CN101892658B - 螺旋板载荷-静力触探联合试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，钻杆对中套入滚珠丝杠轴内，两者通过滚珠丝杠轴顶端的卡盘进行连接，滚珠丝杠轴通过卡盘与钻杆连接，滚珠丝杠螺母和滚珠花键串联在滚珠丝杠轴上，滚珠丝杠螺母固定于齿轮箱顶板中心处，滚珠花键固定于齿轮箱底板中心处；滚珠丝杠螺母与蜗轮相连，蜗轮与蜗杆通过齿轮传动连接，滚珠花键与蜗轮相连，蜗轮与蜗杆通过齿轮传动连接，立柱顶端与齿轮箱焊接，底端与导向板焊接。本发明结构简洁合理、装卸方便、操作简单、重量轻、体积小，极大的便利了野外原位测试工作和转场试验，同时用于静力触探、螺旋板载荷等原位试验，达到了对地基承载力进行快速综合检测的目的。

Description

螺旋板载荷-静力触探联合试验仪

技术领域

本发明涉及地基原位测试技术领域，更具体涉及一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，适用于地基承载力性能的原位测试。

背景技术

地质勘查工作是工程建设项目中不可或缺的一个重要环节，其主要目的之一是评价地基土的承载力特性。由于地质和土质条件的复杂性和不确定性，使得地基承载力的评价存在诸多问题，以往多采用钻孔取样试验，并按规范查表来确定地基土承载力，由于地域差异较大，使得规范不能广泛适用，从而导致误差的存在。采用大尺寸平板载荷试验来确定地基土承载力是最直接和可靠的方法，但平板载荷试验周期长，资金投入大，不可能大范围的采用，尤其是对于公路、铁路等线状工程更是如此。因此，测试速度快、成本低的原位测试技术被广泛应用于地质勘查工作中，其中静力触探试验和螺旋板载荷试验是目前应用最广的原位测试技术。

静力触探试验是以静压力将一个内部装有传感器的圆锥型探头以均速压入土中，量测其贯人阻力，再通过贯入阻力与土的工程地质特征定性及统计相关关系，来间接评价地基各土层的工程性质和承载力特性，该方法具有轻便、快速、高效的特点。螺旋板载荷试验是将一螺旋形的承压板用人力或机械旋入地面以下的预定深度后，通过钻杆向承压板施加压力，测定承压板的下沉量，从而获得地基土的压力-变形-时间的关系曲线，以计算地基土的承载力及变形模量等参数。该方法具有“深层试验”和“分层试验”的优点，测试数据直观，能直接得到地基土的承载力。同时这两种方法各自有着自身的局限性，静力触探试验不能直接得到承载力值，需要建立与承载力的相关关系，螺旋板载荷试验影响深度有限，且测点有一定间距要求，难以反映成层地基界面效应的影响。可见，应用单一的原位检测方法，都不能到达很好的效果，需要综合这两种测试方法的优点，采取组合方法来保证地基检测的可靠性、经济性和高效性。

目前，静力触探试验多采用手摇式静力触探仪，该设备轻便、操作简单、测试速度快，是一套很实用高效的测试仪器。螺旋板载荷试验仪一般分为人工旋入和机械旋入两种，机械旋入的设备较笨重，不利于试验转场操作，影响工作效率，在实际工程中应用的较少，更多的还是采用人工的方式将螺旋板旋入到预定深度。人工旋入的方法是在与螺旋板连接的钻杆顶端套入横向钢管，通入人力旋转钢管来带动螺旋板旋转，由于钻杆缺少下压力，旋入速度较慢，尤其在粉质、砂质土层中，螺旋板与土体之间的咬合力较小，靠人力很难旋入到更深的土层中。另一方面，试验完成后，要靠人力起拔钻杆往往是相当困难的，虽然螺旋板旋入孔的直径较钻杆的直径大，但缩孔现象是经常发生的，尤其在地下水位以下，这就造成钻杆被周围土体吸附，长达十几米的钻杆很难靠人力拔出，一般都需要借助于其它工具如撬杠来辅助拔杆，相当费力费时。由此可见，传统的螺旋板载荷试验仪在使用的便利性、操作的高效性上还存在诸多缺陷。

