. На нижней части устройства в исходном положении показаны корпус 1, челнокообразный наконечник 2, металлические ленты 3, поршень 5, входное отверстие 7 открыто,толкатель 17 рычага 13 вошел в контакт со скобой 18, упоры 19, перекладина 20, ползуны 22,распорки 23, направляющие 21. На фиг. 3 изображено то же устройство после перекрытия входного отверстия, поперечный разрез по линии . 5 8542 1 2006.10.30 На нижней части устройства показано, что челнокообразный наконечник 2 вышел из корпуса 1 после воздействия подпружиненного подвижного толкателя 17 на скобу 18 (фиг. 2),а две металлические ленты 3 перекрыли входное отверстие 7 после воздействия упоров 19 на перекладину 20. Упоры 19 рычага 13 в этом положении контактируют с перекладиной 20. Ползуны 22 на направляющих 21 сместились до конца направляющих вместе с поршнем 5. На фиг. 4 изображен в разрезе поршень с пакетами металлических пластинок в сборе с режущими ножами. Поршень 5 показан в сборе с пакетами металлических пластинок 9 и металлическими ножами 10. Видно, что металлические пластинки прошли через пазы 12 решетки 11. Показаны пазы 8 поршня 5, в которые вставлены пакеты металлических пластинок 9. Работа устройства. Устройство в сборе с открытым входным отверстием 7, с установленной в нем решеткой 11 и размещенными и закрепленными на выдвижном прямоугольном поршне 5, с нужным интервалом друг от друга, режущими ножами 10, вместе с механизмом внедрения устройства в грунт и закрепленное под плитой 6 помещают в заранее изготовленную скважину таким образом, чтобы горизонтально расположенная плита 6 полностью закрывала отверстие скважины. Операции по извлечению грунта из скважины осуществляют следующим образом. Устройство в сборе с механизмом внедрения челнокообразного наконечника 2 корпуса 1 в грунт, состоящим из рычага 13 с осью вращения 14 с верхним 15 и нижним 16 плечами,установленным под металлической плитой 6, размещают над скважиной, причем плита 6,которая расположена горизонтально, размещается на поверхности грунта, а механизм внедрения устройства в грунт размещается в скважине и контактирует с противоположной от челнокообразного наконечника 2 устройства стенкой скважины. При размещении рычага 13 в правом положении в выфрезерованном пазу 24 в металлической плите 6 и закреплении оси 14 вращения рычага 13 в выемке между поперечными выступами 25, надавливая на рычаг 13 в противоположную сторону от корпуса 1 устройства, внедряют челнокообразный наконечник 2 в грунт и, каждый раз, смещая рычаг 13 по выфрезерованному пазу 24 в направлении к челнокообразному наконечнику 2 устройства, закрепляя его ось 14 между следующими поперечными выступами 25, производят дальнейшее углубление челнокообразного наконечника 2 в грунт. При достаточном заглублении устройства в грунт, что определяется заполнением корпуса 1 устройства грунтом, путем разворота рычага 13 по его продольной оси на угол 180 надавливают на перекладину 20 упорами 19 и углубляют металлические ленты 5 в грунт до их смыкания, подрезая его, и тем перекрывают отверстие корпуса устройства. Далее разворачивают рычаг 13 на угол 180 вдоль его продольной оси и опускают вырез цилиндрического толкателя 17 на скобу 18, и, надавливая на рычаг 13 в сторону наконечника 2, втягивают его в корпус устройства. Извлекают устройство из скважины и, действуя рычагом 13 на перекладину 20 в обратном направлении раскрывают челнокообразный наконечник 2, и извлекают из корпуса устройства пробу вместе с поршнем 5 и режущими ножами 10 и решеткой 11. Извлекают пакеты металлических пластинок 9 из поршня 5 и отбирают отдельно каждый слой грунта, последовательно начиная с верхнего слоя. По сравнению с прототипом предлагаемое устройство имеет следующие преимущества 1) обеспечивает отбор проб грунтов в горизонтальной плоскости 2) обеспечивает послойное деление керна на фрагменты с заранее заданной толщины с целью изучения проникновения радионуклидов или других химических веществ по глубине грунта, чему способствует введение в устройство решетки и ножей 3) обеспечивает внедрение наконечника в грунт, используя механизм внедрения устройства в грунт и перекрытия входного отверстия устройства 4) крепление