大埋深原状土壤取样装置及系统的制作方法

本发明涉及土壤学实验研究设备技术领域，特别是涉及一种大埋深原状土壤取样装置及系统。

背景技术：

土壤物理参数及其水动力特征参数是研究土壤水文过程的重要依据。为了获取土壤物理参数及其水动力特征参数，一般采用原状土取样。目前，随着地下水的大规模开采，华北平原的地下水位埋深由20世纪70年代的2～15m降至现在的8～30m，局部地区甚至达到了56m。那么，地下水位的下降使得土壤水文过程的研究深度从原来的几米拓展到了二十多米甚至更大的范围。

那么，在对大埋深土壤物理参数及水动力特征参数的研究中，由于地下水位埋深的增加，需获取原状土的深度也随之增加，而土壤受到的压力也会随深度的增加而不断加大，造成大埋深下的土壤也更加密实，获取原状土的难度加大。

目前的原状土取样装置有环刀取土钻和汽油动力取土钻。

其中，环刀取土钻主要通过转动顶部的t型手柄，来带动底部的螺旋钻头进行钻进，到达一定深度后可以将螺旋钻头更换为环刀钻头进行取土。这种环刀取土方案在获取地面2m以内的原状土比较容易，对于2m以下的土壤来说，由于土壤的密实程度相对较大并且密实程度随深度的增加而增加，那么如果取土则需要对t型手柄施加一个很大的力才能继续钻进和取土，这会对取样人员的劳动力需求很大且取土效率较低。

而汽油机动力取土钻则分为锤击式和震动式：锤击式取土钻是通过汽油机带动击锤不断对钻杆击打进行钻进；震动式取土钻则是通过不断对钻杆震动来达到钻进的目的。虽然汽油机动力取土钻能够在一定程度上减小对取样人员劳动力的需求，但是，汽油机取土装置的整套设备重量总体较高(例如高达20kg)，使得野外取土不便携带且购置费用较高。

由此可见，现有技术中的大埋深原状土壤取样装置普遍存在着土壤取样难度大、效率低以及成本高的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种大埋深原状土壤取样装置及系统，以解决现有技术中的大埋深原状土壤取样装置所存在的土壤取样难度大、效率低以及成本高的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明公开了一种大埋深原状土壤取样装置，包括：

依次连接的手柄、带竖纹的传力杆和钻头，所述传力杆与所述钻头之间为可拆卸连接，所述钻头通过转动所述手柄或所述传力杆而转动；

膨胀套筒系统，包括：

平台，具有允许所述钻头、所述传力杆穿过的第一通孔以及环绕所述第一通孔轴向设置的多个第二通孔；

套筒，由围绕所述平台的外周的多个钢片构成，每个钢片的顶端与所述平台连接，并且每个钢片的内侧设有楔形结构；

多根钢杆，与所述多个第二通孔一一对应，并且所述多根钢杆的上端具有螺纹，每根钢杆穿过对应的第二通孔，通过所述螺纹与位于所述第二通孔上方的螺母连接；

倒楔形铁环，位于所述套筒内，其中，所述多根钢杆在所述倒楔形铁环的内壁与所述倒楔形铁环固定连接，其中，所述倒楔形铁环的位置与所述楔形结构的位置对应，使得当转动所述螺母以使所述多根钢杆相对所述套筒向上运动时，所述倒楔形铁环能够与所述楔形结构接合并将所述楔形结构向外推开，从而使所述多个钢片远离彼此向外膨胀；以及

一对斜螺纹杆，可转动地设置在所述平台的上表面并对称地与所述传力杆的所述竖纹垂直啮合，所述一对斜螺纹杆具有摇柄，当通过所述摇柄使所述斜螺纹杆转动时，所述传力杆能够沿竖直方向运动。

