Soil samples of the collection device

【０００１】
（技術分野）
本発明は土壌サンプルを採集する装置および同装置を使用可能なサンプル装置に係り、詳細にはドリルパイプと、ドリルパイプを土壌内に導入する第１の駆動ギアと、ドリルパイプ内において可動に連係するサンプリングブシュと、サンプリングブシュを土壌内に導入する第２の駆動ギアとを備える土壌サンプルを採集する装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
このような装置は周知である。 この装置は例えば土台を設計し、土壌の汚染を検出し、土壌の幾何学的開発歴史を調べる等のため、土壌サンプルを採集して土壌の物理的及び機械的特性を決定するよう働く。 このような検査は特に穴を空け、穴の底部の堆積物のサンプルを採集することにより行われる。 要件に合わせて連続的に土壌断面を得るため空ける穴の深さを一定に増加すると、サンプルを採集する度に土壌地層が段々深くなる。
【０００３】
これらのサンプルを得るため、堆積物は２種の堆積物に、即ち鉱物を含む鉱物堆積物と鉱物を含まない非鉱物堆積物とに区別される。 本発明は非鉱物堆積物のサンプル採集に好適なサンプリング装置を提供するものである。 非鉱物堆積物のサンプルは、ドリル穴の床内に管を打ち込み、次に土壌から得たサンプルと共に管を引き出すことにより採集される場合が多い。 一方土壌コアを比較的そのまま回収可能なように多くの種類の堆積物の土壌内に管を打ち込むことが限定される。
【０００４】
非鉱物堆積物の土壌サンプルを採集する従来の方法には以下の構成のものが挙げられる。
【０００５】
ドリル穴は底端部に切断シューを備えたスチールパイプを回転し、切断シューに圧縮力を与えて切断することにより空けられる。 回転中ドリルパイプと空けられた穴の壁部との間の環形空間を経て切断した物質を取出すパイプを介し液体がポンプにより圧入される。 ドリル穴の下端部の切断シューは切断シューのレベルより低い堆積物に対しサンプリング装置が接近可能とする中央開口部を有している（あるいは切断シューの中央を除去しサンプリング作業を容易にすることにより開口可能にされる）。 土壌に使用する場合、ドリルパイプの内部の軸線は通常７５〜２００ｍｍに制限され、海上での用途では７５〜１００ｍｍに制限される。 この結果サンプリング装置は小さな直径を有する。 軸線を大きくすると、ドリル装置の重量が重くなり、占有面積も大になり、海上での使用ではその装置を乗せる船の寸法も大きくなるので、コストが相当に増大される。 土壌サンプルは開口した管（サンプリングブシュ）を以下の作業方法の一により穴の床内に打ち込むことことにより採集される。
【０００６】
第１の周知法においては、サンプリングブシュは一連の延長ロッドと連結され、一方ロッドの表面は土壌内にロッドを打ち込むため打たれる（例えば米国特許第５，２１１，２４８号明細書参照）。 この方法はまた水中の土壌に適用され、この場合ハンマーがスリーブの内側で動作しハンマーの機能を保証する（ＷＯ９４／２３１８１明細書参照）。 この方法の場合、例えば高周波数で高効率の油圧あるいは気圧ハンマーに基く各種の装置が採用可能である。 この方法はサンプリングブシュに対する穴の面と底部との間に延伸ロッドを介しエネルギをより効果的に伝達可能な深さに制限される。 実際上この深さは個々のロッド間の接合部におけるエネルギ反射、ロッドの制限された堅牢性、曲げ許容性等と関連して数十メートルである。
【０００７】
深さが深い場合第２の周知方法として、地上のウインチを用いて重量体を持ち上げサンプリングブシュの上側部に固定されたアンビル上に落下させることによる極めて簡単なラミング方法を用いてサンプル採集する構成が提供されている。
【０００８】
落下させる重量体の質量は小さな直径のドリルパイプにより制限される。 ５０〜１００ｋｇ台の重量体が通常用いられる。 落下速度は質量に対する地球の重力により決まり、ドリル用液体から受ける落下重量体の抵抗のような影響を遅らせることにより減少される。 落下重量体の影響を受けた液体は変位され落下重量体を経て上方へ移動することになる。 落下重量体は極めて狭い空間を移動させる必要があるので、この移動抵抗は相当に大きい。 ウインチのドラムの質量慣性と対抗しウインチからケーブルを引張るに必要な力、及びドリル液体からウインチケーブルが受ける抵抗も、作用している。 実際上極めて深いドリル穴では、行程当たり相当のエネルギが供給されることが判明した。 一方ウインチケーブルの長さ、延いてはドリル穴の深さによりエネルギが大幅に減少され、海上でのドリイングの場合、船と海底との距離でドリル穴の深さが減少される。 １５０〜２５０メートルの深さでは、使用する落下重量体とウインチに使用される質量によって、エネルギがこの作業により単に軟質堆積物のサンプルを採集可能で、ある程度まで減少される。
