一种原状土柱采掘器的制作方法

本实用新型涉及钻进技术领域，特别是涉及一种原状土柱或根系采掘器。

背景技术：

传统上，研究人员在研究原状的土壤剖面结构时，会在野外选择挖一个比较大、比较深的土壤剖面坑，直接观察研究原状土土壤所裸露的一段垂直切面。但由于工程量大，也破坏了很大面积的土壤，而且这类土壤剖面结构无法永久保留或移至室内进行土壤剖面结构的深层次研究。

目前，对原状土土壤的采样分析研究一般都采用土钻装置，然而现有技术中经常用到的传统土钻以及由洛阳铲改进的土钻只能在不同深度的土壤中取出一小块土壤样本，但不能连续取从地面到土钻钻头所达深度的整个土壤断面层，这对原状土土壤不同层面的研究造成困扰。按照取土方式的不同，土钻有3种类型：直压式、螺旋式和锤击式。采用螺旋式取土中钻头的旋转和锤击式取土中的震动，以及过厚的钻头壁挤压土壤都会造成土壤扰动，改变土壤的结构特征，不能得到理想的原状土壤样品。

杨学明和贾书刚公开了一种直压式手动原状土取土钻(中国专利公开号为cn2132177y)，采用直压式取原状土，解决了取土过程中土壤对土钻的阻力问题，但当土钻的直径较大、长度较长时，直压手动的取土方式很难将土钻稳定地压入土壤中，同时也无法对植物根系进行取样。

当前，由于现有的采掘装置费力、采掘深度不够，携带不方便，在土壤结构深层次研究及作物根系分布研究方面，迫切需要开发新的采掘设备，才能更好地研究土壤各剖面发生层的发生、发育机理及根系在土体中的分布规律。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是克服现有采掘设备的采掘深度不够，携带和使用不放便等问题，提供一种原状土柱采掘器，可将长度较长、直径较大的土柱完整地采掘出来，采样过程没有震动或旋转，对土壤结构影响较小。

本实用新型上述目的通过以下技术方案实现：

一种原状土柱采掘器，包括：举升组件、用于容纳并限位采样管的支撑架；所述支撑架的顶部设有顶板，所述顶板上设有至少三个支杆，所述举升组件驱动所述采样管从所述支撑架底部向外移动。

可选地，还包括可设置在举升组件、采样管之间的垫板，当举升组件的举升高度不够时，通过向采样管与举升组件之间加设垫板，增加采样管的采样深度。

可选地，所述举升组件为立式液压千斤顶，所述立式液压千斤顶具有手柄，所述支撑架上设有供所述手柄作业的窗口，所述手柄通过小活塞驱动所述立式液压千斤顶的大活塞顶头抵靠至所述顶板，所述立式液压千斤顶的底座向下移动，驱动所述采样管从所述支撑架底部向外移动。

可选地，所述支杆为可调长度的伸缩杆。

可选地，所述支杆包括小支杆、大支杆，所述小支杆部分套设于所述大支杆内，所述小支杆、大支杆上设有多个固定孔以及锁紧栓，所述锁紧栓插入所述小支杆、大支杆的固定孔中，锁紧所述小支杆、大支杆。

可选地，所述支杆的底部设有横梁，所述横梁上设有至少一个地矛。

可选地，所述支杆的下部设有限位孔，所述横梁穿入所述限位孔中，所述横梁上设有至少两个固定孔，所述地矛上设有吊环，所述横梁穿入所述吊环中，所述吊环位于所述限位孔的两侧，所述固定孔上设有可拆卸的锁紧栓。

可选地，所述地矛上设有限位部件，所述限位部件的一侧边下翘，形成的下翘部用于钻入土壤中并在旋转状态下将土壤上排，另一侧边上翘，形成的上翘部用于旋出时将土壤下排。

可选地，所述限位部件为圆形或椭圆形片状结构，具有一下翘与一上翘的边缘。

可选地，所述限位部件为圆形或椭圆形片状结构，该限位部件上设有至少一个裂口，该裂口的一侧边缘下翘，形成下翘部，另一侧边缘上翘，形成上翘部。优选地，该裂口指向圆心，更有利于下翘部和上翘部排土。

