CN112034010A - 一种用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统及方法,包括反力系统、竖向顶进系统、数据采集与处理系统;反力系统包括地锚、水平刚性支架,地锚穿过水平刚性支架,并通过翼式螺母锁紧;竖向顶进系统包括竖向刚性支架、螺旋杆、伺服液压系统、变速器、联轴器、控制器,螺旋杆通过联轴器与伺服液压系统及变速器相连并竖直架设于竖向刚性支架中,竖向刚性支架与水平刚性支架中心点穿过一根可移动拉杆;数据采集与处理系统包括静力触探探头、数据采集仪、同轴电缆、计算机,静力触探探头设置于可移动拉杆的底部。本发明降低了静力触探过程探头诱发的冻土应变率,有效结合了电法与静力触探技术的优越性,提升了地质勘察测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程原位测试及勘察领域,具体涉及一种可用于寒区冻土地质勘察的电阻率静力触探测试系统及方法。
背景技术
近年来,我国经济飞速发展,土地资源利用愈发紧张,不可避免地需要在冻土地区修筑建(构)筑物。这种矛盾在我国北方地区尤为突出。多年或季节性冻土的冻胀、融沉特性和冻土上下限及变化决定了寒区基础承载力和稳定性。因此,有效、准确获取冻土地质勘察资料及工程性质参数对于寒区基础设计及加固处理具有重要意义。
长期以来,我国冻土工程性质参数的获取以钻探取样和室内试验为主,存在取样扰动大、取样点不连续,试验数据可靠性低等问题。电阻率静力触探测试(RCPT)是在天然位置对土体工程性质进行原位评价的一种技术,具有高精度、高可重复性、简便快捷和连续测试等优点,在软土地区及海洋岩土勘探方面乃至工程设计得到了大量应用。此外,在不同类型冻土形成过程中,当土体内导电水向非导电冰的相位发展时电阻率将显著增大。一般情况下,地下水的电阻率只有n×10-1~n×10Ω·m,当土体达到冻结点以下时,土中水结成冰,电阻率急剧增大,冻土电阻率可高达n×102~n×104Ω·m。因此,利用RCPT对冻土工程参数进行原位测试,理论上可大幅改善当前冻土地质勘察精度。然而,不同于软弱土,冻土强度高度依赖于应变率,在冻土中实现RCPT原位测试需要精准控制贯入速率及冻土应变率。亦即,采用传统的液压顶进系统在冻土中贯入RCPT而准确获取力学参数具有一定的挑战。因此,为了能够发挥RCPT在冻土勘探中的优势,提高冻土工程地质勘察精度,亟待提出一种可用于冻土勘察的可控速率RCPT测试系统。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统及方法,以提高冻土工程地质勘察精度。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,包括反力系统、竖向顶进系统、数据采集与处理系统;其中:
所述反力系统包括地锚、水平刚性支架,地锚穿过水平刚性支架,并通过翼式螺母锁紧;
所述竖向顶进系统包括竖向刚性支架、螺旋杆、伺服液压系统、变速器、联轴器、控制器,螺旋杆通过联轴器与伺服液压系统及变速器相连并竖直架设于竖向刚性支架中,所述控制器与伺服液压系统通过电缆相连,所述变速器安装于螺旋杆与电动伺服液压系统之间;所述竖向刚性支架与水平刚性支架拼接在一起;所述竖向刚性支架与水平刚性支架中心点穿过一根可移动拉杆,所述可移动拉杆与螺旋杆通过载荷平台相连,可移动拉杆通过夹具锁紧在载荷平台中,可移动拉杆能够上下移动;
所述数据采集与处理系统包括静力触探探头、数据采集仪、同轴电缆、计算机,静力触探探头设置于可移动拉杆的底部,静力触探探头通过同轴电缆与数据采集仪相连,数据采集仪与计算机相连,计算机中安装有静力触探数据分析软件。
所述静力触探探头内部设置有四电极温纳阵列电阻率模块、锥尖阻力传感器、侧摩阻力传感器、探头芯片、温度传感器、倾斜传感器及地下采集卡。
所述可移动拉杆与竖向刚性支架、载荷平台、水平刚性支架的连接处分别设置有三个导向环。
所述螺旋杆和地锚均为两根,并以可移动拉杆为对称轴对称安装。
所述螺旋杆上下两端均设置有螺纹底座,通过螺纹固定在竖向刚性支架中。
所述载荷平台通过圆形螺母安装于螺旋杆上。
所述伺服液压系统为全自动伺服电机。
所述载荷平台的材质为硬质金属,所述导向环的材质为聚甲醛橡胶材料。
所述静力触探数据分析软件能够将数据采集仪获取的地层数据转换为冻土工程性质参数。
一种用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统的使用方法,包括以下步骤:
(1)在冻土地区选取代表性原位测试点;
(2)确定测试点后,在试验前2~3天,率先安装地锚并进行注浆,待浆液完全冻结后,将地锚与水平刚性支架相连并锁紧;其中,注浆采用膨润土泥浆;
(3)在原位测试试验前,将同轴电缆经静力触探探头穿出后传入可移动拉杆并与数据采集仪相连;
(4)连接竖向顶进系统、数据采集系统及反力系统,将静力触探探头对准测试点,并进行预压,预压深度应大于探头高度,确保探头完全进入冻土层;
(5)启动伺服液压系统、变速器、数据采集仪、计算机,开启静力触探数据分析软件,设置贯入速率,贯入速率控制在10-6cm/s的量级,根据贯入速率进而确定贯入力;
