CN115112485B - 一种土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置。本发明的内套管外同轴设置有外套筒，内套管与外套筒之间的环空由上至下依次设置有上密封腔、渗透腔、下密封腔；内套管与外套筒之间的环空下端固定安装有导向连接套，导向连接套下端为尖劈形，导向连接套的侧面凹槽内安装有无电缆静力触探探头；上密封腔内设置有分布式光纤传感器；钻具的钻杆上端与联轴器Ⅰ连接，联轴器Ⅰ、扭矩传感器、联轴器Ⅱ、电机由下至上依次连接。其有益效果是，通过扭矩传感器、分布式光纤传感器、无电缆静力触探探头实现土料的强度、变形特性和渗流特性的联合检测，无需使用传统的大型检测设备，降低检测成本；检测数据准确，为土料变形特性的获取提供有力支持。

Description

一种土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置
技术领域
本发明涉及一种土料强度、变形特性检测装置，尤其是涉及一种土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，属于水利工程建设技术领域。
背景技术
近年来，我国土石坝建筑工程快速发展，筑坝土料的渗透系数是土石坝渗流分析中最基本的计算参数之一，是土体中孔隙的大小、数量以及连通等构成情况的综合反映，必须筑坝之前对其进行测定。目前水利工程建设过程中，可通过现场试验获取筑坝土料的渗透系数。根据《水利水电工程注水试验规程》(SL 345-2007)，目前比较常用的土料渗透系数现场测定方法主要包括试坑注水试验和钻孔注水试验两种方法。试坑注水试验的缺点是：需要在测试现场挖坑，工作量较大，尤其是当土料压实度较大时更难挖掘；需要对试验铁环与土料的接触处进行密封，容易出现密封不严的情况；在试验过程中需要试验人员长时间观测和记录数据，人力成本消耗较大。钻孔注水试验的缺点是：使用笨重的钻机在土料中钻孔，操作不便；采用栓塞止水，效果不容易保证；工艺较为复杂，工程实践中使用不便。
根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)，在水利工程建设过程中，可通过现场试验获取筑坝土料的变形特性。目前比较常用的土料强度、变形特性现场测定方法主要有荷载试验、旁压试验等。但是这些试验所需设备较大较重，不便于运输，且操作较为复杂。
发明内容
为了克服现有水利工程建设过程中获取土料渗透系数与强度、变形特性存在的上述不足，本发明提供一种土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，包括内套管、钻具，钻具设置在内套管内，内套管外同轴设置有外套筒，所述内套管与外套筒之间的环空由上至下依次设置有上密封腔、渗透腔、下密封腔；所述内套管与外套筒之间的环空下端固定安装有导向连接套，导向连接套下端为尖劈形，导向连接套的侧面凹槽内安装有无电缆静力触探探头；所述上密封腔为内套管与上密封内乳胶膜之间的环空，上密封内乳胶膜与上密封外乳胶膜之间的环空内设置有分布式光纤传感器。
所述钻具的钻杆上端与联轴器Ⅱ连接，联轴器Ⅱ、扭矩传感器、联轴器Ⅰ、电机由下至上依次连接。
所述外套筒包括由上至下连接设置的上密封外乳胶膜、渗透段外套管、下密封乳胶膜、外管。
所述渗透段外套管的管壁上设置有径向通孔。
所述上密封腔的上端固定安装有上端板，上密封腔的下端固定安装有隔板Ⅰ，所述上密封外乳胶膜的上、下两端分别与上端板、隔板Ⅰ固定连接。
所述上端板设置有向上密封腔注水的注水管Ⅰ、分布式光纤传感器的插入孔。
所述上端板、隔板Ⅰ设置有向渗透腔注水的注水管Ⅱ的插入孔。
