CN114277757A - 软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构。锥芯下端安装在锥尖顶面，锥芯中部外套装有锥环，锥环下端与锥尖顶面相接；锥芯顶面开设阶梯孔，底部孔有孔隙水压力传感器，第一变形环柱装于中间孔中，第一变形环柱开设通孔连通到孔隙水压力传感器；第一变形环柱外套设有第二第三变形环柱，第二变形环柱装于顶部孔中；锥环、锥芯、第一变形环柱、第二变形环柱、第三变形环柱外有摩擦筒；第一变形环柱上与第一探杆相连，第一探杆上与第二探杆相连。本发明结构紧凑，能分别测量地下土层中软土层、硬土层的力学特性，提高了对不同土层测量的分辨率。

Description

软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构

技术领域

本发明属于地质原位探测技术领域的一种土体静力触探探头，具体涉及一种对软硬土层力学特性一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构。

背景技术

孔压静力触探技术利用压力装置产生的静力，将装有锥尖阻力传感器、孔隙水压力传感器和侧壁摩擦力传感器的锥形探头按一定速率匀速压入土中，通过测量贯入锥体的锥尖阻力、侧壁摩擦阻力、孔隙水压力，转换为电信号并记录下来，再根据贯入锥尖阻力、摩擦阻力和孔隙水压力与土层地质特征之间统计相关的关系和定性关系，实现对不同软土层、硬土层勘察测量目的。

孔压静力触探作为一种地质原位测试方法，可用于鉴别软土层、硬土层的类别。但目前国内外还没有一款孔压触探探头能实现对软土层、硬土层的一杆测量判定。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的是针对当前国内外无法对土层中软土层、硬土层的原位勘测现状，提供一种可用于测量软土层、硬土层所拥有的三变形环柱，能分别测定软土层、硬土层的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构。

为实现上述目的，本发明所采取的的技术方案是：

本发明主要包括从下到上同轴依次布置的锥尖、锥芯、第一变形环柱、第一探杆和第二探杆；锥芯下端安装在锥尖顶面，锥芯中部外套装有锥环，锥环下端与锥尖顶面相接；锥芯顶面开设三级阶梯的阶梯孔，阶梯孔的底部孔安装有孔隙水压力传感器，第一变形环柱下端安装于阶梯孔的中间孔中，第一变形环柱开设通孔，通孔连通到孔隙水压力传感器上面；第一变形环柱外套设有第二变形环柱和第三变形环柱，第二变形环柱下端安装于阶梯孔的顶部孔中，第三变形环柱套装在第二变形环柱外；所述的锥环、锥芯、第一变形环柱、第二变形环柱、第三变形环柱整体之外套装设有摩擦筒；第一变形环柱上端面与第一探杆相连，第一探杆上端面与第二探杆相连。

所述的锥芯上部直径大于下部直径，使得在锥芯中部形成中间台阶，位于锥芯中间台阶和锥尖顶面之间的锥芯下部外套在有锥环。

所述的锥环内部开设有径向的透水孔，透水孔外孔端安装有透水滤环，所述的锥芯内部开设有将自身阶梯孔和锥环径向通道之间连通的透水通道，地下水透过透水滤环后依次经透水孔、透水通道后连通到锥芯阶梯孔的底部孔中；

所述的锥环外周面中部设有外凸缘，外凸缘下台阶面和透水滤环之间设有滤环垫片，锥环被下压后通过外凸缘下台阶面和滤环垫片将透水滤环压紧在锥尖顶面；外凸缘上台阶面和摩擦筒下端面之间设有第一密封圈。

所述的锥芯的阶梯孔从下到上的三级阶梯对应孔壁分别为锥芯第一内壁、锥芯第二内壁和锥芯第三内壁；孔隙水压力传感器置于锥芯第一内壁内部，第一变形环柱与锥芯第二内壁通过螺纹相连接，第二变形环柱下端与锥芯第三内壁相接。

