CN118958250B - 一种重型动力触探设备及其触探试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重型动力触探设备及其触探试验的方法。所述重型动力触探设备包括触探头、落锤、记录设备、保护筒和脱钩装置，触探头包括探头和探杆，探杆的前端连接探头，后端连接导向杆及脱钩球，且探杆的杆长不超过两米；保护筒的上段外侧安装气囊，内部安装微型绞盘和减速电机，中段内安装落锤，下段安装记录设备，触探头安装在下段，且导向杆伸入中段，落锤位于触探头的探杆上方；脱钩装置包括外环和内环，外环与落锤的顶部固定连接，内环的上部连接微型绞盘的钢丝绳，内环在微型绞盘钢丝绳牵引下带着脱钩装置沿导向杆上移，当内环上移至导向杆的顶部时，脱钩球挤压并最终撑开脱钩器，使内环与外环脱离开，落锤实现自由落体并击打触探头。

Description

一种重型动力触探设备及其触探试验方法

技术领域

本发明涉及工程勘察领域，特别是一种重型动力触探设备及其触探试验方法。

背景技术

圆锥动力触探试验（DPT）是岩土工程勘察中常见的原位试验方法之一，它是利用一定质量的落锤，以一定高度的自由落距将标准规格的圆锥形探头打入土层中，根据探头贯入的难易程度（可用贯入一定距离的锤击数、贯入度或探头单位面积动贯阻力来表示，工程中通常用锤击数作为试验成果）及锤击数分析土层的力学性质。

根据试验土层的不同，用于圆锥动力触探试验的动力触探设备分为轻型、重型和超重型三种，其中应用最广泛的是重型动力触探设备。现有重型动力触探设备主要包括探头、落锤和探杆。探杆的作用是将探头送至钻孔底部，在孔口处由落锤敲击探杆，记录探头达到规定贯入深度的锤击数作为试验成果。目前重型动力触探试验是将探头安装在钻杆头部，放入钻孔内，使用自重63.5kG落锤，以76cm落距敲击钻杆外露端，通过记录使探头伸入土层固定深度所需的锤击次数，获得所需的地质参数。试验过程中，钻杆（探杆）的长度基本等于孔深，在探杆较长时，对试验成果影响较大，因此需要考虑杆长修正。现行试验规范，如《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009年版）规定，在使用重型和超重型动力触探设备确定碎石土密实度时，应根据探杆长度对锤击数进行修正，并在附录B中给出了修正系数表。在修正系数表里，重型圆锥动力触探设备的探杆长度最大为20m，但在工程应用中，常常出现试验深度大于20m的情况，此时修正系数如何取值？试验成果是否还有指导意义？一直以来，这些问题都无法合理解决，限制了该项试验的应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有重型动力触探设备不适应试验深度大于20米的不足，本发明紧密结合《岩土工程勘察规范》，在完全满足规范规定的探头规格、落锤质量、落锤落距等重要参数的前提下，研制一套重型动力触探设备，该设备不存在杆长修正问题，试验结果可直接应用，从而大幅拓展重型动力触探试验的适用深度。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种重型动力触探设备，包括触探头、落锤、记录设备，其中：

所述触探头包括探头和探杆，所述探杆的前端连接所述探头，后端连接导向杆的底部，导向杆的顶部安装脱钩球，且所述探杆的杆长不超过两米；

所述落锤的中部留有用于穿过所述导向杆的第三通孔，且第三通孔的直径小于所述脱钩球的直径；

还包括保护筒和脱钩装置，所述保护筒分为上段、中段、下段，所述上段的外侧安装气囊，内部安装微型绞盘和减速电机，微型绞盘上缠绕钢丝绳，所述中段内安装所述落锤，所述下段安装所述记录设备，所述触探头的探杆后端置于所述下段内，且所述导向杆伸入所述中段，所述落锤经所述第三通孔滑动安装在所述导向杆上，并位于所述触探头的探杆上方；

