CN110331709B - 一种孔压静力触探探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔压静力触探探头，包括锥头和探杆组件，锥头内安装有用于检测锥尖阻力的第一检测机构，探杆组件内安装有用于检测侧摩阻力的第二检测机构和用于检测孔隙水压力的第三检测机构，锥头内安装有加热机构和温度传感器，探杆组件内安装有与温度传感器电连接的压力传感器温度补偿系统，温度传感器分别与第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构电连接，三个检测机构分别同时与一温控系统和一读数仪电连接，温控系统与加热机构电连接。该探头能够对锥头和锥头周围土体进行快速加热，并直接、快速、准确地测出锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力的真实大小，便于检测人员准确得出原状土体在不同温度下的固结系数及渗透系数。

Description

一种孔压静力触探探头

技术领域

本发明涉及工程地质勘察技术领域，具体是一种孔压静力触探探头。

背景技术

温度作为影响岩土材料固结蠕变特性的主要因素之一，对岩土工程变形的影响不可忽视。近几十年来，考虑温度对土体工程性质的影响也成为我国岩土工程领域的一个重要研究方向，它在热能贮存、地热资源开发、核废料处置、供热管道设计等领域有重要的实用价值。温度对土体工程性质的影响涉及岩土介质中热水力的相互耦合作用，对于土体而言，即称为热固结。在高温作用以及冷热循环的反复作用下，粘性土的工程性质会发生变化，由此将带来变形和沉降及地层的稳定性和承载力下降等一系列工程问题。

国内外在室内开展的取样测试方面已经做了大量的研究，也研发了很多相应的用于室内试验的仪器，比如温控三轴试验装置、（GDS）热固结仪以及各种改造的热固结装置等。但是目前能够勘测土在温度效应影响的变化的室外原位测试仪器则鲜有出现。相对于室内试验，在室外进行的土体原位测试可在拟建工程场地直接进行原位测试，无须取样，能够在不扰动或者基本不扰动土层的情况下对土体进行测试，避免因钻探取样所带来的的一系列困难和问题等。而且原位测试所涉及的土尺寸较室内试验样品要大得多，因而更能反映土的宏观结构对土的性质的影响。但是现有的室外原位测试仪器往往不能勘测土的性质在温度效应影响下的变化。

孔压静力触探是原位测试手段中的一种，它可在拟建工程场地直接进行原位测试。孔压静力触探的基本原理是用准静力将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力也不同，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、固结系数、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的。相对于动力触探而言，孔压静力触探没有或仅有较小的冲击荷载。与钻探、取样、室内试验的传统测试方式相比，孔压静力触探具有快速、准确、经济等特点。

孔压静力触探探头是实现孔压静力触探的仪器。目前，传统孔压静力触探探头用于测试目标土体在常规温度下的锥尖阻力、侧摩阻力及孔隙水压力消散情况等。但是，当温度达到一定程度时，探头的测试结果较实际值有较大的偏差，从而导致探头的准确度降低。并且传统孔压静力触探探头无法对探头的周围土体进行升温处理，只能测常规温度下土体的参数，不适于进行高温下的相应的原位检测。如果要测试目标场地土体在几十摄氏度甚至上百摄氏度时的性质，传统的孔压静力触探探头则不适用。

为了能够研究原位试验中土在温度荷载作用下的力学特性，本发明对传统孔压静力触探探头进行改进，提出一种带加热装置及温控装置的孔压静力触探探头。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种孔压静力触探探头，能够对锥头和锥头周围土体进行快速加热，并直接、快速、准确地测出锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力的真实大小，便于检测人员准确得出原状土体在不同温度下的固结系数及渗透系数。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种孔压静力触探探头，包括锥头和探杆组件，所述的锥头内安装有用于检测锥尖阻力的第一检测机构，所述的探杆组件内安装有用于检测侧摩阻力的第二检测机构和用于检测孔隙水压力的第三检测机构，所述的锥头内安装有加热机构和温度传感器，所述的探杆组件内安装有压力传感器温度补偿系统，所述的压力传感器温度补偿系统与所述的温度传感器电连接，所述的温度传感器分别与所述的第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构电连接，所述的第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构分别同时与一温控系统和一读数仪电连接，所述的温控系统与所述的加热机构电连接。

