CN110144869A - 一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒cptu装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置及其测量方法，包括CPTU探头模块、多侧壁摩擦筒模块以及数据采集系统，所述多侧壁摩擦筒模块至少包括两个侧壁摩擦筒，每个侧壁摩擦筒包括侧壁摩擦筒外壳、内部集成测力传感系统及孔压传感器，所述孔压传感器位于两两侧壁摩擦筒之间，所述侧壁摩擦筒外壳上布设四棱锥突起，通过大小、数量及间距均不相同的四棱锥突起，改变侧壁摩擦筒表面粗糙度，并使土体强度随表面粗糙度增加达到极限值从而产生剪切破坏，以连续、多次、准确地测量土体在不同表面粗糙度下的接触面摩阻力、强度和孔压，为岩土体材料界面摩阻力、抗剪强度、固结特性和水文地质条件评价以及桩基承载力计算和设计提供经济快捷、准确无损的原位检测工具。

Description

一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置及其测量方法
所属领域
本发明属于土木工程测量技术领域，具体涉及一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置及其测量方法。
背景技术
在岩土工程领域，岩土材料与岩土结构构件之间接触界面的研究较少，二者的接触界面影响着岩土工程的强度、结构完整性和稳定性，这是由于岩土结构通过接触界面摩擦将荷载从结构转移到周围土体，其接触界面的特性会以间接方式反映在工程计算和设计中，因此正确测量岩土材料与岩土结构构件之间界面的特征至关重要。
界面强度通常与土体类型、密度、应变速率、表面粗糙度和加荷条件等因素密切相关，其中表面粗糙度是描述土体和其他结构构件之间相互作用的参数，广泛认为它对界面强度的影响最显著。最常用的量化粗糙度的参数为平均粗糙度Ra，用下式表示：
其中，L为土体样本长度；z为土体样本高度。
Uesugi和Kishida(1986b)提出了归一化粗糙度参数Rn，即：
其中，Rmax表示当水平距离等于剪切方向的平均粒径(D50)时，最高峰和最低谷之间的垂直距离。当其他参数保持恒定，仅剪切方向上的表面粗糙度增加的情况下，界面强度继续增加直至等于土体摩擦阻力，即发生剪切时最大摩擦阻力等于土体抗剪强度，此时集中剪切区域逐渐远离界面并转移至土体。
由于量化表面粗糙度的室内实验方法具有较大局限性，故目前一般仅使用定性分析和经验方法来研究表面粗糙度对界面特征的影响。多功能孔压静力触探(CPTU)技术作为一种检测土体工程特性的原位检测技术，具有快捷方便、连续准确、经济安全以及测试参数多样等特点，被广泛应用于岩土工程领域。但是，CPTU技术对于界面强度的测量在国内还未实现，有关表面粗糙度对接触面摩阻力和孔隙水压力影响的研究目前尚属空白，故为避免其他界面特征影响因素的干扰，如何在测量时提高预测土体与岩土结构构件之间界面特征的准确性，成为了土木工程测量技术领域的一大重大研究。
发明内容
本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置及其测量方法，包括CPTU探头模块、多侧壁摩擦筒模块以及数据采集系统，所述多侧壁摩擦筒模块至少包括两个侧壁摩擦筒，每个侧壁摩擦筒包括侧壁摩擦筒外壳、内部集成测力传感系统及孔压传感器，所述孔压传感器位于两两侧壁摩擦筒之间，所述侧壁摩擦筒外壳上布设四棱锥突起，通过大小、数量及间距均不相同的四棱锥突起，直接原位进行不同表面粗糙度下界面摩阻力和孔隙水压力的测量，从而确定界面强度和土体固结特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，包括CPTU探头模块、多侧壁摩擦筒模块以及数据采集系统，所述CPTU探头模块和多侧壁摩擦筒模块分别与数据采集系统相连接，进行数据采集；
所述多侧壁摩擦筒模块至少包括两个侧壁摩擦筒，每个侧壁摩擦筒包括侧壁摩擦筒外壳、内部集成测力传感系统及孔压传感器，所述孔压传感器位于两两侧壁摩擦筒之间，所述侧壁摩擦筒外壳上布设四棱锥突起，不同侧壁摩擦筒外壳上的四棱锥突起大小、数量及间距均不相同。