【０００９】
海上で使用するときのこの方法の別の形態では行程力の効果性が向上される。 船の横揺れのため、落下重量体の吊り上げ高さ、従って落下重量体の落下高さが変動する。 装置の許容される全長について入手可能な吊り上げ高さが１〜２メートルに限定されるので、落下重量体の吊り上げ時、吊り上げ高さの上部チェッキング部材が達せられ、この結果上方行程が頻繁に行われる。 この上方行程は採集するサンプルの品質に極めて大きな悪影響を与える。 海上でこの方法を用いるときに生じる別なことは、あるモーメントでの正確な浸透深さがほぼ知られており、堆積物で完全に充填された後、サンプリングブシュが地中内に一層深く打ち込まれ、これはまた既に採集したサンプルに極めて悪い影響を及ぼす場合が多い。
【００１０】
この方法の別の欠点は行程力が落下重量体がウインチにより船上で重量体を吊り上げチェック部材に確実に達するに十分長く待つことにより配給されるので、行程周波数が極めて低くなる。 実際５〜１５秒当たり１行程のみ与えることができる。
【００１１】
第３の周知方法では、サンプルはサンプリングブシュを油圧ジャッキにより堆積物内に打ち込むことにより採集される。 このためジャッキはドリルパイプの下端部に一時的に止められ、管を経て下方に圧入される液体により駆動される。 直径が小さいので、通常の液体圧を用いて５０〜１００ｋＮの圧縮力を得ることが可能である。
【００１２】
この周知の別の方法によれば、ドリル液体は圧力媒体として使用される。 この方法の場合、ドリルパイプサンプリング装置により下端部で密封され、ドリル液体は船上のポンプにより圧縮され、油圧圧力装置を駆動する。 またこの方法では、穴底に対し圧力装置を不動にすることが好ましい。 従って海上ではサンプリング装置を止めるドリルパイプは船の横揺れに関係なく垂直方向に安定化する必要がある。 また十分な反力が供給される必要がある。 このため適切な材料からなる足場が海底上に下げられ、サンプリング作業中ドリルパイプはこの足場に固定される。 同時にドリルパイプの上端部は膨張補償器を介し船上の吊り上げ装置と連通し保持される。
【００１３】
サンプリングブシュの堆積物内への準静的打込の１形態はサンプリングブシュが堆積物内への導入の際の摩擦に関する。 この摩擦はサンプルをそれほど阻止しないように制限される必要がある。 実際上これは堆積物の種類により摩擦が０．５〜１．５メートルに制限されることを意味する。 実際得られる力により、十分に長いサンプルが固形クレーあるいは密度の高い砂から採集可能である。 一方極めて硬質のクレー及び極めて密度の高い砂の場合、僅かな侵入がある。
【００１４】
英国特許第２，１４２，３６４号で周知の土壌サンプルを採集する装置はドリルパイプと、ドリルパイプを土壌内に導入する第１の駆動ギアと、サンプリング装置とを備え、サンプリング装置はドリルパイプ内に可動に適合するサンプリングブシュとハンマー装置とを包有し、ハンマー装置はドリルパイプ内を移動可能であり、サンプリングブシュの頂面上にはアンビルが設けられ、これによりハンマー装置は液体により駆動される装置であり、サンプリングブシュを土壌内に導入する第２の駆動ギアとして機能する。
【００１５】
この周知の装置のサンプリング装置はサンプリングブシュを打ち込む高い行程の周波数を与えるという利点を有する。 この結果サンプリングブシュをクレーのような土壌内に打ち込むと、堆積物内に縦水引張力が発生され、これによりサンプリングブシュが受ける侵入抵抗が大幅に減少され、装置の有効性が増加される。 本発明によるハンマー装置がサンプリングブシュの直上に（穴に沿って）設けられるので、サンプリング作業を行う深さに無関係に極めて効率的で効果的なエネルギ伝達が得られる。 更にこの装置は長いサンプルを採集するためにも好適である。
【００１６】
（発明の開示）
