CN108801357A - 一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试方法及装置 - Google Patents
一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108801357A CN108801357A CN201810770673.3A CN201810770673A CN108801357A CN 108801357 A CN108801357 A CN 108801357A CN 201810770673 A CN201810770673 A CN 201810770673A CN 108801357 A CN108801357 A CN 108801357A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- feeler lever
- injection
- fiber
- soil
- drill bit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 121
- 238000002347 injection Methods 0.000 title claims abstract description 118
- 239000007924 injection Substances 0.000 title claims abstract description 118
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 90
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 60
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 34
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims abstract description 22
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 21
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 10
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 7
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims description 6
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 6
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000004927 clay Substances 0.000 claims description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 4
- 230000000994 depressogenic effect Effects 0.000 claims description 2
- 241001074085 Scophthalmus aquosus Species 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 8
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 4
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 1
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
- G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试方法及装置。底座上设置机箱外壳，机箱外壳内相对的两侧内壁设置一对表面设有限位装置的竖轨，竖轨之间设置承台，承台能够沿竖轨上下滑动，并能够通过竖轨表面的限位装置固定在竖轨的任意位置，承台上设置步进电机，探杆自上而下贯穿过机箱外壳顶部、步进电机、承台和底座，贯入地基土或土样中；所述的探杆底部与可替换钻头连接，所述的传动探杆与步进电机的主动齿轮咬合，底部与贯入探杆固定连接；通过信号传输光纤串联光纤光栅传感器，信号传输光纤与手持式FBG解调模块连接。清理待测场地，固定装置，将信号传输光纤连接至手持式FBG解调模块；令贯入探杆与钻头垂直贯入所要测试的地基土或土样中；拔出探杆，结束测试。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感、土体强度指标测试与土体微观结构性分析领域，具体涉及一种基于光纤光栅的用于工程地基土以及室内试验土体力学特性与微观结构性测定的便携式贯入综合测试装置及实现方法。
