我国土壤地层污染问题突出,取样是地层污染调查的重点所在。当前对污染地层取样主要采取直推式(冲击式)钻进和振动式(高频声频)钻进两类工艺。直推式和冲击式钻探过程中,取样钻头和地层间主要的破坏形式是剪切作用,与传统回转钻进方法有较大区别,两者间的耦合作用与地层、钻头结构、材料以及钻进参数等紧密相关,本文对此展开研究,以期对取样钻具和工艺优化奠定基础。本文首先建立了钻柱-地层作用等效数学模型,研究了激励载荷以及钻柱共振作用下地层振动响应变化规律。随后,基于ANSYS有限元分析软件建立了钻头-地层之间的耦合作用模型,进行了仿真分析,研究了钻头结构参数以及钻进参数对地层破坏效果的影响规律。最后,优化钻头结构,建立钻柱-钻头-地层间的耦合作用模型,仿真分析了高频激励载荷作用下钻柱、取样钻具对地层钻进影响规律。论文得到了一些研究结果如下:(1)理论分析结果表明,岩石地层振动响应位移与激励载荷最大幅值呈正比,与其自身的固有频率、相对阻尼比呈反比,且地层振动响应的发生相对于冲击载荷存在相位差。地层刚度增大,振动响应力峰值随之增大,响应力变化频率加快;随着钻进深度增加,钻柱共振使地层产生的响应力随之减小。(2)仿真分析结果表明:①静压工况下,钻头外径结构的变化对钻进效率具有较大影响。外径缩减1mm时,钻进土层能保持较好切削及样品保真能力,相比于原结构钻头,软岩所受最大等效应力提高了 77.7%,硬岩所受等效应力降低了 43.1%。②冲击工况下,带岩石地层受力水平相对较低,在0.5-1.0mm范围内适当缩减外半径结构能有效提高破岩钻进能力并使钻具保持较低的受力水平。③振动工况下,钻头外半径缩减0.5-1.0mm范围内,带岩石地层平均响应力、轴向位移均有所提高,可保持钻具较低受力水平并有效提高钻进效率。⑤外半径缩减1.0mm情况下的钻具-地层仿真表明,地层振动响应力随硬度增大而增大,并且在高频激励载荷作用下有效的提高了钻进效率,但仍需提高钻具材料强度以防止其发生破坏。本文通过理论以及仿真分析对直推式取样钻具优化设计研究,为后续取样钻具结构设计及取样工艺优化提供了参考依据。对提高钻进极限深度、取样效率以及钻具使用寿命具有一定地参考意义。