本発明による土壌サンプルを採集する装置は、ハンマー装置に内部を延び密封可能な貫通供給チャンネルが設けられ、ハンマー装置内を移動可能なハンマー部材がアンビル上に載置しているときこのチャンネルが開口され、また可動ハンマー部材がアンビルに対し末端位置にあるときはこのチャンネルは閉鎖されることを特長とする。 この場合ハンマー装置上に生じた圧力は同時にハンマー装置の駆動力として作用する。
【００１７】
好ましくは、ハンマー装置の外部にはドリルパイプの内側と共に動作する密封部材が設けられ、ドリルパイプはその頂部で密封され得る。 これによりハンマー装置の頂部とその頂部に密封されたドリルパイプとにより区画される空間内に圧力が生じ得、これによりハンマー装置が付勢される。 更にドリルパイプ内をハンマー装置が移動できるので、この圧力によりサンプリングブシュを堆積物内への打込力を増加可能である。
【００１８】
望ましくは、ドリルパイプの内側の前以て調整された高さに、密封部材の効果を中断するための溝が設けられる。 サンプリングブシュが堆積物内の所望の侵入深さに達すると、この溝を設けたことによりハンマー装置上の圧力が降下し、サンプリングブシュがその時達した侵入深さに固定される。
【００１９】
更にハンマー装置の貫通供給チャンネルはハンマー部材を貫通して延び、貫通供給チャンネルは弁を有し、ハンマー部材が末端位置にあるとき弁はハンマー部材上に係支して貫通供給チャンネルを閉鎖し、またハンマー装置の内側にはタペットが設けられ、ハンマー部材がアンビル上に係止しているときタペット上に弁が係止されて貫通供給チャンネルが開口されることは有用である。
【００２０】
本発明の更に別の実施形態によれば、本装置はサンプリングブシュは好ましくはその頂側部に１以上の外側へ延びる突起物を有し、ドリルパイプの下端部に内側へ延びる狭部を有することを特長とする。 サンプリングブシュが堆積物内への侵入が完了した後、サンプリングブシュはドリルパイプの上動と同時にサンプリングブシュをドリル穴の底部から単に引き出すことにより除去可能である。
【００２１】
また好ましくはハンマー装置の上端部には、フィッシング装置によりハンマー装置をドリル穴から取出可能にするためフィッシュテイル部材が設けられる。
【００２２】
本発明の更に別の実施形態によれば、サンプリングブシュは一体減速部材で具現化され、サンプリングブシュには減速部材上に１以上の出口開口部が設けられる。 これによりサンプリングブシュが打ち込まれるに伴い、サンプリングブシュ内に生じる液体ピーク圧がサンプリングブシュ内で堆積物上で制限される。 このピーク圧は打ち込むの打込効率を減少するように作用する。 ピーク圧を制限するため、減速部材によりサンプリングブシュの打込中サンプリングブシュ内の堆積物上の液体が出口開口部を経てできる限り迅速にサンプリングブシュを確実に離れることができる。
【００２３】
本発明の更に別の実施形態によれば、サンプリングブシュの頂部に１方弁が設けられ、且つサンプリングブシュ内の出口開口部の下部に配置され、アンダープレッシャがサンプリングブシュ内に存在するときこの弁は閉鎖される。 これによりサンプリングブシュの取出中弁により堆積物サンプル上にアンダープレッシャが生じるので、堆積物からのサンプリングブシュの取出中、取り出された堆積物サンプルができる限りそのままの状態を確実に維持できる。
【００２４】
１方弁が弁座に係止する重いボール部材として具現化されることが有用である。 これにより弁の上記役割とピーク圧を制限する減速部材の上記測定とが効果的に組み合わせられる。
【００２５】
別の実施形態においては１方弁は弁座に係支するボール部材として具現化され、減速部材はボール部材と結合される。 好ましくは減速部材によりガス充満チャンバが区画される。
【００２６】
本装置の別の実施形態はドリルパイプ内に固定可能なロッドが設けられ、ロッドはサンプリング装置を貫通して延び、ロッドにはサンプリングブシュの下側部にピストン部材が設けられ、このピストン部材は液体密封された密封部材を有し、一方ピストン部材上のサンプリングブシュに開口部が設けられることを特長とする。 サンプリングブシュが下方へ加速するとき、ロッドがドリルパイプに対し固定されるので、ピストン部材が適所に維持され、ピストン部材上の液体は開口部を介しサンプリングブシュから追出され、ピーク圧が導入する堆積物に影響を与えない。
【００２７】
本発明による装置の可能な実施形態はサンプリングブシュ及びハンマー装置が別個あるいは別個にできるよう具現化されることを特長とする。
