CN114354899A - 一种拉索桥沉井用土质测试装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土质检测技术领域，尤其涉及一种拉索桥沉井用土质测试装置，包括：取样单元、第一测试单元和第二测试单元，取样单元包括外套筒、设置在外套筒内部的取样管，以及对外套筒内的岩土层进行分层提取的取样机构；第一测试单元包括检测箱体，及用于对取样的岩土层样本进行实时检测的检测机构；第二测试单元包括测量杆、及设置在测量杆端部的测量探头，测量探头上设有压力传感器，用于对岩土层的初始地应力进行测量；通过外套筒、取样管、取样机构的设置，避免了取样过程中对岩土层的扰动，并通过将取样管取出后再将测量杆放入，进一步保证了第二测试单元的检测精度，保证了测量数据的准确性。

Description

一种拉索桥沉井用土质测试装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及土质检测技术领域，尤其涉及一种拉索桥沉井用土质测试装置及其使用方法。

背景技术

桥梁沉井基础是一个井筒状结构物，它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。

沉井基础主要作用是将桥墩传递过来的重力载荷传递到相邻岩土层中去，通过产生的侧摩擦阻力和基础底部岩土产生的反作用力来保证沉井基础及桥梁结构稳定，因此决定锚碇结构安全与稳定性的关键因素是相邻岩土层能否提供足够的抗力以限制结构位移。

岩土层的抗力为岩土体当中的地应力，其可以分为自重应力和构造应力。而初始地应力的测定对于基础工程与地下工程有着十分重要的意义，一般先根据岩土层参数计算土的自重应力，再根据经验考虑一定的侧压力系数k，来确定侧向土压力(水平向地应力)，而侧向土压力对于地下结构的稳定起着关键性影响。

但是现有的桥梁沉井基础用土质测试装置在对岩土层取样以获取岩土层参数时，会对岩土层造成扰动，影响最终初始地应力的测试结果。

发明内容

本发明目的在于提供一种拉索桥沉井用土质测试装置，以解决背景技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种拉索桥沉井用土质测试装置，包括：取样单元，包括外套筒和取样管，所述取样管设置在所述外套筒内部，所述外套筒和所述取样管底部设有主刃口，且所述取样管内设有对所述外套筒内的岩土层进行分层提取的取样机构；

第一测试单元，包括检测箱体，所述检测箱体内设有用于对取样的岩土层样本进行实时检测的检测机构；

第二测试单元，包括测量杆、及设置在所述测量杆端部的测量探头，所述测量探头上设有压力传感器；

其中，所述取样机构完成分层取样后，所述取样管和所述取样机构脱离所述外套筒，所述测量探头进入所述外套筒通过所述压力传感器对岩土层的水平向地应力进行测量。

进一步地，所述外套筒和所述取样管之间设有缓冲层。

进一步地，所述取样机构包括输送轴和分切盘，所述分切盘设置在所述输送轴的底部，所述输送轴内设有顶出组件。

进一步地，所述分切盘包括外切环，及设置在所述外切换内部的多个分切片；

多个所述分切片形成异型封闭腔，且与所述外切环内壁围成容纳岩土层的腔体结构。

进一步地，位于相邻两个所述腔体结构的两个所述分切片由外向内呈扩张趋势；

且两个所述分切片的交点与所述外切环内壁固定连接。

进一步地，位于所述异型封闭腔内设有挤压组件，所述挤压组件包括施力轴，所述施力轴沿圆周方向的施力块位于相邻两个所述腔体结构对应的两个所述分切片之间；

当转动所述施力轴时，所述施力块的端部挤压所述腔体结构一侧的所述分切片，所述分切片朝向所述腔体结构内部呈凸起状态，挤压所述腔体结构内部的岩土样本。

进一步地，所述施力轴外侧设有导向套，所述导向套对应所述施力块开设避让槽，且所述避让槽顶端开口设有限位块；

所述导向套底部设有支撑架，所述支撑架固定在所述异型封闭腔的内部。

进一步地，所述顶出组件包括顶杆，及设置在顶杆底部的顶出块，所述顶出块对应所述腔体结构设置，用于对所述腔体结构内的岩土层顶出。

进一步地，所述取样机构还包括卸料装置，所述卸料装置包括固定座、顶板、活动板和驱动组件，所述顶板和所述活动板通过固定轴连接在所述固定座上，且所述驱动组件设置在所述固定座上，并与所述活动板底部连接，以使所述活动板朝着远离所述顶板的方向移动。