作为本发明的一种改进，所述每个侧壁摩擦筒可灵活拆卸与更换。
作为本发明的另一种改进，所述侧壁摩擦筒外壳上的四棱锥突起密度由CPTU装置的尖端至尾端处逐渐增大。
作为本发明的另一种改进，所述每个四棱锥突起的底面四边形对角线间距为4.6-12.5mm，突起高度为0.5-2.5mm，突起穿透角度为30°-120°。
作为本发明的又一种改进，所述内部集成测力传感系统位于侧壁摩擦筒外壳内，包括刚性螺纹连接装置、测力传感器和中心轴，所述侧壁摩擦筒通过刚性螺纹连接装置与CPTU探头模块相连接，所述中心轴位于内部集成测力传感系统内，支撑内部集成测力传感系统形成中空腔室，所述测力传感器位于中空腔室内。
作为本发明的更进一步改进，所述CPTU模块包括探头锥尖、孔压传感器以及光滑的侧壁摩擦筒。
作为本发明的更进一步改进，所述数据采集系统接收多侧壁摩擦筒模块中测力传感器和孔压传感器的信号，所述CPTU模块中探头锥尖和孔压传感器信号也传入数据采集系统中，还包括同轴电缆，所述同轴电缆将数据采集系统中接收的信号转换为电信号后，与输出设备相连接输出。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置的测量方法，包括以下步骤：
S1，根据土体性质和深度，更换侧壁摩擦筒个数，组装成具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置；
S2，将具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置逐步插入土体中，CPTU模块中的探头锥尖、孔压传感器以及光滑的侧壁摩擦筒进行锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力的原位测量；
S3，根据每个侧壁摩擦筒外壳上的四棱锥突起，通过测力传感器测量相应深度土体的摩阻力和抗剪强度；通过侧壁摩擦筒内的孔压传感器，分别测量相应深度处的孔隙水压力；
S4，步骤S2与步骤S3获取的信号传入数据采集系统中，通过同轴电缆，数据采集系统中接收的信号转换为电信号后，与输出设备相连接，输出进行绘制成图；
S5，根据土体深度和粗糙度，更换具有大小、数量及间距均不相同的四棱锥突起的侧壁摩擦筒，组成新的具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，利用四棱锥突起对土体的剪切特性进行评价。
与现有技术相比，本发明通过大小、数量及间距均不相同的四棱锥突起，直接原位进行不同表面粗糙度下界面摩阻力和孔隙水压力的测量，通过四棱锥突起改变侧壁摩擦筒表面粗糙度，并使土体强度随表面粗糙度增加达到极限值从而产生剪切破坏，可以连续、准确、原位地进行界面摩阻力、强度和孔压的测量，避免了其他界面特征影响因素的干扰，提高了预测土体与岩土结构构件之间界面特征的准确性，为岩土体材料界面摩阻力、抗剪强度、固结特性和水文地质条件评价以及桩基承载力计算和设计提供经济快捷、准确无损的原位检测工具。
附图说明
图1是本发明具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置的结构示意图；
图2是本发明的侧壁摩擦筒的内部结构示意图；
图3是本发明的单个侧壁摩擦筒外表面平面展开图；
其中有：1.CPTU探头模块、1-1.探头锥尖、1-2.孔压传感器、1-3.孔压传感器、1-4.光滑的侧壁摩擦筒；
2.多侧壁摩擦筒模块、2-1.侧壁摩擦筒、2-2.侧壁摩擦筒、2-3.侧壁摩擦筒、2-4.侧壁摩擦筒；
3.数据采集系统、4.同轴电缆、5.孔压传感器；
6.内部集成测力传感系统、6-1.刚性螺纹连接装置、6-2.测力传感器、6-3.中心轴
