CN1267366A - 土壤检测装置 - Google Patents

Abstract

一种与有线线路探头的装有仪器的头部(16)相连接的端部开口的单个检测圆柱体(14)定位于一个常规空心杆钻探用螺旋土钻(12)的下端,该螺旋土钻(12)穿入其下面的土壤(A)中。当检测圆柱体(14)在土壤(A)中旋转期间,同时测量扭转负荷并使得轴向负荷走旁路。

Description

土壤检测装置

相关申请

本申请基于下述这些申请，申请日为1997年6月11日、申请号为60/049,341的临时申请，申请日为1997年9月22日、申请号为60/059,463的临时申请，以及申请日为1998年4月16日、申请号为60/081,917的临时申请。

发明领域

本发明总体涉及土壤检测技术。

发明背景

确定诸如土壤的耐溶解性、土壤的降解特性、弱度剪切形变时的切变模量、以及剪切形变时的切变模量的变化这样一些性质常常是重要的。一般来说，这些土壤性质以及其它一些性质对于分析来说是必需的，这些分析要预测地基或基础结构系统对于地震、海浪、或机械振动所引起的动力负荷的反应。

可通过现场检测来确定土壤性质。例如，通过透入度检测来确定土壤的耐溶解性，该土壤检测是使一个端部封闭的探头以缓慢可控制的速率钻进地下或通过猛烈的冲击使一个圆柱体进入地下。土壤的耐溶解性与穿入期间探头或圆柱体的阻力有关。

Robert和Wanda Henke的专利US 4,594,899和US 5,203,824中都公开了一种可通过扭转激发土壤来测量土壤的耐溶解性的技术。在这些专利中，所说明的检测装置包括一对穿入待检测土壤中的端部开口的同心圆柱体。可给内圆柱体施加一个扭转力，并通过安装在内圆柱体上的传感器来测量土壤中的圆柱体对所施加扭矩的反应。

在这样的土壤检测中，钻出一个到达土壤采样的的钻孔，并使检测装置通过所述钻孔下降，以便检测土壤。检测装置可固定在钻孔中的螺旋土钻上。可使检测装置经受所施加的相当大的力或力矩或者是来自土壤的其它反作用力的作用。这样，固定有检测装置的螺旋土钻可用作反作用装置，以便在检测装置上进行各种操作。

发明概述

一种土壤检测装置包括一个土壤检测圆柱体和一个外壳。提取杆将检测圆柱体和外壳连接，同时使得所述杆、外壳、以及检测圆柱体相互之间能够产生相对轴向运动。

附图简述

图1是所用的一个单独圆柱体探头的一些关键部件的示意图；

图1A是所施加的扭矩与时间的关系图；

图1B是探头的旋转反应与时间的关系图；

图2是夹带有探头的一个埋置的螺旋土钻装置的剖面图；

图3是处于第一个位置的探头的下部的剖面图；

图4是处于第二个位置的探头的下部的剖面图；

图5是处于第三个位置的探头的下部的剖面图；

图6是处于第四个位置的探头的下部的剖面图；

图7是探头圆柱体的下部的断开剖面图；

图8是探头圆柱体的下部的断开剖面图；

图9是通常的螺旋土钻插塞的剖面图；

图10是处于第一个位置的一种改进的螺旋土钻插塞的剖面图；而

图11是处于第二个位置的图10所示插塞的剖面图。

优选实施例的说明

参照图1，使一个单独的圆柱体14钻进螺旋土钻下面的土壤“A”中，这个单独的圆柱体14连接到一个有线线路探头的装有仪器的头部16，该头部16位于一个通常的空心杆式钻探用螺旋土钻12的下端。检测土壤围绕着端部敞开的检测圆柱体14的下部。要进行检测时，将一个选定强度的脉冲扭矩T(图1A)通过一个装有仪器的头部16施加到圆柱体14上一段时间t，以便在检测土壤A中感应出切变应力和应变。装有仪器的头部16和圆柱体14通过以下述一种方式以一个角度θ旋转振动一段时间t来作出反应，所述这种方式呈现为强烈地取决于检测土壤的切变模量和相关的形变参数，就如图1B所示的那样。通过分析模拟检测，从扭矩和旋转参数的测量结果来推出切变模量和相关的参数。在图1B中，硬质土壤的反应曲线17可与软质土壤的反应曲线15进行比较。