所述的第一变形环柱外周面形成至少四级阶梯的阶梯轴结构，阶梯轴从下到上的四级阶梯对应的轴外壁分别为底外壁、第一外壁、第二外壁、第三外壁；底外壁所在柱面在对称两侧安装有第一应变片和第二应变片，第一外壁外套装第二变形环柱，第二变形环柱外周面的对称两侧均安装有第三应变片和第四应变片，第二外壁外套装第三变形环柱，第三变形环柱和摩擦筒连接，第三变形环柱外周面的对称两侧均安装有第五应变片和第六应变片。

所述的第一变形环柱与第二变形环柱之间存在环形间隙形成第一腔室，摩擦筒与第二变形环柱之间存在环形间隙形成第二腔室，所述的第二变形环柱对称两侧分别开设一个通孔作为第一小孔、第二小孔，第一腔室和第二腔室之间通过第一小孔和第二小孔连通。

摩擦筒与第三变形环柱之间存在环形间隙形成第三腔室，第三变形环柱对称两侧分别开设一个通孔作为第三小孔、第四小孔，同时第一变形环柱开设将第三小孔、第四小孔分别和通孔连通的径向布置的流通道，使得第三腔室和通孔之间通过第三小孔、第四小孔和流通道相连通。

由第一变形环柱、第二变形环柱、第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片构成了锥尖阻力测试部件；第一变形环柱受到锥尖经锥芯的锥尖助力而产生形变，第一变形环柱的形变通过第一应变片、第二应变片感应，作为对地下土层中软土层锥尖阻力的电信号数据；当锥尖压到地下土层中硬土层时，锥尖经锥芯传力逐步压紧第二变形环柱，使第二变形环柱发生结构形变，第二变形环柱的形变通过第三应变片、第四应变片感应，作为对地下土层中硬土层锥尖阻力的电信号数据，最终使得硬土层的力学特性由第一变形环柱和第二变形环柱结构弹性形变叠加测量得到。

所述的孔隙水压力传感器和六片应变片的输出信号线汇总到信号线连接端，信号线连接端经由通孔与十芯连接头相连传输至第一探杆内部，十芯连接头安装于第一变形环柱通孔的顶部；

所述的第一探杆内开设位于中心的通孔作为安装空间，安装空间中安装有电信号分析装置，电信号分析装置下端接口与十芯连接头相接，电信号分析装置上端接口经两根RS485数据线和两根电源线与四芯连接头连接。

由孔隙水压力传感器、透水滤环、锥环、滤环垫片构成了孔隙水压力测试部件；透水滤环对地下水中的水与泥沙进行分离，滤过的水通过锥环中的透水孔进入到锥芯内部的透水通道，再连通到锥芯阶梯孔的底部孔中，水压力作用到孔隙水压力传感器上进而被孔隙水压力传感器检测，孔隙水压力传感器输出信号数据转换为电信号，通过信号线连接端传输至第一探杆内部的电信号分析装置，然后以RS485通信方式传送至第二探杆内的四芯连接头，四芯连接头将电信号传输出去至外部的上位机。

由第三变形环柱、第五应变片、第六应变片、摩擦筒构成了侧壁摩擦力测试部件，摩擦筒感应外部地下土层对侧壁摩擦和挤压，将侧壁摩擦和挤压力传递至第三变形环柱，第五应变片、第六应变片感应第三变形环柱的力学形变，将力学形变转换为电信号通过信号线连接端传输至第一探杆内部的电信号分析装置。

本发明的软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，提供了一种可以分辨土层中软土层、硬土层的原位测试探头的机械机构，为不同土层的地质勘探提供有效测试工具，提升了对软硬土层测量的分辨率。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将锥尖与锥芯螺纹相紧固，再与第一变形环柱螺纹固接，使锥尖受到地下土体软土层的锥尖阻力首先传递至第一变形环柱，当锥尖受到地下土体硬土层的锥尖阻力时，逐渐变大的锥尖阻力则会压住第二变形环柱，同时把锥尖阻力传递至上述两变形环柱，从而实现软硬土层阻力测量；摩擦筒将探头外周土体的侧壁摩擦阻力传递至第三变形环柱，同时，透水滤环阻挡住地下土层中的泥沙，土层中的水则经透水孔和透水通道流至孔隙水压力传感器，实现对水压测量。