所述脱钩装置包括外环和内环，所述外环的上部开设内环通过口，所述内环的中部设置用于穿过所述导向杆的第四通孔，所述内环的外壁上设置有脱钩器，所述外环与所述落锤的顶部固定连接，所述内环间隙配合安装在所述外环内，同时所述内环通过所述第四通孔间隙配合安装在所述导向杆上，所述内环的上部连接所述微型绞盘的钢丝绳，所述内环在所述微型绞盘的钢丝绳牵引下带着脱钩装置沿所述导向杆上移，当所述内环上移至所述导向杆的顶部时，所述脱钩球挤压并最终撑开脱钩器，使所述内环与外环脱离开，所述落锤实现自由落体并击打所述触探头的探杆。

本发明在使用时，借助钻机绞盘及钢丝绳将本发明重型动力触探设备整体放入钻孔内，之后利用气囊将本发明重型动力触探设备固定在钻孔套管内部，通过在钻孔外启动减速电机，使减速电机驱动微型绞盘，微型绞盘通过脱钩装置带动落锤上升，当脱钩装置达到导向杆顶部时，脱钩器上部被导向杆顶部脱钩球撑开，脱钩装置的内、外环分离，落锤自由下落击打触控头，同时脱钩装置内环在重力作用下沿导向杆重新落进外环中，至此完成一次锤击动作。如此循环即可完成需要的多次锤击。同时，根据减速电机每次启动到落锤脱钩所需的时间，可大致估算微型绞盘钢丝绳提升高度，进而估算探头贯入深度，当预计贯入深度达到约20cm时，停止试验，将设备整体提出钻孔，通过对比记录设备录制的刻度变化与锤击记录，可获得每贯入10cm的锤击数，至此完成试验。在整个试验过程中，由于探杆的长度不超过两米，故利用本发明进行触探试验过程中不需进行探杆杆长修正，试验结果可直接应用。另外，本发明借助钻机绞盘及钢丝绳将本发明重型动力触探设备整体放入钻孔内进行触探试验，因而可大幅拓展重型动力触探试验的适用深度。

进一步地，所述下段与所述触探头连接处套设橡胶薄膜，以避免钻孔内水进入保护筒，从而保护本发明设备。

进一步地，所述探杆的后端设置第一限位装置，所述探杆的中部设置第二限位装置，所述保护筒的下段设置第二通孔，所述探杆穿过所述第二通孔，所述第一限位装置、第二限位装置分别位于所述第二通孔的两侧，且所述第一限位装置、第二限位装置分别与所述第二通孔形成干涉。本发明利用第一限位装置、第二限位装置与保护筒第二通孔的干涉，可使探杆的移动范围约束在固定的长度内，从而使探杆与保护筒之间的防水用橡胶薄膜不被拉坏。

进一步地，所述下段的内壁设置第三限位装置，所述第三限位装置与所述第一限位装置形成干涉，从而使探杆的贯入深度受到限制，不会对安装在保护筒下段的记录设备造成破坏。

进一步地，所述脱钩器为Z型钩体，且所述脱钩器的中部与所述内环的外壁铰接，上部用于与所述脱钩球形成干涉，下部用于与所述外环上部设置的内环通过口形成干涉。

进一步地，所述气囊连接用于提供压缩气体的压力装置，气囊充满压缩气体后，体积膨胀可将本发明设备整体固定在钻孔套筒内。

进一步地，所述减速电机经电缆连接电源开关及功率传感器。

进一步地，所述上段的顶部设置第一通孔，所述电缆穿过所述第一通孔，且所述第一通孔用防水材料封闭。

进一步地，所述落锤采用钨制成，使落锤体积大大缩小，方便孔径较小钻孔内使用。基于同一发明构思，本发明还提供了一种利用所述重型动力触探设备进行触探试验的方法，其包括下列步骤：

利用钻机绞盘将重型动力触探设备整体放至钻孔孔底，使触探头抵住钻孔底部，保护筒在自重作用下降落到探杆的下限位处；

给气囊充气，使气囊膨胀，通过气囊将重型动力触探设备固定在钻孔套管内部；

启动减速电机，通过微型绞盘、脱钩装置带动落锤沿导向杆缓慢上升，当脱钩装置达到导向杆顶部时，内环上脱钩器被脱钩球挤压并撑开，脱钩装置的内、外环分离，落锤带着外环一起自由下落，同时脱钩装置的内环在重力作用下沿导向杆重新落进外环中，至此完成一次锤击动作，如此循环；