根据本发明的另一个方面，本发明还公开了一种大埋深原状土壤取样系统，包括：

依次连接带竖纹的传力杆和钻头，所述传力杆与所述钻头之间为可拆卸连接，所述钻头通过转动所述传力杆而转动；

膨胀套筒系统，包括：

平台，具有允许所述传力杆穿过的第一通孔以及环绕所述第一通孔轴向设置的多个第二通孔；

套筒，由围绕所述平台的外周的多个钢片构成，每个钢片的顶端与所述平台连接，并且每个钢片的内侧设有楔形结构；

多根钢杆，与所述多个第二通孔一一对应，并且所述多根钢杆的上端具有螺纹，每根钢杆穿过对应的第二通孔，通过所述螺纹与位于所述第二通孔上方的螺母连接；

倒楔形铁环，位于所述套筒内，其中，所述多根钢杆在所述倒楔形铁环的内壁与所述倒楔形铁环固定连接，其中，所述倒楔形铁环的位置与所述楔形结构的位置对应，使得当转动所述螺母以使所述多根钢杆相对所述套筒向上运动时，所述倒楔形铁环能够与所述楔形结构接合并将所述楔形结构向外推开，从而使所述多个钢片远离彼此向外膨胀；以及

步进电机，包括主体和输出端，所述主体固定在所述平台的上表面，所述输出端连接有齿轮，其中，所述齿轮与所述传力杆的所述竖纹垂直啮合，当所述步进电机通电时，所述输出端带动所述齿轮以及所述传力杆转动。

与现有技术相比，本发明包括以下优点：

本发明的有益效果在于：使用本发明的大埋深原状土壤取样装置时，当钻头钻到一定深度，可以将膨胀套筒系统放入钻孔当中，通过使套筒膨胀而与周围的土壤紧密接合，从而使膨胀套筒系统牢固地固定在土壤中；接着，可以通过转动斜螺纹杆使钻头继续钻进。本发明提出的这种方案与直接转动手柄相比更加省力，降低了大埋深土壤的取样难度，从而能够提高取土效率。此外，对称设置的斜螺纹杆可以由两人同时用力，与一人直接转动手柄相比力量更大，取土效率更高。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的一种大埋深原状土壤取样装置的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的膨胀套筒系统的下部部分的放大示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的膨胀套筒系统的上部部分的放大示意图；

图4是根据本发明图1所示的一个实施例大埋深原状土壤取样装置中的膨胀套筒系统的平台的俯视图；

图5是根据本发明的一个实施例的膨胀套筒系统的平台的侧视图；

图6是根据本发明图1所示的一个实施例的彼此啮合的传力杆和斜螺纹杆的俯视图；

图7是根据本发明的一个实施例的大埋深原状土壤取样系统的示意图；

图8是根据本发明图7所示的一个实施例大埋深原状土壤取样系统中的膨胀套筒系统的平台的俯视图；

图9是根据本发明的一个实施例的环刀钻头的示意图；

图10是根据图7所示取样系统的一个实施例的彼此啮合的齿轮和传力杆的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

整体参照图1至图6、图9，根据本发明的一个实施例，大埋深原状土壤取样装置包括手柄1、带竖纹的传力杆2和钻头3(这里为螺旋钻头)。手柄1可以是任何类型的手柄，操作人员通过对其进行驱动(例如，转动)而使传力杆2随之转动，进而使与传力杆2连接的钻头转动。传力杆2上的竖纹将在后文中详细描述。钻头3可以是普通的螺旋钻头，也可以是其他类型的外表面具有螺旋结构的钻头。通过转动手柄1或传力杆2都可以使钻头3转动，从而钻入土壤。传力杆2和钻头3之间为可拆卸的连接，当钻头3为螺旋钻头时，可以利用螺旋钻头钻入至土壤中的取样深度，当钻到一定深度后，为了便于取土，可以将螺旋钻头换成如图9所示的外表面具有螺旋结构的环刀钻头，其中，从图9可以看出，环刀钻头具有上下开口的圆筒结构，环刀钻头的下开口的壁厚较薄，类似于刀刃，并且，为了在传力杆2的带动下向下钻进取土，本发明实施例的环刀钻头的外壁具有螺旋纹理(即，螺旋结构)。