本发明解决目前国内外现有孔压静力触探方法不能适用于软土层和硬土层一杆测量的局限，提升孔压静力触探检测技术对软硬土层的分辨率，有效适用于软土层和硬土层，使孔压静力触探技术能够更好地服务于地质工程。

本发明具有温度自补偿和蠕变自补偿功能，可满足在不同环境温度下的使用。

本发明应用范围广泛，既可用于海洋沉积土层中软土层、硬土层的原位测量，也可用于陆相土层中软土层、硬土层的原位测量。

附图说明

图1为本发明多变形环柱孔压静力触探探头机械结构结构示意图；

图2为本发明第一变形环柱结构示意图；

图3为本发明第二变形环柱结构示意图；

图4为本发明第三变形环柱结构示意图；

图5为本发明锥尖结构示意图；

图6为本发明锥芯结构示意图；

图7为本发明摩擦筒结构示意图；

图8为本发明锥环结构示意图；

图9为本发明第一探杆结构示意图；

图10为本发明应变片结构示意图；

图11为本发明两应变片组成的全桥电路原理图。

图中：1-锥尖，2-锥芯，3-锥环，4-透水滤环，5-滤环垫片，6-透水孔，7-透水通道，8-第一密封圈，9-第二密封圈，10-孔隙水压力传感器，11-第一变形环柱凸起，12-锥芯第一内壁，13-锥芯第二内壁，14-锥芯第三内壁，15-第一变形环柱，16-第一腔室，17-第一应变片，18-第二应变片，19-第二变形环柱，20-第二腔室，21-第三应变片，22-第四应变片，23-第一小孔，24-第二小孔，25-第三变形环柱，26-第三腔室，27-第五应变片，28-第六应变片，29-第一变形环柱第一外壁，30-第一变形环柱第二外壁，31-第一变形环柱第三外壁，32-第三小孔，33-第四小孔，34-螺钉，35-第三密封圈，36-第四密封圈，37-第五密封圈，38-摩擦筒，39-通孔，40-信号线连接端，41-十芯连接头，42-第一探杆，43-电信号分析装置，44-RS485数据线和电源线，45-四芯连接头，46-第二探杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术内容做进一步的描述。

见附图1至附图9所示，为一种对软硬土层力学特性一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，该机构在探测地下土层力学特性时，对软土、硬土混叠的土层，不需要更换不同锥头压力的触探探头，实现一杆触探。

本发明是由三个变形环柱组成的多变形环柱孔压静力触探探头。

如图1所示，主要包括从下到上同轴依次布置的锥尖1、锥芯2、第一变形环柱15、第一探杆42和第二探杆46；还包括第二变形环柱19、第三变形环柱25、透水滤环4、锥环3、摩擦筒38、第一应变片17、第二应变片18、第三应变片21、第四应变片22、第五应变片27、第六应变片28、十芯连接头41、四芯连接头45。

如图5所示，锥尖1下端为锥面尖部，锥芯2下端通过螺纹安装在锥尖1顶面，具体实施中，如图5所示，在锥尖1顶面开设螺纹孔，锥尖1顶面的螺纹孔与锥芯2下端通过螺纹固定连接；锥芯2中部外套装有锥环3，锥环3下端与锥尖1顶面相接；

如图6所示，锥芯2上部直径大于下部直径，使得在锥芯2中部形成中间台阶，位于锥芯2中间台阶和锥尖1顶面之间的锥芯2下部外套在有锥环3。

锥芯2中间台阶和锥环3之间设有第二密封圈9。

锥芯2顶面开设三级阶梯的阶梯孔，阶梯孔的底部孔通过螺纹安装有孔隙水压力传感器10，第一变形环柱15下端通过螺纹安装于阶梯孔的中间孔中，第一变形环柱15开设通孔39，通孔39连通到孔隙水压力传感器10上面；第一变形环柱15外套设有第二变形环柱19和第三变形环柱25，第二变形环柱19下端通过螺纹安装于阶梯孔的顶部孔中，第三变形环柱25套装在第二变形环柱19外；