背景技术
土体作为一种天然生成的三相介质，一般具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低等特点，在工程施工中的危害性大，常造成地基破坏、边坡失稳等问题。因此快速有效地测定地基土体的工程性质指标以及对地基土分类分层是岩土工程中的重要课题。目前，常用的地基原位测试方法包括平板荷载试验(PLT)、十字板剪切试验(VST)、标准贯入(SPT)和静力触探试验(CPT)等。
一般而言，平板荷载试验是确定地基承载力最直接也相对准确的原位测试方法，但该方法成本较高，耗时费力，这限制了其在工程中的应用。十字板剪切试验多为手动操作，人工误差大。近年来开始出现的电测式十字板剪切试验和静力触探试验在理论上较为完善，具有快速、经济、节省人力等优点，但这两种方法只能测量单个物理量，且应变片、扭力计等传感元件的测量精度有限、耐久性差，在现场测试过程中，读数会受到潮湿环境和电磁场的干扰，尤其不适用于富水地层土体的测试。此外，现有的地基土原位测试设备体积笨重，在丘陵、山区等现场组装、测试和移动十分困难，这些不利因素大大限制了这些方法的应用。
光纤传感器因具有体积小巧、灵敏度高、稳定性好、耐腐蚀、抗电磁波干扰、可分布式监测等优点，近年来在工程中得到了越来越广泛的应用。其中，光纤布拉格光栅(fiberBragg grating，简称光纤光栅)是目前比较成熟的光纤传感技术，已被成功应用于地质工程、岩土工程、水利工程和交通工程等多个领域，为地基原位测试方法的革新提供了一种有力的工具。光纤光栅的传感原理是，当宽带入射光进入光纤时，光纤光栅会反射特定波长的光，反射光的中心波长λB和应变Δε、温度ΔT之间满足以下关系：
式中：Kε为应变传感灵敏度系数，KT为温度传感灵敏度系数，ΔλB为波长变化量。对于一般的光纤光栅传感器，Kε≈0.78×10-6με-1，KT≈6.67×10-6℃-1。光纤光栅的中心波长对应变和温度都极为敏感，所以光纤光栅应变传感器和温度传感器具有很高的精度。同时，不同中心波长的光纤光栅可以串联使用，组成准分布式的传感序列，实现对光纤沿线各点应变和温度数据的实时、自动采集。
发明内容
针对现有地基原位测试技术的不足，本发明旨在提供一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置及实现方法，可以用于工程地基土以及室内试验土体力学特性与微观结构性测定。与传统方法相比，本发明采用一体化设计，具有方便携带和操作、精确度高、耐久性和稳定性好、抗电磁干扰能力强、多参量监测、自动实时监测等优点，可同时获取钻头阻力、侧壁阻力、地基承载力、变形模量及其分类与土体分层情况以及土体内部微观结构性、不均匀性以及团聚体的分布特征，并通过手持式FBG解调模块实现监测数据的自动采集、记录和储存等功能。
本发明采用了如下技术方案：一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置，包括底座和机箱外壳，底座上设置机箱外壳，机箱外壳内相对的两侧内壁设置一对竖轨，竖轨之间设置承台，承台能够沿竖轨上下滑动，并能够通过竖轨表面的限位装置固定在竖轨的任意位置，承台上设置步进电机，探杆自上而下贯穿过机箱外壳顶部、步进电机、承台和底座，贯入地基土或土样中；所述的探杆包括贯入探杆和传动探杆，所述的探杆底部与可替换钻头连接，所述的传动探杆与步进电机的主动齿轮咬合，底部与贯入探杆固定连接；通过信号传输光纤串联光纤光栅传感器，信号传输光纤从贯入探杆中穿过与机箱外壳外的手持式FBG解调模块连接。
所述的可替换钻头包括不同尺寸、材料的十字形钻头、“Y”形钻头和锥形钻头。
所述的贯入探杆为表面刻有V型槽的金属探杆，光纤光栅传感器固定于V型槽里面，表面用环氧树脂封装。
所述的传动探杆为截面呈方形的金属齿杆，为一根或多根串联。
所述的机箱外壳顶部设有载荷台与水准气泡。
所述的步进电机上设有摇动手轮，所述的步进电机具有三种档位的传动速度，在不供电的情况下能够通过摇动手轮继续推动传动探杆。
所述的光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器和温度传感器。
所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置的使用方法，包括如下步骤：
1)清场、就位：当在野外工作时，首先清理待测场地，将装置底座固定在待测土体上方，载荷台放置适当重量的砝码，水准气泡居中；室内土样测试时，先将水准气泡居中，土样置于底座上表面中心；然后将信号传输光纤连接至手持式FBG解调模块；