因此，为了能够同时应用静力触探与螺旋板载荷试验，对地基进行快速可靠的综合检测，同时避免传统仪器的缺陷，急需研制一套设备轻便、操作高效、测试可靠的联合试验仪。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，该仪器通过机械组合传动实现钻杆的直线、旋转和螺旋三种运动方式，仅依靠人力即可完成快速贯入、旋入和起拔钻杆等操作，既可以进行螺旋板载荷试验，也可以进行静力触探试验。该试验仪设备轻便、操作省力、结构合理、加工成本低，主要用于地基承载力性能的快速检测与评价。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，它包括钻杆、压力测试探头、滚珠丝杠轴、卡盘、滚珠花键、蜗轮、蜗杆、摇把、齿轮箱、导向板、数据采集器、螺旋承压板。其特征在于：钻杆对中套入滚珠丝杠轴内，两者通过滚珠丝杠轴顶端的卡盘进行连接，滚珠丝杠轴通过卡盘与钻杆连接，滚珠丝杠螺母和滚珠花键串联在滚珠丝杠轴上，滚珠丝杠螺母固定于齿轮箱顶板中心处，滚珠花键固定于齿轮箱底板中心处；滚珠丝杠螺母与第一组蜗轮相连，第一组蜗轮与第一组蜗杆通过齿轮传动连接，滚珠花键与第二组蜗轮相连，第二组蜗轮与第二组蜗杆通过齿轮传动连接，立柱顶端与齿轮箱焊接，底端与导向板焊接。所述的滚珠丝杠轴外表面螺旋式导轨的导程，与螺旋承压板的螺距相等；所述的齿轮箱顶板和底板中心开有圆孔，滚珠丝杠轴及钻杆对中穿过该圆孔；所述的导向板中心开有圆孔，钻杆对中穿过该圆孔；所述的第一组摇把连接于第一组蜗杆两端，第二组摇把连接于第二组蜗杆两端。

1、滚珠丝杠轴上串联有滚珠丝杠螺母和滚珠花键，滚珠花键固定于齿轮箱底板中心处；滚珠丝杠螺母和滚珠花键内侧各装有一组蜗轮，并分别与两组蜗杆通过齿轮传动，每组蜗杆横向贯穿齿轮箱，两端均设有可拆卸的摇把；滚珠丝杠螺母、滚珠花键、蜗轮和蜗杆均封闭于齿轮箱内，齿轮箱顶板和底板中心开有圆孔，滚珠丝杠轴及钻杆对中穿过该圆孔；支撑齿轮箱的立柱底端设有导向板，其中心开有圆孔，钻杆对中穿过该圆孔；滚珠丝杠轴外表面的螺旋式导轨的导程与螺旋承压板的螺距相等，两者运动协调省力；分别旋转两组摇把，可带动同一根钻杆作上下直线运动和正反螺旋运动，使静力触探试验和螺旋板载荷试验在一台仪器上得以实现；采用蜗轮、蜗杆齿轮传动，可以较小的人力获得较大的下压力和扭矩。

螺旋板载荷-静力触探联合试验仪由钻杆、压力测试探头、滚珠丝杠轴、滚珠丝杠螺母、滚珠花键、蜗轮、蜗杆、摇把、齿轮箱、立柱、导向板、底座、地锚、电缆线、数据采集器、螺旋承压板等部分构成。

钻杆为外径32～40mm、壁厚4～6mm的合金钢管，每节长度为1m，通过螺纹接头进行接长；滚珠丝杠轴为外径55～60mm、壁厚6～8mm的合金钢管，长度为1m，滚珠丝杠轴外表面加工有凹槽型的螺旋式导轨，导程为25mm～65mm；钻杆内套于滚珠丝杠轴内，两者的连接关系通过丝杠轴顶端的卡盘进行控制。