(6)静力触探探头贯入至预定深度,静力触探试验完成,利用竖向顶进系统拔出静力触探探头;
(7)根据所采集数据,结合静力触探数据分析软件,获取冻土工程性质参数。
有益效果:本发明解决了长期存在的静力触探技术难以在寒区冻土推广的技术难题。通过提出可精确控制贯入速率(冻土应变率)的电阻率静力触探测试新系统,将原位测试软弱土CPT贯入速度2±0.5cm/s降低至10-4~10-6cm/s,极大降低了静力触探过程探头诱发的冻土应变率,有效结合了电法与静力触探技术的优越性,提升了地质勘察测量精度,对于寒区冻土地质勘察具有重要的工程意义。整个系统装置可控性强、功能性强且易于携带、操作和推广使用。
附图说明
图1为用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统的结构示意图;
图2为静力触探探头内部传感器的布置图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明。
如图1所示,本发明的一种用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,包括反力系统21、竖向顶进系统22、数据采集与处理系统23;其中:
反力系统21包括地锚1、水平刚性支架2,地锚1穿过水平刚性支架2,并通过翼式螺母5锁紧。在原位测试2-3天内将地锚1安装至地表以下,同时底部进行膨润土注浆,冻结3天后,地锚1锚固能力将大幅提升;然后,利用翼式螺母5将地锚1锁紧在水平支架2上方进行传力。反力系统除了保证支架整体稳定性外,同时也为静力触探探头3拔出提供了巨大的抗拔力。
竖向顶进系统22包括竖向刚性支架11、螺旋杆10、伺服液压系统6、变速器7、联轴器8、控制器9,控制器9与伺服液压系统6通过电缆相连,并接入计算机19,实现自动控制。螺旋杆10通过联轴器8与伺服液压系统6及变速器7相连并竖直架设于竖向刚性支架11中,控制器9与伺服液压系统6通过电缆相连,变速器7安装于螺旋杆10与电动伺服液压系统6之间,用于降低伺服电机与螺旋杆转速,并增加螺旋杆输出扭矩。竖向刚性支架11与水平刚性支架2通过螺栓拼接锁,实现竖向系统的整体连接。竖向刚性支架11与水平刚性支架2中心点穿过一根可移动拉杆16,用于施加顶力或拉拔力;可移动拉杆16与螺旋杆11通过载荷平台13相连,可移动拉杆16通过夹具12锁紧在载荷平台13中,以实现可移动拉杆能够上下移动。可移动拉杆16与竖向刚性支架11、载荷平台13、水平刚性支架2的连接处分别设置有三个导向环15,大幅降低了可移动拉杆与刚性支架及水平支架的摩擦阻力。螺旋杆10和地锚1均为两根,并以可移动拉杆16为对称轴对称安装,避免出现偏心力。螺旋杆10上下两端均设置有螺纹底座,通过螺纹固定在竖向刚性支架中,易拆卸。载荷平台13通过圆形螺母14安装于螺旋杆10上。伺服液压系统6为全自动伺服电机。载荷平台13的材质为硬质金属,导向环15的材质为聚甲醛橡胶材料。
数据采集与处理系统23包括静力触探探头3、数据采集仪18、同轴电缆17、计算机19,静力触探探头3设置于可移动拉杆16的底部,静力触探探头3通过同轴电缆17与数据采集仪18相连,数据采集仪18与计算机19相连,计算机19中安装有静力触探数据分析软件,静力触探数据分析软件能够将数据采集仪获取的地层数据转换为冻土工程性质参数。
如图2所示,静力触探探头3内部设置有四电极温纳阵列电阻率模块25、锥尖阻力传感器28、侧摩阻力传感器30、探头芯片24、温度传感器26、倾斜传感器29及地下采集卡27;可有效采集电阻率探头贯入深度、地层温度、电阻率、锥尖阻力、侧摩阻力、探头倾斜度等数据。
本发明的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统的使用方法,包括以下步骤:
(1)在冻土地区选取代表性原位测试点,并将系统所有组成部分人工运输至测试点附近;
(2)确定测试点后,在试验前2~3天,率先安装地锚并进行注浆,待浆液完全冻结后,将地锚与水平刚性支架相连并锁紧;其中,注浆采用膨润土泥浆;
(3)在原位测试试验前,将同轴电缆经静力触探探头穿出后传入可移动拉杆并与数据采集仪相连;
(4)连接竖向顶进系统、数据采集系统及反力系统,将静力触探探头对准测试点,并进行预压,预压深度应大于探头高度,确保探头完全进入冻土层;
(5)启动伺服液压系统、变速器、数据采集仪、计算机,开启静力触探数据分析软件,设置贯入速率,贯入速率控制在10-6cm/s的量级,根据贯入速率进而确定贯入力,最大贯入力可高达110kN;
(6)静力触探探头贯入至预定深度,静力触探试验完成,利用竖向顶进系统拔出静力触探探头;
(7)根据所采集数据,结合静力触探数据分析软件,获取冻土工程性质参数,划分测试区域冻土上下限深度,根据《冻土工程地质勘察规范GB50324-2014》总结冻土融沉和冻胀特性。
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,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,其特征在于:包括反力系统(21)、竖向顶进系统(22)、数据采集与处理系统(23);其中:
