CN103343530B - 一种有效识别极薄土层的微尺度孔压静力触探探头 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种有效识别极薄土层的微尺度孔压静力触探探头，该探头以不锈钢导管（1）为基体，在不锈钢导管（1）外侧的下半部设置有摩擦套筒（2），不锈钢导管（1）与摩擦套筒（2）通过有机硅胶密封圈（3）连接密封，在不锈钢导管（1）内表面靠下部位设置有应变计（4），应变计（4）通过导线（5）与外部电路连接成单臂电桥，应变计（4）的下方设置有孔隙水压力传感器（6），在摩擦套筒（2）的下方设有孔压过滤环（7），孔压过滤环（7）的下方是锥形探头（8）。采用该微尺度孔压静力触探探头具有原位、快捷和高分辨率等优点，为地质勘察、岩土工程中极薄土层的识别与评价以及液化后砂土承载力的测定提供有效的检测工具。

Description

一种有效识别极薄土层的微尺度孔压静力触探探头

技术领域

本发明涉及一种微尺度孔压静力触探探头，属于土木工程、岩土工程领域中一种能够原位、快捷和精确的识别与评价地面下极薄土层以及液化后砂土承载力测定的静力触探装置。

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，可进行土层识别和确定土的某些基本物理力学特性，如土的容许承载力、土的重度等。静力触探技术至今已有80多年的历史，在国际上已得到广泛应用，我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应用于勘察。静力触探技术具有快速、连续、可靠和不取样等特点，已经部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。静力触探主要获得的测试参数有三个，即：锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，但是由于探头锥尖的扰动，并不能完全较准确的探测各个地层情况，尤其是存在较薄或极薄的夹层时，标准静力触探装置则无法获得较为满意的结果。国际上标准的静力触探探头规格为：直径35.7mm；锥角60°；锥底截面积10cm²；侧壁摩擦筒表面积150cm²；贯入速率20mm/s。探头测试的分辨率与扰动区域的大小密切相关，尺寸越大，探头贯入剪切土体时的扰动区域也越大，导致分辨率越低。Tumay等（1998）研究认为，微型探头可获得较高的锥尖阻力和较低的侧壁摩阻力，可得到更为精细的土层识别与划分。工程现场实际中，地表下土层中往往存在较薄或极薄的夹层，如砂土夹层、粉土夹层等，这些土层厚度通常较小（厚度约为15mm），但对整个地基的承载力等特性有着非常重要的影响。多次液化后砂土地基的承载力的测定是评价砂土地基的重要指标之一，不同的液化次数后，砂土地基的承载力也不同。标准静力触探探头的分辨率无法具备识别极薄土层和测定多次液化后砂土地基的承载力，因此，人们逐步研制与开发新型微探头。

本发明的微尺度孔压静力触探探头，提供了一种可以连续、定量、高分辨率的原位测试仪器，为地质勘察、岩土工程中极薄土层的识别与评价以及液化后砂土承载力的测定提供有效的测试工具。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对目前国内无法进行极薄土层（土层厚度≤15mm）的静力触探识别与评价和液化后砂土承载力的原位测定，提出一种可用于土木工程、岩土工程领域的可原位识别与评价极薄土层和测定液化后砂土承载力的静力触探探头。

技术方案：本发明的有效识别极薄土层的微尺度孔压静力触探探头以不锈钢导管为基体，在不锈钢导管外侧的下半部设置有摩擦套筒，不锈钢导管与摩擦套筒通过有机硅胶密封圈连接密封，在不锈钢导管内表面靠下部位设置有应变计，应变计通过导线与外部电路连接成单臂电桥，应变计的下方设置有孔隙水压力传感器，在摩擦套筒的下方设有孔压过滤环，孔压过滤环的下方是锥形探头。

不锈钢导管的外径为5mm，内径为2.8mm，与摩擦套筒接触部分的壁厚为0.5mm。

摩擦套筒的长度为22.0mm，厚度为0.5mm，表面积为346mm²。

应变计的感应长度为1.0mm。

锥形探头的锥角为60°，锥底截面积为19.6mm²。

微尺度孔压静力触探探头的贯入速率为1mm/s，单臂电桥的输入电压为2.0V，测试环境温度宜为18～22℃，测试深度空间方向上测试频率为2点/mm。

应变计对称分布于不锈钢导管内壁，用来测量微尺度探头贯入土体时的锥尖阻力，应变计为专用的高灵敏度应变计，感应长度为1.0mm。两个应变计与外部电路相接，组成惠斯通单臂电桥，整个测试电路的输入电源电压为2.0V，当微尺度探头贯入土体时，应变计将自身电阻的变化通过信号放大器转变为电压变化输入计算机，最终转换为锥尖阻力变化。

探头贯入速率的大小对土层排水条件有着重要的影响。根据Cho等（2004）提出的利用孔压消散时间t_dis与贯入时间t_pen的比值关系来确定一定贯入速率下的排水条件，其相关计算表达式为：

$\frac{t_{\mathrm{dis}}}{t_{\mathrm{pen}}}\≅\frac{d^2/c_v}{\mathrm{\λ}/V_{\mathrm{in}}}=\left(\frac{d}{\mathrm{\λ}}\right)\frac{d\·V_{\mathrm{in}}}{c_v}$