锥环3、锥芯2、第一变形环柱15、第二变形环柱19、第三变形环柱25整体之外套装设有摩擦筒38，摩擦筒38下端与锥环3套接，摩擦筒38上端和第一变形环柱15的第三外壁31套接，具体实施中摩擦筒38内壁可以设置多个阶梯的台阶周面附图7所示，摩擦筒38用于感应外部地下土层对侧壁摩擦和挤压，通过摩擦筒38也同时包裹保护锥环3、锥芯2、第一变形环柱15、第二变形环柱19、第三变形环柱25在静力触探探头内部；第一变形环柱15上端面通过螺纹与第一探杆42相连，第一探杆42上端面通过螺纹与第二探杆46相连。

锥尖1与锥环3之间镶套一透水滤环4和滤环垫片5。

如图8所示，锥环3内部开设有多条径向的透水孔6，透水孔6外孔端安装有透水滤环4，透水滤环4用于对地下水中的水与泥沙进行分离，锥芯2内部开设有将自身阶梯孔和锥环3径向通道之间连通的透水通道7，地下水透过透水滤环4后依次经透水孔6、透水通道7后连通到锥芯2阶梯孔的底部孔中。

锥环3外周面中部设有外凸缘，外凸缘下台阶面和透水滤环4之间设有滤环垫片5，滤环垫片5起缓冲作用，滤环垫片5用于保护透水滤环4被锥尖1压裂；锥环3被下压后通过外凸缘下台阶面和滤环垫片5将透水滤环4压紧在锥尖1顶面；外凸缘上台阶面和摩擦筒38下端面之间设有第一密封圈8。

如图5和图6所示，锥芯2的阶梯孔从下到上的三级阶梯对应孔壁分别为锥芯第一内壁12、锥芯第二内壁13和锥芯第三内壁14；使得锥芯内壁有三层不同内径的圆壁，孔隙水压力传感器10置于锥芯第一内壁12内部，第一变形环柱15与锥芯第二内壁13通过螺纹相连接，第二变形环柱19下端与锥芯第三内壁14相接。

如图2所示，第一变形环柱15外周面形成至少四级阶梯的阶梯轴结构，阶梯轴从下到上的四级阶梯对应的轴外壁分别为底外壁、第一外壁29、第二外壁30、第三外壁31，使得第一变形环柱的外壁有四层不同外径的外壁；底外壁所在柱面在对称两侧安装有第一应变片17和第二应变片18，第一外壁29外通过螺纹套装第二变形环柱19，第二变形环柱19上下两端分别定位连接在第一外壁29和第二外壁30之间的台阶面与锥芯2阶梯孔的顶部孔台阶面之间，使得第二变形环柱19轴向定位固定；第二变形环柱19外周面的对称两侧均安装有第三应变片21和第四应变片22，第二外壁30外套装第三变形环柱25，第三变形环柱25和摩擦筒38连接，第三变形环柱25上下两端分别定位连接在第二外壁30和第三外壁31之间的台阶面与摩擦筒38内壁开设的阶梯台阶面之间，使得第三变形环柱25轴向定位固定；第三变形环柱25外周面的对称两侧均安装有第五应变片27和第六应变片28，第三变形环柱25下端可包围在第二变形环柱19上端的外周之外。具体实施中，第三变形环柱25上端可局部与第一变形环柱15的第三外壁31相接。

第一变形环柱15的通孔39的底部孔壁内设有内凸缘作为第一变形环柱凸起11，第一变形环柱凸起11顶住孔隙水压力传感器10，压紧孔隙水压力传感器10到阶梯孔的最底部孔中。

具体实施中，第三变形环柱25顶部通过螺钉34固定到第一变形环柱15，螺钉34穿过后第三变形环柱25连接到第一变形环柱15顶部外周面的螺纹孔中，将第三变形环柱25压紧到第一变形环柱15。