可选地，所述采样管包括管体，所述管体的顶部设有管帽，所述管帽的外径小于所述支撑架的内径，所述管体的底部设有环刀，所述环刀具有外环以及位于所述外环下部的刀刃，所述外环的外径小于所述支撑架的内径。

可选地，所述顶板上设有水平仪，用于判断顶板是否处于水平位置。

可选地，所述支撑架为套管，管状结构有助于采样管的限位，套管的上端和下端均为开口，套管的内径略大于采样管的外径，使得套管的管壁对采样管起到良好的限位作用。

本实用新型还提供一种利用上述原状土柱采掘器进行土壤采掘的方法，包括：将所述支撑架置于采样点，将地矛旋入土壤中，将所述采样管、举升组件依次放入所述支撑架内，在所述支撑架的顶部放置所述顶板，将所述支架固定至所述顶板，通过摆动举升组件的手柄，所述举升组件的底座向下移动，使得所述采样管钻入土壤中，采集得到样品，该样品可以是原状土壤和根系分析样品、土壤和根系观察描述样品、土壤柱状标本等。

可选地，还包括在所述举升组件、采样管之间增加垫板。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的原状土柱采掘器借助顶板以及举升组件，顶板将举升组件向上的作用力转换为下压力，使得采样管顺利钻入土壤中，可以将土柱完整地采掘出来，采样过程没有震动或旋转，对土壤结构影响较小，省时省力。

附图说明

图1显示为本实用新型实施例中原状土柱采掘器整体结构示意图。

图2显示为本实用新型实施例中举升组件和垫板的结构示意图。

图3显示为本实用新型实施例中采样管的结构示意图。

图4显示为本实用新型实施例中刀环的结构示意图。

图5显示为本实用新型实施例中支架的结构示意图。

图6显示为本实用新型实施例中地矛的结构示意图。

图7显示为本实用新型实施例中地矛的另一结构示意图。

编号说明：

1—支撑架

2—窗口

3—举升组件

4—采样管

41—管帽

42—管体

43—环刀

431—外环

432—刀刃

5—垫板

6—顶板

7—支杆

71—小支杆

72—大支杆

73—横梁

8—地矛

81—吊环

82—限位部件

83—裂口

84—下翘部

85—上翘部

9—水平仪

10—锁紧栓

11—固定孔

12—锁紧栓

13—限位孔

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本实用新型，但实施例并不对本实用新型做任何形式的限定。

以下实施例中，除采样管和垫板外，其他材料都由钢铁或合金材料制成，使得采掘器具有可靠的强度，采样管的材质具体可以为pvc，垫板的材质具体可以为木材。

如图1和图2所示，一种原状土柱采掘器，包括：举升组件3、用于容纳并限位采样管4的支撑架1；支撑架1的顶部设有顶板6，顶板6上设有至少三个支杆7，举升组件3驱动采样管4从支撑架1底部向外移动。作业时，三个支杆7插入土壤中，举升组件3的顶部抵靠在顶板6的下表面，在顶板6的阻挡下，当举升组件3的活塞向上举升时，由于顶板6与插入土壤的支杆7连成一体，保持不动，因此，顶板6施加反向的作用力，使得举升组件3的底座向下移动，驱动采样管4从支撑架1底部向外移动。举升组件3的顶部与顶板6的下底面接触，举升组件3为采样管4提供向下的驱动力，使其钻入土壤中，省时省力。举升组件3、采样管4与顶板6之间为可拆卸连接，各部件可收纳于工具箱中，携带至野外进行作业，在待取样地点临时组装成采掘器。

支杆7的数量可以为三个、四个或更多，优选为三个，结构稳固而且安装方便。

支杆7与地面的夹角通常为锐角或直角，当顶板6的直径较小时，支杆7倾斜设置，支杆7斜向插入土壤中，当顶板6的直径较大时，由于顶板6超出支撑架1的部分距离较长，可将支杆7竖直设置，使其竖直插入土壤中，支杆7优选采用倾斜设置的方式，稳定性更高。

还包括可设置在举升组件3、采样管4之间的垫板5，当举升组件3的举升高度有限，达不到所需高度时，通过在举升组件3、采样管4之间加设1个、2个或多个垫板5，使得采掘深度得到增加。