参照图2，使处于一个单独的圆柱体扭转柱面剪切检测系统(cylindertorsional cylindrical shear system)18中的一个探头10在使探头圆柱体14钻入待检测土壤中之前被夹持进一个螺旋土钻装置12中。所述探头可包括一个穿入圆柱体20、和一个轴向负荷传感器22以及用以把探头10夹进螺旋土钻装置12中的一些侧向夹具24。

图3所示的探头10的下部10a包括一个外壳28、一个装有仪器的头部30和一个可在B处相互部分分离开的探头圆柱体42。在所述外壳和装有仪器的头部/探头圆柱体的组合装置之间的连接部32使得在两个单元之间产生轴向位移、但当所述两个单元完全接合时能够通过摩擦阻碍相对转动。在探头外壳28和装有仪器的头部30之间，用一个圆柱体提取杆34进行连通。一个用于扩大的头部37的套环36提供了在圆柱体提取杆34和探头外壳28之间的接合，而用于圆柱体提取杆34之扩大的根部40的座38提供了在圆柱体提取杆34和装有仪器的头部30之间的接合。在外壳28中形成一个v形的环形槽32b，以便与在装有仪器的头部30上的v形环32a形成良好匹配。槽32b和环32a有助于对准各个匹配的零件。

如图3所示，开始时，装有仪器的头部30和探头圆柱体42由一个圆柱体提取杆34悬置在土壤A的上面。所述外壳与所述装有仪器的头部和探头圆柱体组合装置之间的连接部32的分离处于其最大状态。所述分离受到圆柱体提取杆装置和套环36以及座38的限制，头部37和根部40支撑在座38上。把圆柱体提取杆34的头部和根部以及相应的相面对表面构型成使得外壳和装有仪器的头部30/探头圆柱体42组合装置所分离的距离未超过当所述圆柱体提取杆的头部37支撑在套环36上而圆柱体提取杆34的根部40支撑在座38上时存在的距离。圆柱体提取杆的根部40和头部37的圆锥形状以及相应的支撑表面36、38有助于在所述外壳和装有仪器的头部/探头圆柱体装置之间进行适当对准。根部40可通过螺纹41与杆34连接。还设有一个加速度计33。

如图4所示，通过穿入圆柱体，探头圆柱体42按所示的方向穿入待检测土壤A中。由螺旋土钻装置来提供穿入探头圆柱体所需的反作用力，探头被夹持在所示螺旋土钻装置上(图2)。在图4中，探头处于压缩状态，而同时外壳28和装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置在连接部32处彼此接触。

在穿入期间，作用在探头内的压缩力通过穿入圆柱体传递到贯穿外壳的装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置。压缩力并不通过扭转负荷传感器44传递。这正是极想要的，因为在穿入期间所发生的压缩力可能相当大。外壳的壁可以是坚固的并且能够容易经受这样的力，但扭转负荷传感器44一般来说是薄壁的以便用于测量低强度的扭矩。上述负荷传感器在适度的压缩力的作用下可收缩。当探头处于压缩状态时，圆柱体提取杆34自由悬置在圆柱体提取杆的套环36上。在圆柱体提取杆的根部40和用于所述根部的座38之间的分离处于其最大状态。

在图5所示的下一步骤中，探头圆柱体42已经完全穿入到土壤中，穿入力已经释放，而探头已准备好检测。探头是处于部分伸展状态的，在这种状态下，外壳28已经从装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置升高(例如，利用穿入圆柱体)了一个中等的量；也就是说，在连接部32处、在所述外壳和装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置之间有一个选定尺寸的缝隙B。在这种状态下，所有施加到所述装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置上的扭矩都被传递通过扭矩负荷传感器44而未被传递通过外壳28。负荷传感器44用螺丝固定到装有仪器的头部30上。如果有一些所施加的扭矩通过外壳传递到装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置上，这个扭矩将不会被测量到，而用扭矩负荷传感器所测量的扭矩就不能代表施加到装有仪器的头部30/探头圆柱体42组合装置上的全部扭矩。这就会在解释检测结果时产生不确定性，因为没完全限定扭转激励。