摩擦筒38分别和第一变形环柱15的第三外壁31的表面和台阶面之间分别设有第三密封圈35、第四密封圈36以进行密封。

第一变形环柱15上端面和第一探杆42底面的周围之间设有第五密封圈37以进行密封。

第一变形环柱15与第二变形环柱19之间存在环形间隙形成第一腔室16，摩擦筒38与第二变形环柱19之间存在环形间隙形成第二腔室20，如图3所示，第二变形环柱19对称两侧分别开设一个通孔作为第一小孔23、第二小孔24，第一腔室16和第二腔室20之间通过第一小孔23和第二小孔24连通。

摩擦筒38与第三变形环柱25之间存在环形间隙形成第三腔室26，如图4所示，第三变形环柱25对称两侧分别开设一个通孔作为第三小孔32、第四小孔33，同时第一变形环柱15开设将第三小孔32、第四小孔33分别和通孔39连通的径向布置的流通道，使得第三腔室26和通孔39之间通过第三小孔32、第四小孔33和流通道相连通。

第一应变片17和第二应变片18贴在第一腔室16内部，第一腔室16内的第一变形环柱15外壁设置第一应变片17和第二应变片18；第三应变片21和第四应变片22贴在第二腔室内20内部，第二腔室内20内的第二变形环柱19外壁设置第三应变片21和第四应变片22；第五应变片27和第六应变片28贴在第三腔室26内部，第三腔室26内的第三变形环柱25外壁设置第五应变片27和第六应变片28。

第一应变片17、第二应变片18、第三应变片21、第四应变片22、第五应变片27、第六应变片28均具有温度自补偿和蠕变自补偿功能。

由第一变形环柱15、第二变形环柱19、第一应变片17、第二应变片18、第三应变片21、第四应变片22构成了锥尖阻力测试部件，锥尖1和锥芯2通过螺纹固接，第一变形环柱15和锥芯第二内壁13通过螺纹固接，使锥尖1、锥芯2、第一变形环柱15连接成一体；首先实现对地下土层中软土层阻力测量，再实现对地下土层中硬土层阻力测量。

第一变形环柱15受到锥尖2经锥芯2的锥尖助力而产生形变，第一变形环柱15的形变通过第一应变片17、第二应变片18感应，作为对地下土层中软土层锥尖阻力的电信号数据；

第二变形环柱19与锥芯3距离间隔缝隙，当锥尖1压到地下土层中硬土层时，锥尖1经锥芯2传力逐步压紧第二变形环柱19，使第二变形环柱19发生结构形变，第二变形环柱19的形变通过第三应变片21、第四应变片22感应，作为对地下土层中硬土层锥尖阻力的电信号数据，同时第一变形环柱15也发生结构形变，最终使得硬土层的力学特性由第一变形环柱15和第二变形环柱19结构弹性形变叠加测量得到。

孔隙水压力传感器10和六片应变片的输出信号线汇总到信号线连接端40，信号线连接端40经由通孔39与十芯连接头41相连传输至第一探杆42内部，十芯连接头41安装于第一变形环柱15通孔39的顶部。

如图9所示，第一探杆42内开设位于中心的通孔作为安装空间，安装空间中安装有电信号分析装置43，电信号分析装置43下端接口与十芯连接头41相接，电信号分析装置43上端接口经两根RS485数据线和两根电源线44与四芯连接头45连接。四芯连接头45可以连接到外部的上位机。

由孔隙水压力传感器10、透水滤环4、锥环3、滤环垫片5构成了孔隙水压力测试部件；透水滤环4对地下水中的水与泥沙进行分离，滤过的水通过锥环3中的透水孔6进入到锥芯2内部的透水通道7，再连通到锥芯2阶梯孔的底部孔中，水压力作用到孔隙水压力传感器10上进而被孔隙水压力传感器10检测，孔隙水压力传感器10输出信号数据转换为电信号，通过信号线连接端40传输至第一探杆42内部的电信号分析装置43的模数转换和微机处理单元等电路，然后以RS485通信方式传送至第二探杆46内的四芯连接头45，四芯连接头45将电信号传输出去至外部的上位机。

