CN105136559B - 一种高效两用超微型贯入探头装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效两用超微型贯入探头装置，包括多通道数据采集仪，还包括通过钢制U形夹具固定的上压块和下压块，上压块和下压块之间设置有电导线束槽，下压块的底部设置有开口朝下的孔槽，孔槽的槽底设置有微型压力传感器，微型压力传感器通过导电胶与设置在孔槽内的金属探针的一端连接，微型压力传感器的导线穿过电导线束槽与多通道数据采集仪连接。本发明具有多种直径和数量的刚性探针，每种探针都具有独立的拉压力传感器，只需贯入一次即可获得整个土体的贯入阻力曲线；贯入过程中土体表面的含水率损失可以忽略；贯入试验过程中，探针可以测试土体的电阻率，采用以贯入阻力和电阻率因子相结合的综合评价方式，结果更加可靠与精确。

Description

一种高效两用超微型贯入探头装置

技术领域

本发明涉及岩土力学与工程领域，更具体的涉及一种高效两用超微型贯入探头装置。适用但不限于研究各种类型的软土的结构性、超软淤泥土固结与固化过程、非饱和红黏土、膨胀土等特殊土等的工程力学特性。

背景技术

一般认为，细粒土是由不同大小的团聚体组成，团聚体的大小、形状、内部结构和强度在一定程度上决定了细粒土的力学性质和工程性质，为了解和掌握非饱和土中团聚体的分布和强度，国内外学者开展了一些研究，超微型贯入仪是一种通过探针阻力测试材料内部结构状态的测试仪器,已广泛用于不同学科的研究及测试活动中,是土力学及建筑科学、农业土壤学等研究的关键测试手段之一。但不管是超微型贯入仪或者是以质构仪为基础的微型贯入仪，都存在以下缺点：（1）目前的超微型贯入仪探头采用的单根探针，每次贯入只可以获得当前贯入位置的一组贯入阻力和深度的数据，如果要获得整个土体的贯入曲线，需要十几次甚至几十次的贯入，效率低下；（2）由于超微型贯入仪探头需要多次贯入，导致土体表面含水率变化，从而影响超微型贯入结果的准确性；（3）目前的超微型贯入仪探头只能通过贯入阻力获得竖直方向的贯入阻力曲线，再通过贯入阻力对团聚体力学特征进行评价，其评价方式比较单一。

为了克服上述3个主要缺点和不足，有必要设计一种高效两用超微型贯入复合探头装置，提高贯入效率，避免多次贯入，总体贯入时间短，且不局限于贯入阻力作为唯一的评价方式。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种高效两用超微型贯入探头装置。其单次贯入就能得到多个贯入阻力数据，避免多次贯入，总体贯入时间短，避免表面水分散失而影响测试精度的问题，且能提供电阻率因子作为辅助评判团聚体物理特性方式的装置，该装置设计结构简单、操作简便、稳定性好、各组构件经久耐用，不易耗损，实用性强，并可根据土体含水率状态配置多种直径的探针，以及配置圆形或方形等多种外形的压块以适应待测土样的多个形状的问题，操作简便易行，显著提高贯入效率，灵活度和适应性强，还可综合评价团聚体物理力学性质，具有广泛的应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种高效两用超微型贯入探头装置，包括多通道数据采集仪，还包括通过钢制U形夹具固定的上压块和下压块，上压块和下压块之间设置有电导线束槽，下压块的底部设置有开口朝下的孔槽，孔槽的槽底设置有微型压力传感器，微型压力传感器通过导电胶与设置在孔槽内的金属探针的一端连接，微型压力传感器的导线穿过电导线束槽与多通道数据采集仪连接。

如上所述的金属探针包括圆锥形探头和圆柱形探针杆，圆柱形探针杆的一端设置在孔槽内。

如上所述的圆柱形探针杆的直径小于圆锥形探头的最大横截面直径。

一种高效两用超微型贯入探头装置，还包括直流电源控制箱，直流电源控制箱包括电流计、电压计、直流电源和电极转换器，

直流电源，用于提供直流电压；

电极转换器，用于将直流电源的直流电压切换加载在不同的相邻金属探针对上；

电流计，用于测量当前相邻金属探针对加载直流电压时，当前相邻金属探针对所在回路的电流；

电压计，用于测量当前相邻金属探针对加载直流电压时，当前相邻金属探针对之间电压。

如上所述的上压块的周边的厚度小于上压块中间的厚度，上压块的中间部分为平面且开设有预留螺栓孔。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）采用复合探头装置，其特点是复合探头具有多种直径和数量的刚性探针，每种探针都具有独立的拉压力传感器，只需贯入一次即可获得整个土体的贯入阻力曲线；上述复合探头还可布置多种密度探针，且探针具有多种直径，可以满足多尺度团聚体的测试；