举升组件3可以为立式液压千斤顶(该产品可以从市场上购买得到，例如，可以是日本鹰牌eaglejack、泰州市荣美液压机械制造有限公司的rmqyl型立式油压千斤顶等)，支撑架1上设有供手柄作业的窗口2，手柄通过小活塞驱动立式液压千斤顶的调节螺杆顶头抵靠至顶板6的下底面，在顶板6的反向作用下，立式液压千斤顶的底座向下移动，驱动采样管4从支撑架1底部向外移动，实现对土样的采掘。

立式液压千斤顶的操作过程如下：1、用手柄顺时针转动千斤顶油阀，使其锁紧；2、将千斤顶置于窗口2内；3、将千斤顶手柄插入手柄套管中，上下操动手柄，使得调节螺杆上升至所需高度，此时，采样管4钻入了所需的深度；4、卸下手柄，用手柄松开回油阀，即可将顶板6、支杆7以及支撑架1等部件卸下。

在一实施例中，支杆7上设置固定孔11，固定孔11分别位于顶板6的上侧和下侧，通过向固定孔11中插入锁紧栓12，使得锁紧。固定孔11可以为螺纹孔，锁紧栓12对应为螺栓，通过将螺栓安装至螺纹孔中，实现锁紧。

支撑架1的材质具体可以为钢，顶板6的材质具体可以为铁，顶板6具体可以为圆形、六边形或其他形状。

支杆7为可调长度的伸缩杆，由于各采样地区的土壤的紧密程度不同，地矛8所需插入的深度要求也不同，因此，将支杆7设计成可调长度的结构，使用更加方便。

支杆7包括小支杆71、大支杆72，小支杆71部分套设于大支杆72内。

小支杆71、大支杆72上设有多个固定孔11，锁紧栓12插入小支杆71、大支杆72的固定孔11中，将小支杆71、大支杆72锁紧，根据长度要求的不同，选择在对应的固定孔11中插入锁紧栓12。

支杆7的长度可调结构不限于上述结构，也可以是其他结构，例如，在一实施例中，小支杆71、大支杆72通过螺纹连接，小支杆71的外壁设置外螺纹，大支杆，通过旋转小支杆71或大支杆72，即可实现对支杆7长度的调节。

支杆7与地矛8的连接结构可以为可拆卸结构，也可以为不可拆卸结构，优选为可拆卸结构，在一实施例中，如图5所示，支杆7的底部设有横梁73，横梁73上设有至少一个地矛8，每个横梁73上具体可以设置一个、两个或多个地矛8，地矛8的数量越多，稳定性越高，但是安装难度更大，通常，每个横梁73设置两个地矛8，可满足稳定性要求。

在一实施例中，大支杆72的下部设置限位孔13，限位孔13的直径略大于横梁73的外径，供横梁73穿入其中，使得横梁73连接至大支杆72。

地矛8也可以设计为其他结构，在一实施例中，如图6和图7所示，地矛8顶部有吊环81，地矛旋入或旋出土壤时，可以在吊环81中插入一长杆，辅助旋转地矛，地矛8上靠近下端的部位设置限位部件82，可增加地矛的阻力，限位部件82的一侧边下翘，当工作人员旋转地矛8时，该下翘的侧边可以在转动状态下钻入土壤中，将土壤向限位部件的上部排出，进而使得整个地矛8钻入所需的深度，限位部件82的另一侧边上翘的侧边可以在旋出状态下，将土壤向限位部件的下部排出，进而使得整个地矛8轻易拔出。该限位部件82可以为圆形或椭圆形片状结构，该限位部件82焊接在地矛8上靠近矛尖的位置，优选地，限位部件82上，设有至少一个指向圆心的裂口83，该裂口83的一侧边缘下翘，形成下翘部84，另一侧边缘上翘，形成上翘部85，当限位部件82随着地矛8旋转时，下翘部84钻入土壤中，将土壤上排，上翘部85将土壤下排，使得地矛8的尖端持续向下，最终使得整个地矛8钻入所需的深度，然后夯实土壤，使得地矛8被有效固定在土壤中，拔出时，随着地矛8的反向旋转时，上翘部将土壤向下排，使得地矛8持续向上，最终使得整个地矛8旋出地面。