7.侧壁摩擦筒外壳、8.四棱锥突起。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，如图1所示，包括CPTU探头模块1、多侧壁摩擦筒模块2以及数据采集系统3，CPTU探头模块1和多侧壁摩擦筒模块2分别与数据采集系统3相连接，进行数据采集；所述多侧壁摩擦筒模块2至少包括两个侧壁摩擦筒，本实施例中侧壁摩擦筒设有四个，即附图1中的附图标记(2-1、2-2、2-3及2-4)，如图2所示，每个侧壁摩擦筒包括侧壁摩擦筒外壳7、内部集成测力传感系统6及孔压传感器5，所述孔压传感器5位于两两侧壁摩擦筒之间，所述侧壁摩擦筒外壳7上布设四棱锥突起8，不同侧壁摩擦筒外壳7上的四棱锥突起8大小、数量及间距均不相同，内部集成测力传感系统6位于侧壁摩擦筒外壳7内，包括刚性螺纹连接装置6-1、测力传感器6-2和中心轴6-3，所述中心轴6-3位于内部集成测力传感系统6内，支撑内部集成测力传感系统6形成中空腔室，中心轴6-3支撑保护内部构件，可以减少内径，使附加的侧壁摩擦筒刚度提升，所述测力传感器6-2位于内部中空腔室内，每个侧壁摩擦筒通过刚性螺纹连接装置6-1与CPTU探头模块1相连接，当具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置插入土体中后，各侧壁摩擦筒内的测力传感器6-2可用于分别接收不同深度处的摩擦阻力测量值，每两两侧壁摩擦筒之间的孔压传感器5可用于测量多侧壁摩擦筒模块2作用时的孔隙水压力，并进行孔压消散试验，数据采集系统3接收多侧壁摩擦筒模块2中测力传感器6-2和孔压传感器5的信号，通过数据传输同轴电缆4与计算机系统相连，并在计算机上进行数据和图形显示，从而确定界面强度和土体固结特性。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：如图3所示，图3为侧壁摩擦筒外壳7的展开图，是个长方形，侧壁摩擦筒外壳7实则为圆柱体，所述四棱锥突起8位于侧壁摩擦筒外壳7上，不同侧壁摩擦筒外壳7上的四棱锥突起8大小、数量及间距均不相同，根据土体性质，选择不同的侧壁摩擦筒组装，各个摩擦筒上四棱锥突起8分布的密度不同，表面粗糙度值由靠近尖端到远离尖端逐渐增大，每个四棱锥突起8为刚性突起，底面四边形对角线间距约为4.6-12.5mm，突起高度大致范围为0.5-2.5mm，突起穿透角度在30°-120°之间，通过四棱锥突起改变侧壁摩擦筒表面粗糙度，并使土体强度随表面粗糙度增加达到极限值从而产生剪切破坏，可以连续、准确、原位地进行界面摩阻力、强度和孔压的测量，避免了其他界面特征影响因素的干扰，提高了预测土体与岩土结构构件之间界面特征的准确性。
本实施例装置还包括CPTU探头模块1，所述CPTU探头模块包括探头锥尖1-1、光滑的侧壁摩擦筒1-4、两个孔压传感器(1-2、1-3)，可进行传统的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力的原位测量。
实施例3
基于具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置的测量方法，首先，选择合适的表面粗糙度和尺寸的侧壁摩擦筒，测量前将多个独立的侧壁摩擦筒与CPTU探头模块1组装于一体，检查整体连接及封闭性。在探头实际贯入过程中，在特定区域通过贯入装置将此装置整体贯入土体中，所述装置中的CPTU模块1可进行传统的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力的原位测量，通过独立的数据收集系统3进行数据收集。多侧壁摩擦筒模块2表面均分布有不同尺寸、不同数量和间距的四棱锥突起8改变探杆表面粗糙度，从而多侧壁摩擦筒模块2内的内部集成测力传感系统6中的测力传感器6-3对不同表面粗糙度下土体的接触界面摩阻力和强度进行测量；孔压传感器5对不同表面粗糙度下土体的孔隙水压力进行测量；通过CPTU探头锥尖、侧壁和孔压传感器实时采集锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，通过测力传感器实时采集土体接触面摩阻力和强度信号，通过同轴电缆转换为电信号，传输至计算机进行实时数据采集和同步图形绘制。根据土体深度和粗糙度，更换具有大小、数量及间距均不相同的四棱锥突起的侧壁摩擦筒，组成新的具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，可以利用四棱锥突起对土体的剪切特性进行评价，以连续、多次、准确地测量土体在不同表面粗糙度下的接触面摩阻力、强度和孔压，为岩土体材料界面摩阻力、抗剪强度、固结特性和水文地质条件评价以及桩基承载力计算和设计提供经济快捷、准确无损的原位检测工具。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，其特征在于：包括CPTU探头模块、多侧壁摩擦筒模块以及数据采集系统，所述CPTU探头模块和多侧壁摩擦筒模块分别与数据采集系统相连接，进行数据采集；