2)贯入：步进电机通过转动，带动传动探杆向下竖直运动，传动探杆推动贯入探杆与可替换钻头垂直贯入待测的地基土或土样中；令探杆和钻头依次下压到不同深度的待测土层中；在此过程中贯入探杆上的光纤光栅传感器实时记录应变与温度数据，并将这些数据通过信号传输光纤反馈至手持式FBG解调模块，解调模块实时进行记录并自动储存数据，从而获知地基土的分类与分层及其工程性质指标；
3)取出：测试完成后通过步进电机将探杆缓慢从土中拔出，清理可替换钻头，并将承台沿竖轨向上移动至最高处，结束本次测试。
步骤2)所述的待测土体和探杆温度由贯入探杆V型槽中埋置的光纤光栅温度传感器测得，并用作光纤光栅应变传感器的温度补偿；所述的贯入探杆的轴向应变由V型槽中埋置的光纤光栅应变传感器测得。
步骤2)所述的地基土的分类与分层及其工程性质指标包括地基土体的强度、变形参数与分类分层信息，是通过贯入过程中所读取的钻头阻力qc、侧壁阻力fs数据确定，其中，分层信息由整个贯入过程中所读取的钻头阻力qc、侧壁阻力fs、摩阻比Rf分布信息共同确定，摩阻比Rf由公式计算；场地土类别划分由对应贯入深度的钻头阻力qc、摩阻比Rf的值确定；地基土的强度参数由对应贯入深度的钻头阻力qc确定，具体如下：不排水抗剪强度Cu＝0.039qc+2.7(铁道部)；砂土的内摩擦角通过查阅铁道部《静力触探技术规则》提供的表格确定；土体的变形参数主要涉及黏土、砂土的压缩、变形模量，均由经验公式以及查表获得；各土层承载力的平均值f0由经验公式f0＝a+bqc得出，式中：a、b为常数，其值由侧壁阻力fs决定；qc为钻头阻力，其值由贯入探杆V型槽底部的光纤光栅应变传感器和温度传感器测得的数据以及贯入探杆的相关参数确定，具体为qc＝ε1EA，式中：ε1为贯入探杆底部光纤光栅测得的应变，E为贯入探杆的弹性模量，A为贯入探杆截面面积；侧壁阻力fs由地基土对应高度处的两根光纤光栅应变传感器和温度传感器测得数据和贯入探杆的相关参数确定，具体为fs＝(εn-εn-1)EA，式中：εn为嵌在贯入探杆对应测试深度的光纤光栅测得的应变数据，εn-1为贯入探杆对应测试深度下方光纤光栅测得的应变数据，E为贯入探杆的弹性模量，A为贯入探杆截面面积。
有益效果
1.与传统的电测十字板剪切仪和静力触探相比，本发明具有精确度高、耐久性和稳定性好、抗电磁干扰能力强、实时快速测定等优点。不会因为仪器老化或者密封性不好等原因受潮发生短路，因此适用于富水地层土体的原位测试以及室内土样的强度与微观结构性测定。
2.采用本发明可同时获取多个物理信息，包括钻头阻力、侧壁阻力、地基土承载力、变形模量及其分类与土体分层情况，以及土体内部微观结构性、不均匀性以及团聚体的分布特征，对正确评价土体的物理力学性质、现场的工程地质条件、土样内部微观结构性、不均匀性以及团聚体的分布特征都具有重要的意义。
3.本发明可选择采用不同尺寸、材料的十字形钻头、“Y”形钻头和锥形钻头或不使用钻头，相较于传统的原位测试实验，本发明对不同类型的土体和土体在不同条件下的强度指标测试具有十分强的适应性与兼容性。
4.通过手持式FBG解调模块，实现了光纤光栅传感器读数的实时自动采集、显示、记录和储存等功能。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例，基于光纤光栅的用于工程地基土和室内土体力学特性与微观结构性测定的便携式贯入综合测试装置示意图。
其中包括：1.机箱外壳，2.底座，3.竖轨，4.承台，5.步进电机，6.摇动手轮，7.传动探杆，8.贯入探杆，9.光纤光栅传感器，10.可替换钻头，11-1.V型槽中被环氧树脂封装的信号传输光纤，11-2.信号传输光纤，12.手持式FBG解调模块，13.水准气泡。
图2为本发明的一个较佳实施例的贯入探杆截面和光纤光栅传感器分布示意图，包括信号传输光纤、环氧树脂、光纤光栅传感器和贯入探杆。
其中：11-1.V型槽中被环氧树脂封装的信号传输光纤，9-1.光纤光栅应变传感器，9-2.光纤光栅温度传感器。
图3为几种典型钻头示意图。
图4为FBG传感原理图。
图5根据本发明的实施例试验结果所绘制的曲线，包括地基土承载力-深度曲线与地基土分类分层图，石灰改性膨胀土中某纵剖面上团聚体强度分布等值线图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明的技术方案作更为具体的描述。
一种基于光纤光栅的用于工程地基土和室内试验土体力学特性与微观结构性测定的便携式贯入综合测试装置，其特征在于，包括可替换钻头、钻进装置、手持式FBG解调模块、机箱外壳、承台和底座。所述的可替换钻头包括十字形钻头、“Y”形钻头和锥形钻头以及上述各钻头不同尺寸、材料的系列钻头，所有可替换钻头均安装在贯入探杆的底端；所述的钻进装置包括贯入探杆、传动探杆、步进电机、摇动手轮、承台和固定装置；所述的探杆包括贯入探杆与传动探杆，自下而上贯穿整个钻进装置，依次穿过承台、步进电机、机箱外壳顶部，底部与可替换钻头连接；钻进装置通过固定装置被安装在承台上，承台通过竖轨可以沿着机箱内壁一定范围内上下移动并固定；所述的底座上部安置机箱外壳，可替换钻头与贯入探杆从底座中心穿过，贯入地基土或土样中。
