專利名稱：用于測試土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測試土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭，屬于巖土工程領(lǐng)域中一種能夠直接、連續(xù)地分析測試土層原位密度的靜力觸探裝置。
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土層，通過量測系統(tǒng)測試土的錐尖阻力、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。我國于1965年首先研制成功電測式靜力觸探并應(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。國外已將之大量應(yīng)用于環(huán)境巖土工程領(lǐng)域。我國在新型靜力觸探傳感器的研究起步比較晚，目 前國內(nèi)廣泛使用的單雙橋靜力觸探僅能夠測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。土的密度或重度是土的最基本的物理力學(xué)指標之一，是土木工程和巖土工程勘察領(lǐng)域需要首先確定的基本參數(shù)。目前土體密度的確定依賴于鉆孔取樣與室內(nèi)試驗，然而由于取樣的擾動和運輸土樣過程中水分的喪失，使得室內(nèi)試驗結(jié)果往往存在誤差，難以代表土的原位密度。當放射源激發(fā)出光子時，光子與周圍材料原子的電子層發(fā)生碰撞。根據(jù)所激發(fā)光子的能級不同，將會產(chǎn)生不同程度的電吸收現(xiàn)象和康普頓散射。康普頓散射除收到光子能級的影響之外，還與散射物的原子序數(shù)有關(guān)。而原子序數(shù)直接決定了散射物材料的宏觀密度或重度，因此可以采用康普頓散射效應(yīng)來測量巖土材料的密度。根據(jù)這一原理，本發(fā)明基于常規(guī)的靜力觸探探頭，發(fā)明了一種可以方便、快捷、測試成本低廉的土體密度原位測試儀器，為巖土工程實踐提供有力的檢測工具。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對國內(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量土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭。技術(shù)方案本發(fā)明的用于測試土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭的上半段，自上到下依次連接有同軸電纜、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、前置放大器、光電倍增管和伽馬射線源，在光電倍增管所對應(yīng)的探頭側(cè)壁上開設(shè)有薄壁不銹鋼窗口，鉛遮板位于光電倍增管的下方，探頭采用同軸電纜傳遞信號和數(shù)據(jù)；
在探頭的下半段，自上到下依次設(shè)有半段三分量地震檢波器、測斜儀、摩擦筒，在摩擦筒的中部設(shè)有孔隙水壓力傳感器，在摩擦筒的下方連接有圓錐探頭，孔壓過濾環(huán)位于摩擦筒與圓錐探頭的連接處。薄壁不銹鋼窗口的厚度為4. 2mm。圓錐探頭的錐角為60°，錐底截面積為10 cm2，摩擦筒表面積150 cm2。
孔壓過濾環(huán)厚度5 mm，位于錐肩位置，探頭的有效面積比為O. 8。本發(fā)明的核子密度孔壓靜力觸探探頭，其核子密度測試部分主要由同軸電纜、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、前置放大器、光電倍增管、薄壁不銹鋼窗口、鉛遮板、伽馬射線源以及其內(nèi)部的電路系統(tǒng)所組成。伽馬射線源接受來自地表的電壓信息之后，激發(fā)出伽馬光子。伽馬光子與探頭外周圍土顆粒原子的電子層發(fā)生碰撞，產(chǎn)生康普頓散射。光電倍增管探測到透過薄壁不銹鋼窗口的散射波，進而產(chǎn)生電信號。所產(chǎn)生的電信號經(jīng)前置放大器的放大后傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后經(jīng)同軸電纜傳輸至地表的微機采集和存儲系統(tǒng)中保存，繪出實時連續(xù)的剖面圖。根據(jù)所測得的信號強度，經(jīng)過室內(nèi)試驗的標定之后，即可建立信號強度與周圍土層密度之間的關(guān)系式。鉛遮板阻止伽馬射線源所激發(fā)的光子直接照射在光電倍增管上，進而產(chǎn)生錯誤的接收信號。薄壁不銹鋼窗口減少了散射波在傳遞過程中通過探頭時產(chǎn)生的損失，最大程度的提高測量的準確性。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用在于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后經(jīng)同軸電纜傳輸保存，以提高信號的準確性和精度，避免傳輸過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的丟失。

有益效果土的密度或重度是巖土材料最基本的物理力學(xué)指標之一，是土木工程和巖土工程勘察領(lǐng)域需要首先確定的基本參數(shù)。目前土體密度的確定依賴于鉆孔取樣與室內(nèi)試驗,然而由于取樣的擾動和運輸土樣過程中水分的喪失,使得室內(nèi)試驗的結(jié)果往往存在誤差，難以代表土的原位密度。本發(fā)明解決了國內(nèi)現(xiàn)有的單雙橋靜探技術(shù)不能直接測量土體原位密度的缺陷，能方便、快捷、連續(xù)測量錐頭深度處土層的原位密度，使得靜力觸探技術(shù)能更準確、全面地服務(wù)于巖土工程領(lǐng)域。該項技術(shù)具有連續(xù)性、可靠性和可重復(fù)性的特點。


圖I是本發(fā)明的元件裝置 其中有同軸電纜1，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2，前置放大器3，光電倍增管4，薄壁不銹鋼窗口 5，鉛遮板6，伽馬射線源7，三分量地震檢波器8，測斜儀9，摩擦筒10，孔隙水壓力傳感器11，孔壓過濾環(huán)12，圓錐探頭13。