本发明孔压静力触探探头的加热机构能够对锥头和锥头周围土体进行快速加热，并通过第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构分别检测探头贯入土体的锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力。压力传感器温度补偿系统与温度传感器相连，通过压力传感器温度补偿系统消除温度对第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构检测结果的影响，使地面的读数仪能够直接、快速、准确地读取锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力的真实大小，从而准确得出原状土体在不同温度下的性质。

作为优选，所述的加热机构包括带缺口的加热环，所述的加热环的一端接电源正极，所述的加热环的另一端接电源负极。以带缺口的加热环作为加热机构，结构简单，能够对锥头进行较均匀的快速加热。

作为优选，所述的第一检测机构包括锥头变形柱和压阻式的锥尖阻力传感器，所述的锥头变形柱与所述的锥头同轴设置并靠近所述的锥头的锥尖，所述的锥尖阻力传感器安装在所述的锥头变形柱的后端，所述的锥尖阻力传感器与所述的温度传感器电连接。当探头往下贯入时，锥尖会受到土层阻力并传递给锥头变形柱，锥头变形柱发生相应的形变，同时锥尖阻力传感器将土层的阻力转换为电信号，并将该电信号传至地面的读数仪，由读数仪显示锥尖阻力大小。

进一步地，所述的探杆组件包括基座、过渡块和接头和传力杆，所述的基座、过渡块和接头依次同轴设置在所述的锥头的后侧，所述的传力杆穿设在所述的基座、过渡块和接头上，所述的传力杆的后端自所述的接头伸出，所述的锥头内开设有线缆通道，所述的传力杆的中部开设有与所述的线缆通道相通的轴向通孔，所述的轴向通孔的后端设置有密封圈。轴向通孔和线缆通道可方便线缆走线，解决探头线缆多、占用空间大的问题。

作为优选，所述的第二检测机构包括摩擦筒、侧壁变形柱和压阻式的侧壁摩擦阻力传感器，所述的摩擦筒设置在所述的基座的外侧，所述的侧壁变形柱安装在所述的基座的中部，所述的侧壁摩擦阻力传感器安装在所述的侧壁变形柱的内侧，所述的侧壁摩擦阻力传感器与所述的温度传感器电连接。当探头往下贯入时，探头周围的土体和摩擦筒处会产生摩擦力，该摩擦力传递至侧壁变形柱后，侧壁变形柱发生形变，侧壁摩擦阻力传感器将这种形变转换成相应的电信号，并将该电信号传至地面的读数仪，由读数仪显示侧摩阻力大小。

作为优选，所述的第三检测机构包括压力膜片和压阻式的孔隙水压力传感器，所述的锥头内开设有透水通道，所述的透水通道经所述的透水机构与外部相通，所述的基座的前侧开设有水压腔和安装腔，所述的水压腔和所述的安装腔依次设置在所述的透水通道的后侧，所述的水压腔与所述的透水通道经第一压力膜片相隔离，所述的水压腔与所述的安装腔经第二压力膜片相隔离，所述的孔隙水压力传感器安装在所述的安装腔内并与所述的第二压力膜片贴合连接，所述的孔隙水压力传感器与所述的温度传感器电连接。待到探头到达指定的土层时，探头对周围土体挤压以及加热土体都会引起锥尖处的孔隙水压力发生变化。为了测量土体在不同温度下的固结系数和渗透系数等性质，需要对土体进行升温至待定的温度。当温度传感器测得锥头的实际温度达到设定值时，温控系统调整加热机构的实际工作功率以维持锥头的温度，以测得探头周边土体在该温度下的孔隙水压力的消散过程，从而得到土体在该温度下的固结系数及渗透系数等。探头工作时，锥尖周围的水通过透水机构进入透水通道，再经过第一压力膜片的过滤并进入水压腔内，由于水压腔两侧的静水压力相互抵消，因此测量静水压力与孔隙水压力的差值，即可测得超孔隙水压力。

进一步地，所述的透水机构包括透水滤器和滤水膜片，所述的锥头的外侧壁开设有透水孔，所述的透水滤器安装在所述的透水孔内，所述的滤水膜片设置在所述的透水孔与所述的透水通道之间。透水滤器和滤水膜片能够对进入透水通道和水压腔的水进行过滤，防止杂质堵塞。