所述下密封腔为内套管与下密封乳胶膜之间的环空，下密封腔的上端、下端分别固定设置有隔板Ⅱ、隔板Ⅲ。
所述上端板、隔板Ⅰ、隔板Ⅱ设置有向下密封腔内注水的注水管Ⅲ的插入孔。
所述上端板、隔板Ⅰ、隔板Ⅱ、隔板Ⅲ与内套管固定连接。
所述注水管Ⅱ、注水管Ⅲ向下经过内套管与上密封内乳胶膜之间的环空之后分别进入渗透腔、下密封腔。
所述内套管的上端、下端分别固定安装有上支撑套、下支撑套用于支撑钻杆，上支撑套上方的钻杆安装有螺母；所述钻杆外圆周固定安装有螺旋叶片位于内套管内。
所述上支撑套、下支撑套设置有轴向通槽供钻头钻进过程中产生的土料通过。
所述导向连接套与外套筒的外侧设置有无电缆静力触探探头的安装槽。
本发明的有益效果是，结构设计合理，通过扭矩传感器、分布式光纤传感器和无电缆静力触探探头实现土料的强度、变形特性和渗流特性的联合检测，无需使用传统的大型检测设备，降低检测成本；检测数据准确，为土料渗流特性和强度、变形特性的获取提供有力支持。
附图说明
图1是本发明土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置的结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图中：1.电机，2-1.联轴器Ⅰ，2-2.联轴器Ⅱ，3.扭矩传感器，4.钻杆，5.螺母，6.上支撑套，7.上端板，8.注水管Ⅰ，9.注水管Ⅱ，10.分布式光纤传感器，11.注水管Ⅲ，12.内套管，13.上密封内乳胶膜，14.上密封外乳胶膜，15-1.隔板Ⅰ，15-2.隔板Ⅱ，15-3.隔板Ⅲ，16.渗透段外套管，17.下密封乳胶膜，18.外管，19.导向连接套，20.钻头，21.下支撑套，22.无电缆静力触探探头，23.筋板，30.上密封腔，40.渗透腔，50.下密封腔，100.钻具，200.外套筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“垂直”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，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。
参见附图1-2。本发明一种土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，包括内套管12、外套筒200、钻具100，钻具100设置在内套管12内，内套管12外同轴设置有外套筒200。
所述内套管12与外套筒200之间的环空下端固定安装有导向连接套19，导向连接套19下端为尖劈形，导向连接套19的侧面凹槽内安装有无电缆静力触探探头22，在钻进过程中实时采集探头阻力、侧壁摩阻力和待测土料的孔隙水压力等数据。优选的，所述无电缆静力触探探头22的数量为2个，且对称设置在导向连接套19的两侧；导向连接套19与外套筒18的外侧设置有无电缆静力触探探头22的安装槽，无电缆静力触探探头22固定设置在安装槽内。
所述钻具100的钻杆4上端与联轴器Ⅱ2-2连接，联轴器Ⅱ2-2、扭矩传感器3、联轴器Ⅰ2-1、电机1由下至上依次连接，扭矩传感器3用于在钻进过程中实时采集钻杆4的扭矩、转速、钻进压力等数据并记录在系统中，待试验结束后对数据进行分析。
所述内套管12的上端、下端分别固定安装有上支撑套6、下支撑套21用于支撑钻杆4的两端，上支撑套6上方的钻杆4安装有螺母5；所述钻杆4外圆周固定安装有螺旋叶片位于内套管12内。
所述上支撑套6、下支撑套21设置有轴向通槽供钻头20钻进过程中产生的土料通过。通常上支撑套6、下支撑套21的内套、外套由沿圆周均布的筋板23固定连接(如附图2所示)，筋板23之间的空隙为供土料通过的轴向通槽。