齿轮箱为450mm×450mm×400mm的铁箱，壁厚为3mm，滚珠丝杠螺母、滚珠花键、蜗轮和蜗杆均封闭于齿轮箱内，防止异物进入；齿轮箱的顶板和底板中心开有直径为70mm的圆孔，圆心在滚珠丝杠轴线上，为滚珠丝杠轴和钻杆上下运动提供通道。

滚珠丝杠轴上串联有滚珠丝杠螺母和滚珠花键，滚珠丝杠螺母外径为120mm，长度为74mm，并通过螺栓固定于齿轮箱顶板中心处，滚珠花键外径为120mm，长度为70mm，并通过螺栓固定于齿轮箱底板中心处；同步蜗轮直径为100mm，蜗杆直径为40mm，两组蜗轮通过螺丝分别固定在滚珠丝杠螺母和滚珠花键内侧，并分别与两组蜗杆通过齿轮传动，每组蜗杆横向贯穿齿轮箱，两端均设有可拆卸的摇把，摇把臂长300mm。

立柱直径为50mm，长度为500mm～600mm，共4根；导向板为450×450mm×3mm的方板，其中心开有直径为50mm的圆孔，圆心在滚珠丝杠轴线上，为钻杆上下运动起导向作用；底座为宽100mm，高100mm的槽钢，壁厚为4mm地锚长度为1200mm，锚头为螺旋形钢板；立柱顶端与齿轮箱底板焊接，底端与导向板焊接，导向板通过螺栓与底座相连，底座通过螺栓与地锚相连，地锚旋入土层后，为试验提供反力。

压力测试探头连接于钻杆底端，分别根据静力触探和螺旋板载荷试验要求，选择对应的压力测试探头连接于钻杆底端；压力测试探头的连接电缆线沿钻杆中心穿出，并连接到数据采集器上。螺旋承压板直径113mm～160mm，截面积100cm²～500cm²，螺距25～65mm，并要求滚珠丝杠轴外表面的螺旋式导轨的导程与螺旋承压板的螺距相等，以保证两者螺旋运动的协调性。

试验时首先将地锚旋入土中，将底座固定在地锚上，然后将导向板、立柱和齿轮箱通过螺栓固定在底座上；将钻杆连接好后穿入滚珠丝杠轴内，电缆线从钻杆内空中穿过，并与压力测试探头的电缆线连接，然后将压力测试探头连接到钻杆底端，并对中穿过导向板中心圆孔后放置于地面；在滚珠丝杠轴的顶端用卡盘将其与钻杆固定，将电缆线另一端与数据采集仪连接调试好后，即可开始试验。

进行静力触探试验时，选择带有圆锥头的压力测试探头连接到钻杆底端，逆时针方向旋转第一组摇把(即与滚珠丝杠螺母对应的摇把)，带动滚珠丝杠轴直线上升到合适高度，在滚珠丝杠轴顶端安装卡盘，将其与钻杆卡固；顺时针方向旋转第一组摇把，带动滚珠丝杠轴及与其卡固的钻杆向下直线运动，将压力测试探头贯入到土层中，压力测试探头测得的数据信号通过电缆线传输到数据采集仪上；试验过程中，每贯入50cm后，松开卡盘，提升滚珠丝杠轴，将卡盘移动到滚珠丝杠轴顶端，再次卡固滚珠丝杠轴和钻杆，继续将压力测试探头贯入到下一土层，直至最大试验深度；