作为优选，所述的可替换钻头包括不同尺寸、材料的十字形钻头、“Y”形钻头和锥形钻头等，所有可替换钻头均通过内部螺纹安装在贯入探杆的底端。
作为优选，所述的贯入探杆为表面刻有V型槽的金属探杆，串联的光纤光栅应变传感器与光纤光栅温度传感器紧紧黏贴于V型槽内部，其表面被环氧树脂封装。
作为优选，所述的传动探杆为截面呈方形的金属齿杆，其表层牙齿与步进电机主动齿轮咬合，其底部通过螺纹与贯入探杆连接，顶部通过螺纹可连接更多传动探杆。
作为优选，所述的机箱顶部设有载荷台与水准气泡，机箱内壁焊有允许承台上下移动并固定的金属竖轨。
作为优选，所述的步进电机具有三种档位的传动速度，并在不供电的情况下可通过摇动手轮继续推动传动探杆。
作为优选，所述的信号传输光纤将所有光纤光栅应变传感器和温度传感器串联，从贯入探杆中穿过，延伸到机箱外部，与手持式FBG解调模块连接。
进一步地，上述一种基于光纤光栅的用于工程地基土和室内试验土体力学特性与微观结构性测定的便携式贯入综合测试装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤一为清场、就位：①当在野外工作时，首先清理待测场地，将装置底座固定于待测土体上方，载荷台放置适当重量的砝码，水准气泡居中。②室内土样测试时，先将水准气泡居中，土样置于底座上表面中心。然后将信号传输光纤连接至手持式FBG解调模块。
步骤二为贯入：步进电机通过转动，带动传动探杆向下竖直运动，传动探杆推动其下方的贯入探杆与钻头垂直贯入待测的地基土或土样内。在此过程中，贯入探杆上的光纤光栅应变传感器和温度传感器将实时记录应变与温度数据，并将这些数据通过信号传输光纤反馈至解调模块并进行自动储存，从而获知地基土分类与分层及其工程性质指标。
步骤三为取出：测试完成后通过步进电机将探杆缓慢从土中拔出，清理可替换钻头，并将承台沿竖轨向上移动至最高处，结束本次测试。
作为优选，步骤二所述的待测土体和探杆温度由贯入探杆V型槽中埋置的光纤光栅温度传感器测得，并用作光纤光栅应变传感器的温度补偿。
作为优选，步骤二所述的地基土体的强度、变形参数与分类分层信息由钻头阻力qc、侧壁阻力fs及其分布信息确定。其中，1)土体分层信息由钻头阻力qc、侧壁阻力fs、摩阻比Rf确定：上下层钻头阻力相差一倍以上时，当由软土层进入硬土层时，取软土层最后一个钻头阻力小值偏向硬土层10cm作为分层界线；上下层钻头阻力不明显时，可结合侧壁阻力fs、摩阻比Rf的变化情况确定分层界线。摩阻比Rf由公式确定。2)场地土类别划分由钻头阻力qc、摩阻比Rf的值共同确定，具体参考铁道部相关规程规定。3)地基土的强度参数由钻头阻力qc确定：不排水抗剪强度Cu可由地区经验公式确定，如Cu＝0.039qc+2.7(铁道部)；砂土的内摩擦角由铁道部《静力触探技术规则》提供的表格对应查找。4)土体的变形参数主要涉及黏土、砂土等的压缩、变形模量。均可由经验公式以及查表获得。5)各土层承载力的平均值f0由经验公式f0＝a+bqc得出，式中：a、b为常数，其值由侧壁阻力fs决定。qc为钻头阻力，其值由贯入探杆V型槽底部的光纤光栅应变传感器和温度传感器测得的数据及贯入探杆的相关参数确定，具体为qc＝ε1EA，式中：ε1为贯入探杆底部光纤光栅测得的应变，E为贯入探杆的弹性模量，A为贯入探杆截面面积。侧壁阻力fs根据地基土对应高度处的两个光纤光栅应变传感器和温度传感器测得的数据及贯入探杆的相关参数确定，具体为fs＝(εn-εn-1)EA，式中：εn为嵌在贯入探杆对应测试深度的光纤光栅传感器测得的应变数据，εn-1为贯入探杆对应测试深度下方光纤光栅传感器测得的应变数据，E为贯入探杆的弹性模量，A为贯入探杆截面面积。
作为优选，步骤二所述的温度和应变数据由手持式FBG解调模块实时自动采集、显示、记录和储存。
实施例
如附图1和附图2所示，一种基于光纤光栅的用于工程地基土和室内试验土体力学特性与微观结构性测定的便携式贯入综合测试装置，其特征在于，包括机箱外壳1，底座2，竖轨3，承台4，所述承台2可以沿着焊接在机箱内壁的竖轨3在一定范围内上下移动或固定；步进电机5，摇动手轮6，传动探杆7，贯入探杆8，光纤光栅传感器9，可替换钻头10，所述的可替换钻头10通过螺纹与贯入探杆8连接；所述的贯入探杆8通过螺纹与传动探杆连接；所述的传动探杆通过牙齿与固定在承台2上的步进电机5相互咬合。信号传输光纤11-1、11-2，手持式FBG解调模块12，所述的光纤光栅传感器9由信号传输光纤11-1串联并通过信号传输光纤11-2连接至手持式FBG解调模块12；水准气泡13。
本实施例中，所述的可替换钻头10采用底面直径1cm、高度1.5cm的圆锥不锈钢钻头并连接于刻有V型槽的贯入探杆8的底端。贯入探杆8通过螺纹与传动探杆7连接，其截面为半径0.5cm、夹角290°的扇形。贯入探杆8采用具有线弹性应力-应变关系的铝，其表面刻有V型槽，细槽中间分别紧紧黏贴信号传输光纤11串联后的20个光纤光栅应变传感器9-1和光纤光栅温度传感器9-2，由环氧树脂封装。
