專利名稱：用于測(cè)試土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)試土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓靜力觸探探頭，屬于巖土工程領(lǐng)域中一種能夠直接、連續(xù)地分析測(cè)試土層原位靜止側(cè)壓力系數(shù)的靜力觸探裝置。
背景技術(shù)：
靜力觸探技術(shù)是指利用壓力裝置將帶有觸探頭的觸探桿壓入試驗(yàn)土層，通過(guò)量測(cè)系統(tǒng)測(cè)試土的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力等，可確定土的某些基本物理力學(xué)特性，如土的變形模量、土的容許承載力等。靜力觸探技術(shù)至今已有80多年的歷史。國(guó)際上廣泛應(yīng)用靜力觸探，部分或全部代替了工程勘察中的鉆探和取樣。我國(guó)于1965年首先研制成功電測(cè)式靜力觸探并應(yīng)用于勘察。近幾年隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的靜力觸探技術(shù)，這些技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地獲得土層的孔隙水壓力、地震波、污染物性狀、溫度、甚至影像。國(guó)外已將之大量應(yīng)用于環(huán)境巖土工程領(lǐng)域。我國(guó)在新型靜力觸探傳感器的研究起步比較晚，目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的單雙橋靜力觸探僅能夠測(cè)試的貫入阻力或比貫入阻力，側(cè)壁摩阻力，可確定的土層基本物理力學(xué)特性非常有限。所有的土層物理力學(xué)指標(biāo)均為原位應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，因此在巖土工程實(shí)踐中，土體原位應(yīng)力狀態(tài)的確定至關(guān)重要。靜止側(cè)壓力系數(shù)定義為土層所受的水平向應(yīng)力與豎向應(yīng)力之比，是描述土體原位應(yīng)力狀態(tài)的基本指標(biāo)之一。目前靜止側(cè)壓力系數(shù)的測(cè)定主要依賴于扁鏟側(cè)脹儀、旁壓儀或高質(zhì)量的鉆孔取樣和室內(nèi)試驗(yàn)分析，而現(xiàn)有的靜力觸探技術(shù)作為巖土工程領(lǐng)域最廣泛使用的原位勘察手段卻難以有效確定這一參數(shù)。本發(fā)明基于常規(guī)的靜力觸探探頭，提出了一種可以方便、快捷、測(cè)試成本低廉的土體靜止側(cè)壓力系數(shù)原位測(cè)試儀器，為巖土工程實(shí)踐提供有力的檢測(cè)工具。發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有單雙橋靜探技術(shù)存在的缺陷，提出一種可以直接測(cè)量土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓靜力觸探探頭。
技術(shù)方案:本發(fā)明的用于測(cè)試土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓探頭，在探頭的上半段頂部設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的下部從上至下依次設(shè)有側(cè)壁上摩擦筒、上孔壓過(guò)濾環(huán)和一對(duì)側(cè)向應(yīng)力傳感器，側(cè)向應(yīng)力傳感器對(duì)稱設(shè)置在探桿的外壁上，在側(cè)壁上摩擦筒的中部設(shè)有上孔隙水壓力傳感器；在探頭的下半段從上至下依次設(shè)有三分量地震檢波器、測(cè)斜儀、側(cè)壁下摩擦筒、下孔壓過(guò)濾環(huán)以及圓錐探頭，在側(cè)壁下摩擦筒的中部設(shè)有下孔隙水壓力傳感器；在該探頭的頂部采用同軸電纜與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相接傳遞信號(hào)和數(shù)據(jù)。
側(cè)向應(yīng)力傳感器的表面為圓形，其投影面積為400 mm2。
圓錐探頭的錐角為60°，錐底截面積為10 cm2，側(cè)壁上摩擦筒、側(cè)壁下摩擦筒表面積均為150 cm2。
上孔壓過(guò)濾環(huán)、下孔壓過(guò)濾環(huán)的厚度5 mm，位于錐肩位置，探頭的有效面積比為0.8。
