CN110273412A - 一种深孔静力触探装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深孔静力触探装置，包括上部筒体、中间旋体和下部探头，所述中间旋体可转动地连接在上部筒体和下部探头之间，中间旋体包括中轴和沿中轴的外周面设置的螺旋刀片，所述上部筒体的上端设有探杆接头，上部筒体内安装有电机，电机的旋转轴与中间旋体的中轴相连接。本发明在下部探头的上方设置了由内置电机驱动的中间旋体，在贯入过程中，可以对探头上方的土体进行旋转切削，降低了探杆贯入过程的摩擦阻力，既大大提高了静力触探的深度，又保证了测得数据的准确性。

Description

一种深孔静力触探装置

技术领域

本发明涉及岩土工程勘察技术领域，具体涉及一种应用于深孔的静力触探装置。

背景技术

随着超高层建筑、高速铁路、海上风电、深水港口等项目的不断建设，这些基础勘察要求深度往往超过50m，传统的静力贯入触探法已无法满足这一深度的需求，只能采用钻探取样的方法，造成勘探成本上升。2001年铁道第三勘察设计院提出了“旋转触探”的设想，它的原理是：利用静探车的液压装置将钻头按一定的速率旋转并匀速压入土层中，测出钻头在旋转贯入过程中随深度变化的阻力、扭矩等参数，文献“赵凤林,陈新军.一种基于旋转触探的参数采集及处理微机系统[J],铁道工程学报,2011,10:111-114.”等有详细描述。

现有技术中公开了部分类似解决方案，如申请号为200910070579.8的中国发明专利公开了一种“岩土工程的深层静力触探测试方法”，利用车载触探车具有旋转和向下施压功能，用动力头带动过水钻杆、探杆、探头旋转，贯入过程伴随着水或泥浆液注入与循环，有利于防止探杆受力弯曲而折断，实现了深层静力触探。

另，中国发明专利CN 101684647A公开了“旋转式静力触探探头”，由探杆接头、探头、存储杆和减摩器组成，减摩器设有出水孔，使贯入压力通过不旋转的轴承座传导到存储杆和探头，可减少探杆贯入时的摩擦力，提高静力触探的贯入深度。

上述技术中，采用专用设备，如：旋转触探车(陈新军,杨怀玉,赵凤林.应用旋转触探试验划分地层及确定土类定名方法研究[J],工程勘察,2012(4):16-20.)、旋转触探仪(宋玲,等.软岩的旋转触探参数与力学参数的内在关系研究[J],岩石力学与工程学报,2011,30(6):1274-1282.)等，采用压入加螺旋锥尖方式对土体进行切削，实现深孔触探。这些旋转触探法改变了现有的静力触探贯入法，这都需要大量的现场数据及理论支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种深孔静力触探装置，可以利用传统的静力触探设备、计算方法及规范要求，不需要探杆旋转就能实现深孔触探，克服现有技术的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种深孔静力触探装置，包括下部探头，还包括上部筒体和中间旋体，所述中间旋体可转动地连接在上部筒体和下部探头之间，中间旋体包括中轴和沿中轴的外周面设置的螺旋刀片，所述上部筒体的上端设有探杆接头，上部筒体内安装有电机，电机的旋转轴与中间旋体的中轴相连接。

优选地，所述中间旋体的外径大于上部筒体的外径。

优选地，所述螺旋刀片上设有缺口。

优选地，所述中轴的内部设有水腔，所述中轴的外周面上设有多个与水腔相连通的出水孔。

优选地，所述中间旋体通过筒旋连接器与上部筒体相连接，所述筒旋连接器的上端与上部筒体的下端固定连接，筒旋连接器的下端通过轴承与中间旋体的中轴转动连接。

更优地，所述筒旋连接器的上端与上部筒体的下端通过螺纹相连接。

优选地，所述中间旋体通过旋探连接器与下部探头相连接，所述旋探连接器的上端通过轴承与中间旋体的中轴转动连接，旋探连接器的下端与下部探头固定连接。

更优地，所述下部探头的上端固定有连接轴，旋探连接器的下端与连接轴固定连接。

更优地，旋探连接器的下端与连接轴通过螺纹相连接。

优选地，所述下部探头内设有控制器和传感器；所述控制器与传感器相连接，控制器还与上部筒体内的电机相连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明在下部探头的上方设置了由内置电机驱动的中间旋体，在贯入过程中，可以对探头上方的土体进行旋转切削，降低了探杆贯入过程的摩擦阻力，既大大提高了静力触探的深度，又保证了贯入过程锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s及孔隙水压力u土体的原状性，可以利用传统的触探设备、计算公式与规范要求来实现硬质土层、砂砾层及深孔的静力触探。

