CN102817346A - 一种用于场地鉴别的声学静力触探探头 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于场地鉴别的声学静力触探探头，该探头为一个圆柱状，其外部自上至下顺序设有探杆连接器（2）、阻尼套管（4）、密封圈（6）、侧壁摩擦筒（7）、圆锥探头（13）；该探头内置同轴电缆（1）以传递数字信号，上部为探杆连接器（2），探杆连接器（2）内设有防水圈（3），其下为阻尼套管（4），模-数转换器（5）位于探头的中央，并与同轴电缆（1）相连，侧壁摩擦筒（7）位于探头下部的外围，密封圈（6）位于侧壁摩擦筒（7）与探头连接处的凹槽之间，侧壁摩擦筒（7）所包裹的探头下部设有侧壁摩阻力载荷元件（8），侧壁摩阻力载荷元件（8）内部设有侧壁摩阻力压力传感器（9），锥尖阻力载荷元件（10）位于侧壁摩阻力载荷元件（8）的下方，内部设有锥尖阻力压力传感器（11）。

Description

一种用于场地鉴别的声学静力触探探头

技术领域

本发明涉及一种可用于场地鉴别的声学静力触探探头，属于土木工程领域中一种能够连续有效地分析测试土层原位声学响应特征的静力触探装置。

背景技术

　静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应用于工程勘察。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能够快速、准确地获得土层的孔隙水压力、地震波、污染物性状、温度、甚至影像。国外已将之大量应用于土木工程和岩土工程领域。尽管新型传感器技术的发展提高了锥尖阻力测量的精确度，然而侧壁摩阻力测量的精确性仍然有待于更进一步的提高，因此添加有其他新型传感器的静力触探技术（如孔压静力触探技术）的研发有助于提高这一测量技术的准确性与可靠性。

当探头贯入土中时，由于挤压作用使得颗粒发生重排列和破碎，土颗粒绕探头的转动和滑动产生声频信号。通过测量声频信号的强度与频率，则可以反映出土的晶粒大小、孔隙率或相对密实度特征、矿物成分以及土的结构性等特点。室内试验的结果表明声频信号比锥尖阻力更能清楚的反映土层的变化特征，因而更能精确的探测到地下土体中的薄夹层变化。根据这一原理，本发明基于常规的静力触探探头，提出了一种可以方便、快捷、测试成本低廉的原位测试仪器，为岩土工程实践提供有力的检测工具。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对国内现有单双桥静探技术存在的缺陷，提出一种用于土木工程和岩土工程领域的可用于场地鉴别的声学静力触探探头。

技术方案：本发明用于场地鉴别的声学静力触探探头为一个圆柱状，其外部自上至下顺序设有探杆连接器、阻尼套管、密封圈、侧壁摩擦筒、圆锥探头；在探杆连接器内设有防水圈，同轴电缆自上部穿过密封圈与位于探头的中央的模-数转换器相连；密封圈位于侧壁摩擦筒与探头连接处的凹槽之间，侧壁摩擦筒所包裹的探头下部设有侧壁摩阻力载荷元件，侧壁摩阻力载荷元件内部设有侧壁摩阻力压力传感器，锥尖阻力载荷元件位于侧壁摩阻力载荷元件的下方，锥尖阻力载荷元件内部设有锥尖阻力压力传感器，并由阻尼箱所包围，圆锥探头位于侧壁摩擦筒的下方，并与探头底部相连，圆锥探头的内部设有驻极体电容传声器，驻极体电容传声器通过导线依次与前置放大器和滤波器相连，前置放大器和滤波器均位于探杆内部中央，侧壁摩阻力压力传感器、锥尖阻力压力传感器及滤波器均通过导线与模-数转换器相连接。

阻尼套管的长度为150 mm。

圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为10 cm²，侧壁摩擦筒表面积150 cm²。

本发明的可用于场地鉴别的声学静力触探探头，其声学测量部分主要由驻极体电容传声器、前置放大器、滤波器、阻尼套管、阻尼箱、模-数转换器、同轴电缆以及内部的电路系统等组成。驻极体电容传声器接收来自于锥头深度处颗粒绕锥头转动或滑移时产生的声频信号，并将声频信号转换为电信号，通过导线传递给前置放大器。电信号经前置放大器放大后传递给滤波器。滤波器消除由于电学干扰和机械干扰产生的期望频率之外的噪声信号，再将主频信号传递给模-数转换器。模-数转换器将接收到的电信号转换为数字信号，并与锥尖阻力信号和侧壁摩阻力信号集成在同一根同轴电缆上，通过同轴电缆传递至上部计算机中处理和保存。阻尼套管和阻尼箱减小侧壁摩擦筒、上部探杆摩擦作用和加荷系统所产生的噪音干涉，保证所检测到声频信号的主频率始终反映了锥头深度处的土层特性。地表微机采集和存储系统连续采集接收的声频-电信号，绘出实时连续的剖面图。