支杆7的下部设有限位孔13，横梁73穿入限位孔13中，横梁73上设有至少两个固定孔11，地矛8上设有吊环81，横梁73穿入吊环81中，吊环81位于限位孔13的两侧，固定孔11上设有可拆卸的锁紧栓12，锁紧栓12起到对地矛8限位的限位的作用，避免其向外移动。

如图3和图4所示，采样管4包括管体42，管体42的顶部设有管帽41，管帽41的外径略小于支撑架1的内径，管体42的底部设有环刀43，环刀43具有外环431以及位于外环431下部的刀刃432，刀刃432由硬质钢制成，作用为减少掘进阻力，切断横向根系，外环431的外径略小于支撑架1的内径。管帽41一方面用于遮挡管体42的空心部位，使得垫板5或举升组件3的底部均匀受力，另一方面，管帽41的外径略小于支撑架1的内径，管帽41被支撑架1的内壁有效限位，有效减小管体42的晃动，外环431也同样可以起到减小管体42晃动的作用，外环431具体为环形。环刀43外径略小于支撑架1内径，环刀43下边缘为刀刃432，刀刃432内径等于采样管4内径，在刀刃432上方的管体上沿内侧圆周开有凹槽，用于放置采样管4，凹槽上部即为外环431，凹槽内径等于采样管4的外径。采样管4下方套在环刀上部凹槽内，采样管1上部有管帽41，管帽41内径与采样管4外径相同，管帽41外径与略小于支撑架1内径。垫板5放置于采样管管帽41与千斤顶底部之间，垫板5厚度小于千斤顶的最大可抬升高度。在采样过程中，可以将多块垫板联合使用，以加深采样深度。如果垫板5的厚度大于或等于千斤顶的最大可抬升高度，放入垫板之后，千斤顶会难以放入支撑架内。

支撑架1可以为多种结构，如方形或柱形，其侧壁也可以设置多个镂空的通孔，在能够满足支撑强度的情况下，起到一定的减重作用，便于携带，此外，还可在支撑架1的侧壁设置竖向的条形通孔，便于观察内部采样管4的下降深度，支撑架1优选为套管，呈圆柱状，套管的内径略大于采样管4的外径，使得采样管4被有效限位。

顶板6上设有水平仪9，用于确定顶板6是否处于水平状态，进而确定采样管4是否处于严格的竖直状态。

本实用新型的操作过程如下：选定采样点后，将支撑系统打开，让支撑架1位于选定采样点，调整支杆7下方的地面，使得水平仪9保持水平，将地矛8钉入土壤中，然后将环刀43、采样管4连同管帽41和千斤顶从下往上放进支撑架1内，采样管4下方套在环刀43上部凹槽内，实现固定。将手柄插入千斤顶的手柄套管中，上下摆动千斤顶的手柄，由于千斤顶的调节螺杆顶部顶在支撑系统的顶板6下底面，使得千斤顶的调节螺杆不会向上上升，而是千斤顶的底座逐渐下降，进而压动采样管4和环刀43进入土壤中，继续摆动手柄，直到千斤顶不再下降，取出千斤顶，收回顶头，然后将一块垫板5放到采样管4的管帽41上方，在垫板5上方放千斤顶，继续摆动手柄，将采样管4往下压。必要时重复以上操作，直至采样管4内填满所需土壤样品。上述过程中，可以在环刀43进入土壤一定深度后，挖开环刀43上方土壤，减少采样管4、环刀43与土壤之间的摩擦阻力，降低环刀切入土壤所需的力，进而减少上方压力对环刀43下方土壤的压实影响。当达到预期深度的时候，取下千斤顶和垫板5，收起支撑系统，将采样管4和环刀43周围土壤挖开，将采样管4和环刀43完整取出，即可得到原状土柱。

本实用新型的一种原状土柱和根系采掘器，采掘深度一般为10-100cm，可用于采集原状土壤和根系分析样品、土壤和根系观察描述样品和采集土壤柱状标本，适用于与土壤有关的教学、科研及生产部门等。

综上，本实用新型的采掘器可以将土柱完整地采掘出来，采样过程没有震动或旋转，对土壤结构影响较小，省时省力。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。