根据减速电机每次启动到内、外环脱钩所需的时间，大致估算微型绞盘钢丝绳的提升高度，进而估算探头贯入深度，当预计贯入深度达到20cm时，停止试验，将重型动力触探设备整体提出钻孔，通过对比记录设备录制的探杆刻度变化与锤击记录，获得每贯入10cm的锤击数，至此完成试验。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

本发明重型动力触探设备从试验原理出发，将落锤与触探头整合为一体，并利用钻机绞盘钢丝绳整体放入钻孔套筒底部，这样无论钻孔多深，都可以进行动力触探试验，且探杆长度不超过两米，无需对试验结果进行杆长修正。

本发明重型动力触探设备的触探头规格、落锤的质量和落距完全满足规范要求。试验过程中，通过气囊将保护筒固定在钻孔套管内，落锤与保护筒之间留有空隙，并可涂抹润滑油，使落锤与保护筒之间摩擦阻力很小，不会对试验结果造成影响。

本发明探杆穿出保护筒处和保护筒上部连接电缆处用橡胶膜等做阻水处理，钻孔内的水不会进入保护筒内部，不会对落锤产生浮力。

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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明重型动力触探设备使用状态示意图。

图2为本发明重型动力触探设备的组装图。

图3为触探头的结构示意图。

图4为保护筒的结构示意及记录设备的位置示意图。

图5为落锤的结构示意图。

图6为脱钩装置的外环结构示意图，其中a为正视剖视示意图，b为俯视图。

图7为脱钩装置的内环结构示意图，其中a为正视图，b为俯视图。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“垂直”“水平”“内”“外”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。此外，术语“第一”“第二”“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，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；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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1、图2，本发明重型动力触探设备一实施例包括五个主要部分：触探头1，保护筒2，落锤3、自动脱钩装置4、记录设备5（参图4）。本重型动力触探设备适用于钻孔套管内径不小于90mm的情况。

触探头1：如图3所示，其前端为常规探头11，常规探头11连接70cm长的常规探杆12，常规探杆12的末端加工直径70mm的第二限位装置13，再通过螺纹连接一段30cm长的短探杆14，短探杆14的末端加工同样的第一限位装置15。第一限位装置15的中间用螺纹连接一根174cm长的导向杆16，导向杆16的直径1cm，导向杆16的顶部安装直径14mm的钢制脱钩球17。本实施例中，第一限位装置15、第二限位装置13采用圆盘状结构，显然，本发明并不局限于此形式，只要第一限位装置15、第二限位装置13与保护筒2下段23上的第二通孔形成干涉即可。常规探杆12和短探杆14上分别标识有刻度。

保护筒2：如图2、图4所示，其为空心圆筒，由上段21、中段22、下段23共三段组成。中段22内径7.6cm，壁厚3mm，外径8.2cm，长195cm。下段23的直径、壁厚与中段22相同，长10cm，底部设可拆卸的第二盖子231，在第二盖子231上开设直径5cm的第二通孔，供短探杆14穿过，下段23的内腔上端设置用于控制探杆贯入深度的第三限位装置（图中未示），并通过螺纹连接中段22。上段21与中段22通过螺纹连接，顶部设可拆卸的第一盖子211，留直径1cm的第一通孔，供连接减速电机214的电缆穿过。上段21的外径6cm，高15cm，壁厚5mm，外侧安装橡胶气囊212，内部安装微型绞盘213和减速电机214，微型绞盘213上缠绕长1.2m 、直径2mm的钢丝绳215，由减速电机214驱动微型绞盘213旋转。

落锤3：如图5所示，落锤3为圆柱状，外直径7cm，体积为3212cm³，材料为纯钨，密度19.3g/cm³，质量为62kg，落锤3的中部留有第三通孔31，第三通孔31的直径1.2cm，长86cm。落锤3的上部安装自动脱钩装置4的外环41，外环41的质量1.5kg。合计质量63.5kg。