其中，在一个实施例中，在将图9所示的环刀钻头与传力杆2连接时，可以在环刀钻头的上截面设置盖板，从而通过该盖板来实现环刀钻头与传力杆2的连接。

当然，本发明对于环刀钻头和传力杆之间的连接方式并不限定于此，可以采用现有技术中的任意一种连接方式，来实现二者的连接。

此外，该大埋深原状土壤取样装置还包括膨胀套筒系统。该膨胀套筒系统包括平台5、套筒6、多根钢杆7以及倒楔形铁环8。

如图4所示，平台5具有允许钻头3和传力杆2穿过的第一通孔501以及环绕第一通孔501轴向设置的多个第二通孔502。

套筒6由围绕平台5的外周的多个钢片601构成。钢片的长度任选，一般可以设置为2m左右。钢片601的数量可以任选，例如，3个、4个、5个或更多。这些钢片601围成筒状结构，从而构成套筒6。整个套筒直径略小于钻孔直径，以便套筒6可以放入钻孔中。在使用时，套筒6的处于下方的大部分放入钻孔中，处于上方的小部分留在地面上方。例如，假设套筒高2m，则可以使套筒下部的1.5m深入钻孔，上部的0.5m处于地面之上。每个钢片601的顶端与如图5所示的平台5连接，并且如图1和图2所示，每个钢片601的内侧设有楔形结构602。应理解，此处所述的钢片的“顶端”指的是钢片601在使用时其在竖直方向上的最上端部分。后文中当提到“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“底端”等相对位置关系也都是根据使用时在竖直方向上的位置而言的。此外，钢片的“内侧”指的是由钢片601围成的筒状结构(即，套筒6)的内侧。

所述多根钢杆7与所述多个第二通孔502一一对应，即，钢杆7的数量与第二通孔502的数量相同，每根钢杆7都有与之对应的第二通孔502。优选地，在一个实施例中，钢杆7和第二通孔502的数量为4个。每根钢杆7都穿过对应的第二通孔502。钢杆7的上端具有螺纹，螺纹的长度任选，例如，可以大约为10cm，钢杆7穿过对应的第二通孔502后通过该螺纹与位于该第二通孔502上方(即，平台5上方)的螺母9连接。

倒楔形铁环8位于套筒6内，倒楔形铁环8的直径略小于套筒6直径但大于钻头3直径。顾名思义，倒楔形铁环8具有倒楔形形状，该倒楔形形状类似于截头圆锥的形状，其上部的直径小于下部的直径。此外，如图2所示，该倒楔形铁环8内部中空，具有类似圆锥筒的结构。所述多根钢杆7在倒楔形铁环8的内壁与所述倒楔形铁环8固定连接。

如图1～图3所示，倒楔形铁环8处于基本水平的位置。此时，钢杆7以及其所连接的倒楔形铁环8通过螺母9相当于整体挂在平台5上。其中，如图4所示，螺母9的直径大于第二通孔502的直径，使得螺母9不能穿过第二通孔502，因而起到将钢杆7和倒楔形铁环8挂在平台5上的作用，钢杆7和倒楔形铁环8的重量使得螺母9与平台5的上表面紧紧接合。通过转动钢杆7上的螺母9，可以使钢杆7相对于螺母9上下运动。

如图1和图2所示，倒楔形铁环8的位置与楔形结构602的位置对应，这要求多个楔形结构602设置在同一水平高度上。当转动螺母9以使所述多根钢杆7相对套筒6向上运动时，倒楔形铁环8能够与楔形结构602接合并将所述楔形结构602所在的套筒6向外推开，从而使所述多个钢片601远离彼此向外膨胀。由于膨胀套筒系统在使用时是放置在钻孔中的，因此，向外膨胀的钢片601会与周围的土壤紧密接合，从而使膨胀套筒系统牢固地固定在土壤中，从而保证了平台5的稳定性。

此外，如图1和图4所示，该大埋深原状土壤取样装置还包括一对斜螺纹杆10。所述一对斜螺纹杆10可转动地设置在平台5的上表面，斜螺纹杆10表面具有斜螺纹，使得斜螺纹杆10能够对称地与传力杆2上的竖纹垂直啮合。图6是示出了传力杆2与斜螺纹杆10之间的配合的俯视图。从图6中能够清晰地看到传力杆2上的竖纹的结构，传力杆2在外周上形成多条竖纹，这些竖纹沿传力杆2的纵向延伸。斜螺纹杆10与传力杆2之间的配合类似于蜗轮与蜗杆之间的配合。斜螺纹杆10具有摇柄15，当通过摇柄15转动所述斜螺纹杆10时，传力杆2随之转动，从而将原来驱动手柄所施加的水平面上的旋转力转动90°变为由摇柄15施加的竖直平面内的转动力。由于传力杆2与钻头3连接，传力杆2的转动导致钻头3的转动，从而继续钻进或钻出，该传力杆2因此表现出沿竖直方向的运动。