进一步地，所述顶板和所述活动板上设有开口放置槽。

进一步地，所述检测机构包括传输检测台，及沿传输方向依次设置的水分检测仪、养分检测仪、酸碱度检测仪和重金属检测仪。

进一步地，还包括显示单元，所述显示单元用于实时显示所述检测机构和所述压力传感器的数据。

本发明还提供一种拉索桥沉井用土质测试装置的使用方法，包括以下步骤：

对外套筒和取样管整体施加垂直向下的力，到达设定深度位置，完成对岩土层的预分切，并采用水泵将取样管内的水抽出；

将输送轴沿着取样管内侧壁进入取样管，当分切盘到达初始采样高度H₀时，开始第一次取样，分切盘继续向下运动一个设定分切高度h，外切环和分切片对取样管内预分切后的岩土层完成二次分切；

驱动施力轴顺时针转动，带动施力块在异型封闭腔内转动，施力块抵住分切片，使分切片的中垂线位置形成朝向腔体结构内部的凸起形状，对腔体结构内岩土样本形成挤压力；

将取样后的输送轴从取样管内取出后，放至第一测试单元的传输检测台上方，逆时针转动施力轴，施力块脱离对分切片施力，分切片在弹性作用下恢复至初始状态，岩土层样本通过顶出组件从腔体结构内分离出来，落至传输检测台上，传输检测台将岩土层样本传输至各检测仪处，对取样芯部位置的岩土层样本分别进行检测；

重复以上取样步骤，完成取样管内岩土层的全部取样；

完成全部取样后将取样管从外套管内移除，测量杆伸入外套管的底部，将外套管向上提升，使测量探头上压力传感器与土体成孔内壁接触，通过显示单元对压力传感器测量数值进行状态显示，记录初始数值，然后通过测量杆对测量探头施加由小到大的横向顶推力， 从而进行水平向地应力测试。

本发明的有益效果为：本发明通过外套筒、取样管、取样机构 、第一测试单元和第二测试单元的设置，其取样机构在取样管内分层采样，避免了使取样单元在对岩土层取样过程中对岩土层的扰动，并通过将取样管取出后再将测量杆放入，进一步保证了第二测试单元中压力传感器的检测精度，保证了测量数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中取样单元的取样示意图；

图2为本发明实施例中外套管与取样管的结构示意图；

图3为本发明实施例中取样机构的结构示意图；

图4为图3的A-A剖切视图；

图5为图3的B-B剖切视图；

图6为本发明实施例中施力块对分切片施力的示意图。

图7为本发明实施例中分切盘的结构示意图。

图8为本发明实施例中挤压组件的结构示意图。

图9为本发明实施例中卸料装置的结构示意图。

图10为本发明实施例中第一测试单元的结构示意图。

图11为本发明实施例中第二测试单元的结构示意图。

附图标记：10、取样单元；11、外套筒；12、取样管；121、取样机构；1211、输送轴；1212、分切盘；a、外切环；b、分切片；c、腔体结构；1213、顶出组件；d、顶杆；e、顶出块；13、主刃口；14、缓冲层；15、挤压组件；151、施力轴；1511、施力块；152、导向套；153、限位块；154、支撑架；20、第一测试单元；21、检测箱体；22、检测机构；221、传输检测台；222、水分检测仪；223、养分检测仪；224、酸碱度检测仪；225、重金属检测仪；30、第二测试单元；31、测量杆；32、测量探头；321、压力传感器；40、卸料装置；41、固定座；42、顶板；43、活动板；44、驱动组件；f、异型封闭腔；50、显示单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

如图1至图11所示的拉索桥沉井用土质测试装置，包括：取样单元10包括外套筒11和取样管12，取样管12设置在外套筒11内部，外套筒11和取样管12底部设有主刃口13，且取样管12内设有对外套筒11内的岩土层进行分层提取的取样机构121；第一测试单元20包括检测箱体21，检测箱体21内设有用于对取样的岩土层样本进行实时检测的检测机构22；第二测试单元30包括测量杆31、及设置在测量杆31端部的测量探头32，测量探头32上设有压力传感器321；