（2）由于一次贯入即可获得多点的贯入阻力曲线，因此，土体表面的含水率损失可以忽略，试验的结果更加准确；

（3）在超微型贯入试验过程中，探针可以测试土体的电阻率，采用以贯入阻力和电阻率因子相结合的综合评价方式，结果更加可靠与精确。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构顶部视图；

图3为本发明的结构底部视图；

图4为电源控制箱内部电路图

图5为贯入应力-贯入深度-电阻率关系图。

图中：1-金属探针，1a-圆锥形探头，1b-圆柱形探针杆，2-高强塑料压块，2a-上压块，2b-下压块，2c-孔槽，3-电导线束槽，4-压力传感器电导线束，5-单个压力传感器电导线，6-微型压力传感器，7-导电胶，8-蝶形螺丝，9-钢制U形夹具，10-预留螺栓孔，11-直流电源控制箱，11a-电流计，11b-电压计，11c-直流电源，12-电极转换器，13-多通道数据采集仪，14-计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

实施例1：

如图1～4所示，一种高效两用超微型贯入探头装置，包括多通道数据采集仪13，还包括通过钢制U形夹具9固定的上压块2a和下压块2b，上压块2a和下压块2b之间设置有电导线束槽3，下压块2b的底部设置有开口朝下的孔槽2c，孔槽2c的槽底设置有微型压力传感器6，微型压力传感器6通过导电胶7与设置在孔槽2c内的金属探针1的一端连接，微型压力传感器6的导线穿过电导线束槽3与多通道数据采集仪13连接。

优选的，金属探针1包括圆锥形探头1a和圆柱形探针杆1b，圆柱形探针杆1b的一端设置在孔槽2c内。

优选的，圆柱形探针杆1b的直径小于圆锥形探头1a的最大横截面直径。

优选的，还包括直流电源控制箱11，直流电源控制箱11包括电流计11a、电压计11b、直流电源11c和电极转换器12，

直流电源11c，用于提供直流电压；

电极转换器12，用于将直流电源的直流电压切换加载在不同的相邻金属探针1对上；

电流计11a，用于测量当前相邻金属探针1对加载直流电压时，当前相邻金属探针对所在回路的电流；

电压计11b，用于测量当前相邻金属探针1对加载直流电压时，当前相邻金属探针对之间电压。

优选的，上压块2a的周边的厚度小于上压块2a中间的厚度，上压块2a的中间部分为平面且开设有预留螺栓孔10。

金属探针1由圆锥形探头1a与圆柱形探针杆1b整体切削成型，材质为高强度钢，圆柱形探针杆1b直径小于圆锥形探头1a最大直径，其优点是避免了圆柱形探针杆1b与土体之间的滑动摩擦力。圆锥形探头1a最大直径范围为0.85mm～2.95mm；

高强塑料2压块包括上压块2a和下压块2b，下压块2b中有孔槽2c以便于安装金属探针1，且上下压块间预设电导线束槽3。所述上压块2a周边厚度比中间厚度小，便于用蝶形螺丝8和钢制U形夹具9紧固上压块1a、下压块1b，同时上压块1a的中间凸起表面平整，便于施加荷载。高强塑料2压块为方形或圆形，边长或直径为3cm～30cm；

微型压力传感器6，采用箔式应变片贴在合金钢弹性体的应变式压力传感器（可以购置应变片和合金钢加工而成）。

直流电源控制箱11，包含电流计11a、电压计11b、直流电源11c和电极转换器12，电极转换器12可以使直流电源11c依次加载电压到相邻的两个金属探针1之间，通电两个金属探针间的土体、相邻的两个金属探针1、直流电源11c和电流计11a形成通电回路，电流计11a和电压计11b用于监测通电回路上的电流与相邻的两个金属探针1之间的电压。

直流电源11c的正、负极通过电导线经导电胶7分别加载于相邻的圆柱形探针杆1b的上端部。

导电胶7的作用一是将金属探针1的圆柱形探针杆1b上端部与微型压力传感器6黏结，二是使直流电源11c的电流能够通过导电胶7传导至金属探针1。

微型压力传感器6的电压由与直流电源控制箱11连接的压力传感器电导线束4提供。直流电源11c的电压直接通过导电胶7传导到金属探针1上，而不需要经过微型压力传感器6。

多通道数据采集仪13，采样多路并行，可同时对应多个微型压力传感器6及电压、电流值进行数据采集和通讯传输（市售多通道数据采集器，不少于32通道，如AT4516多通道数据采集仪等）。

本发明的工作原理是通过多个金属探针1组成一种高效两用超微型贯入探头装置，采用圆柱形探针杆1b直径小于圆锥形探头1a最大直径的金属探针1，避免了圆柱形探针杆1b与土体之间的滑动摩擦力，从而微型压力传感器6所测得的压力即为贯入阻力，从而达到一次贯入得到整个土样团聚体的大小、形状、内部结构和强度的效果。再者，通过电极转换器12可以使金属探针1顺序两两通电，通电两个金属探针1间的土体、相邻两个金属探针1、直流电源11c、电流计11a形成通电回路，电流计11a和电压计11b用于监测回路上的电流与相邻的两个金属探针1之间的电压，计算获得电阻，再通过横截面积和土样长度换算获得相邻两个金属探针1间的土体之间的电阻率变化值，从而可以评价团聚体的物理特性。