корпуса устройства под плитой обеспечивает перемещение челнокообразного наконечника устройства параллельно поверхности грунта 6 8542 1 2006.10.30 5) размещение подвижного челнокообразного наконечника в корпусе обеспечивает компактность устройства и уменьшение диаметра скважины при использовании предлагаемого устройства. Преимуществом заявляемого устройства над прототипом является то, что предлагаемая конструкция устройства обеспечивает послойный отбор проб грунта непосредственно в полевых условиях, не приводит к потерям элементов керна грунта при его разделении и,при этом, послойный отбор проб производится в горизонтальной плоскости, что исключает перемещение частичек почвы, загрязненной радионуклидами, из одного слоя в другой слой по высоте керна, чем обеспечивает представительность отобранных проб. Устройство является компактным, малогабаритным и легкоподдающимся дезактивации. Выполнение металлического корпуса 1 устройства в виде прямоугольной металлической трубы дает возможность так выполнить механизм перекрытия входного отверстия 7,что количеством пакетов металлических пластинок 9 и расстоянием между ними можно варьировать в зависимости от поставленной задачи и в пределах размеров челнокообразного наконечника 2 и корпуса 1 устройства. Выполнение устройства таким образом, что челнокообразный наконечник 2 в исходном положении размещен в корпусе 1 и имеет возможность выдвигаться за его пределы вперед под действием механизма внедрения устройства в грунт, обеспечивает компактность устройства и выполнение размеров скважины соответственно габаритам устройства. Выполнение выдвижного прямоугольного поршня 5 с пазами 8, в сечении в виде ласточкина хвоста на внутренней его стороне, обеспечивает крепление в них пакета металлических пластинок 9 с перпендикулярно прикрепленными к ним режущими ножами 10,которые служат для послойного разделения пробы в процессе ее отбора. Установка в корпусе устройства металлической решетки 11 обеспечивает параллельность движения режущих ножей 10 и при их прохождении через пазы 12 решетки 11 и жесткость всей конструкции устройства. Выполнение компоновки узлов устройства таким образом, что силовой механизм внедрения челнокообразного наконечника 2 в грунт (рычаг 13, ось рычага 14, подпружиненный толкатель 17, упоры 19) и перекрытия входного отверстия 7 устройства расположен перпендикулярно к продольной оси корпуса 1, а размещение корпуса 1 под плитой 6 параллельно горизонту обеспечивает горизонтальный послойный отбора проб грунта. При таком отборе проб, по сравнению с прототипом, не происходит перемещение частичек грунта с загрязняющими их веществами из верхнего слоя к нижнему слою, что способствует отбору представительных проб, особенно в таких случаях, как, например, отбор проб,загрязненных радионуклидами, когда изучается вертикальная миграция радионуклидов. Выполнение механизма перекрытия входного отверстия 7 корпуса 1 устройства в виде рычага 13, который служит одновременно и для обеспечения внедрения устройства в грунт и для извлечения отобранной пробы из устройства, обеспечивает удобство пользования устройством. Выполнение в горизонтальной металлической плите 6 выфрезерованного продольного паза 24 служит для размещения в нем рычага 13 механизма внедрения устройства в грунт. Размещение на нижнем плече 16 рычага 13 цилиндрической формы подпружиненного толкателя 17 позволяет его цилиндрическому толкателю строго устанавливаться перпендикулярно плоскости поршня при контакте со скобой 18, имеющей параболическую поверхность, и направлять поршень 5 без перекосов строго по продольной оси устройства. Закрепление на оси вращения подпружиненного цилиндрического толкателя 17 рычага 13, упоров 19 позволяет при контакте их с перекладиной 20 произвести подрезание пробы и перекрытие входного отверстия 7 выдвижными металлическими лентами 3. 8542 1 2006.10.30 Источники информации 1. А.с. СССР 1245691, МПК 21 В 49/06, 1986. 2. А.с. СССР 1239298, МПК 21 В 49/06, 1986. 3. Труды Института прикладной геофизики Вып.8. Устройство для отбора секционной пробы. - С. 130-132. 4. А.с. СССР 310997, МПК 21 В 47/02, 1971. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8