该实施例的有益效果在于：当使用手柄1带动钻头3转动从而钻入土壤一定深度后，由于土壤密度变大，使用人力驱动手柄会非常费力。此时，可以将膨胀套筒系统放入钻孔当中，通过转动螺母9，所述多根钢杆7相对套筒6向上运动，倒楔形铁环8能够与楔形结构602接合并将所述楔形结构602向外推开，从而使所述多个钢片601远离彼此向外膨胀，进而与周围的土壤紧密接合，从而使膨胀套筒系统牢固地固定在土壤中，从而保证了平台5的稳定性。平台5的稳定能够保证斜螺纹杆的转动更好地传递给传力杆。这时，可以通过转动对称设置的斜螺纹杆10使钻头3(例如环刀钻头)继续钻进。这种结构与直接转动手柄相比更加省力，降低了大埋深土壤的取样难度，从而能够提高取土效率。此外，对称设置的斜螺纹杆10可以由两人同时用力，与一人直接转动手柄相比力量更大，取土效率更高。

手柄1与带竖纹的传力杆2可以是一体结构。优选地，手柄1与带竖纹的传力杆2之间为可拆卸连接，从而在不使用时彼此分开，便于携带，并在需要使用时组装在一起。

在一个优选实施例中，本发明的大埋深原状土壤取样装置还可以包括位于传力杆2与钻头3之间的至少一个连接杆4。连接杆的长度可以自由选择，例如，每段连接杆1m。可以随钻入深度的变化来增减连接杆4的数量，这样使得即使钻入深度很大也不需要将传力杆2做得很长，这样使得传力杆2和连接杆4都可以具有相对较小的长度，既便于使用，也能为携带带来方便。传力杆2、所述至少一个连接杆4以及所述钻头3之间可以通过销槽16连接配合实现连接。图1当中清楚地示出了这种销槽配合。例如，可以在传力杆2上设置销，在与该传力杆2连接的连接杆上设置与该销配合的槽，也可以在传力杆2上设置槽，在与该传力杆2连接的连接杆4上设置与该槽配合的销。该销和槽的截面可以都是长方形的，也可以是其他便于传递扭矩的形状，例如，十字花形。

手柄1与传力杆2之间也可以采用上述销槽配合。此外，上述手柄优选为t型手柄。t型手柄为平面结构，具有体积小、易携带的优点。此外，该手柄也可以是其他类型的手柄，例如，类似于汽车方向盘式的手柄，或者十字形手柄等。

在一个优选实施例中，如图3所示，该大埋深原状土壤取样装置还包括套设在套筒6外侧上部的固定环11，其中，所述固定环11位于所述倒楔形铁环8上方。具体如图1和图3所示，在使用时，该固定环11通常位于地面上方，而所述倒楔形铁环8以及对应的楔形结构602通常位于地面下方。当套筒6膨胀时，固定环11能够起到类似于杠杆支点的作用，从而使得当套筒6的下部向外膨胀时，套筒6(钢片601)的上部能够紧紧地贴在如图5所示的平台5的侧壁503上，从而增加平台5的稳定性。

为了额外增加平台5的稳定性，在一个优选实施例中，如图5所示，平台5的下部相对平台5的上部内缩使得平台5呈如图5所示的阶梯状圆柱结构，所述多个钢片601的顶端弯折90度并与平台5的上部的底面接合。这样的结构能够实现在竖直方向上对平台5更好的支撑。

在另一个优选实施例中，所述平台5包括第一部分504和第二部分505，即，如图4所示，平台5由两部分结构构成。图4中示出了平台5的由两个半圆形部分组成，但这并不是必要的，第一部分和第二部分也可以是其他形状。第一部分和第二部分在一端通过铰链彼此铰接并在另一端通过固定扣12形成可拆卸连接，所述一对斜螺纹杆10分别设置在所述第一部分504和所述第二部分505上。第一部分与第二部分之间的铰接可以在侧面形成，使得第一部分与第二部分可以如图4所示沿箭头方向运动，彼此靠近，并最终闭合在一起，通过固定扣12连接；也可以沿与箭头相反的方向运动，彼此打开。这种结构的好处在于能够通过平台闭合程度灵活地调节平台上的所述一对斜螺纹杆10与传力杆之间啮合的程度，达到最好的传力效果。