所述多侧壁摩擦筒模块至少包括两个侧壁摩擦筒，每个侧壁摩擦筒包括侧壁摩擦筒外壳、内部集成测力传感系统及孔压传感器，所述孔压传感器位于两两侧壁摩擦筒之间，所述侧壁摩擦筒外壳上布设四棱锥突起，不同侧壁摩擦筒外壳上的四棱锥突起大小、数量及间距均不相同。
2.如权利要求1所述的一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，其特征在于所述每个侧壁摩擦筒可灵活拆卸与更换。
3.如权利要求1所述的一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，其特征在于所述侧壁摩擦筒外壳上的四棱锥突起粗糙度由CPTU装置的尖端至尾端处逐渐增大。
4.如权利要求1或2或3所述的一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，其特征在于所述每个四棱锥突起的底面四边形对角线间距为4.6-12.5mm，突起高度为0.5-2.5mm，突起穿透角度为30°-120°。
5.如权利要求4所述的一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，其特征在于所述内部集成测力传感系统位于侧壁摩擦筒外壳内，包括刚性螺纹连接装置、测力传感器和中心轴，所述侧壁摩擦筒通过刚性螺纹连接装置与CPTU探头模块相连接，所述中心轴位于内部集成测力传感系统内，支撑内部集成测力传感系统形成中空腔室，所述测力传感器位于中空腔室内。
6.如权利要求5所述的一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，其特征在于所述CPTU模块包括探头锥尖、孔压传感器以及光滑的侧壁摩擦筒。
7.如权利要求5或6所述的一种具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，其特征在于所述数据采集系统接收多侧壁摩擦筒模块中测力传感器和孔压传感器的信号，所述CPTU模块中探头锥尖和孔压传感器信号也传入数据采集系统中，还包括同轴电缆，所述同轴电缆将数据采集系统中接收的信号转换为电信号后，与输出设备相连接输出。
8.基于具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据土体性质和深度，更换侧壁摩擦筒个数，组装成具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置；
S2，将具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置逐步插入土体中，CPTU模块中的探头锥尖、孔压传感器以及光滑的侧壁摩擦筒进行锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力的原位测量；
S3，根据每个侧壁摩擦筒外壳上的四棱锥突起，通过测力传感器测量相应深度土体的摩阻力和抗剪强度；通过侧壁摩擦筒内的孔压传感器，分别测量相应深度处的孔隙水压力；
S4，步骤S2与步骤S3获取的信号传入数据采集系统中，通过同轴电缆，数据采集系统中接收的信号转换为电信号后，与输出设备相连接，输出进行绘制成图；
S5，根据土体深度和粗糙度，更换具有大小、数量及间距均不相同的四棱锥突起的侧壁摩擦筒，组成新的具有四棱锥突起的多侧壁摩擦筒CPTU装置，利用四棱锥突起对土体的剪切特性进行评价。
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