贯入应力可以由试验所获得的贯入阻力及探针截面积计算得出，即，为贯入应力( MPa)；为贯入阻力( N)；为圆锥形探头1a最大截面处的横截面积( mm²)。

实施例2：

待测土样呈黄褐色、硬塑状态，含黑色铁锰结核，为原状土切削而成的直径61.8mm，高度20mm的环刀样，含水率为17.0%，干密度为1.77g/cm³。

本次试验所采用微型探针为探针总长为60mm，设置圆锥形探头1a截面最大直径为1.75 mm，如图3所示，探针直径中心间距为10mm，形成矩阵形探针组合 。贯入速率设置为50mm/min，实测贯入速率为50.5 mm/min，贯入深度为8.0mm，每贯入1mm时，测试电阻率值1次。探头装置其他与实施例1一致。

当金属探针1的为圆锥形探头1a，以实测速率为50.5 mm/min的速率贯入土样中时，微型压力传感器6收到压力信号，通过单个压力传感器电导线5及压力传感器电导线束4传输给多通道数据采集仪13，并在计算机14上记录和存储数据，从而获得贯入阻力试验值。同时，在直流电源控制箱11中的电极转换器12使金属探针1按顺时针顺序两两通电，通电两个金属探针间的土体、相邻的两个金属探针1、直流电源11、电流计11a和电压计11b形成通电回路，电流计11a和电压计11b用于监测回路上的电流与相邻的两个金属探针1之间的电压，获得电阻，通过横截面积和土样长度换算获得两个金属探针间的土体之间的电阻率变化值。

图5为以50.5 mm/min的速率贯入土样中时，矩阵形探针组合中第五行不同列的贯入应力-贯入深度-电阻率关系图，上部橫坐标诸如（5，1）的数值代表探针的位置，具体为第5行第1列；纵坐标表示贯入深度，单位毫米；图中的曲线为贯入应力随贯入深度的变化曲线，贯入应力的大小由下部橫坐标刻度表示，单位为MPa，（注意每条贯入应力曲线均对应于一个独立的下部横坐标）；两条贯入应力曲线之间的诸如39.8的数值代表两个相邻探针在贯入深度为1mm处时土体间的电阻率值，单位为（）。可用以表征整个土体内部团聚体强度（贯入应力）沿贯入深度变化的情况和相应的电阻率变化情况。采用上述的一种高效两用超微型贯入探头装置，贯入效率可以提高2~60倍，总体贯入时间短，土体表面水分蒸发率小于0.5%，保证了超微型贯入结果的准确性，并可以获得电阻率因子作为综合评价指标，达到高效两用的试验目标。同时具有可根据土体含水率状态配置多种直径的探针，以及配置圆形或方形等多种外形的压块以适应待测土样的多个形状的问题，操作简便易行，显著提高贯入效率，灵活度和适应性强，稳定性好、各组构件经久耐用，不易耗损，实用性强，还可综合评价团聚体物理力学性质，具有广泛的应用前景。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或替代，但不会偏离本发明的精髓或者超越所附权利要求书外定义的范围。

Claims (1)

1.一种高效两用超微型贯入探头装置，包括多通道数据采集仪(13)，其特征在于，还包括通过钢制U形夹具(9)固定的上压块(2a)和下压块(2b)，上压块(2a)和下压块(2b)之间设置有电导线束槽(3)，下压块(2b)的底部设置有开口朝下的孔槽(2c)，孔槽(2c)的槽底设置有微型压力传感器(6)，微型压力传感器(6)通过导电胶(7)与设置在孔槽(2c)内的金属探针(1)的一端连接，微型压力传感器(6)的导线穿过电导线束槽(3)与多通道数据采集仪(13)连接；

金属探针(1)包括圆锥形探头(1a)和圆柱形探针杆(1b)，圆柱形探针杆(1b)的一端设置在孔槽(2c)内；

圆柱形探针杆(1b)的直径小于圆锥形探头(1a)的最大横截面直径；

还包括直流电源控制箱(11)，直流电源控制箱(11)包括电流计(11a)、电压计(11b)、直流电源(11c)和电极转换器(12)，

直流电源(11c)，用于提供直流电压；

电极转换器(12)，用于将直流电源的直流电压切换加载在不同的相邻金属探针(1)对上；电流计(11a)，用于测量当前相邻金属探针(1)对加载直流电压时，当前相邻金属探针对所在回路的电流；

电压计(11b)，用于测量当前相邻金属探针(1)对加载直流电压时，当前相邻金属探针对之间电压，

上压块(2a)的周边的厚度小于上压块(2a)中间的厚度，上压块(2a)的中间部分为平面且开设有预留螺栓孔(10)。