脱钩装置4：如图6、图7所示，脱钩装置4分为外环41、内环42两部分，外环41的直径7cm，高10cm，固定在落锤3的顶部，上部开直径44mm的内环通过口411，内部直径54mm，整体壁厚8mm，材质为不锈钢，质量1.5kg。内环42为通心圆柱形，其中部设置用于穿过导向杆16的第四通孔421，内环42的外壁上设置有4个脱钩器422。脱钩器422为Z型钩体，其中部与内环42的外壁铰接，上端用于与脱钩球17配合实现内、外环脱离，下部与外环41上部设置的内环通过口411配合实现内、外环的连接。外环41与落锤3的顶部固定连接，内环42间隙配合安装在外环41内，同时内环42通过第四通孔421间隙配合安装在导向杆16上，内环42的上部连接微型绞盘213的钢丝绳215，内环42在微型绞盘213的钢丝绳215的牵引下可带着自动脱钩装置4沿导向杆16上移，当内环42上移至脱钩球17处时，脱钩球17挤压并最终撑开脱钩器422的顶部，使脱钩器422与外环41脱离，即内、外环脱离开。

记录设备5：记录设备5安装在保护筒2的下段23的筒壁上，为充电式微型录像设备，对探杆上标记的刻度进行录像记录。

试验过程：

1、在地面将设备组装：常规探杆12从上向下穿过保护筒2下段23的第二盖子231上的第二通孔后与常规探头11连接，短探杆14穿过保护筒2的中段22后与常规探杆12连接，再将下段23与中段22螺纹连接；将自动脱钩装置4的内环42放入外环41内，并将外环41固定在落锤3的顶部，将微型绞盘213的钢丝绳215与内环42上的脱钩器422连接，将落锤3放入中段22，将导向杆16和脱钩球17穿过落锤3上的第三通孔31，并与短探杆14连接；将电缆从保护筒2的上段21上的第一通孔穿过并连接减速电机214，将第一通孔用防水材料封闭，电缆另一端接电源开关6及功率传感器7；将保护筒2的上段21与中段22连接，利用钻机绞盘8和钻机绞盘钢丝绳10，将钻机绞盘钢丝绳10与保护筒2的上段21连接，保护筒2上段外部的橡胶气囊212连接压力软管，压力软管同电缆一起固定在钻机绞盘钢丝绳上，压力软管另一端与加压装置9连接。保护筒下段与探头探杆连接处套橡胶薄膜，防止钻孔内水进入设备。将本发明整套设备从钻孔口缓慢放至孔底，期间应保证电缆、压力软管和钻机绞盘钢丝绳之间有效固定。

2、当常规探头11抵住钻孔底部后，在自重作用下，保护筒2会降落到探杆的第二限位装置13处，此时打开加压装置9，使橡胶气囊212膨胀，压力达到约2MPa时停止加压，此时整套设备通过橡胶气囊212固定在钻孔套管内部。

3、启动电源开关6，自动脱钩装置4带动落锤3缓慢上升，此时减速电机214的功率最大；当脱钩装置4达到导向杆16顶部时，内环42上脱钩器422的上部被导向杆16顶部脱钩球17挤压并撑开，使脱钩器422与外环41脱离，即实现脱钩装置4的内、外环分离，落锤3带着外环41一起自由下落，此时减速电机214的功率骤降，自动关闭电源开关6，脱钩装置4的内环42在重力作用下沿导向杆16重新落进外环41中，至此完成一次锤击动作。

4、因减速电机214的转速较慢，根据减速电机214每次启动到落锤3脱钩所需的时间，可大致估算钢丝绳215的提升高度，进而估算探头11贯入深度，当预计贯入深度达到约20cm（可通过第三限位装置检测）时，停止试验，将设备整体提出钻孔，通过对比记录设备5录制的刻度变化与锤击记录，可获得每贯入10cm的锤击数，至此完成试验。

以上所述，仅为本发明的具体实施方案，但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种重型动力触探设备，包括触探头、落锤、记录设备，其特征在于：