进行螺旋板载荷试验时，将螺旋承压板连接于压力测试探头下端，并放置于预定测试孔位的地面上，并将压力测试探头连接到钻杆上；逆时针方向旋转第一组摇把，带动滚珠丝杠轴直线上升到合适高度，在滚珠丝杠轴安装卡盘，将其与钻杆卡固；顺时针方向旋转第二组摇把(即与滚珠花键对应的摇把)，带动滚珠丝杠轴及与其卡固的钻杆螺旋向下运动，将压力测试探头和螺旋承压板旋入到土层中；每贯入50cm后，松开卡盘，提升滚珠丝杠轴，将卡盘移动到滚珠丝杠轴顶端，再次卡固滚珠丝杠轴和钻杆，继续将螺旋承压板旋入到下一土层，直至预定试验深度，再配合千斤顶、反力梁和百分表等设施进行螺旋板载荷试验。

在两种试验完成后，逆时针方向旋转第二组摇把，带动滚珠丝杠轴及与其卡固的钻杆螺旋向上运动，实现快速拔杆的过程。

本发明是一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，具有以下优点和效果：

钻杆内套于滚珠丝杠轴内，通过卡盘的松紧可以灵活控制两者的连接关系；采用滚珠丝杠螺母和滚珠花键控制钻杆的运动方式，使得钻杆具有直线、旋转和螺旋三种运动方式，同时满足了静力触探试验和螺旋板载荷试验的要求；蜗杆两端均装有摇把，可供两人同时操作，提供足够的动力；采用蜗轮、蜗杆齿轮驱动，以较小的人力即可在可钻杆上获得较大的下压力和扭矩，仅靠人力即可完成快速贯入、旋入和起拔钻杆等操作，有效提高了工作效率；滚珠丝杠轴的导程与螺旋承压板的螺距相等，整体螺旋运动协调省力；整套仪器结构简洁合理、装卸方便、操作简单、重量轻、体积小，极大的便利了野外原位测试工作和转场试验。

附图说明

图1为螺旋板载荷-静力触探联合试验仪示意图。

图中1.钻杆，2.压力测试探头(静力触探探头或3T级螺旋板探头)，3.滚珠丝杠轴(BNS 5040+1000)，4.卡盘，5.滚珠丝杠螺母，6.滚珠花键(BNS 5040)，7.第一组蜗轮(本领域技术人员或普通技术工人不付出任何创造性劳动均能制备)，8.第二组蜗轮，9.第一组蜗杆，10.第二组蜗杆(本领域技术人员或普通技术工人不付出任何创造性劳动均能制备)，11.第一组摇把，12.第二组摇把，13.齿轮箱，14.立柱，15.导向板，16.底座，17.地锚，18.电缆线，19.数据采集器(BZ7201A)，20.螺旋承压板。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步详细描述：

根据图1可知，螺旋板载荷-静力触探联合试验仪由钻杆1，压力测试探头2，滚珠丝杠轴3，卡盘4，滚珠丝杠螺母5，滚珠花键6，第一组蜗轮7，第二组蜗轮8，第一组蜗杆9，第二组蜗杆10，第一组摇把11，第二组摇把12，齿轮箱13，立柱14，导向板15，底座16，地锚17，电缆线18，数据采集器19，螺旋承压板20构成。

其特征在于：钻杆1对中套入滚珠丝杠轴3内，滚珠丝杠轴3通过卡盘4与钻杆1连接，滚珠丝杠螺母5和滚珠花键6串联在滚珠丝杠轴5上，滚珠丝杠螺母5固定于齿轮箱13顶板中心处，滚珠花键6固定于齿轮箱底板中心处；滚珠丝杠螺母5与第一组蜗轮7相连，第一组蜗轮7与第一组蜗杆9通过齿轮传动连接，滚珠花键6与第二组蜗轮8相连，第二组蜗轮8与第二组蜗杆10通过齿轮传动连接，立柱14顶端与齿轮箱13焊接，底端与导向板15焊接，第一组蜗杆9两端设置有第一组摇把11，螺旋承压板20连接于压力测试探头2下端。