具體實施例方式本發(fā)明的可測土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭采用同軸電纜I傳遞信號和數(shù)據(jù)，在探頭的上半段頂部設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器2，并與同軸電纜I相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2的下部設(shè)有前置放大器3，光電倍增管4位于前置放大器3的下方，在光電倍增管4所對應(yīng)的探頭側(cè)壁上開設(shè)有薄壁不銹鋼窗口 5，鉛遮板6位于光電倍增管4的下方，伽馬射線源7置于鉛遮板6的底部，導(dǎo)線依次將模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、前置放大器3、光電倍增管4和伽馬射線源7相連接；在探頭的下半段三分量地震檢波器8，在三分量地震檢波器8的下部設(shè)有測斜儀9，摩擦筒10位于測斜儀9的下方，在摩擦筒10的中部設(shè)有孔隙水壓力傳感器11，在摩擦筒10的下方連接有圓錐探頭13，孔壓過濾環(huán)12位于摩擦筒10與圓錐探頭13的連接處。薄壁不銹鋼窗口的厚度為4. 2mm。圓錐探頭的錐角為60°，錐底截面積為10 cm2，摩擦筒表面積150 cm2?？讐哼^濾環(huán)厚度5 mm,位于錐肩位置,探頭的有效面積比為O. 8。
該探頭集成了常規(guī)靜力觸探的功能(可測端阻、摩阻)和測試土層原位密度的功能，進一步發(fā)展了靜力觸探技術(shù)的內(nèi)容。伽馬射線源接受來自地表的電壓信息之后，激發(fā)出伽馬光子。伽馬光子與探頭外周圍土顆粒原子的電子層發(fā)生碰撞，產(chǎn)生康普頓散射。光電倍增管探測到透過薄壁不銹鋼窗口的散射波，進而產(chǎn)生電信號。所產(chǎn)生的電信號經(jīng)前置放大器的放大后傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后經(jīng)同軸電纜傳輸至地表的微機采集和存儲系統(tǒng)中保存，繪出實時連續(xù)的剖面圖。根據(jù)所測得的信號強度，經(jīng)過室內(nèi)試驗的標定之后，即可建立信號強度與周圍土層密度之間的關(guān)系式。鉛遮板阻止伽馬射線源所激發(fā)的光子直接照射在光電倍增管上，進而產(chǎn)生錯誤的接收信號。薄壁不銹鋼窗口減少了散射波在傳遞過程中通過探頭時產(chǎn)生的損失，最大程度的提高測量的準確性。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用在于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后經(jīng)同軸電纜傳輸保存，以提高信號的準確性和精度，避免傳輸過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的丟 失。
權(quán)利要求
1.一種用于測試土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭，其特征在于在該探頭的上半段，自上到下依次連接有同軸電纜(I)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)、前置放大器(3)、光電倍增管(4)和伽馬射線源(7)，在光電倍增管(4)所對應(yīng)的探頭側(cè)壁上開設(shè)有薄壁不銹鋼窗口(5)，鉛遮板(6)位于光電倍增管(4)的下方，探頭采用同軸電纜(I)傳遞信號和數(shù)據(jù)； 在探頭的下半段，自上到下依次設(shè)有半段三分量地震檢波器(8)、測斜儀(9)、摩擦筒(10)，在摩擦筒(10)的中部設(shè)有孔隙水壓力傳感器(11)，在摩擦筒(10)的下方連接有圓錐探頭(13)，孔壓過濾環(huán)(12)位于摩擦筒(10)與圓錐探頭(13)的連接處。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于測試土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭，其特征在于薄壁不銹鋼窗口(5)的厚度為4. 2_。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于測試土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭，其特征在于圓錐探頭(13)的錐角為60°，錐底截面積為10 cm2，摩擦筒(10)表面積150 cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于測試土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭，其特征在于孔壓過濾環(huán)(12)厚度5 mm，位于錐肩位置，探頭的有效面積比為O. 8。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種用于測試土體密度的核子密度孔壓靜力觸探探頭，該探頭的上半段，自上到下依次連接有同軸電纜(1)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)、前置放大器(3)、光電倍增管(4)和伽馬射線源(7)，在光電倍增管(4)所對應(yīng)的探頭側(cè)壁上開設(shè)有薄壁不銹鋼窗口(5)，鉛遮板(6)位于光電倍增管(4)的下方，探頭采用同軸電纜(1)傳遞信號和數(shù)據(jù)；在探頭的下半段，自上到下依次設(shè)有半段三分量地震檢波器(8)、測斜儀(9)、摩擦筒(10)，在摩擦筒(10)的中部設(shè)有孔隙水壓力傳感器(11)，在摩擦筒(10)的下方連接有圓錐探頭(13)，孔壓過濾環(huán)(12)位于摩擦筒(10)與圓錐探頭(13)的連接處。采用該探頭，具有原位、直接、快速、準確、經(jīng)濟等特點，為巖土工程實踐提供有力的檢測工具。
文檔編號E02D1/00GK102839641SQ20121030766
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者劉松玉, 鄒海峰, 蔡國軍 申請人:東南大學(xué)