此外，使得装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置与外壳28分开，这种组合装置就能在检测期间自由旋转。对于这种情况，期望检测土壤对于装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置的旋转反应有最大的影响，这样一来这种反应就最大可能限度地反映了待检测土壤的相关特性。相反，如果装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置由于在外壳28和装有仪器的头部30之间的接触而受到限制，检测土壤对于这种装置的旋转反应的影响就会减少一个未知的量。所述组合装置的反应并未将待检测土壤的相关特性反映到与下述这样一种情况相同的程度，即：这种情况就是外壳与装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置分离开。这样，就如同后一种情况那样，不容易从检测结果推出所需的土壤特性。对于探头部分地处于伸张状态的情况，圆柱体提取杆34自由悬挂在圆柱体提取杆的套环36上，而且，在圆柱体提取杆的根部40和用于此根部的座38之间的间隔是一个中间量。

借助于与负荷传感器44之延伸部分44b的楔形端44a相连接的驱动马达(未示出)来进行检测。通过负荷传感器44给装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置施加一个扭矩，然后，用加速度计33检测装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置的旋转反应。

在图6示出的下一步骤中，通过穿入圆柱体20(图2)正在从土壤中提取探头圆柱体42。该探头就像其在第一步骤期间(图3)那样处于完全伸张状态，而外壳28和装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置如同C处所示出的那样彼此分开最大可能的量。然而，在这一步骤中，由于土壤对探头圆柱体42所施加的阻力，圆柱体提取杆34处于相当大的张力下。这种张力未被传递通过扭转负荷传感器44。这样，在收缩(以及探头圆柱体的穿入)期间就防止了扭转负荷传感器44的损坏。如同在第一步骤(图3)中那样，对于探头处于完全伸张状态的情况，圆柱体提取杆34的头部37抵靠在用于该圆柱体提取杆的套环36上，而圆柱体提取杆34的根部40抵靠在用于这个根部的座38上。圆柱体提取杆34的头部37和根部40的圆锥形状以及相应的承载表面有助于使得外壳28与装有仪器的头部30/探头圆柱体42的组合装置之间适当对准。

还可以用一个定位测量传感器、一个电开关、或一个轴向负荷传感器来监控在外壳28和装有仪器的头部30/探头圆柱体42组合装置之间的接合部32的打开和关闭，这个定位测量传感器、电开关或轴向负荷传感器测量探头内的沿该探头纵向轴线的力。还可以对由上述外壳所封闭的探头的区域加压。这是有价值的，例如，当用浸没于水下深处的探头进行检测时就是这样。内部压力可减轻诸如在薄壁扭转负荷传感器内产生的大应力等大的外部流体压力的某些副作用。

如图7和8所示，具有纵向槽43的圆柱体42可包括上部46和一个具有一个穿透边缘50的可更换的下部48。在检测期间，下部48连接到上部46上。有效连接方法的一个例子是把下部48压进上部46。用一个对准工具51使得在加压操作期间将下部48的纵向槽43与上部46的槽43对准。通过加工上部46与下部48以便提供一种合适的压配合47，这样来使下部48相对于上部46固定。对于使用时的情况，下部48的穿透边缘50变得磨损过量或损坏，结果就简单地将下部48压出上部46。然后，把一个新的下部48压进上述上部，使得圆柱体恢复到其原来的状态。由于一个下部远比整个圆柱体便宜得多并且易于更换，采用分段的圆柱体其成本低得多。上述下部和上部可具有相配合的分支部分49。