【００２８】
本発明を図面に沿って以下に説明する。 図面に示す同一の部材には同一の番号を付している。
【００２９】
（発明を実施するための最良の形態）
まずドリルパイプ１を示す図１を参照するに、ドリルパイプ１の下側には切断シュー２が設けられる。 ドリルパイプ１は土壌堆積物３内に周知の方法で導入可能である。 サンプルを採集する深さでは、ドリルパイプ１によるドリリング作業が停止され、ドリルパイプ１は周知の方法で船上あるいは土壌面から中断される。 サンプリング装置４、８は次にドリルパイプ１内から自然落下して下動される。 サンプリング装置４、８はアンビル７を有するサンプリングブシュ８とハンマー装置４とを包有する。 サンプリングブシュ８及びハンマー装置４はまた互いに分離した分離部材として形成される。 ハンマー装置４の外部には密封部材６が具備され、密封部材６はドリルパイプ１の内側と共に動作する。 ドリルパイプ１は頂部（図示せず）で密封可能である。 サンプリングブシュ８の下側部には切断シュー９が形成されている。 サンプリング装置４、８がドリル穴の底部上に係止した後、ドリルパイプ１は頂部で密封され、ドリル液体はドリルパイプ１内に圧入され、頂部で密封されるドリルパイプ１とハンマー装置４とにより区画された空間内に圧力を与える。 ハンマー装置４には以下説明するが液体のハンマー装置４内の通過を補佐する手段が具備される。
【００３０】
図２はサンプリングブシュ８の所望の侵入深さに相当する予め調整された高さにドリルパイプ１の内側に形成可能な溝１３が示される。 サンプリングブシュ８が所望の深さに達すると、溝１３により密封部材６が確実に効果的でなくなり、ハンマー装置４が作動不可能となる。
【００３１】
更にハンマー装置４の動作を図３及び図７に沿って説明する。
【００３２】
ドリルパイプ１の頂部を密封した後、空間２６内の液体（通常水）が加圧される。 この条件下で液体はハンマー装置４を介し空間２６を離れることができる。 このためハンマー装置４には、その内部に上下方向、すなわち軸線方向に移動可能にハンマー部材２５が設けられ、該ハンマー部材２５の内部に、軸線方向に貫通して延び且つ密封可能な貫通供給チャンネルが設けられ、このチャンネルはハンマー装置４内を移動可能なハンマー部材２５がアンビル７上に係止しているとき開口され、移動可能なハンマー部材２５がアンビル７に対し末端位置にあるときは閉鎖される。 このために、ハンマー装置４には貫通供給チャンネルを密封する弁胴部２３が設けられ、ハンマー部材２５がアンビル７上に係止する位置にあるとき、このチャンネルはハンマー装置４の内部に設けられるタペット２４上に係止し、貫通供給チャンネルは弁２３により閉鎖されない。
空間２６内で圧縮された液体は次に開口部２１を介しハンマー装置４内の空間２２を充満でき、このため弁２３が閉鎖された状態では 、ハンマー部材２５に圧力が加えられ、この結果ハンマー部材２５が下方へ移動される。 密封Ｏリング１４がハンマー部材２５の外側に与えられるので、液体は外部へ流出されない。 ハンマー部材２５がある距離移動した後、弁胴部２３はタペット２４を有する弁座上に係止し、これにより液体が開口部２０を介しハンマー部材２５の内部に設けられた貫通供給チャンネルを通ってドリル穴内へ向って下方へ流れ得るようになる 。 ハンマー装置４が図２に示す位置に達すると、水は溝１３を通って下方に流れ得るようになる。
【００３３】
弁２３が閉鎖されている状態に保持されているとき、迅速な下方運動がハンマー部材２５にかけられ、ハンマー部材２５の質量慣性によって弁２３が開口した後この運動が連続し、この結果ハンマー部材２５がアンビル７を打撃する。 同時にこの運動によりハンマー部材２５とアンビル７との間に与えらえるバネ２７が押し下げられる。 ハンマー部材２５によるアンビル７に加わるチェッキング力により、ハンマー部材２５がバネ２７により加速されて上方へ飛び上がる。 ある時間の経過後、ハンマー部材２５のこの上方運動により、弁胴部２３がタペット２４から上動され、貫通供給チャンネルが閉鎖されて、新しい動作サイクルが開始可能になる。
【００３４】