(2)本发明将旋转切削装置(中间旋体)与传统触探探头集成为一体，利用传统的触探设备就可以实现对探头上部侧壁土体的旋转切削、土颗粒泥浆液循环和孔壁完整性；避免因使用钻机动力旋转而造成探杆整体旋转与晃动，影响贯入过程的垂直性，使测得的数据更为准确。

附图说明

图1为本发明一种深孔静力触探装置的整体结构示意图。

图2为本发明深孔静力触探装置的结构分解示意图。

图3为中间旋体的立体示意图。

图4为由中间旋体与筒旋连接器、旋探连接器构成的组合体的示意图。

图5为本发明深孔静力触探装置的作业状态示意图。

图中标号说明：

1 探杆 2 钻孔 10 上部筒体 11 探杆接头

12 电机 13 螺栓 14 支腿 20 中间旋体

21 中轴 22 螺旋刀片 23 缺口 24 出水孔

25 联轴器 26、27 凹槽 30 下部探头 31 锥尖

32 控制器 40 筒旋连接器 41 凹槽 42 外螺纹

43 滚珠 50 旋探连接器 51 凹槽 52 内螺纹

53 滚珠 54 通孔 60 连接轴 61 外螺纹

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1、图2所示，本发明一种深孔静力触探装置包括上部筒体10、中间旋体20和下部探头30，中间旋体20可转动地连接在上部筒体10和下部探头30之间，中间旋体20包括中轴21和沿中轴21的外周面设置的螺旋刀片22。上部筒体10的上端设有探杆接头11，用于与探杆相连接。上部筒体10内安装有电机12，电机12的旋转轴与中间旋体的中轴21通过联轴器25相连接。在下部探头30贯入地下的过程中，电机12带动中间旋体20转动，中间旋体20周围的螺旋刀片22切割土体，可以大大减小探杆受到的摩擦阻力，使得本发明在传统的触探设备驱动下就可以实现深孔触探。同时，由于中间旋体20位于下部探头30的上方，中间旋体20的旋转并不会破坏与下部探头30相触土体的原状性。

优选地，如图3、图4所示，螺旋刀片22上设有缺口23，有利于土快速往上排出。在中轴21的内部还设有水腔，中轴的外周面上开设多个与水腔相连通的出水孔24。并且，中间旋体20的外径(螺旋刀片22的外径)最好大于上部筒体10的外径。

这样，结合参照图5，在下部探头30贯入的过程中，中间旋体20对土体进行切削，从而在下部探头30上方形成钻孔2，由于钻孔2的直径是由中间旋体20的外径决定的，因此钻孔2的直径大于上部筒体10和探杆1的直径，有利于土或泥浆液向外排出。为了保持钻孔2的孔壁稳定和完整性，随着触探孔越来越深或遇砂砾土层，均需采用一种冲洗液，如水或泥浆液，本发明优选采用泥浆液，将中间旋体20切削下来的土或砂颗粒以泥浆循环的方式排出钻孔，确保测得的探头侧壁摩擦力fs准确。通过与上部筒体10相连接的探杆1，可以将水或泥浆从地面泵入本发明触探装置内部，并沿内部通道进入中轴21内部的水腔中，比如联轴器25的侧壁上可以开设进水孔，泥浆液沿上部筒体10内壁、联轴器25上的进水孔进入中轴21内部的水腔，然后从出水孔24喷出，与切削的土体混合液一起流经螺旋刀片上的缺口23、螺旋刀片22的外缘，沿钻孔2的孔壁返回地面浆池，处理后重复循环使用。深层触探孔泥浆液压力循环流动方向如图5中箭头所示。这样通过泥浆循环，可以润滑探杆1，更加有效地减小探杆1受到的摩擦阻力。上部筒体10上的探杆接头11与探杆1旋紧连接，探杆1一头为外螺纹，另外一头为内螺纹，相邻两节首尾相连，随孔深度按需接长。探杆1由地面静力触探设备支架固定(未画出)，动力装置(通常液压或电机)对探杆1施加压力，压力最终传递到下部探头30及其锥尖31上。上述静力触探设备指现有常用的触探仪，触探仪对探杆51施加垂直压力，无需带动探杆51旋转，垂直压力通过探杆1传递给本发明静力触探装置。

如图2所示，在本发明的一种优选方案中，中间旋体20通过筒旋连接器40与上部筒体10相连接，筒旋连接器40的上端设有外螺纹42，上部筒体10的下端设有内螺纹，筒旋连接器40的上端与上部筒体10的下端通过螺纹配合固定连接在一起。筒旋连接器40的下端内侧设有环形的凹槽41，中间旋体的中轴21上端也设有环形的凹槽26(见图3)，在凹槽41和凹槽26之间设置滚珠43，从而形成轴承结构，即筒旋连接器40的下端与中间旋体的中轴21之间通过轴承可转动地连接。