由第三变形环柱25、第五应变片27、第六应变片28、摩擦筒38构成了侧壁摩擦力测试部件，摩擦筒38感应外部地下土层对侧壁摩擦和挤压，将侧壁摩擦和挤压力传递至第三变形环柱25，第五应变片27、第六应变片28感应第三变形环柱25的力学形变，将力学形变转换为电信号通过信号线连接端40传输至第一探杆42内部的电信号分析装置43，电信号分析装置43将电信号经数据处理单元也转换为以RS485方式通信传输至后续探杆内部，把电信号传送出去至上位机。

这样，孔隙水压力传感器和各应变片的电信号通过十芯连接头传送至电信号分析装置，然后以RS485通信方式经四芯连接头传送至下一级，依次沿探杆内孔数据线将信号传送出去至上位机。

具体实施包括有第一密封圈8、第二密封圈9、第三密封圈35、第四密封圈36和第五密封圈37，第一密封圈8置于锥环3上端与摩擦筒38下端之间，第二密封圈9置于锥环3下端与摩擦筒38下端凸起部，第三密封圈35置于摩擦筒38上端内部、第一变形环柱第三外壁31外面，第四密封圈36置于摩擦筒38上端与第一变形环柱15之间，第五密封圈37置于第一变形环柱15上端与探杆42之间。这些密封圈确保该静力触探探头的密封。

具体实施中，第一密封圈8、第四密封圈36分别置于摩擦筒38上下两端，第五密封圈37置于第一变形环柱15与第一探杆42之间，均用于阻挡土层不同粒径颗粒尤其是粗颗粒的泥沙和水，要求有良好的密封性，采用星型密封圈；第二密封圈9、第三密封圈35分别置于摩擦筒38与锥芯2和摩擦筒38与第一变形环柱15之间，均能用于阻挡土层细颗粒泥沙和水的作用，还有利于摩擦筒38的扭曲甚至滚动，采用O型圈适宜，用于摩擦筒与第二腔室20、第三腔室26之间的密封。

第一变形环柱15、第二变形环柱19为测量锥尖阻力的两弹性结构体，在探头被以静力贯入地下土层进程中，当锥尖1贯入到软土层时，锥尖阻力传递至第一变形环柱15，第一变形环柱15发生结构弹性形变，该形变使粘贴在第一变形环柱15上的第一应变片组(包括第一应变片17和第二应变片21，两个均为半桥电路结构，合起来组成一个完整全桥电路，分别如附图10和附图11所示)电阻发生变化，电信号产生；当探头被贯入至硬土层时，变大的锥尖阻力不仅作用于第一变形环柱15，还开始持续作用于第二变形环柱19，引起两变形环柱均发生结构弹性形变，在第一应变片17和第二应变片21产生电信号同时，紧贴在第二变形环柱19外壁上的第二应变片组(包括第三应变片21和第四应变片22，两个也均为半桥电路结构，合起来组成一个完整全桥电路，也如附图10和附图11所示)的电阻也随之发生变动，也有电信号产生。两应变片组产生的电信号分别由传输线经第一小孔23、第二小孔24和和中间通孔39至十芯连接头41的信号线连接端40，通过十芯连接头41传送至第一探杆42内的电信号分析装置43进行模数转换和信号分析，并以RS485通信方式经RS485数据线44通过四芯连接头45输送至第二探杆46内，用数据线将电信号传输出去至外部上位机。

第三变形环柱25为测量侧壁摩擦力的另一弹性结构体，螺钉34把第三变形环柱25固接在第一变形环柱上，当多变形环柱孔压静力触探探头被贯入至地下土体中时，由于摩擦筒38直径略大于锥尖1最大直径，使地下土体对探头侧壁的摩擦筒38发生摩擦、挤压，此力学信息传递至第三变形环柱25，使第三变形环柱25发生弹性结构形变，导致紧贴在第三变形环柱25上的第三应变片组(第五应变片27和第六应变片28，两个也均为半桥电路，合起来组成一个完整全桥电路，分别如附图10和附图11所示)的电阻随之发生变动，产生电信号。同样，第三应变片组产生的电信号由传输线经第三小孔32、第四小孔33和中间通孔39至十芯连接头41的信号线连接端40，通过十芯连接头41传送至电信号分析装置43的放大、模数转换等信号分析后，以RS485通信方式经探杆内部孔道将电信号传输出去至外部上位机。