所述触探头包括探头和探杆，所述探杆的前端连接所述探头，后端连接导向杆的底部，导向杆的顶部安装脱钩球，且所述探杆的杆长不超过两米；

所述落锤的中部留有用于穿过所述导向杆的第三通孔，且第三通孔的直径小于所述脱钩球的直径；

还包括保护筒和脱钩装置，所述保护筒分为上段、中段、下段，所述上段的外侧安装气囊，内部安装微型绞盘和减速电机，微型绞盘上缠绕钢丝绳，所述中段内安装所述落锤，所述下段安装所述记录设备，所述触探头的探杆后端置于所述下段内，且所述导向杆伸入所述中段，所述落锤经所述第三通孔滑动安装在所述导向杆上，并位于所述触探头的探杆上方；

所述脱钩装置包括外环和内环，所述外环的上部开设内环通过口，所述内环的中部设置用于穿过所述导向杆的第四通孔，所述内环的外壁上设置有脱钩器，所述外环与所述落锤的顶部固定连接，所述内环间隙配合安装在所述外环内，同时所述内环通过所述第四通孔间隙配合安装在所述导向杆上，所述内环的上部连接所述微型绞盘的钢丝绳，所述内环在所述微型绞盘的钢丝绳牵引下带着脱钩装置沿所述导向杆上移，当所述内环上移至所述导向杆的顶部时，所述脱钩球挤压并最终撑开脱钩器，使所述内环与外环脱离开，所述落锤实现自由落体并击打所述触探头的探杆；

所述脱钩器为Z型钩体，且所述脱钩器的中部与所述内环的外壁铰接，上部用于与所述脱钩球形成干涉，下部用于与所述外环上部设置的内环通过口形成干涉。

2.根据权利要求1所述重型动力触探设备，其特征在于，所述下段与所述触探头连接处套设橡胶薄膜。

3.根据权利要求2所述重型动力触探设备，其特征在于，所述探杆的后端设置第一限位装置，所述探杆的中部设置第二限位装置，所述保护筒的下段设置第二通孔，所述探杆穿过所述第二通孔，所述第一限位装置、第二限位装置分别位于所述第二通孔的两侧，且所述第一限位装置、第二限位装置分别与所述第二通孔形成干涉。

4.根据权利要求3所述重型动力触探设备，其特征在于，所述下段的内壁设置第三限位装置，所述第三限位装置与所述第一限位装置形成干涉。

5.根据权利要求1所述重型动力触探设备，其特征在于，所述气囊连接用于提供压缩气体的压力装置。

6.根据权利要求1所述重型动力触探设备，其特征在于，所述减速电机经电缆连接电源开关及功率传感器。

7.根据权利要求6所述重型动力触探设备，其特征在于，所述上段的顶部设置第一通孔，所述电缆穿过所述第一通孔，且所述第一通孔用防水材料封闭。

8.根据权利要求1所述重型动力触探设备，其特征在于，所述落锤采用钨制成。

9.一种利用权利要求1－8中任一项所述重型动力触探设备进行触探试验的方法，其特征在于包括：

利用钻机绞盘将重型动力触探设备整体放至钻孔孔底，使触探头抵住钻孔底部，保护筒在自重作用下降落到探杆的下限位处；

给气囊充气，使气囊膨胀，通过气囊将重型动力触探设备固定在钻孔套管内部；

启动减速电机，通过微型绞盘、脱钩装置带动落锤沿导向杆缓慢上升，当脱钩装置达到导向杆顶部时，内环上脱钩器被脱钩球挤压并撑开，脱钩装置的内、外环分离，落锤带着外环一起自由下落，同时脱钩装置的内环在重力作用下沿导向杆重新落进外环中，至此完成一次锤击动作，如此循环；

根据减速电机每次启动到内、外环脱钩所需的时间，估算微型绞盘钢丝绳的提升高度，进而估算探头贯入深度，当预计贯入深度达到20cm时，停止试验，将重型动力触探设备整体提出钻孔，通过对比记录设备录制的探杆刻度变化与锤击记录，获得每贯入10cm的锤击数，至此完成试验。