参照图4，在一个优选实施例中，斜螺纹杆10包括具有光滑表面的第一端10a和第二端10b，第一端10a和第二端10b上套设有轴承，所述第一端10a上的轴承通过折叶13连接至所述平台5的上表面，所述第二端10b上的轴承通过折叠扣14连接至所述平台5的上表面。这样的结构使得斜螺纹杆10可拆卸地固定至平台5，便于使用和携带。摇柄15设置在该斜螺纹杆10的第二端10b。通过摇动摇柄15能够带动斜螺纹杆10转动。摇柄15与斜螺纹杆10可以是一体结构，与斜螺纹杆10也可以形成可拆卸连接，例如，通过销槽配合。摇柄15的使用能够大大省力。

在一个优选实施例中，如图1所示，所述膨胀套筒系统包括在每个钢片的内侧以预定距离间隔设置的多个所述楔形结构602和与所述多个楔形结构602配合的多个所述倒楔形铁环8。例如，该预定间隔可以是0.5m，0.2m等。通过设置多个倒楔形铁环8和与之配合的多个所述楔形结构602，能够使膨胀套筒系统的膨胀更加均匀，与土壤的接合更加紧密，从而使平台5更稳定。优选地，在该实施例的基础上，分布在每个钢片上的多个所述楔形结构602之间的间隔距离从下到上逐渐减小。这样能够使膨胀套筒系统的膨胀更加均匀。

下面示出了本发明的一个实施例的大埋深原状土壤取样装置的示例取样与使用步骤：

1.检查装置各组件的完整性；

2.地面以下2m的深度范围内，土壤相对疏松，将装置组装成现有常规取土钻，直接用螺旋钻头钻孔，钻到一定深度后可直接拉出钻头取样或更换环刀钻头进行取样；

3.深度超过2m后，由于土壤密实程度逐渐加强，钻孔和取土相对困难，此时将常规取土钻组装成套筒取土钻，只需在常规取土钻的基础上将膨胀套筒系统放入钻孔，可通过螺栓将钢片与膨胀套筒的平台连接，转动膨胀套筒平台上5与钢杆7相连的螺母9，带动钢杆7向上运动从而拉动倒楔形铁环8，使套筒6膨胀，将套筒6牢牢的固定在钻孔中并稳定膨胀套筒平台5；

4.调整并紧固固定扣12将斜纹螺杆10固定，从而使斜螺纹杆10与传力杆2啮合，将摇柄15与斜螺纹杆10相连；

5.当顺时针转动摇柄时，钻头3(此处为螺旋钻头)向下钻进；当钻到所需取土深度时，逆时针转动摇柄15将钻头3提出，也可将折叠扣松开使斜螺纹杆10与传动杆2分离，人工直接提取钻杆，将钻头提出；

6.钻头提到平台外部，除去钻头中的土壤，然后，将图1所示的螺旋钻头3更换为图9所示的环刀钻头放入至采用螺旋钻头所钻开的孔中，继续进行取土，从而获取大埋深土样；

7.将取出的土样放入试样箱中备用；

8.重复步骤2—步骤7，获取全部土样；

9.取土完毕后，将设备拆解并进行保养，然后装箱。

整体参照图7～图10、图2～图3以及图5，根据本发明的一个实施例，提供了一种大埋深原状土壤取样系统，大埋深原状土壤取样系统包括：

带竖纹的传力杆2和钻头3(这里为螺旋钻头)。传力杆2的转动使与传力杆2连接的钻头3转动。传力杆2上的竖纹将在后文中详细描述。钻头3可以是普通的螺旋钻头，也可以是其他类型的外表面具有螺旋结构的钻头。通过转动传力杆2都可以使钻头3转动，从而钻入土壤。传力杆2和钻头3之间为可拆卸的连接，当钻头3为螺旋钻头时，可以利用螺旋钻头钻入至土壤中的取样深度，当钻到一定深度后，为了便于取土，可以将螺旋钻头换成如图9所示的外表面具有螺旋结构的环刀钻头，其中，从图9可以看出，环刀钻头具有上下开口的圆筒结构，环刀钻头的下开口的壁厚较薄，类似于刀刃，并且，为了在传力杆2的带动下向下钻进取土，本发明实施例的环刀钻头的外壁具有螺旋纹理(即，螺旋结构)。