所述的滚珠丝杠轴3外表面螺旋式导轨的导程，与螺旋承压板20的螺距相等；

所述的齿轮箱13顶板和底板中心开有圆孔，滚珠丝杠轴3及钻杆1对中穿过该圆孔；

所述的导向板15中心开有圆孔，钻杆1对中穿过该圆孔；

所述的第一组摇把11连接于第一组蜗杆9两端，第二组摇把12连接于第二组蜗杆10两端。

钻杆1为外径32～40mm、壁厚4～6mm的合金钢管，每节长度为1m，通过螺纹接头进行接长；滚珠丝杠轴3为外径55～60mm、壁厚6～8mm的合金钢管，长度为1m，所述的滚珠丝杠轴3外表面加工有凹槽型的螺旋式导轨，导程为25mm～65mm；钻杆1内套于滚珠丝杠轴3内，两者的连接关系通过滚珠丝杠轴3顶端的卡盘4的松紧进行控制。

齿轮箱13为450mm×450mm×400mm的铁箱，壁厚为3mm，滚珠丝杠螺母5、滚珠花键6、第一组蜗轮7、第二组蜗轮8、第一组蜗杆9、第二组蜗杆10均封闭于所述的齿轮箱13内，防止异物进入；齿轮箱13的顶板和底板中心开有直径为70mm的圆孔，圆心在滚珠丝杠轴线3上，为滚珠丝杠轴3和钻杆1上下运动提供通道。

滚珠丝杠轴3上串联有滚珠丝杠螺母5和滚珠花键6，滚珠丝杠螺母5外径为120mm，长度为74mm，并通过螺栓固定于齿轮箱13顶板中心处，滚珠花键6外径为120mm，长度为70mm，并通过螺栓固定于齿轮箱13底板中心处；第一组蜗轮7和第二组蜗轮8直径均为100mm，第一组蜗杆9和第二组蜗杆10直径均为40mm，第一组蜗轮7和第二组蜗轮8分别固定在滚珠丝杠螺母5和滚珠花键6内侧，并分别与第一组蜗杆9和第二组蜗杆10通过齿轮传动，第一组蜗杆9两端设置有第一组摇把11，第二组蜗杆10两端设置有第二组摇把12，第一组摇把11和第二组摇把12臂长均为300mm。

立柱14直径为50mm，长度为500mm～600mm，共四根；导向板15为450×450mm×3mm的方板，其中心开有直径为50mm的圆孔，圆心在滚珠丝杠轴3的轴线上，为钻杆1上下运动起导向作用；底座16为宽100mm，高100mm的槽钢，壁厚为4mm；地锚17长度为1200mm，其锚头为螺旋形钢板；立柱14顶端与齿轮箱13底板焊接，底端与导向板15焊接，导向板通过螺栓与底座16相连，底座通过螺栓与地锚17相连，地锚17旋入土层后，为试验提供反力。

压力测试探头2连接于钻杆1底端，分别根据静力触探和螺旋板载荷试验要求，选择对应的压力测试探头2连接于钻杆1底端；压力测试探头2的连接电缆线18沿钻杆1中心穿出，并连接到数据采集器19上。螺旋承压板20直径113mm～160mm，截面积100cm²～500cm²，螺距25～65mm，所述的螺旋承压板20的螺距与滚珠丝杠轴3外表面的螺旋式导轨的导程相等，以保证两者螺旋运动的协调性。

试验时首先将地锚17旋入土中，将底座16固定在地锚上，然后将焊接成一体的导向板15、立柱14和齿轮箱13通过螺栓固定在底座16上；将钻杆1连接好后穿入滚珠丝杠轴内3，电缆线18从钻杆1内空中穿过，然后将压力测试探头2连接到钻杆1底端，并穿过导向板15中心定位圆孔后放置于地面；将电缆线18另一端与数据采集仪19连接调试好后，即可开始试验。