中间旋体20通过旋探连接器50与下部探头30相连接，旋探连接器50的上端设有环形的凹槽51，中间旋体的中轴21下端也设有环形的凹槽27(见图3)，在凹槽51和凹槽27之间设置滚珠53，从而形成轴承结构，即旋探连接器50的上端与中间旋体的中轴21之间通过轴承可转动地连接。

这样，由于中间旋体20的两端分别通过轴承结构与上部筒体10、下部探头30可转动连接，当中间旋体20在电机的带动下旋转而切削土体的时候，探杆、上部筒体10和下部探头30并不会随之转动，探杆、上部筒体10和下部探头30接受地面贯入压力仅做直线运动。

旋探连接器50的下端设有内螺纹52，下部探头30的上端固定有连接轴60，连接轴60的上端设有外螺纹61，内螺纹52与外螺纹61相配合，使旋探连接器50的下端与连接轴60通过螺纹相连接，从而也与下部探头30固定连接。

参照图2和图5，下部探头30用来测得摩擦力fs、孔隙水压力u和锥尖阻力qc等参数，可选用现有的单桥、双桥或的静力触探探头(具体要求参考“静力触探技术规程”DG/TJ08-2189-2015，第4章探头)；下部探头30内设有控制器32，下部探头30的下端为锥尖31，下部探头30上设有用于静力触探的传感器，比如锥尖压力传感器、探头侧壁摩擦力传感器、孔隙水压力传感器等；控制器32与这些传感器相连接，用于采集和处理传感器的信号，并可以对采集到的数据进行计算、存储或传输。这些传感器测出锥尖阻力qc、探头侧壁摩擦力fs与孔隙水压力u值传给控制器32，代入公式计算并存储在控制器32内。另外，控制器32还可以与上部筒体10内的电机12相连接，对电机12的运转进行控制，控制器32与电机12之间的控制线可以穿过连接轴60和旋探连接器50上的通孔54，以及中间旋体中轴21上的轴向孔，进入上部筒体10内与电机12相连接。控制器32采集的数据通过数据线或无线方式传输到地面主机进行处理及绘制试验曲线。控制器32与地面主机之间的数据线可以沿着与上述电机控制线相同的路径进入上部筒体10，然后再沿探杆的内孔通向地面。

参照图1和图2，电机12位于上部筒体10内，可以通过支架固定在上部筒体10的内壁上。在一种优选实施方式中，电机12下端设有支腿14，支腿14向下延伸支撑在筒旋连接器40内侧的凸缘上，并通过螺栓13固定在该凸缘上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种深孔静力触探装置，包括下部探头(30)，其特征在于，还包括上部筒体(10)和中间旋体(20)，所述中间旋体(20)可转动地连接在上部筒体(10)和下部探头(30)之间，中间旋体(20)包括中轴(21)和沿中轴的外周面设置的螺旋刀片(22)，所述上部筒体(10)的上端设有探杆接头(11)，上部筒体(10)内安装有电机(12)，电机(12)的旋转轴与中间旋体的中轴(21)相连接。

2.根据权利要求1所述的深孔静力触探装置，其特征在于，所述中间旋体(20)的外径大于上部筒体(10)的外径。

3.根据权利要求1所述的深孔静力触探装置，其特征在于，所述螺旋刀片(22)上设有缺口(23)。

4.根据权利要求1所述的深孔静力触探装置，其特征在于，所述中轴(21)的内部设有水腔，所述中轴(21)的外周面上设有多个与水腔相连通的出水孔(24)。

5.根据权利要求1所述的深孔静力触探装置，其特征在于，所述中间旋体(20)通过筒旋连接器(40)与上部筒体(10)相连接，所述筒旋连接器(40)的上端与上部筒体(10)的下端固定连接，筒旋连接器(40)的下端通过轴承与中间旋体的中轴(21)转动连接。

6.根据权利要求5所述的深孔静力触探装置，其特征在于，所述筒旋连接器(40)的上端与上部筒体(10)的下端通过螺纹相连接。

7.根据权利要求1所述的深孔静力触探装置，其特征在于，所述中间旋体(20)通过旋探连接器(50)与下部探头(30)相连接，所述旋探连接器(50)的上端通过轴承与中间旋体的中轴(21)转动连接，旋探连接器(50)的下端与下部探头(30)固定连接。

8.根据权利要求7所述的深孔静力触探装置，其特征在于，所述下部探头(30)的上端固定有连接轴(60)，旋探连接器(50)的下端与连接轴(60)固定连接。

9.根据权利要求8所述的深孔静力触探装置，其特征在于，旋探连接器(50)的下端与连接轴(60)通过螺纹相连接。

10.根据权利要求1所述的深孔静力触探装置，其特征在于，所述下部探头(30)内设有控制器(32)和传感器；所述控制器(32)与传感器相连接，控制器(32)还与上部筒体(10)内的电机(12)相连接。