当多变形环柱孔压静力触探探头被贯入至一定深度地下含水土体中时，地下土体内的水通过透水滤环4，经锥环3内的透水孔6流进透水通道7至孔隙水压力传感器10，孔隙水压力传感器10把感应到的水压转换成电信号，电信号由传输线经通孔39至十芯连接头41的信号线连接端40，通过十芯连接头41送至电信号分析装置43的放大、模数转换等信号分析，也以RS485通信方式用数据线将信号传输出去至外部上位机。

由此实施可见，本发明结构紧凑，能分别准确快速高效一体测量地下土层中软土层、硬土层的力学特性，提高了对不同土层测量的分辨率。

Claims (10)

1.一种软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：

主要包括从下到上同轴依次布置的锥尖(1)、锥芯(2)、第一变形环柱(15)、第一探杆(42)和第二探杆(46)；锥芯(2)下端安装在锥尖(1)顶面，锥芯(2)中部外套装有锥环(3)，锥环(3)下端与锥尖(1)顶面相接；锥芯(2)顶面开设三级阶梯的阶梯孔，阶梯孔的底部孔安装有孔隙水压力传感器(10)，第一变形环柱(15)下端安装于阶梯孔的中间孔中，第一变形环柱(15)开设通孔(39)，通孔(39)连通到孔隙水压力传感器(10)上面；第一变形环柱(15)外套设有第二变形环柱(19)和第三变形环柱(25)，第二变形环柱(19)下端安装于阶梯孔的顶部孔中，第三变形环柱(25)套装在第二变形环柱(19)外；所述的锥环(3)、锥芯(2)、第一变形环柱(15)、第二变形环柱(19)、第三变形环柱(25)整体之外套装设有摩擦筒(38)；第一变形环柱(15)上端面与第一探杆(42)相连，第一探杆(42)上端面与第二探杆(46)相连。

2.根据权利要求1所述的一种软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：所述的锥芯(2)上部直径大于下部直径，使得在锥芯(2)中部形成中间台阶，位于锥芯(2)中间台阶和锥尖(1)顶面之间的锥芯(2)下部外套在有锥环(3)。

3.根据权利要求1或2所述的一种软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：所述的锥环(3)内部开设有径向的透水孔(6)，透水孔(6)外孔端安装有透水滤环(4)，所述的锥芯(2)内部开设有将自身阶梯孔和锥环(3)径向通道之间连通的透水通道(7)，地下水透过透水滤环(4)后依次经透水孔(6)、透水通道(7)后连通到锥芯(2)阶梯孔的底部孔中；

所述的锥环(3)外周面中部设有外凸缘，外凸缘下台阶面和透水滤环(4)之间设有滤环垫片(5)，锥环(3)被下压后通过外凸缘下台阶面和滤环垫片(5)将透水滤环(4)压紧在锥尖(1)顶面；外凸缘上台阶面和摩擦筒(38)下端面之间设有第一密封圈(8)。

4.根据权利要求1所述的一种软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：所述的锥芯(2)的阶梯孔从下到上的三级阶梯对应孔壁分别为锥芯第一内壁(12)、锥芯第二内壁(13)和锥芯第三内壁(14)；孔隙水压力传感器(10)置于锥芯第一内壁(12)内部，第一变形环柱(15)与锥芯第二内壁(13)通过螺纹相连接，第二变形环柱(19)下端与锥芯第三内壁(14)相接。