还可以利用由一个单独的圆柱体扭转柱面剪切检测的结果来确定各种各样的信息，以便提供耐溶解性的指标。例如，在采用一个单独的端部开口的检测圆柱体进行扭转柱面脉冲剪切检测时在一个高度激发的检测期间，通过所检测的土壤中预计形成的最大剪切应变就可以指出耐溶解性。在图1示意性地示出的扭转柱面脉冲剪切检测中，检测部件是一个单独的端部开口的圆柱体。用扭转脉冲形负荷激发所述圆柱体。所得到的反应是该圆柱体的转动。在所检测的土壤中所形成的最大剪切应变可有效地从利用这种检测所测得的那些量推出。可高度溶解的土壤应该显示出高的最大剪切应变，耐溶解的土壤应该显示出低的最大剪切应变，而可适度溶解的土壤应该显示出中等程度的最大剪切应变。对于更强的激发，业已发现，扭转柱面脉冲剪切检测在饱和松散的、粉质沙沉积物(极可能是高度可溶解的)中导致最大应变的最大值，而在粘土状沉积物(极可能是不能溶解的)中导致最大应变的最小值。一般来说，把最大剪切应变分析估计为分析模拟试验的一部分，进行这些分析模拟试验一般来说是要估计切变模量和一些相关的参数。还可从在检测期间所做的那些测量直接得到最大剪切应变的估计值。或者，不用最大剪切应变，可采用在检测期间所测得的在检测土壤中所形成的最大孔隙水压来得到耐溶解性的指标。

扭转柱面脉冲剪切检测提供了一种独特的特征组合。期望这种组合相对于由其它广泛采用的现场方法所提供的指标能提供特别精确的现场耐溶解性指标。首先，扭转柱面脉冲剪切检测对检测土壤适当地施加了纯剪切应力。其次，这些应力是合理的高强度。第三，剪切应力适当地导致了纯剪切应变。从基本观点来看，这些特征的这种组合正是所要求的。人们相信，溶解是主要是由剪切负荷造成的。这些剪切负荷一般来说相当大，而且，最可见的那些结果就是大的剪切应变。尽管现有的那些方法都有重要的特性，但却没有一种方法具有这些特征的这种组合，这些特征对于得到现场耐溶解性的相当精确的指标来说是重要的。例如，采用低应变方法，就不可能象采用扭转柱面脉冲剪切检测那样充分地反映诸如膨胀那样的重要的高应变因素的效果。

参见图9，当钻到一个用于采样以及用于检测的特定检测深度时，螺旋土钻装置54的下端可以被塞住以防止在该螺旋土钻装置54下面的土壤朝向所述装置升起或升入所述装置。在检测深度，如果土壤已朝向螺旋土钻升起，那么，作为检测土壤的这种土壤就已受到干扰。检测结果就不会反映出所想要的、未受到干扰的土壤的所需特性。然而，当一个通常的插塞52被去除以备检测时，这个插塞仍旧可以使得土壤朝向螺旋土钻上升。实际上是一个实心圆柱体的插塞52覆盖了螺旋土钻的内孔。通过提升连接有插塞的钻杆56，从螺旋土钻装置54上去除了插塞52。在上述插塞开始移动期间(在“D”处示出)，在所述插塞和下面的土壤A之间可产生抽吸作用。所述抽吸作用导致下面的土壤跟随着插塞，就如箭头“E”所示出的那样，而这样一来，检测土壤就向上朝向螺旋土钻运动并受到干扰。

现在参照图10，一个与改进的钻杆70连接的专用螺旋土钻插塞58减少了在去除插塞期间在所述螺旋土钻插塞和下面的土壤之间所产生的抽吸作用。所述插塞有两个主要部件，即，彼此可分开一个固定间隔的一个前导钻头/阀组件60和一个外壳62。在钻孔期间，当前导钻头/阀组件60如图10所示的那样由于下面土壤的压缩而被封闭时，通过锁定楔形物66防止了上述两个部件彼此相对地围绕纵轴线旋转，而插塞就像通常那样起作用。

组件60包括一个用螺纹拧在端部74上的T型空心杆部件72。杆72适于在孔76内滑动。通过杆72确定了一个通道78。组件60和外壳62的相向的表面是相配合的楔形表面。