所述反力系统(21)包括地锚(1)、水平刚性支架(2),地锚(1)穿过水平刚性支架(2),并通过翼式螺母(5)锁紧;
所述竖向顶进系统(22)包括竖向刚性支架(11)、螺旋杆(10)、伺服液压系统(6)、变速器(7)、联轴器(8)、控制器(9),螺旋杆(10)通过联轴器(8)与伺服液压系统(6)及变速器(7)相连并竖直架设于竖向刚性支架(11)中,所述控制器(9)与伺服液压系统(6)通过电缆相连,所述变速器(7)安装于螺旋杆(10)与电动伺服液压系统(6)之间;所述竖向刚性支架(11)与水平刚性支架(2)拼接在一起;所述竖向刚性支架(11)与水平刚性支架(2)中心点穿过一根可移动拉杆(16),所述可移动拉杆(16)与螺旋杆(11)通过载荷平台(13)相连,可移动拉杆(16)通过夹具(12)锁紧在载荷平台(13)中,可移动拉杆能够上下移动;
所述数据采集与处理系统(23)包括静力触探探头(3)、数据采集仪(18)、同轴电缆(17)、计算机(19),静力触探探头(3)设置于可移动拉杆(16)的底部,静力触探探头(3)通过同轴电缆(17)与数据采集仪(18)相连,数据采集仪(18)与计算机(19)相连,计算机(19)中安装有静力触探数据分析软件。
2.根据权利要求1所述的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,其特征在于:所述静力触探探头(3)内部设置有四电极温纳阵列电阻率模块(25)、锥尖阻力传感器(28)、侧摩阻力传感器(30)、探头芯片(24)、温度传感器(26)、倾斜传感器(29)及地下采集卡(27)。
3.根据权利要求1所述的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,其特征在于:所述可移动拉杆(16)与竖向刚性支架(11)、载荷平台(13)、水平刚性支架(2)的连接处分别设置有三个导向环(15)。
4.根据权利要求1所述的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,其特征在于:所述螺旋杆(10)和地锚(1)均为两根,并以可移动拉杆(16)为对称轴对称安装。
5.根据权利要求1所述的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,其特征在于:所述螺旋杆(10)上下两端均设置有螺纹底座,通过螺纹固定在竖向刚性支架中。
6.根据权利要求1所述的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,其特征在于:所述载荷平台(13)通过圆形螺母(14)安装于螺旋杆(10)上。
7.根据权利要求1所述的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,其特征在于:所述伺服液压系统(6)为全自动伺服电机。
8.根据权利要求1所述的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,其特征在于:所述载荷平台(13)的材质为硬质金属,所述导向环(15)的材质为聚甲醛橡胶材料。
9.根据权利要求1所述的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统,其特征在于:所述静力触探数据分析软件能够将数据采集仪获取的地层数据转换为冻土工程性质参数。
10.一种权利要求1-9任一所述的用于冻土勘察的可控速率电阻率静力触探测试系统的使用方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)在冻土地区选取代表性原位测试点;
(2)确定测试点后,在试验前2~3天,率先安装地锚并进行注浆,待浆液完全冻结后,将地锚与水平刚性支架相连并锁紧;其中,注浆采用膨润土泥浆;
(3)在原位测试试验前,将同轴电缆经静力触探探头穿出后传入可移动拉杆并与数据采集仪相连;
(4)连接竖向顶进系统、数据采集系统及反力系统,将静力触探探头对准测试点,并进行预压,预压深度应大于探头高度,确保探头完全进入冻土层;
(5)启动伺服液压系统、变速器、数据采集仪、计算机,开启静力触探数据分析软件,设置贯入速率,贯入速率控制在10-6cm/s的量级,根据贯入速率进而确定贯入力;
(6)静力触探探头贯入至预定深度,静力触探试验完成,利用竖向顶进系统拔出静力触探探头;
(7)根据所采集数据,结合静力触探数据分析软件,获取冻土工程性质参数。
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- 2020-09-09 CN CN202010938576.8A patent/CN112034010A/zh active Pending
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