其中，取样机构121完成分层取样后，取样管12和取样机构121脱离外套筒11，测量探头32进入外套筒11通过压力传感器321对岩土层的水平向地应力进行测量。

本发明优选实施例中外套筒11和取样管12一同插入待测试位置的岩土层中，取样机构121对取样管12中的岩土层依次进行取样，并将每次取样的岩土层样本送入检测机构22，直至到达主刃口13位置后停止取样，将取样管12从外套筒11内取出，第二测试单元30放入外套筒11内，将外套筒11向上提升一段距离，测量探头32端部的压力传感器321与岩土层接触，用于测量岩土层的地应力，本发明通过外套筒11、取样管12、取样机构121 、第一测试单元20和第二测试单元30的设置，取样机构121在取样管12内分层采样，避免了使取样单元10在对岩土层取样过程中对岩土层的扰动，并通过将取样管12取出后再将测量杆31放入，进一步保证了第二测试单元30中压力传感器321的检测精度，保证了测量初始地应力数据的准确性。

为了进一步减少取样过程对岩土层的影响，外套筒11和取样管12之间设有缓冲层14，起到缓冲作用，保证了外套筒11与岩土层之间静态稳定性。

本发明优选实施例中，取样机构121包括输送轴1211和分切盘1212，分切盘1212设置在输送轴1211的底部，输送轴1211内设有顶出组件1213。

具体地，分切盘1212的设置，将整块岩土层分解呈若干块，便于对岩土层的运输，顶出组件1213的设置，保证岩土层能够顺利从分切盘1212内脱离，避免了人工清理，提高了装置的实用性。

在上述实施例基础上，分切盘1212包括外切环a，及设置在外切换内部的多个分切片b；多个分切片b形成异型封闭腔f，且与外切环a内壁围成容纳岩土层的腔体结构c。

具体地，外切环a和分切片b的配合使用，使岩土层在进入输送轴1211时呈均匀块状结构，减少了岩土层整体吸附力，便于分层取样，提高了取样效率。

在上述实施例基础上，位于相邻两个腔体结构c的两个分切片b由外向内呈扩张趋势；且两个分切片b的交点与外切环a内壁固定连接。

具体地，异型封闭腔f的外交点与外切环a内部焊接固定，限制了分切盘1212在外切环a内的自由度，保证了腔体结构c在取样过程中的稳定性。

为了保证岩土层能够被分切盘1212顺利取出，位于异型封闭腔f内设有挤压组件15，挤压组件15包括施力轴151，施力轴151沿圆周方向的施力块1511位于相邻两个腔体结构c对应的两个分切片b之间；当转动施力轴151时，施力块1511的端部挤压腔体结构c一侧的分切片b，分切片b朝向腔体结构c内部呈凸起状态，挤压腔体结构c内部的岩土层。

具体地，挤压组件15中的施力块1511在施力轴151转动时，对分切片b形成朝向腔体结构c内挤压，分切片b产生弹性形变，使腔体结构c内部空间变小，压紧腔体结构c内的岩土层，保证了岩土层能够顺利被取出。

在上述实施例基础上，施力轴151外侧设有导向套152，导向套152对应施力块1511位置开设避让槽，且避让槽顶端开口设有限位块153；导向套152底部设有支撑架154，支撑架154固定在异型封闭腔f的内部。

具体地，通过导向套152、限位块153和支撑架154的设置，保证了施力轴151沿周向能够稳定转动，且异型封闭腔f的内交点与导向套152的外圆弧面接触，当施力块1511对分切片b施加压力时，施力块1511在分切片b施力点均分布在分切片b中垂线上，保证了分切片b受力的均匀性，减少了对分切片b产生弹性形变所需施加的力。

在上述实施例基础上，当分切盘1212将岩土层取出去后，将施力轴151反向转动，使施力块1511脱离对分切片b施力，分切片b在弹性作用下恢复至初始状态，但是由于岩土层在挤压力作用下，与侧壁间存在摩擦力，岩土层会存在粘附在腔体结构c中无法分离，需要人工手动清理，且效率较低，因此，为了降低人工成本，提高取样效率，顶出组件1213包括顶杆d，及设置在顶杆d底部的顶出块e，顶出块e对应腔体结构c设置，用于对腔体结构c内岩土层的顶出。