优选的，所述钻杆4的下端固定安装有钻头20，钻头20的柄部位于导向连接套19下端的尖劈形形成的锥孔内，钻头20的刀头在导向连接套19下端。
所述内套管12与外套筒200之间的环空由上至下依次设置有上密封腔30、渗透腔40、下密封腔50。
所述外套筒200包括由上至下连接设置的上密封内乳胶膜13、渗透段外套管16、下密封乳胶膜17、外管18。
所述上密封腔30为内套管12与上密封内乳胶膜13之间的环空，上密封内乳胶膜13与上密封外乳胶膜14之间的环空内设置有分布式光纤传感器10，通过分布式光纤传感器10获取孔壁的变形数据。分布式光纤传感器10的一端位于上密封内乳胶膜13与上密封外乳胶膜14之间的环空内，另一端从上端板7穿出与数据采集仪、计算机(图中未示出)等采集设备连接。所述上密封内乳胶膜13与上密封外乳胶膜14将分布式光纤传感器包裹住，当压力体积控制器向上密封段注水后，两层乳胶膜的形变与光纤的形变一致，能够保护分布式光纤传感器，防止其被土料中的锋利石片割坏。
所述渗透腔40的渗透段外套管16的管壁上设置有径向通孔，优选的，沿渗透段外套管16的轴向、径向均布设置有多个径向通孔。
所述下密封腔50为内套管12与下密封乳胶膜17之间的环空。
所述上密封腔30的上端固定安装有上端板7，上密封腔30的下端固定安装有隔板Ⅰ15-1，所述上密封外乳胶膜14、上密封内乳胶膜13的上、下两端分别与上端板7、隔板Ⅰ15-1固定连接。
所述上端板7设置有向上密封腔30注水的注水管Ⅰ8、分布式光纤传感器10的插入孔(如图2所示)。
所述上端板7、隔板Ⅰ15-1设置有向渗透腔40注水的注水管Ⅱ9的插入孔。
所述下密封腔50为内套管12与下密封乳胶膜17之间的环空，下密封腔50的上端、下端分别固定设置有隔板Ⅱ15-2、隔板Ⅲ15-3。
优选的，所述上端板7、隔板Ⅰ15-1、隔板Ⅱ15-2、隔板Ⅲ115-3与内套管12固定连接。
所述上端板7、隔板Ⅰ15-1、隔板Ⅱ15-2设置有向下密封腔50内注水的注水管Ⅲ11的插入孔。
所述注水管Ⅱ9、注水管Ⅲ11向下经过内套管12与上密封内乳胶膜13之间的环空之后分别进入渗透腔40、下密封腔50。
优选的，采用压力体积控制器(图中未示出)通过注水管Ⅰ8、注水管Ⅱ9、注水管Ⅲ11分别向上密封腔30、渗透腔40、下密封腔50注水并控制注水压力。
所述内套管12与外套筒200之间的环空下端固定安装有导向连接套19，导向连接套19下端为尖劈形，导向连接套19的侧面凹槽内安装有无电缆静力触探探头22，在钻进过程中实时采集探头的侧壁摩阻力和所测土料的孔隙水压力等数据。优选的，所述导向连接套19的数量为2个，且对称设置在导向连接套19的两侧；导向连接套19与外套筒18的外侧设置有无电缆静力触探探头22的安装槽，无电缆静力触探探头22固定设置在安装槽内。
所述钻具100的钻杆4上端与联轴器Ⅰ2-1连接，联轴器Ⅰ2-1、扭矩传感器3、联轴器Ⅱ2-2、电机1由下至上依次连接，扭矩传感器3用于测定在钻进过程中实时采集钻杆4的扭矩、转速、钻进压力等数据并记录在系统中，待试验结束后对数据进行分析。
所述内套管12的上端、下端分别固定安装有上支撑套6、下支撑套21用于支撑钻杆4的两端，上支撑套6上方的钻杆4安装有螺母5；位于所述内套管12内的钻杆4外圆周固定设置有螺旋叶片。
所述上支撑套6、下支撑套21设置有轴向通槽供钻头20钻进过程中产生的土料通过。通常上支撑套6、下支撑套21的内套、外套由沿圆周均布的筋板23固定连接(如附图2所示)，筋板23之间的空隙为供土料通过的轴向通槽。
优选的，所述钻杆4的下端固定安装有钻头20，钻头20的柄部位于导向连接套19下端的尖劈形形成的锥孔内，钻头20的刀头在导向连接套19下端。