本实施例中，所述的步进电机5固定在可以沿竖轨3上下移动并固定的承台2上，可以以1mm/min、2mm/min、5mm/min三个不同档位推动传动探杆7向下竖直运动，在不供电的情况下可由摇动手轮6实现转动。所述的传动探杆7是截面边长0.8cm的不锈钢，其通过表面的牙齿与步进电机5的齿轮咬合，顶部可通过螺纹连接更多传动探杆7以增大贯入深度。
本实施例中，所述的信号传输光纤11采用直径为0.9mm的单模单芯紧包光纤，其将所有光纤光栅应变传感器、温度传感器串联，并延伸到机箱外壳1外，与手持式FBG解调模块12连接，当贯入探杆8向下贯入土体中时，光纤光栅传感器9会将贯入探杆8的应变与温度数据通过信号传输光纤11传递至手持式FBG解调模块12并储存。
本实施例提供的上述一种基于光纤光栅的用于工程地基土和室内试验土体力学特性与微观结构性测定的便携式贯入综合测试装置的使用方法，包括如下步骤：
1)清场、就位：清理并平整待测场地，装置底座2固定在待测地基上方，调整水准气泡13，将信号传输光纤11连接至手持式FBG解调模块12，调试光纤信号，确保所有传感器工作正常。
2)贯入：步进电机5转动，使传动探杆7以大约1mm/min的速度垂直向下移动，并带动贯入探杆8垂直贯入至地基土体中。在贯入过程中，光纤光栅应变传感器9-1和传感器光纤光栅温度传感器9-2测量出贯入探杆8的阻力和温度变化。温度和应变数据均用解调设备实时自动采集、显示、记录和储存。
3)取出：试验完成后将贯入探杆8缓慢从土中拔出，清理可替换钻头10，并将承台向上移动至最高，结束本次测试。
本实施例中，所述的地基土体的强度、变形参数与分类分层信息由钻头阻力qc、侧壁阻力fs及其分布信息确定。其中，1)土体分层信息由钻头阻力qc、侧壁阻力fs、摩阻比Rf确定：上下层钻头阻力相差一倍以上时，当由软土层进入硬土层时，取软土层最后一个钻头阻力小值偏向硬土层10cm作为分层界线；上下层钻头阻力不明显时，可结合侧壁阻力fs、摩阻比Rf的变化情况确定分层界线。摩阻比Rf由公式确定。2)场地土类别划分由钻头阻力qc、摩阻比Rf的值共同确定，具体参考铁道部相关规程规定。3)地基土的强度参数由钻头阻力qc确定：不排水抗剪强度Cu可由地区经验公式确定，如Cu＝0.039qc+2.7(铁道部)；砂土的内摩擦角由铁道部《静力触探技术规则》提供的表格对应查找。4)土体的变形参数主要包括黏土、砂土等的压缩、变形模量，这些参数均可由经验公式以及查表获得。5)各土层承载力的平均值f0由经验公式f0＝a+bqc得出，式中：a、b为常数，其值由侧壁阻力fs决定。qc为钻头阻力，其值由贯入探杆V型槽底部的光纤光栅应变传感器和温度传感器测得的数据及贯入探杆的相关参数确定，具体为qc＝ε1EA，式中：ε1为贯入探杆底部光纤光栅测得的应变，E为贯入探杆的弹性模量，A为贯入探杆截面面积。侧壁阻力fs由地基土对应高度处的两根光纤光栅应变传感器和温度传感器测得数据及贯入探杆的相关参数确定，具体为fs＝(εn-εn-1)EA，式中：εn为嵌在贯入探杆对应测试深度的光纤光栅传感器测得的应变数据，εn-1为贯入探杆对应测试深度下方光纤光栅传感器测得的应变数据，E为贯入探杆的弹性模量，A为贯入探杆截面面积。
需要说明的是，除上述实施例外，本发明专利还可以有其它实施方式。凡采用等同替换、等效变换和润饰改进形成的技术方案，均落在本发明专利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置，包括底座(2)和机箱外壳(1)，其特征在于，底座(2)上设置机箱外壳(1)，机箱外壳(1)内相对的两侧内壁设置一对表面设有限位装置的竖轨(3)，竖轨(3)之间设置承台(4)，承台(4)能够沿竖轨(3)上下滑动，并能够通过竖轨(3)表面的限位装置固定在竖轨(3)上的任意位置，承台(4)上设置步进电机(5)，探杆自上而下贯穿过机箱外壳(1)顶部、步进电机(5)、承台(4)和底座(2)，贯入地基土或土样中；所述的探杆包括贯入探杆(8)、传动探杆(7)和可替换钻头(10)，所述的探杆底部与可替换钻头连接，所述的传动探杆(7)与步进电机(5)的主动齿轮咬合，底部与贯入探杆(8)固定连接；通过信号传输光纤串联光纤光栅传感器，信号传输光纤从贯入探杆(8)中穿过与机箱外壳外的手持式FBG解调模块(12)连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置，其特征在于，所述的可替换钻头包括不同尺寸、材料的十字形钻头、“Y”形钻头和锥形钻头。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置，其特征在于，所述的贯入探杆(8)为表面刻有V型槽的金属探杆，光纤光栅传感器固定于V型槽里面，表面用环氧树脂封装。