具体地，顶出块e的体积小于腔体结构c，对腔体结构c内的分切好的岩土层块起到推力作用，使岩土层块从腔体结构c内快速脱离，提高了取样的效率。

由于岩土层在从分切盘1212排出时，需要一定的外力作用，因此，取样机构121还包括卸料装置40，卸料装置40包括固定座41、顶板42、活动板43和驱动组件44，顶板42和活动板43通过固定轴连接在固定座41上，且驱动组件44设置在固定座41上，并与活动板43底部连接，以使活动板43朝着远离顶板42的方向移动。

为了增加装置的操作便捷性，顶板42和活动板43上设有开口放置槽f，用于取样机构121的放入卸料装置40。

具体地，开口放置槽f的设置，便于取样机构121能够快速放入卸料装置40内，使T型输送轴1211的横杆置于顶板42上方，T型顶杆d的横杆置于活动板43上，通过驱动组件44的作用，一同跟随活动杆朝向远离顶板42的方向运动，使岩土层顺利从分切盘1212内脱离，从而进入检测机构22进行岩土层样本的检测。检测机构22包括传输检测台221，及沿传输方向依次设置的水分检测仪222、养分检测仪223、酸碱度检测仪224和重金属检测仪225。

为了便于查看传感器采集的数据或经处理器处理后的数据，土质测试装置还包括显示单元50，显示单元50用于实时显示检测机构22和压力传感器321的检测数据。

实施例二

本发明还提供一种拉索桥沉井用土质测试装置的使用方法，包括以下步骤：

对外套筒11和取样管12整体施加垂直向下的力，到达设定深度位置，完成对岩土层的预分切，并采用水泵将取样管12内的水抽出；

将输送轴1211沿着取样管12内侧壁进入取样管12，当分切盘1212到达初始采样高度H₀时，开始第一次取样，分切盘1212继续向下运动一个设定分切高度h，外切环a和分切片b对取样管12内预分切后的岩土层完成二次分切；

驱动施力轴151顺时针转动，带动施力块1511在异型封闭腔f内转动，施力块1511抵住分切片b，使分切片b的中垂线位置形成朝向腔体结构c内部的凸起形状，对腔体结构c内岩土样本形成挤压力；

将取样后的输送轴1211从取样管12内取出后，放至第一测试单元20的传输检测台221上方，逆时针转动施力轴151，施力块1511脱离对分切片b施力，分切片b在弹性作用下恢复至初始状态，岩土层样本通过顶出组件1213从腔体结构c内分离出来，落至传输检测台221上，传输检测台221将岩土层样本传输至各检测仪处，对取样芯部位置的岩土层样本分别进行检测；

重复以上取样步骤，完成取样管12内岩土层的全部取样；

完成全部取样后将取样管12从外套管内移除，测量杆31伸入外套管的底部，将外套管向上提升，使测量探头32上压力传感器321与土体成孔的内壁接触，通过显示单元50对压力传感器321测量数值进行状态显示，记录初始数值，然后通过测量杆31对测量探头32施加由小到大的横向顶推力， 从而进行水平向地应力测试。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施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效物界定。

Claims (10)

1.一种拉索桥沉井用土质测试装置，其特征在于，包括：

取样单元(10)，包括外套筒(11)和取样管(12)，所述取样管(12)设置在所述外套筒(11)内部，所述外套筒(11)和所述取样管(12)底部设有主刃口(13)，且所述取样管(12)内设有对所述外套筒(11)内的岩土层进行分层提取的取样机构(121)；

第一测试单元(20)，包括检测箱体(21)，所述检测箱体(21)内设有用于对取样的岩土层样本进行实时检测的检测机构(22)；

第二测试单元(30)，包括测量杆(31)、及设置在所述测量杆(31)端部的测量探头(32)，所述测量探头(32)上设有压力传感器(321)；

其中，所述取样机构(121)完成分层取样后，所述取样管(12)和所述取样机构(121)脱离所述外套筒(11)，所述测量探头(32)进入所述外套筒(11)通过所述压力传感器(321)对岩土层的水平向地应力进行测量。