有益效果：尽管新型传感器技术的发展提高了锥尖阻力测量的精确度，然而侧壁摩阻力测量的精确性仍然有待于更进一步的提高，因此添加有其他新型传感器的静力触探技术（如孔压静力触探技术）的研发有助于提高这一测量技术的准确性与可靠性。本发明解决了国内现有的单双桥静探技术不能测量土层声学响应特征的缺陷，能方便、快捷、连续测量锥头深度处土层的声学响应特征，包括土层受扰动后产生声频信号的强度与频率，进而使得静力触探技术能更准确、可靠地服务于土木工程和岩土工程领域。该项技术具有连续性、可靠性和可重复性的特点。

附图说明

图1是本发明的元件装置图；

其中有：同轴电缆1、探杆连接器2、防水圈3、阻尼套管4、模-数转换器5、

密封圈6、侧壁摩擦筒7、侧壁摩阻力载荷元件8、侧壁摩阻力压力传感器9、锥尖阻力载荷元件10、锥尖阻力压力传感器11、阻尼箱12、圆锥探头13、驻极体电容传声器14、前置放大器15、滤波器16。

具体实施方式

本发明的可用于场地鉴别的声学静力触探探头包括：同轴电缆1传递数字信号，上部为探杆连接器2，探杆连接器2内设有防水圈3，其下为阻尼套管4，模-数转换器5位于探头的中央，并与同轴电缆1相连，侧壁摩擦筒7位于探头下部的外围，密封圈6位于侧壁摩擦筒7与探头连接处的凹槽之间，侧壁摩擦筒7所包裹的探头下部设有侧壁摩阻力载荷元件8，侧壁摩阻力载荷元件8内部设有侧壁摩阻力压力传感器9，锥尖阻力载荷元件10位于侧壁摩阻力载荷元件8的下方，锥尖阻力载荷元件10内部设有锥尖阻力压力传感器11，并由阻尼箱12所包围，圆锥探头13位于侧壁摩擦筒7的下方，并与探头底部相连，圆锥探头的内部设有驻极体电容传声器14，驻极体电容传声器14通过导线依次与前置放大器15和滤波器16相连，前置放大器15和滤波器16均位于探杆内部中央，侧壁摩阻力压力传感器9、锥尖阻力压力传感器11及滤波器16均通过导线与模-数转换器5相连接。

阻尼套管长度为150 mm。

圆锥探头锥角为60°，锥底截面积为10 cm²，侧壁摩擦筒表面积150 cm²。

该探头集成了常规静力触探的功能（可测端阻、摩阻）和测试土层声学响应特征的功能，进一步发展了静力触探技术的内容。

静力触探探头的贯入过程中，除了产生锥尖阻力和侧壁摩阻力之外，还由于挤压作用使得颗粒发生重排列和破碎，土颗粒绕探头的转动和滑动产生声频信号。驻极体电容传声器接收这一声频信号，并将其转换为电信号，通过导线传递给前置放大器。电信号经前置放大器放大后传递给滤波器。滤波器消除由于电学干扰和机械干扰产生的期望频率之外的噪声信号，再将主频信号传递给模-数转换器。模-数转换器将接收到的电信号转换为数字信号，并与锥尖阻力信号和侧壁摩阻力信号集成在同一根同轴电缆上，通过同轴电缆传递至地表微机采集和存储系统中处理和保存，绘出实时连续的剖面图。阻尼套管和阻尼箱减小侧壁摩擦筒、上部探杆摩擦作用和加荷系统所产生的噪音干涉，保证所检测到声频信号的主频率始终反映了锥头深度处的土层特性。

Claims (3)

1.一种用于场地鉴别的声学静力触探探头，其特征在于该探头为一个圆柱状，其外部自上至下顺序设有探杆连接器（2）、阻尼套管（4）、密封圈（6）、侧壁摩擦筒（7）、圆锥探头（13）；在探杆连接器（2）内设有防水圈（3），同轴电缆（1）自上部穿过密封圈（6）与位于探头的中央的模-数转换器（5）相连；密封圈（6）位于侧壁摩擦筒（7）与探头连接处的凹槽之间，侧壁摩擦筒（7）所包裹的探头下部设有侧壁摩阻力载荷元件（8），侧壁摩阻力载荷元件（8）内部设有侧壁摩阻力压力传感器（9），锥尖阻力载荷元件（10）位于侧壁摩阻力载荷元件（8）的下方，锥尖阻力载荷元件（10）内部设有锥尖阻力压力传感器（11），并由阻尼箱（12）所包围，圆锥探头（13）位于侧壁摩擦筒（7）的下方，并与探头底部相连，圆锥探头的内部设有驻极体电容传声器（14），驻极体电容传声器（14）通过导线依次与前置放大器（15）和滤波器（16）相连，前置放大器（15）和滤波器（16）均位于探杆内部中央，侧壁摩阻力压力传感器（9）、锥尖阻力压力传感器（11）及滤波器（16）均通过导线与模-数转换器（5）相连接。

2.根据权利要求1所述的可用于场地鉴别的声学静力触探探头，其特征在于阻尼套管（4）的长度为150 mm。

3.根据权利要求1所述的可用于场地鉴别的声学静力触探探头，其特征在于圆锥探头（14）的锥角为60°，锥底截面积为10 cm²，侧壁摩擦筒（7）表面积150 cm²。

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