所述内套管12与外套筒200之间的环空由上至下依次设置有上密封腔30、渗透腔40、下密封腔50。
所述外套筒200包括由上至下连接设置的上密封外乳胶膜14、渗透段外套管16、下密封乳胶膜17、外管18。
所述上密封腔30为内套管12外依次同轴设置的上密封内乳胶膜13、上密封外乳胶膜14之间的环空，上密封腔30内设置有分布式光纤传感器10，通过分布式光纤传感器10获取孔壁的变形数据。分布式光纤传感器10的一端位于上密封腔30内，另一端从上端板7穿出与数据采集仪、计算机(图中未示出)等采集设备连接。
所述渗透腔40的渗透段外套管16的管壁上设置有径向通孔，优选的，沿渗透段外套管16的轴向、径向均布设置有多个径向通孔。
所述下密封腔50为内套管12与下密封乳胶膜17之间的环空。
所述上密封腔30的上端固定安装有上端板7，上密封腔30的下端固定安装有隔板Ⅰ15-1。
所述上端板7设置有向上密封腔30注水的注水管Ⅰ22-1、分布式光纤传感器10的插入孔。
所述上端板7、隔板Ⅰ15-1设置有向渗透腔40注水的注水管Ⅱ22-2的插入孔。
所述下密封腔50的上端、下端分别固定设置有隔板Ⅱ15-2、隔板Ⅲ15-3。
所述上端板7、隔板Ⅰ15-1、隔板Ⅱ15-2、隔板Ⅲ15-3与内套管12固定连接。
所述上端板7、隔板Ⅰ15-1、隔板Ⅱ15-2设置有向下密封腔50内注水的注水管Ⅲ22-3的插入孔。
所述注水管Ⅱ22-2、注水管Ⅲ22-3向下经过内套管12与上密封内乳胶膜13之间的环空之后分别进入渗透腔40、下密封腔50。
优选的，采用给水压力控制系统通过注水管Ⅰ22-1、注水管Ⅱ22-2、注水管Ⅲ22-3分别向上密封腔30、渗透腔40、下密封腔50注水并控制注水压力。
本发明土料变形特性渗流特性一体检测装置的工作过程如下：
首先，在选定位置进行垂直钻进至设计深度，在钻进过程中通过无电缆静力触探探头22，实时采集锥尖阻力、侧壁摩阻力和土料孔隙水压力等数据；通过扭矩传感器3实时采集钻杆4的扭矩、转速、钻进压力等数据；
然后，采用压力体积控制器通过注水管Ⅰ8、水管Ⅲ9分别向上密封腔30、下密封腔50按照设定的压力注水，当上密封腔30、下密封腔50内充满水之后，乳胶膜膨胀，紧贴待测土料的孔壁，且孔壁由于受到压力会产生变形，孔壁各点的变形量可由分布式光纤传感器10获取，还可以通过设定不同的注水压力并由分布式光纤传感器10测得该压力下孔壁的变形量，得到孔壁所受压力与变形量关系曲线(p-s曲线)；
通过上述过程可根据测得的数据，综合分析得到待测土料的强度、变形特性；
之后，压力体积控制器通过注水管Ⅱ9向渗透腔40内注水，其注水压力设定值小于上密封腔30、下密封腔50的稳定水压压力值，待水充满渗透腔40并通过渗透段外套管16的径向通孔排出进入待测土料中；保持注水压力不变，待流量稳定后，即可通过计算得到待测土料的渗透系数(申请人已就渗透系数的计算方法申请了专利，在此不在赘述)。
本发明土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，结构设计合理，在钻进过程中通过扭矩传感器实时采集钻具的扭矩、转速、钻进压力等数据，计算得到土料单位切削能，进而获得所测试土料的抗剪强度等参数。通过分布式光纤传感器监测孔壁在受压条件下的变形，进而通过压力与变形关系曲线得到压缩模量，通过连接上密封腔的压力体积控制器测得稳定水压p(即施加给上密封段孔壁的压力)，同时测得上密封段的体积变化V(即上密封段对应钻孔的体积变化)，可以得到p-V曲线，并由p-V曲线计算得到土料的不排水抗剪强度Cu、侧压力系数K0以及旁压模量Em等强度、变形参数；通过无电缆静力触探探头实时采集锥尖阻力、侧壁摩阻力等数据，通过计算得到不排水抗剪强度、有效内摩擦角、剪切模量等强度、变形参数。对采集到的各项数据通过计算机进行数据综合分析处理，进一步得到土料的强度、变形特性，实现土料的强度、变形特性和渗流特性的联合检测，无需使用传统的大型检测设备，降低检测成本；检测数据准确，为土料强度、变形特性的获取提供数据支持。