作为优选，所述的锥头的外侧壁开设有油腔，所述的油腔与所述的透水孔对称设置，所述的温度传感器安装在所述的油腔中部。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明公开的孔压静力触探探头能够对锥头和锥头周围土体进行快速加热，并通过第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构分别检测探头贯入土体的锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力。压力传感器温度补偿系统与温度传感器相连，通过压力传感器温度补偿系统消除温度对第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构检测结果的影响，使地面的读数仪能够直接、快速、准确地读取锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力的真实大小，从而检测人员能够准确得出原状土体在不同温度下的固结系数及渗透系数。

附图说明

图1为实施例中孔压静力触探探头的结构示意图；

图2为图1中A处放大图；

图3为实施例中加热环的结构示意图；

图4为实施例中孔压静力触探探头的使用状态图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1的孔压静力触探探头，如图1～图3所示，包括锥头1和探杆组件，锥头1内安装有用于检测锥尖阻力的第一检测机构，探杆组件内安装有用于检测侧摩阻力的第二检测机构和用于检测孔隙水压力的第三检测机构，锥头1内安装有加热机构和温度传感器11，探杆组件内安装有压力传感器温度补偿系统20，该压力传感器温度补偿系统20采用现有技术，压力传感器温度补偿系统20与温度传感器11电连接，温度传感器11分别与第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构电连接，第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构分别同时与一温控系统6和一读数仪7电连接，温控系统6与加热机构电连接。

实施例1中，加热机构包括带缺口的加热环10，加热环10的一端接电源8正极，加热环的另一端接电源8负极。

实施例1中，探杆组件包括基座2、过渡块21、接头22和传力杆23，基座2、过渡块21和接头22依次同轴设置在锥头1的后侧，传力杆23穿设在基座2、过渡块21、接头22上，传力杆23的后端自接头22伸出，锥头1内开设有线缆通道12，传力杆23的中部开设有与线缆通道12相通的轴向通孔24，轴向通孔24的后端设置有密封圈29。

实施例1中，第一检测机构包括锥头变形柱31和压阻式的锥尖阻力传感器32，锥头变形柱31与锥头1同轴设置并靠近锥头1的锥尖，锥尖阻力传感器32安装在锥头变形柱31的后端，锥尖阻力传感器32与温度传感器11电连接；第二检测机构包括摩擦筒41、侧壁变形柱42和压阻式的侧壁摩擦阻力传感器43，摩擦筒41设置在基座2的外侧，侧壁变形柱42安装在基座2的中部，侧壁摩擦阻力传感器43安装在侧壁变形柱42的内侧，侧壁摩擦阻力传感器43与温度传感器11电连接；第三检测机构包括压力膜片51和压阻式的孔隙水压力传感器53，锥头1内开设有透水通道13，透水通道13经透水机构与外部相通，基座2的前侧开设有水压腔25和安装腔26，水压腔25和安装腔26依次设置在透水通道13的后侧，水压腔25与透水通道13经第一压力膜片51相隔离，水压腔25与安装腔26经第二压力膜片52相隔离，孔隙水压力传感器53安装在安装腔26内并与第二压力膜片52贴合连接，孔隙水压力传感器53与温度传感器11电连接。

实施例2的孔压静力触探探头，与实施例1的区别在于，实施例2中，透水机构包括透水滤器27和滤水膜片28，锥头1的外侧壁开设有透水孔14，透水滤器27安装在透水孔14内，滤水膜片28设置在透水孔14与透水通道13之间；锥头1的外侧壁开设有油腔15，油腔15与透水孔14对称设置，温度传感器11安装在油腔15中部。

上述孔压静力触探探头的使用状态图见图4。

当探头往下贯入时，锥尖会受到土层阻力并传递给锥头变形柱31，锥头变形柱31发生相应的形变，同时锥尖阻力传感器32将土层的阻力转换为电信号，并将该电信号传至地面的读数仪7，由读数仪7显示锥尖阻力大小。压力传感器温度补偿系统20通过现有技术中已知的桥路补偿法直接消除温度对锥尖阻力传感器32检测结果的影响，从而地面的读数仪7能够直接、快速、准确地读取锥尖阻力。