进行静力触探试验时，选择带有圆锥头的压力测试探头2连接到钻杆1底端，逆时针方向旋转第一组摇把11，带动滚珠丝杠轴3直线上升到合适高度，在滚珠丝杠轴3顶端安装卡盘4，将其与钻杆1卡固；顺时针方向旋转第一组摇把11，带动滚珠丝杠轴3及与其卡固的钻杆1向下直线运动，将压力测试探头2贯入到土层中，压力测试探头2测得的数据信号通过电缆线18传输到数据采集仪19上；试验过程中，每贯入50cm后，松开卡盘4，提升滚珠丝杠轴3，将卡盘4移动到滚珠丝杠轴3顶端，再次卡固滚珠丝杠轴3和钻杆1，继续将压力测试探头2贯入到下一土层，直至最大试验深度；

进行螺旋板载荷试验时，将螺旋承压板20连接于压力测试探头2下端，并放置于预定测试孔位的地面上，并将压力测试探头2连接到钻杆1上；逆时针方向旋转第一组摇把11，带动滚珠丝杠轴3直线上升到合适高度，在滚珠丝杠轴3顶端安装卡盘4，将其与钻杆1卡固；顺时针方向旋转第二组摇把12，带动滚珠丝杠轴3及与其卡固的钻杆1螺旋向下运动，将压力测试探头2和螺旋承压板20旋入到土层中；每贯入50cm后，松开卡盘4，提升滚珠丝杠轴3，将卡盘4移动到滚珠丝杠轴3顶端，再次卡固滚珠丝杠轴3和钻杆1，继续将螺旋承压板20旋入到下一土层，直至预定试验深度，再配合千斤顶、反力梁和百分表等设施进行螺旋板载荷试验。

在两种试验完成后，逆时针方向旋转第二组摇把12，带动滚珠丝杠轴3及与其卡固的钻杆1螺旋向上运动，实现快速拔杆的过程。

Claims (5)

1.一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，它包括钻杆(1)、卡盘(4)、滚珠丝杠螺母(5)、滚珠花键(6)、第一组蜗轮(7)、第一组蜗杆(9)、第一组摇把(11)、齿轮箱(13)、螺旋承压板(20)，其特征在于：钻杆(1)对中套入滚珠丝杠轴(3)内，滚珠丝杠轴(3)通过卡盘(4)与钻杆(1)连接，滚珠丝杠螺母(5)和滚珠花键(6)串联在滚珠丝杠轴(3)上，滚珠丝杠螺母(5)固定于齿轮箱(13)顶板中心处，滚珠花键(6)固定于齿轮箱底板中心处；滚珠丝杠螺母(5)与第一组蜗轮(7)相连，第一组蜗轮(7)与第一组蜗杆(9)通过齿轮传动连接，滚珠花键(6)与第二组蜗轮(8)相连，第二组蜗轮(8)与第二组蜗杆(10)通过齿轮传动连接，立柱(14)顶端与齿轮箱(13)焊接，底端与导向板(15)焊接，第一组蜗杆(9)两端设置有第一组摇把(11)，进行静力触探试验时，选择带有圆锥头的压力测试探头连接到钻杆底端，进行螺旋板载荷试验时，将螺旋承压板连接于带有圆锥头的压力测试探头下端，并将压力测试探头连接到钻杆上。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，其特征在于：所述的滚珠丝杠轴(3)外表面螺旋式导轨的导程与螺旋承压板(20)的螺距相等。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，其特征在于：所述的齿轮箱(13)顶板和底板中心开有圆孔，滚珠丝杠轴(3)及钻杆(1)对中穿过圆孔。

4.根据权利要求1所述的一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，其特征在于：所述的导向板(15)中心开有圆孔，钻杆(1)对中穿过圆孔。

5.根据权利要求1所述的一种螺旋板载荷-静力触探联合试验仪，其特征在于：所述的第一组摇把(11)连接于第一组蜗杆(9)两端，第二组摇把(12)连接于第二组蜗杆(10)两端。

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