其中，在一个实施例中，在将图9所示的环刀钻头与传力杆2连接时，可以在环刀钻头的上截面设置盖板，从而通过该盖板来实现环刀钻头与连接杆4的连接。

当然，本发明对于环刀钻头和连接杆4之间的连接方式并不限定于此，可以采用现有技术中的任意一种连接方式，来实现二者的连接。

此外，该大埋深原状土壤取样系统还包括膨胀套筒系统。该膨胀套筒系统包括平台5、套筒6、多根钢杆7以及倒楔形铁环8。

平台5具有允许钻头3和传力杆2穿过的第一通孔501以及环绕第一通孔501轴向设置的多个第二通孔502。

套筒6由围绕平台5的外周的多个钢片601构成。钢片的长度任选，一般可以设置为2m左右。钢片601的数量可以任选，例如，3个、4个、5个或更多。这些钢片601围成筒状结构，从而构成套筒6。整个套筒直径略小于钻孔直径，以便套筒6可以放入钻孔中。在使用时，套筒6的处于下方的大部分放入钻孔中，处于上方的小部分留在地面上方。例如，假设套筒高2m，则可以使套筒下部的1.5m深入钻孔，上部的0.5m处于地面之上。每个钢片601的顶端与如图5所示的平台5连接，并且如图7和图2所示，每个钢片601的内侧设有楔形结构602。应理解，此处所述的钢片的“顶端”指的是钢片601在使用时其在竖直方向上的最上端部分。后文中当提到“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“底端”等相对位置关系也都是根据使用时在竖直方向上的位置而言的。此外，钢片的“内侧”指的是由钢片601围成的筒状结构(即，套筒6)的内侧。

所述多根钢杆7与所述多个第二通孔502一一对应，即，钢杆7的数量与第二通孔502的数量相同，每根钢杆7都有与之对应的第二通孔502。优选地，在一个实施例中，钢杆7和第二通孔502的数量为4个。每根钢杆7都穿过对应的第二通孔502。钢杆7的上端具有螺纹，螺纹的长度任选，例如，可以大约为10cm，钢杆7穿过对应的第二通孔502后通过该螺纹与位于该第二通孔502上方(即，平台5上方)的螺母9连接。

倒楔形铁环8位于套筒6内，倒楔形铁环8的直径略小于套筒6直径但大于钻头3直径。顾名思义，倒楔形铁环8具有倒楔形形状，该倒楔形形状类似于截头圆锥的形状，其上部的直径小于下部的直径。此外，如图2所示，该倒楔形铁环8内部中空，具有类似圆锥筒的结构。所述多根钢杆7在倒楔形铁环8的内壁与所述倒楔形铁环8固定连接。

如图7以及图2～图3所示，倒楔形铁环8处于基本水平的位置。此时，钢杆7以及其所连接的倒楔形铁环8通过螺母9相当于整体挂在平台5上。其中，如图8所示，螺母9的直径大于第二通孔502的直径，使得螺母9不能穿过第二通孔502，因而起到将钢杆7和倒楔形铁环8挂在平台5上的作用，钢杆7和倒楔形铁环8的重量使得螺母9与平台5的上表面紧紧接合。通过转动钢杆7上的螺母9，可以使钢杆7相对于螺母9上下运动。

如图7和图2所示，倒楔形铁环8的位置与楔形结构602的位置对应，这要求多个楔形结构602设置在同一水平高度上。当转动螺母9以使所述多根钢杆7相对套筒6向上运动时，倒楔形铁环8能够与楔形结构602接合并将所述楔形结构602所在的套筒6向外推开，从而使所述多个钢片601远离彼此向外膨胀。由于膨胀套筒系统在使用时是放置在钻孔中的，因此，向外膨胀的钢片601会与周围的土壤紧密接合，从而使膨胀套筒系统牢固地固定在土壤中，从而保证了平台5的稳定性。