当探头往下贯入同时，探头周围的土体9和摩擦筒41处会产生摩擦力，该摩擦力传递至侧壁变形柱42后，侧壁变形柱42发生形变，侧壁摩擦阻力传感器43将这种形变转换成相应的电信号，并将该电信号传至地面的读数仪7，由读数仪7显示侧摩阻力大小。压力传感器温度补偿系统20通过现有技术中已知的桥路补偿法直接消除温度对侧壁摩擦阻力传感器43检测结果的影响，从而地面的读数仪7能够直接、快速、准确地读取侧摩阻力。

待探头到达指定的土层时，探头对周围土体9挤压以及加热土体9都会引起锥尖处的孔隙水压力发生变化。为了测量土体9在不同温度下的固结系数和渗透系数等性质，需要对土体9进行升温至待定的温度。当温度传感器11测得锥头1的实际温度达到设定值时，温控系统6调整加热机构的实际工作功率以维持锥头1的温度，以测得探头周边土体9在该温度下的孔隙水压力的消散过程，从而根据现有计算公式得到土体9在该温度下的固结系数及渗透系数等。探头工作时，锥尖周围的水通过透水机构进入透水通道13，再经过第一压力膜片51的过滤并进入水压腔25内，由于水压腔25两侧的静水压力相互抵消，因此测量静水压力与孔隙水压力的差值，即可测得超孔隙水压力。压力传感器温度补偿系统20通过现有技术中已知的桥路补偿法直接消除温度对孔隙水压力传感器53检测结果的影响，从而地面的读数仪7能够直接、快速、准确地读取孔隙水压力的消散情况。

Claims (2)

1.一种孔压静力触探探头，包括锥头和探杆组件，所述的锥头内安装有用于检测锥尖阻力的第一检测机构，所述的探杆组件内安装有用于检测侧摩阻力的第二检测机构和用于检测孔隙水压力的第三检测机构，其特征在于：所述的锥头内安装有加热机构和温度传感器，所述的探杆组件内安装有压力传感器温度补偿系统，所述的压力传感器温度补偿系统与所述的温度传感器电连接，所述的温度传感器分别与所述的第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构电连接，所述的第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构分别同时与一温控系统和一读数仪电连接，所述的温控系统与所述的加热机构电连接；所述的加热机构包括带缺口的加热环，所述的加热环的一端接电源正极，所述的加热环的另一端接电源负极；所述的第一检测机构包括锥头变形柱和压阻式的锥尖阻力传感器，所述的锥头变形柱与所述的锥头同轴设置并靠近所述的锥头的锥尖，所述的锥尖阻力传感器安装在所述的锥头变形柱的后端，所述的锥尖阻力传感器与所述的温度传感器电连接；所述的探杆组件包括基座、过渡块和接头和传力杆，所述的基座、过渡块和接头依次同轴设置在所述的锥头的后侧，所述的传力杆穿设在所述的基座、过渡块和接头上，所述的传力杆的后端自所述的接头伸出，所述的锥头内开设有线缆通道，所述的传力杆的中部开设有与所述的线缆通道相通的轴向通孔，所述的轴向通孔的后端设置有密封圈；所述的第二检测机构包括摩擦筒、侧壁变形柱和压阻式的侧壁摩擦阻力传感器，所述的摩擦筒设置在所述的基座的外侧，所述的侧壁变形柱安装在所述的基座的中部，所述的侧壁摩擦阻力传感器安装在所述的侧壁变形柱的内侧，所述的侧壁摩擦阻力传感器与所述的温度传感器电连接；所述的第三检测机构包括压力膜片和压阻式的孔隙水压力传感器，所述的锥头内开设有透水通道，所述的透水通道经透水机构与外部相通，所述的透水机构包括透水滤器和滤水膜片，所述的锥头的外侧壁开设有透水孔，所述的透水滤器安装在所述的透水孔内，所述的滤水膜片设置在所述的透水孔与所述的透水通道之间，所述的基座的前侧开设有水压腔和安装腔，所述的水压腔和所述的安装腔依次设置在所述的透水通道的后侧，所述的水压腔与所述的透水通道经第一压力膜片相隔离，所述的水压腔与所述的安装腔经第二压力膜片相隔离，所述的孔隙水压力传感器安装在所述的安装腔内并与所述的第二压力膜片贴合连接，所述的孔隙水压力传感器与所述的温度传感器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种孔压静力触探探头，其特征在于：所述的锥头的外侧壁开设有油腔，所述的油腔与所述的透水孔对称设置，所述的温度传感器安装在所述的油腔中部。

Images