在螺旋土钻装置已钻到检测深度后，就去除插塞58。然而，如图11所示，在钻杆70开始运动期间，只升起所示插塞的上部。这导致阀打开，使得置于插塞上面的螺旋土钻装置中的钻井液F能够穿过流体口65、穿过开口64、围绕前导钻头/阀组件60、并与前导钻头/阀组件60下面的土壤接触。这样，当去除通常的那些插塞时，作用在所述那些插塞下面的土壤上的抽吸力就减少。结果，一旦去除所述插塞，就减少了螺旋土钻下面的土壤升起的趋势。通过抑制当将插塞从螺旋土钻上取下期间土壤朝向该螺旋土钻的升起趋势，可以使得检测土壤中的扰动最小。结果，例如，单独的圆柱体扭转柱面剪切检测可更密切地反映未被干扰的土壤的特性。

尽管已经参照有限数量的实施例说明了本发明，但是，本领域普通技术人员会从中获得众多的改进和变型。打算使所附的权利要求书覆盖属于本发明的确切构思和范围内的所有那些改进和变型。

Claims (21)

1、一种土壤检测装置，包括：

一个土壤检测圆柱体；

一个外壳；

一个将所述检测圆柱体和所述外壳加以连接的提取杆，同时使得在所述杆、所述外壳以及所述检测圆柱体相互之间能够产生相对轴向运动。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述杆具有第一和第二扩大了的端部。

3、如权利要求1所述的装置，包括一个扭转负荷传感器，所述杆延伸穿过所述扭转负荷传感器。

4、如权利要求3所述的装置，包括一个设置成使得轴向负荷走旁路绕过所述传感器的部件。

5、如权利要求1所述的装置，包括一个扭转负荷传感器和一个第一部件，所述传感器与所述第一部件连接，所述第一部件适于使得所述外壳能够沿轴向与所述圆柱体接合而不会给所述传感器施加轴向负荷。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于可选择地使所述外壳与所述圆柱体脱离开接合，使得旋转运动从所述第一部件通过所述负荷传感器传递到所述圆柱体。

7、如权利要求1所述的装置，其适于进行一种单独的圆柱体扭转柱面剪切检测。

8、一种土壤检测装置，包括：

一个端部开口的旋转土壤检测圆柱体；以及

一个用于所述圆柱体的可更换的端部；所述端部能够可松脱地固定到所述圆柱体上。

9、如权利要求8所述的装置，其特征在于所述端部被压配合到上述圆柱体上。

10、如权利要求8所述的装置，其特征在于所述圆柱体和所述端部包括一些纵向延伸的槽，在所述端部中的所述槽与在所述圆柱体中的槽对准。

11、如权利要求8所述的装置，其适于进行一种单独的圆柱体扭转柱面剪切检测。

12、一种用于封闭钻探用螺旋土钻或管道之下端的插塞，包括：

一个插塞部件；

一个阀，当提升所述插塞时这个阀可以操作；以及

一个能够含有处于所述插塞部件上面的流体的容器，使得当所述阀打开时，所述容器中的流体能够向下流动通过所述插塞部件。

13、如权利要求12所述的插塞，其特征在于当去除所述插塞时，所述阀自动打开。

14、如权利要求12所述的插塞，包括一个外壳、一个钻头以及一个与所述钻头连接的杆，所述杆能够往复运动地安装在安置于所述钻头上面的所述外壳中，所述容器与所述钻头以流体方式连通。

15、一种用于检测土壤的方法，包括：

在土壤样品中旋转一个检测圆柱体；

用一个扭转负荷传感器测量扭转负荷；以及

使轴向负荷走旁路绕过所述负荷传感器。

16、如权利要求15所述的方法，包括当将所述圆柱体插入土壤样品中时使轴向负荷走旁路绕过所述传感器。

17、如权利要求15所述的方法，包括当从土壤样品中抽出所述圆柱体时使轴向负荷走旁路绕过所述传感器。

18、如权利要求15所述的方法，包括进行扭转柱面剪切检测。

19、一种防止土壤高涨进入土壤检测装置中的方法，包括：

采用处于螺旋土钻或钻探管道的端部中的一个插塞来朝向待检测土壤样品钻一个孔；

使得当抽出所述插塞时流体通过所述插塞向下流向所述检测样品。

20、如权利要求19所述的方法，包括收集所述土壤样品上面的流体，打开所述土壤样品上方的阀，并使得流体能够穿过所述阀向下流动到所述土壤样品的上面。

21、如权利要求19所述的方法，包括自动使所述流体流动。

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