此外，如图7所示，该大埋深原状土壤取样系统还包括：步进电机18，包括主体101和输出端102，所述主体101固定在所述平台5的上表面，所述输出端102连接有齿轮17，其中，如图10所示，所述齿轮17与所述传力杆2的所述竖纹垂直啮合，当所述步进电机18通电时，所述输出端102带动所述齿轮17以及所述传力杆2转动。由于传力杆2与钻头3连接，传力杆2的转动导致钻头3的转动，从而继续钻进或钻出，该传力杆2因此表现出沿竖直方向的运动。

该实施例的有益效果在于：将膨胀套筒系统放入钻孔当中，通过转动螺母9，所述多根钢杆7相对套筒6向上运动，倒楔形铁环8能够与楔形结构602接合并将所述楔形结构602向外推开，从而使所述多个钢片601远离彼此向外膨胀，进而与周围的土壤紧密接合，从而使膨胀套筒系统牢固地固定在土壤中，进而保证了平台5的稳定性。平台5的稳定能够保证步进电机18的齿轮17转动更好地传递给传力杆。这时，可以通过开启步进电机18的电源，使步进电机18输出端102的齿轮17转动，并带动与该齿轮17啮合的传力杆2转动，进而使与传力杆2连接的具有螺旋表面的钻头3继续钻进。步进电机18的使用不仅减少了人力操作，提高取土效率，而且本发明实施例还能够根据环刀钻头的螺纹间距，确定齿轮17每旋转一圈环刀钻头的钻进/钻出距离，这样，就可以通过精确的控制步进电机的转动圈数，来使钻头合理的钻进和取出，使得环刀钻头中恰好装满土样，取土量的控制更加精确。该装置的使用不仅降低了大埋深土壤的取样难度，提高取土效率，还能使得取样深度的控制更加精确。

在一个优选实施例中，本发明的大埋深原状土壤取样系统还可以包括位于传力杆2与钻头3之间的至少一个连接杆4。连接杆的长度可以自由选择，例如，每段连接杆1m。可以随钻入深度的变化来增减连接杆4的数量，这样使得即使钻入深度很大也不需要将传力杆2做得很长，这样使得传力杆2和连接杆4都可以具有相对较小的长度，既便于使用，也能为携带带来方便。传力杆2、所述至少一个连接杆4以及所述钻头3之间可以通过销槽16连接配合实现连接。图7当中清楚地示出了这种销槽配合。例如，可以在传力杆2上设置销，在与该传力杆2连接的连接杆上设置与该销配合的槽，也可以在传力杆2上设置槽，在与该传力杆2连接的连接杆4上设置与该槽配合的销。该销和槽的截面可以都是长方形的，也可以是其他便于传递扭矩的形状，例如，十字花形。

在一个优选实施例中，如图3所示，该大埋深原状土壤取样系统还包括套设在套筒6外侧上部的固定环11，其中，所述固定环11位于所述倒楔形铁环8上方。具体如图7和图3所示，在使用时，该固定环11通常位于地面上方，而所述倒楔形铁环8以及对应的楔形结构602通常位于地面下方。当套筒6膨胀时，固定环11能够起到类似于杠杆支点的作用，从而使得当套筒6的下部向外膨胀时，套筒6(钢片601)的上部能够紧紧地贴在如图5所示的平台5的侧壁503上，从而增加平台5的稳定性。

为了额外增加平台5的稳定性，在一个优选实施例中，如图5所示，平台5的下部相对平台5的上部内缩使得平台5呈如图5所示的阶梯状圆柱结构，所述多个钢片601的顶端弯折90度并与平台5的上部的底面接合。这样的结构能够实现在竖直方向上对平台5更好的支撑。

可选地，所述平台5的所述第一通孔501的内径大于所述传力杆2的外径，所述内径和所述外径相差预定尺寸(例如1cm～2cm)。这样可以保证在齿轮17与传力杆2啮合时，确保传力杆2的稳定性。