図７は貫通するロッドを有する本発明の装置の別の実施形態を示しており、ロッドの頂側部にはドリルパイプ１内の溝５２内のロッドを固定する構造部材５３が具備される。 ロッドの下側部にはサンプリングブシュ８の切断口部内に緊密に嵌合するピストン部材５５が具備され、ロッドにはまた液密にする密封部材５６が具備される。 ドリルパイプ１内の構造部材５３を下動した後、構造部材５３はドリルパイプ１内のリッジ部５７上に係止される。 別の方法によれば爪部がドリルパイプ１の溝５２内に突出する動作状態となる。 サンプリングブシュ８が下方に加速動作中、ピストン部材５５を貫通するロッド及びピストン部材５５は適所に不動に維持され、この結果サンプリングブシュ８内に存在する液体は固定ピストン部材５５により開口部５８を介し押し出される。
【００３５】
図１、図３及び図７は更にドリルパイプ１の下側部に設けられる狭部１１及びサンプリングブシュ８の外周部上に外側へ延伸可能な突出部１２を示している。 ドリルパイプ１の加速中、狭部１１と係合する延伸可能な突出部により、ドリルパイプ１が引き出されるとき、サンプリングブシュ８もこれと共に引き出される。 この運動によりサンプリングブシュ８のいくつかの装置構成部品が作動され、これについては図４、図５及び図６を参照して説明する。 同時にサンプリングブシュ８が土壌堆積物内に打ち込まれているときサンプリングブシュ８の構成部品の動作について説明する。
【００３６】
図４、図５及び図６において、サンプリングブシュ８は減速部材３９、４０及び４７を含むものとして形成される。 減速部材の近傍には出口開口部５８が形成される。 アンビル７上でハンマー部材２５が打撃するので、サンプリングブシュ８が下方へ加速され、その結果サンプリングブシュ８は土壌堆積物３内に侵入される。 サンプリングブシュ８内の堆積物柱１０上に存在する液体は開口部５８を経て排出される。 堆積物がサンプリングブシュ８内に収容されるので、更に測定が行われない場合、サンプリングブシュ８の下方への加速により、堆積物柱１０上のサンプリングブシュ８内に存在する液体のピーク圧が大になる。 このため堆積物１０がサンプリングブシュ８内に導入されることが阻止される。 液体のピーク圧と対抗させるため、例えば図４に示すように高い比密度を有する減速部材３９をサンプリングブシュ８内に収容させることが可能である。 サンプリングブシュ８が下方に加速すると、質量慣性のため減速部材３９は実質的に不動作となり、減速部材３９上に存在する液体に力が加わり、この結果液体は開口部５８を経てより迅速に排出される。 図５に示すように、減速部材３９はまた弁座４３に係支するボール重量体４０として形成される。
【００３７】
図４、図５及び図６に示す弁４０、４３は以下の機能を有している。 サンプリングブシュ８が堆積物から引き出されている間、サンプリングブシュ８内に存在する堆積物柱１０は、切断シュー９の位置の堆積物が吸引されるので、下方への力を受ける。 サンプリングブシュ８の引き出しの際、ボール重量体４０が弁座４３上に係止し、この結果弁４０、４３の下部に真空が発生されて、サンプリングブシュ８の切断シュー９の位置で生成される真空に対し抵抗が与えられ、サンプルがドリル穴から損傷なしに取出可能である。 遮断弁４０、４３の効果がボール重量体４０をその弁座４３上に押し付けるバネ４２により高められる。
【００３８】
図６はサンプリングブシュ８の頂側部にチャンバ４５を与えた実施形態を示しており、この場合チャンバ４５には弁５０により調整可能な圧力のガスが充満され、このガス圧はサンプリングブシュ８が内部に駆動されている間サンプリングブシュ８内の液体に生じる予想圧力より僅かに低い。 チャンバ４５はその底側部で高密度の材料で作られた重い蓋４７により密封される。 ボール重量体４０は重い蓋４７と連結される。 チャンバ４５内に存在するガスの圧縮に比較的小さな力で済むので、サンプリングブシュ８の下動加速動作中は蓋４７は実質的に不動作である。 サンプリングブシュ８の内側の余分な液体は次に開口部５８を経て排出される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明による装置の一部を断面で示した簡略図である。
【図２】 図２は本発明による装置に使用されるドリルパイプの１実施形態を示す。
【図３】 図３は本発明による装置の第１の実施形態の詳細図である。
【図４】 図４は本発明によるサンプリングブシュの異なる実施形態を示す。
【図５】 図５は本発明によるサンプリングブシュの異なる実施形態を示す。
【図６】 図６は本発明によるサンプリングブシュの異なる実施形態を示す。
【図７】 図７は本発明による装置の第２の実施形態を示す。