本發(fā)明的可測(cè)土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓靜力觸探探頭，其靜止側(cè)壓力系數(shù)測(cè)量部分主要由側(cè)壁摩擦筒、孔壓過(guò)濾環(huán)、孔隙水壓力傳感器和側(cè)向應(yīng)力傳感器及其內(nèi)部的電路系統(tǒng)組成。大量的理論研究表明，側(cè)壁摩阻力對(duì)土層的水平向應(yīng)力非常敏感，因此由側(cè)壁摩擦筒所測(cè)得側(cè)壁摩阻力能很大程度上反應(yīng)出土層的水平應(yīng)力狀態(tài)。孔壓過(guò)濾環(huán)和孔隙水壓力傳感器可以確定測(cè)試深度處的孔隙水壓力，有助于確定土層的有效應(yīng)力和應(yīng)力路徑。側(cè)向應(yīng)力傳感器確定貫入過(guò)程中土層的水平應(yīng)力大小。所測(cè)得各參數(shù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后經(jīng)同軸電纜傳輸至地表的微機(jī)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)中保存，然后根據(jù)理論經(jīng)驗(yàn)公式編制計(jì)算程序計(jì)算側(cè)向應(yīng)力傳感器周?chē)翆拥撵o止側(cè)壓力系數(shù)，繪出實(shí)時(shí)連續(xù)的剖面圖。
有益效果:在巖土工程實(shí)踐中，土原位應(yīng)力狀態(tài)的確定至關(guān)重要。靜止側(cè)壓力系數(shù)定義為土層所受的水平向應(yīng)力與豎向應(yīng)力之比，是描述土體原位應(yīng)力狀態(tài)的基本指標(biāo)之一。目前靜止側(cè)壓力系數(shù)的測(cè)定主要依賴于扁鏟側(cè)脹儀、旁壓儀或高質(zhì)量的鉆孔取樣和室內(nèi)試驗(yàn)分析，而現(xiàn)有的靜力觸探技術(shù)作為巖土工程領(lǐng)域最廣泛使用的原位勘察手段卻難以有效確定這一參數(shù)。
本發(fā)明解決了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的單雙橋靜探技術(shù)不能測(cè)量土層靜止側(cè)壓力系數(shù)的缺陷，能方便、快捷、連續(xù)測(cè)量錐頭深度處土層的原位靜止側(cè)壓力系數(shù)，使得靜力觸探技術(shù)能更準(zhǔn)確、全面地務(wù)于巖土工程領(lǐng)域。該項(xiàng)技術(shù)具有連續(xù)性、可靠性和可重復(fù)性的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的元件裝置圖； 其中有:同軸電纜I，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2，側(cè)壁上摩擦筒3.1，側(cè)壁下摩擦筒3.2，上孔隙水壓力傳感器4.1，下孔隙水壓力傳感器4.2，上孔壓過(guò)濾環(huán)5.1,下孔壓過(guò)濾環(huán)5.2，側(cè)向應(yīng)力傳感器6，三分量地震檢波器7，測(cè)斜儀8，圓錐探頭9。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的可測(cè)土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的孔壓靜力觸探探頭采用同軸電纜I傳遞信號(hào)和數(shù)據(jù)，在探頭的上半段頂部設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器2，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2的下部從上至下依次設(shè)有側(cè)壁上摩擦筒3.1、上孔壓過(guò)濾環(huán)5.1和一對(duì)側(cè)向應(yīng)力傳感器6，側(cè)向應(yīng)力傳感器6對(duì)立裝置在探桿的外壁上，在側(cè)壁上摩擦筒3.1的中部設(shè)有上孔隙水壓力傳感器4.1 ;在探頭的下半段從上至下依次設(shè)有三分量地震檢波器7、測(cè)斜儀8、側(cè)壁下摩擦筒3.2、下孔隙水壓力傳感器4.2、下孔壓過(guò)濾環(huán)5.2以及圓錐探頭9。
側(cè)向應(yīng)力傳感器的表面為圓形,其投影面積為400 mm2。
圓錐探頭錐角為60°，錐底截面積為10 cm2，側(cè)壁摩擦筒表面積150 cm2。
孔壓過(guò)濾環(huán)厚度5 mm,探頭的有效面積比為0.8。
該探頭集成了常規(guī)靜力觸探的功能(可測(cè)端阻、摩阻)和測(cè)試土層原位靜止側(cè)壓力系數(shù)的功能，進(jìn)一步發(fā)展了靜力觸探技術(shù)的內(nèi)容。
大量的理論研究表明，側(cè)壁摩阻力對(duì)土層的水平向應(yīng)力非常敏感，因此由側(cè)壁摩擦筒所測(cè)得側(cè)壁摩阻力能很大程度上反應(yīng)出土層的水平應(yīng)力狀態(tài)?？讐哼^(guò)濾環(huán)和孔隙水壓力傳感器可以確定測(cè)試深度處的孔隙水壓力，有助于確定土層的有效應(yīng)力和應(yīng)力路徑。側(cè)向應(yīng)力傳感器確定貫入過(guò)程中土層的水平應(yīng)力大小。所測(cè)得各參數(shù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后經(jīng)同軸電纜傳輸至地表的微機(jī)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)中保存，然后根據(jù)理論-經(jīng)驗(yàn)公式編制計(jì)算程序計(jì)算側(cè)向應(yīng)力傳感器周?chē)翆拥撵o止側(cè)壓力系數(shù)，繪出實(shí)時(shí)連續(xù)的剖面圖。