可选地，为了进一步确保齿轮带动传力杆转动的过程中传力杆的稳定，还可以使如图7所示的步进电机18的数量为多个，多个所述步进电机18对称地固定在所述平台5的上表面。

在另一个优选实施例中，所述平台5包括第一部分504和第二部分505，即，如图8所示，平台5由两部分结构构成。图8中示出了平台5的由两个半圆形部分组成，但这并不是必要的，第一部分和第二部分也可以是其他形状。第一部分和第二部分在一端通过铰链20彼此铰接并在另一端通过固定扣12形成可拆卸连接。第一部分与第二部分之间的铰接可以在侧面形成，使得第一部分与第二部分可以如图8所示沿箭头方向运动，彼此靠近，并最终闭合在一起，通过固定扣12连接；也可以沿与箭头相反的方向运动，彼此打开。这种可拆卸的平台结构，可以在使用螺旋钻头钻到一定大埋深深度后，需要更换为环刀钻头时(由于第一通孔略小于钻头的外径)，可以将平台5拆开，从而更换钻头，以及进行取土等操作。

在一个优选实施例中，如图7所示，所述膨胀套筒系统包括在每个钢片的内侧以预定距离间隔设置的多个所述楔形结构602和与所述多个楔形结构602配合的多个所述倒楔形铁环8。例如，该预定间隔可以是0.5m，0.2m等。通过设置多个倒楔形铁环8和与之配合的多个所述楔形结构602，能够使膨胀套筒系统的膨胀更加均匀，与土壤的接合更加紧密，从而使平台5更稳定。优选地，在该实施例的基础上，分布在每个钢片上的多个所述楔形结构602之间的间隔距离从下到上逐渐减小。这样能够使膨胀套筒系统的膨胀更加均匀。

下面示出了本发明的一个实施例的大埋深原状土壤取样系统的示例取样与使用步骤：

1.检查系统各组件的完整性；

2.地面以下2m的深度范围内，土壤相对疏松，在传力杆2的顶端安装t型手柄，组装成现有常规取土钻，直接用螺旋钻头钻孔，钻到一定深度后可直接拉出钻头取样或更换本发明实施例如图9所示的环刀钻头进行取样；

3.深度超过2m后，由于土壤密实程度逐渐加强，钻孔和取土相对困难，此时将常规取土钻组装成套筒取土钻，只需在常规取土钻的基础上将膨胀套筒系统放入钻孔，可通过螺栓将钢片与膨胀套筒的平台连接，转动膨胀套筒平台上5与钢杆7相连的螺母9，带动钢杆7向上运动从而拉动倒楔形铁环8，使套筒6膨胀，将套筒6牢牢的固定在钻孔中并稳定膨胀套筒平台5；

4.开启步进电机18的电源，使步进电机18的输出端102转动，从而带动安装在输出端102上的齿轮17与传力杆2上的竖纹啮合，并使齿轮17和传力杆2转动，并带动螺旋钻头继续钻进，通过精确控制步进电机18的转动圈数，从而控制螺旋钻头的钻进距离；

5.当钻到所需取土深度时，可以改变步进电机18的控制系统的方向电平信号或可以通过调整步进电机18的接线来改变步进电机18输入的信号的方向，从而将螺旋钻头向上提，在快接近平台时，关闭步进电机18，并拆开平台5，取出螺旋钻头；

6.螺旋钻头提到平台外部，除去螺旋钻头中的土壤，然后，将图7所示的螺旋钻头更换为环刀钻头放入至采用螺旋钻头所钻开的孔中，安装好平台，开启步进电机18，输入原方向的信号，通过精确控制步进电机18的转动圈数，这样在用图9所示的环刀钻头进行取土时，就能够按照环刀的高度控制环刀每次的钻进距离，进行取样；

7.输入相反方向的信号，将钻头向上提，在快接近平台5时，关闭步进电机18，并拆开平台5，取出环刀钻头，得到土样并将取出的土样放入试样箱中备用；

8.重复步骤2—步骤7，获取全部土样；

9.取土完毕后，将设备拆解并进行保养，然后装箱。

另外，本发明实施例的上述大埋深原状土壤取样装置以及系统不仅仅可以应用在大埋深环境下进行取土，还可以应用在需要夯实的地方，例如地基、土石坝等等，方便取土。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种大埋深原状土壤取样装置及系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。