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置，其特征在于，所述的传动探杆为截面呈方形的金属齿杆，为一根或多根串联。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置，其特征在于，所述的机箱外壳(1)顶部设有载荷台与水准气泡(13)。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置，其特征在于，所述的步进电机(5)上设有摇动手轮(6)，所述的步进电机具有三种档位的传动速度，在不供电的情况下能够通过摇动手轮继续推动传动探杆。
7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置，其特征在于，所述的光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器和温度传感器。
8.权利要求1～7任一所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)清场、就位：当在野外工作时，首先清理待测场地，将装置底座固定在待测土体上方，载荷台上放置适当重量的砝码，水准气泡居中；室内土样测试时，先将水准气泡居中，土样置于底座上表面中心；然后将信号传输光纤连接至手持式FBG解调模块；
2)贯入：步进电机通过转动，带动传动探杆向下竖直运动，传动探杆推动贯入探杆与可替换钻头垂直贯入待测的地基土或土样中；令探杆和钻头依次下压到不同深度的待测土层中；在此过程中贯入探杆上的光纤光栅传感器实时记录应变与温度数据，并将这些数据通过信号传输光纤反馈至手持式FBG解调模块，解调模块实时进行记录并自动储存数据，从而获知地基土的分类与分层及其工程性质指标；
3)取出：测试完成后通过步进电机将探杆缓慢从土中拔出，清理可替换钻头并将承台沿竖轨向上移动至最高处，结束本次测试。
9.根据权利要求8所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置的使用方法，其特征在于，步骤2)所述的待测土体和探杆温度由贯入探杆V型槽中埋置的光纤光栅温度传感器测得，并用作光纤光栅应变传感器的温度补偿；所述的贯入探杆的轴向应变由V型槽中埋置的光纤光栅应变传感器测得。
10.根据权利要求9所述的基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试装置的使用方法，其特征在于，步骤2)所述的地基土的分类与分层及其工程性质指标包括地基土体的强度、变形参数与分类分层信息，是通过贯入过程中所读取的钻头阻力qc、侧壁阻力fs数据确定，其中，分层信息由整个贯入过程中所读取的钻头阻力qc、侧壁阻力fs、摩阻比Rf分布信息共同确定，摩阻比Rf由公式 计算；场地土类别划分由对应贯入深度的钻头阻力qc和摩阻比Rf的值确定；地基土的强度参数由对应贯入深度的钻头阻力qc确定，具体如下：不排水抗剪强度Cu＝0.039qc+2.7(铁道部)；砂土的内摩擦角通过查阅铁道部《静力触探技术规则》提供的表格确定；土体的变形参数主要包括黏土、砂土的压缩、变形模量，这些参数均由经验公式以及查表获得；各土层承载力的平均值f0由经验公式f0＝a+bqc得出，式中：a、b为常数，其值由侧壁阻力fs决定；qc为钻头阻力，其值由贯入探杆V型槽底部的光纤光栅应变传感器和温度传感器测得的数据以及贯入探杆的相关参数确定，具体为qc＝ε1EA，式中：ε1为贯入探杆底部光纤光栅测得的应变，E为贯入探杆的弹性模量，A为贯入探杆截面面积；侧壁阻力fs由地基土对应高度处的两根光纤光栅应变传感器和温度传感器测得数据和贯入探杆的相关参数确定，具体为fs＝(εn-εn-1)EA，式中：εn为嵌在贯入探杆对应测试深度的光纤光栅测得的应变数据，εn-1为贯入探杆对应测试深度下方光纤光栅测得的应变数据，E为贯入探杆的弹性模量，A为贯入探杆截面面积。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810770673.3A CN108801357A (zh) | 2018-07-13 | 2018-07-13 | 一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810770673.3A CN108801357A (zh) | 2018-07-13 | 2018-07-13 | 一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试方法及装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108801357A true CN108801357A (zh) | 2018-11-13 |