式中，d为探头直径；c_v为孔压消散系数；λ为贯入的锥尖长度；V_in为贯入速率。

本发明的微尺度孔压静力触探探头贯入速率V_in为1mm/s，探头直径d为5mm，贯入的锥尖长度λ为4.33mm，粘土层中孔压消散系数c_v假定为1.0×10^-3cm/s，则则为不排水条件。微尺度探头现场测试环境宜为18～22℃，测试深度空间方向上测试频率为2点/mm。

有益效果：静力触探技术具有连续、快速、准确和无需取样等特点，在土木工程、岩土工程勘察设计中有着广泛应用。工程实际中，土层中常常存在一些薄夹层，这些土层的厚度通常较小，有的甚至只有15mm左右，国际标准静力触探探头由于探头尺寸的局限，在识别极薄土层时具有一定的不足，现场原位无法取样，土体相关性质无法得以评价。砂土液化后，其承载力相应发生改变，不同液化次数后，砂土承载力亦不同。国内现有的标准静力触探探头无法具备识别极薄土层和评价多次液化后砂土承载力的分辨率，这对工程勘察和设计等是不利的。

本发明解决了国内现有静力触探技术不能较好的识别极薄土层和评价多次液化后砂土承载力的局限，能够大幅提高静力触探测试技术的分辨率，准确、有效的识别土层中的极薄夹层和不同液化次数后的砂土承载力，是的静力触探技术活能够更全面的服务于土木工程、岩土工程领域。该项技术具有连续性、准确性和高分辨率性等特点。

附图说明

图1是本发明的元件装置图；

图2是锥尖阻力测试电路示意图；

其中有：不锈钢导管1，摩擦套筒2，有机硅胶密封圈3，应变计4，导线5，孔隙水压力传感器6，孔压过滤环7，锥形探头8。

具体实施方式

该探头以不锈钢导管为基体，在不锈钢导管外侧的下半部设置有摩擦套筒，不锈钢导管与摩擦套筒通过有机硅胶密封圈连接密封，在不锈钢导管内表面靠下部位设置有应变计，应变计通过导线与外部电路连接成单臂电桥，应变计的下方设置有孔隙水压力传感器，在摩擦套筒的下方设有孔压过滤环，孔压过滤环的下方是锥形探头。

不锈钢导管的外径为5mm，内径为2.8mm，与摩擦套筒接触部分的壁厚为0.5mm。

摩擦套筒的长度为22.0mm，厚度为0.5mm，表面积为346mm²。

应变计的感应长度为1.0mm。

锥形探头的锥角为60°，锥底截面积为19.6mm²。

微尺度孔压静力触探探头的贯入速率为1mm/s，单臂电桥的输入电压为2.0V，测试环境温度宜为18～22℃，测试深度空间方向上测试频率为2点/mm。

如图2所示为锥尖阻力测试电路示意图。应变计对称分布于不锈钢导管内壁，用来测量微尺度探头贯入土体时的锥尖阻力，应变计为专用的高灵敏度应变计，感应长度为1.0mm。两个应变计与外部电路相接，组成惠斯通单臂电桥，整个测试电路的输入电源电压为2.0V，当微尺度探头贯入土体时，应变计将自身电阻的变化通过信号放大器转变为电压变化输入计算机，最终转换为锥尖阻力变化。

现场原位测试时，需通过专用的贯入设备将微尺度探头以1mm/s的贯入速率贯入测试土体中，在探头贯入深度方向上的测试频率为2点/mm，通过外接电路将测试的电信号转换为锥尖阻力值，根据锥尖阻力的变化识别极薄土层以及测定液化后砂土承载力等。Lunne等学者研究认为，探头尺寸效应对锥尖阻力和侧壁摩阻力的测试影响非常显著，如锥底截面积1.27cm²的探头测试的锥尖阻力值比标准截面积10cm²的高15%左右，本发明的微尺度孔压静力触探探头测试土体锥尖阻力时具有较高的灵敏度（放大锥尖阻力值），可有效识别与评价极薄土层（土层厚度≤15mm）和进行液化后砂土承载力的测定，是一种高精度的原位测试工具。

Claims (2)

1.一种有效识别极薄土层的微尺度孔压静力触探探头，该探头以不锈钢导管(1)为基体，在不锈钢导管(1)外侧的下半部设置有摩擦套筒(2)，不锈钢导管(1)与摩擦套筒(2)通过有机硅胶密封圈(3)连接密封，在不锈钢导管(1)内表面靠下部位设置有应变计(4)，应变计(4)通过导线(5)与外部电路连接成单臂电桥，应变计(4)的下方设置有孔隙水压力传感器(6)，在摩擦套筒(2)的下方设有孔压过滤环(7)，孔压过滤环(7)的下方是锥形探头(8)；

不锈钢导管(1)的外径为5mm，内径为2.8mm，与摩擦套筒(2)接触部分的壁厚为0.5mm；

摩擦套筒(2)的长度为22.0mm，厚度为0.5mm，表面积为346mm2；

应变计(4)的感应长度为1.0mm；

锥形探头(8)的锥角为60°，锥底截面积为19.6mm²。

2.根据权利要求1所述的有效识别极薄土层的微尺度孔压静力触探探头，其特征在于微尺度孔压静力触探探头的贯入速率为1mm/s，单臂电桥的输入电压为2.0V，测试环境温度宜为18～22℃，测试深度空间方向上测试频率为2点/mm。