5.根据权利要求1所述的一种软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：所述的第一变形环柱(15)外周面形成至少四级阶梯的阶梯轴结构，阶梯轴从下到上的四级阶梯对应的轴外壁分别为底外壁、第一外壁(29)、第二外壁(30)、第三外壁(31)；底外壁所在柱面在对称两侧安装有第一应变片(17)和第二应变片(18)，第一外壁(29)外套装第二变形环柱(19)，第二变形环柱(19)外周面的对称两侧均安装有第三应变片(21)和第四应变片(22)，第二外壁(30)外套装第三变形环柱(25)，第三变形环柱(25)和摩擦筒(38)连接，第三变形环柱(25)外周面的对称两侧均安装有第五应变片(27)和第六应变片(28)。

6.根据权利要求1所述的一种软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：所述的第一变形环柱(15)与第二变形环柱(19)之间存在环形间隙形成第一腔室(16)，摩擦筒(38)与第二变形环柱(19)之间存在环形间隙形成第二腔室(20)，所述的第二变形环柱(19)对称两侧分别开设一个通孔作为第一小孔(23)、第二小孔(24)，第一腔室(16)和第二腔室(20)之间通过第一小孔(23)和第二小孔(24)连通。

7.根据权利要求1所述的一种软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：摩擦筒(38)与第三变形环柱(25)之间存在环形间隙形成第三腔室(26)，第三变形环柱(25)对称两侧分别开设一个通孔作为第三小孔(32)、第四小孔(33)，同时第一变形环柱(15)开设将第三小孔(32)、第四小孔(33)分别和通孔(39)连通的径向布置的流通道，使得第三腔室(26)和通孔(39)之间通过第三小孔(32)、第四小孔(33)和流通道相连通。

8.根据权利要求1所述的软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：由第一变形环柱(15)、第二变形环柱(19)、第一应变片(17)、第二应变片(18)、第三应变片(21)、第四应变片(22)构成了锥尖阻力测试部件；第一变形环柱(15)受到锥尖(1)经锥芯(2)的锥尖助力而产生形变，第一变形环柱(15)的形变通过第一应变片(17)、第二应变片(18)感应，作为对地下土层中软土层锥尖阻力的电信号数据；当锥尖(1)压到地下土层中硬土层时，锥尖(1)经锥芯(2)传力逐步压紧第二变形环柱(19)，使第二变形环柱(19)发生结构形变，第二变形环柱(19)的形变通过第三应变片(21)、第四应变片(22)感应，作为对地下土层中硬土层锥尖阻力的电信号数据，最终使得硬土层的力学特性由第一变形环柱(15)和第二变形环柱(19)结构弹性形变叠加测量得到。

9.根据权利要求1所述的软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：所述的孔隙水压力传感器(10)和六片应变片的输出信号线汇总到信号线连接端(40)，信号线连接端(40)经由通孔(39)与十芯连接头(41)相连传输至第一探杆(42)内部，十芯连接头(41)安装于第一变形环柱(15)通孔(39)的顶部；

所述的第一探杆(42)内开设位于中心的通孔作为安装空间，安装空间中安装有电信号分析装置(43)，电信号分析装置(43)下端接口与十芯连接头(41)相接，电信号分析装置(43)上端接口经两根RS485数据线和两根电源线(44)与四芯连接头(45)连接。

10.根据权利要求1所述的软硬土层一杆测量的多变形环柱孔压静力触探探头机械结构，其特征在于：由孔隙水压力传感器(10)、透水滤环(4)、锥环(3)、滤环垫片(5)构成了孔隙水压力测试部件；透水滤环(4)对地下水中的水与泥沙进行分离，滤过的水通过锥环(3)中的透水孔(6)进入到锥芯(2)内部的透水通道(7)，再连通到锥芯(2)阶梯孔的底部孔中，水压力作用到孔隙水压力传感器(10)上进而被孔隙水压力传感器(10)检测，孔隙水压力传感器(10)输出信号数据转换为电信号，通过信号线连接端(40)传输至第一探杆(42)内部的电信号分析装置(43)，然后以RS485通信方式传送至第二探杆(46)内的四芯连接头(45)，四芯连接头(45)将电信号传输出去至外部的上位机。

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