Family
ID=64075094
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810770673.3A Pending CN108801357A (zh) | 2018-07-13 | 2018-07-13 | 一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108801357A (zh) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109406398A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-03-01 | 南京大学 | 一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置及方法 |
| CN109655495A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-04-19 | 南京大学（苏州）高新技术研究院 | 一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法 |
| CN109655001A (zh) * | 2019-02-03 | 2019-04-19 | 南京吉欧地下空间科技有限公司 | 一种原位监测土体侧向位移的装置及其使用方法 |
| CN109839317A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-04 | 大连理工大学 | 一种微型室内静力触探测试系统及方法 |
| CN110608946A (zh) * | 2019-10-31 | 2019-12-24 | 大连理工大学 | 基于fbg及全流触探的软黏土早期触变强度测试及装置 |
| CN110987829A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-10 | 南京大学 | 一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置 |
| CN111238966A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-06-05 | 南京工业大学 | 一种光纤式十字板剪切传感器 |
| CN111751514A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-10-09 | 大连理工大学 | 一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统及方法 |
| CN112160306A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-01-01 | 河南城建学院 | 基于人工智能分析的岩土取样布局系统与方法 |
-
2018
- 2018-07-13 CN CN201810770673.3A patent/CN108801357A/zh active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109406398A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-03-01 | 南京大学 | 一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置及方法 |
| CN109406398B (zh) * | 2018-12-17 | 2024-03-19 | 南京大学 | 一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置及方法 |
| CN109655495A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-04-19 | 南京大学（苏州）高新技术研究院 | 一种土体分层导热系数原位快速测试探头、系统及方法 |
| CN109655001A (zh) * | 2019-02-03 | 2019-04-19 | 南京吉欧地下空间科技有限公司 | 一种原位监测土体侧向位移的装置及其使用方法 |
| CN109655001B (zh) * | 2019-02-03 | 2024-05-24 | 南京吉欧地下空间科技有限公司 | 一种原位监测土体侧向位移的装置及其使用方法 |
| CN109839317A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-04 | 大连理工大学 | 一种微型室内静力触探测试系统及方法 |