2.根据权利要求1所述的拉索桥沉井用土质测试装置，其特征在于，所述外套筒(11)和所述取样管(12)之间设有缓冲层(14)。

3.根据权利要求1所述的拉索桥沉井用土质测试装置，其特征在于，所述取样机构(121)包括输送轴(1211)和分切盘(1212)，所述分切盘(1212)设置在所述输送轴(1211)的底部，所述输送轴(1211)内设有顶出组件(1213)。

4.根据权利要求3所述的拉索桥沉井用土质测试装置，其特征在于，所述分切盘(1212)包括外切环(a)，及设置在所述外切环(a)内部的多个分切片(b)；

多个所述分切片(b)形成异型封闭腔(f)，且与所述外切环(a)内壁围成容纳岩土层的腔体结构(c)。

5.根据权利要求4所述的拉索桥沉井用土质测试装置，其特征在于，位于相邻两个所述腔体结构(c)的两个所述分切片(b)由外向内呈扩张趋势；

且两个所述分切片(b)的交点与所述外切环(a)内壁固定连接。

6.根据权利要求5所述的拉索桥沉井用土质测试装置，其特征在于，位于所述异型封闭腔(f)内设有挤压组件(15)，所述挤压组件(15)包括施力轴(151)，所述施力轴(151)沿圆周方向的施力块(1511)位于相邻两个所述腔体结构(c)对应的两个所述分切片(b)之间；

当转动所述施力轴(151)时，所述施力块(1511)的端部挤压所述腔体结构(c)一侧的所述分切片(b)，所述分切片(b)朝向所述腔体结构(c)内部呈凸起状态，挤压所述腔体结构(c)内部的岩土层。

7.根据权利要求6所述的拉索桥沉井用土质测试装置，其特征在于，所述施力轴(151)外侧设有导向套(152)，所述导向套(152)对应所述施力块(1511)处开设避让槽，且所述避让槽顶端开口设有限位块(153)；

所述导向套(152)底部设有支撑架(154)，所述支撑架(154)固定在所述异型封闭腔(f)的内部。

8.根据权利要求4所述的拉索桥沉井用土质测试装置，其特征在于，所述顶出组件(1213)包括顶杆(d)，及设置在顶杆(d)底部的顶出块(e)，所述顶出块(e)对应所述腔体结构(c)设置，用于对所述腔体结构(c)内的岩土层顶出。

9.根据权利要求1所述的拉索桥沉井用土质测试装置，其特征在于，还包括显示单元(50)，所述显示单元(50)用于实时显示所述检测机构(22)和所述压力传感器(321)的数据。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的拉索桥沉井用土质测试装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

对外套筒(11)和取样管(12)整体施加垂直向下的力，到达设定深度位置，完成对岩土层的预分切，并采用水泵将取样管(12)内的水抽出；

将输送轴(1211)沿着取样管(12)内侧壁进入取样管(12)，当分切盘(1212)到达初始采样高度H0时，开始第一次取样，分切盘(1212)继续向下运动一个设定分切高度h，外切环(a)和分切片(b)对取样管(12)内预分切后的岩土层完成二次分切；

驱动施力轴(151)顺时针转动，带动施力块(1511)在异型封闭腔(f)内转动，施力块(1511)抵住分切片(b)，使分切片(b)的中垂线位置形成朝向腔体结构(c)内部的凸起形状，对腔体结构(c)内岩土样本形成挤压力；

将取样后的输送轴(1211)从取样管(12)内取出后，放至第一测试单元(20)的传输检测台(221)上方，逆时针转动施力轴(151)，施力块(1511)脱离对分切片(b)施力，分切片(b)在弹性作用下恢复至初始状态，岩土层样本通过顶出组件(1213)从腔体结构(c)内分离出来，落至传输检测台(221)上，传输检测台(221)将岩土层样本传输至各检测仪处，对取样芯部位置的岩土层样本分别进行检测；

重复以上取样步骤，完成取样管(12)内岩土层的全部取样；

完成全部取样后将取样管(12)从外套管内移除，测量杆(31)伸入外套管的底部，将外套管向上提升，使测量探头(32)上的压力传感器(321)与土体成孔的内壁接触，通过显示单元(50)对压力传感器(321)测量数值进行状态显示，记录初始数值，然后通过测量杆(31)对测量探头(32)施加由小到大的横向顶推力， 从而进行水平向地应力测试。

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