应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。

Claims (9)

1.一种土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，包括内套管、钻具，钻具设置在内套管内，内套管外同轴设置有外套筒，其特征是：
所述内套管与外套筒之间的环空由上至下依次设置有上密封腔、渗透腔、下密封腔；所述外套筒包括由上至下连接设置的上密封外乳胶膜、渗透段外套管、下密封乳胶膜、外管；
所述内套管与外套筒之间的环空下端固定安装有导向连接套，导向连接套下端为尖劈形，导向连接套的侧面凹槽内安装有无电缆静力触探探头；
所述上密封腔为内套管与上密封内乳胶膜之间的环空；上密封内乳胶膜与上密封外乳胶膜之间的环空内设置有分布式光纤传感器；
所述钻具的钻杆上端与联轴器Ⅱ连接，联轴器Ⅱ、扭矩传感器、联轴器Ⅰ、电机由下至上依次连接。
2.根据权利要求1所述土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，其特征是：所述渗透段外套管的管壁上设置有径向通孔。
3.根据权利要求2所述土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，其特征是：所述上密封腔的上端固定安装有上端板，上密封腔的下端固定安装有隔板Ⅰ，所述上密封外乳胶膜的上、下两端分别与上端板、隔板Ⅰ固定连接；
所述上端板设置有向上密封腔注水的注水管Ⅰ、分布式光纤传感器的插入孔；
所述上端板、隔板Ⅰ设置有向渗透腔注水的注水管Ⅱ的插入孔。
4.根据权利要求3所述土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，其特征是：所述下密封腔为内套管与下密封乳胶膜之间的环空，下密封腔的上端、下端分别固定设置有隔板Ⅱ、隔板Ⅲ；
所述上端板、隔板Ⅰ、隔板Ⅱ设置有向下密封腔内注水的注水管Ⅲ的插入孔。
5.根据权利要求4所述土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，其特征是：所述上端板、隔板Ⅰ、隔板Ⅱ、隔板Ⅲ与内套管固定连接。
6.根据权利要求5所述土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，其特征是：所述注水管Ⅱ、注水管Ⅲ向下经过内套管与上密封内乳胶膜之间的环空之后分别进入渗透腔、下密封腔。
7.根据权利要求1所述土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，其特征是：所述内套管的上端、下端分别固定安装有上支撑套、下支撑套用于支撑钻杆，上支撑套上方的钻杆安装有螺母；所述钻杆外圆周固定安装有螺旋叶片位于内套管内。
8.根据权利要求7所述土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，其特征是：所述上支撑套、下支撑套设置有轴向通槽供钻头钻进过程中产生的土料通过。
9.根据权利要求1所述土料强度、变形特性与渗流特性一体检测装置，其特征是：所述导向连接套与外套筒的外侧设置有无电缆静力触探探头的安装槽。
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