根據(jù)定義，靜止側(cè)壓力系數(shù)K。定義為原位水平向應(yīng)力σΜ與原位豎向應(yīng)力0^的比值，即Ktl= σ h0/ σ v(1。工程實(shí)踐中，原位豎向應(yīng)力的值往往容易確定: 式中Yi和Zi分別為第i層土的重度與厚度。而原位水平向應(yīng)力則難以確定。
當(dāng)探頭貫入土體中時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力的增加，因此所測(cè)得水平向應(yīng)力Ohc為原位側(cè)向應(yīng)力。,。與側(cè)向應(yīng)力增量Λ Oh之和: °hc = 0 ho+ Δ 0 h 若所測(cè)得側(cè)向應(yīng)力傳感器深度處的靜水壓力為U4，則該深度處的各有效應(yīng)力分別為:σ ' he = σ hc_u4 σ ' ho = σ M-U4 對(duì)于砂土，標(biāo)定槽和室內(nèi)試驗(yàn)的大量結(jié)果表明，貫入的水平向有效應(yīng)力σ ‘h。與原位水平向有效應(yīng)力σ ‘Μ存在如下關(guān)系式:
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)試土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓探頭，其特征在于在探頭的上半段頂部設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)的下部從上至下依次設(shè)有側(cè)壁上摩擦筒(3.1)、上孔壓過(guò)濾環(huán)(5.1)和一對(duì)側(cè)向應(yīng)力傳感器(6)，側(cè)向應(yīng)力傳感器(6)對(duì)稱設(shè)置在探桿的外壁上，在側(cè)壁上摩擦筒(3.1)的中部設(shè)有上孔隙水壓力傳感器(4.1);在探頭的下半段從上至下依次設(shè)有三分量地震檢波器(7)、測(cè)斜儀(8)、側(cè)壁下摩擦筒(3.2)、下孔壓過(guò)濾環(huán)(5.2)以及圓錐探頭(9)，在側(cè)壁下摩擦筒(3.2)的中部設(shè)有下孔隙水壓力傳感器(4.2)；在該探頭的頂部采用同軸電纜(I)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2 )相接傳遞信號(hào)和數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)試土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓探頭，其特征在于側(cè)向應(yīng)力傳感器(6)的表面為圓形，其投影面積為400 mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)試土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓探頭，其特征在于圓錐探頭(9)的錐角為60°，錐底截面積為10 cm2，側(cè)壁上摩擦筒(3.1)、側(cè)壁下摩擦筒(3.2)表面積均為150 cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)試土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓探頭，其特征在于上孔壓過(guò)濾環(huán)(5.1)、下孔壓過(guò)濾環(huán)(5.2)的厚度5 _，位于錐肩位置，探頭的有效面積比為0.8。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種用于測(cè)試土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的側(cè)向應(yīng)力孔壓探頭，在探頭的上半段頂部設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)的下部從上至下依次設(shè)有側(cè)壁上摩擦筒(3.1)、上孔壓過(guò)濾環(huán)(5.1)和一對(duì)側(cè)向應(yīng)力傳感器(6)，側(cè)向應(yīng)力傳感器(6)對(duì)稱設(shè)置在探桿的外壁上，在側(cè)壁上摩擦筒(3.1)的中部設(shè)有上孔隙水壓力傳感器(4.1)；在探頭的下半段從上至下依次設(shè)有三分量地震檢波器(7)、測(cè)斜儀(8)、側(cè)壁下摩擦筒(3.2)、下孔壓過(guò)濾環(huán)(5.2)以及圓錐探頭(9)，在側(cè)壁下摩擦筒(3.2)的中部設(shè)有下孔隙水壓力傳感器(4.2)；在該探頭的頂部采用同軸電纜(1)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)相接傳遞信號(hào)和數(shù)據(jù)。該探頭具有原位、快速、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E02D1/00GK103174122SQ201210305900
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者蔡國(guó)軍, 劉松玉, 鄒海峰 申請(qǐng)人:東南大學(xué)