| CN110608946A (zh) * | 2019-10-31 | 2019-12-24 | 大连理工大学 | 基于fbg及全流触探的软黏土早期触变强度测试及装置 |
| CN110987829A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-10 | 南京大学 | 一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置 |
| CN110987829B (zh) * | 2019-12-23 | 2022-01-18 | 南京大学 | 一种基于光纤传感的探头固定式黏土界限含水率测定方法 |
| CN111238966A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-06-05 | 南京工业大学 | 一种光纤式十字板剪切传感器 |
| CN111751514A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-10-09 | 大连理工大学 | 一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统及方法 |
| CN112160306A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-01-01 | 河南城建学院 | 基于人工智能分析的岩土取样布局系统与方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108801357A (zh) | 一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试方法及装置 | |
| CN107727483B (zh) | 一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置及方法 | |
| CN103344705B (zh) | 一种应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法 | |
| CN103115832B (zh) | 一种土壤承压和剪切试验测试仪 | |
| CN108663269A (zh) | 基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法 | |
| CN202544844U (zh) | 测定岩石可钻性及钻井参数敏感性的试验仪 | |
| CN101684631B (zh) | 运营路基安全状态快速无损检测方法 | |
| CN102175769B (zh) | 一种古建筑落叶松木构件材料力学性能非破损检测方法 | |
| CN102966086A (zh) | 一种多桥静力触探设备及多桥静力触探试验方法 | |
| CN106918552B (zh) | 岩石摩擦实验装置及方法 | |
| CN103174122A (zh) | 用于测试土体静止侧压力系数的侧向应力孔压探头 | |
| CN104142388A (zh) | 钻孔内原位静力压入试验装置以及试验方法 | |
| CN207798532U (zh) | 一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置 | |
| CN101839830B (zh) | 砂浆强度数显测定仪 | |
| CN203160221U (zh) | 多桥静力触探设备 | |
| CN106705902A (zh) | 一种监测充填条带稳定性的系统和方法 | |
| CN101419144B (zh) | 微损现场混凝土强度检测方法及其实现装置 | |
| CN109056689A (zh) | 一种地基压实度检测装置 | |
| CN209606823U (zh) | 一种生态环境监测装置 | |
| CN209099338U (zh) | 一种地基压实度检测装置 | |
| CN201826829U (zh) | 测试管柱应力测试器 | |
| CN201673099U (zh) | 砂浆强度数显测定仪 | |
| CN205426382U (zh) | 一种公路路面温度测量装置 | |
| CN108931449A (zh) | 一种利用标定罐的可变能量动力触探方法 | |
| CN111044369B (zh) | 一种温控光纤-土体拉拔试验装置及其使用方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181113 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |