CN202693575U - 一种用于土层湿陷性判定的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于对土层湿陷性判定的测试装置，包括从锥形探头开始依次连接的圆筒型金属外套筒、推进杆及数据处理器，探头内包含有土壤水分探测器及应力传感器，土壤水分探测器包括负载电阻和水分传感器，用于探测土体内的含水量，应力传感器包括应变片和顶柱，用于测量探头的贯入阻力，该测试装置内还有注水装置用于测试土体强度时模拟临界含水量。本实用新型体积小，操作简单，能在现场土层不开挖取样情况下，初步确定湿陷性与非湿陷性土层的分界面及湿陷土层厚度，以此确定湿陷性土层下限深度，进而确定勘察时探井的取样深度；对于大面积的土性调查，优越性尤其明显，不用开挖省时省力。

Description

一种用于土层湿陷性判定的测试装置

技术领域

本实用新型涉及岩土工程测试领域，尤其涉及一种土层湿陷性判定的测试装置。

背景技术

湿陷性黄土地区的建设工程设计中，地基土的湿陷类型、湿陷等级及其平面与深度的界限，直接关系到建筑物的基础选型与地基处理方法，当然也就关系到地基基础的工期、造价和质量保证。国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》在现场勘察一节中对勘探点深度的规定中要求“应有一定数量的控制性取土勘探点穿透湿陷性黄土层”。在实际操作中，有些场地的湿陷性土层厚度可以参考邻近场地已有的岩土工程资料估算，以确定探井取样深度；有些场地无法预知湿陷性土层厚度，只有通过探井取样后进行室内土工试验得到，这就造成探井取样时无法确定取样深度，室内试验后探井已被回填而使得取土勘探点未能穿透湿陷性黄土层的问题。所以有必要在探井取样前，采用一种简单且有效的方法对土层进行湿陷性的判定，以确定探井取样深度。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是为了提供一种体积小、操作简单、能用于对黄土湿陷性进行初判的原位测试装置，并能提供地层压缩性及承载力等参数。

本实用新型提供一种用于土层湿陷性判定的测试装置，包括从圆锥型金属探头锥形探头开始依次连接的圆筒型金属外套筒、推进杆及数据处理器，所述锥形探头可以采用圆锥型金属探头，所述的锥形探头内包含有电子元件土壤水分探测器及应力传感器，应力传感器包括电阻应变片及顶柱，所述的数据处理器中包含信息输入装置及信息输出装置，数据处理器采用导线穿过推进杆连接到锥形探头内，并通过分线器将电缆内的导线分出接到锥形探头内以采集电子信息；所述的测试装置内还有注水装置，该注水装置包括注水开关、输水通道和注水环，上述的输水通道分两部分，一部分为环形输水通道，另一部分为输水管，其中环形输水通道位于外套筒内并靠近外套筒的筒壁，环形输水通道与外套筒共用轴线；输水管位于推进杆内并与环形输水通道相连接，该连接处有密封垫圈套，输水管的进水口上有注水开关，打开注水开关后，水流通过输水管进入环形输水通道，再通过注水环进入土壤中。

本实用新型能在现场直接对原位土体进行试验，测定湿陷土层厚度及分界面，具有简单直观的优势。它是基于如下理论实现的：非湿陷性土层中，非饱和土的强度高于饱和土，随含水量的增加其强度缓慢下降；湿陷性土层中，土体结构强度在较低的初始含水量时表现为较高的强度，但随着含水量的增加，土体结构浸水遭破坏，其强度随之迅速降低，当含水量提高到一定值(或称为临界含水量)时，就不再存在结构强度了；因而，通过比较天然含水量土体和饱和土体的强度变化，能初判黄土是否为湿陷性黄土；土体的强度则通过锥形探头贯入阻力来测定。

本实用新型所述输水管位于推进杆内并与环形输水通道相连接，上述的输水通道和注水环是由外壁和内壁组成的双层中间有空腔的环形圆筒构成，上部内壁有孔和输水管相接，下部用隔板隔出10～20mm高部分充填砂砾作为注水环；注水环和输水通道为同一环形圆筒，隔出注水环，因此，本实用新型制作简单，只需在外壁有孔的部位充填砂砾，外壁有孔的高度不能太高，便能够能顺利出水。所述输水通道做成环形通道的目的是便于水可以均匀地分布在注水环里，进而注入土中。输水管的进水口上有注水开关，打开注水开关后，水流通过输水管进入环形输水通道，再通过注水环进入土壤中。

所述环形输水通道为双层中间有空腔的环型圆筒，该环型圆筒双层壁的间隙一般为3～6mm，其中优选间隙为5mm，可以达到最佳的注水效果。所述注水环位于锥形探头与外套筒的连接处，顶部由带孔隔板与输水通道隔开，注水环空腔内填充有直径1.5～2.5mm的砂砾颗粒，该砂砾颗粒的理想直径为2mm，主要是起滤层作用，防止泥土堵塞注水通道，并能够让注入的水顺利通过。注水环圆筒外壁分布有孔径为0.8～2mm的出水孔，出水孔的数量可根据实际情况设定，出水孔的理想孔径为1mm，该孔径下，可顺利排水又可阻止空腔内的砂砾漏出。

上述的注水环圆筒外壁分布孔径为0.8～2mm的出水孔，可根据不同的土壤来采用不同孔径的出水孔，对于常见的黄土层，孔径为1mm效果最好，既能顺利排水，又能防止出水孔被堵塞。

上述的圆锥型金属探头锥形探头的圆锥体锥尖角一般为55～65度，其中60度是比较理想的锥尖角，此角度下，金属探头前进的阻力适中，可取得良好的测试数据。

上述的圆锥型金属探头锥形探头的圆锥体底面直径为3～5cm，其中比较理想的直径为4.5cm，此时投影面的面积约16cm2，即圆锥体底部面积。

对上述技术方案的进一步改进在于，所述的锥形探头的圆锥体的锥尖为球型，球型锥尖与圆锥体相切的圆形横截面为锥尖平面，该锥尖平面的直径为1.5～3mm，其中理想的直径为2mm。锥尖被削成球型后，在土壤中前进的阻力变均匀，更有利于提高测试数据的精确度。

现有技术中，土体湿陷性的判定都是通过土样的室内试验进行的，这使得取土样位置的确定和土样结果在时间上倒置；对于土体湿陷性的大面积区域性调查，也存在费时费力和可能返工的情况。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于能够在现场直接对原位土体进行试验，测定湿陷土层厚度及分界面，具有简单直观的优势。此测试装置能能够在现场土层不开挖取样情况下，通过原位测试对土体的湿陷性进行判定，初步确定湿陷性与非湿陷性土层的分界面及湿陷土层厚度，以此确定湿陷性土层下限深度，进而确定勘察时探井的取样深度；对于大面积的土性调查，优越性尤其明显，不用开挖省时省力。此外，本实用新型还能够能对原位土体的土层进行划分，并粗略估算土体强度和压缩性；对于人工地基的处理深度是否达到规定要求也能做出直观的判断，在湿陷性黄土层地的试验测试方面具有重要的应用意义。

附图说明

图1为本实用新型的土层湿陷性判定的测试装置的结构示意图；

图2为本实用新型的锥形探头排水部分结构示意图。

图中标记：1-水分传感器；2-负载电阻；3-电阻应变片；4-顶柱；5-分线器；6-电缆；7-输水通道；8-数据处理器；9-注水开关；10-推进杆；11-密封垫圈套；12-外套筒；13-带孔隔板；14-砂砾；15-出水孔；16-锥形探头；17-锥尖。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

本测试装置基于如下理论实现的：非湿陷性土层中，非饱和土的强度高于饱和土，随含水量的增加其强度缓慢下降；湿陷性土层中，土体结构强度在较低的初始含水量时表现为较高的强度，但随着含水量的增加，土体结构浸水遭破坏，其强度随之迅速降低，当含水量提高到一定值(或称为临界含水量)时，就不再存在结构强度了。因而，通过比较天然含水量土体和饱和土体的强度变化，能初判黄土是否为湿陷性黄土；土体的强度则通过锥形探头贯入阻力来测定。

实施例：

本例的测试装置从锥形探头16开始依次连接的部件还包括圆筒型金属外套筒12、推进杆10及数据处理器8，所述的锥形探头16内包含有电子部件土壤水分探测器及应力传感器，土壤水分探测器包括水分传感器1和负载电阻2，应力传感器包括电阻应变片3及顶柱4，所述的数据处理器8中包含信息输入装置及信息输出装置，数据处理器8有电缆6穿过推进杆10连接到锥形探头16内的电子部件，并通过分线器5将电缆6内导线分出接到锥形探头16内的各电子部件上以采集电子信息，所述的测试装置内还包括注水装置，该注水装置包括注水开关9、输水通道7和注水环，所述注水环包括带孔隔板13、砂砾14和出水孔15，位于锥形探头16与外套筒12连接处的圆筒外壁分布至少一个出水孔15；所述输水通道7分两部分，一部分为环形输水通道，另一部分为输水管，其中环形输水通道位于外套筒内并靠近外套筒的筒壁，环形输水通道与外套筒12共用轴线，输水管位于推进杆10内并与环形输水通道相连接，该连接处有密封垫圈套11，输水管的进水口上有注水开关9。

圆锥型金属探头的锥形探头16开始依次连接的部件还包括圆筒型金属外套筒12、推进杆10及数据处理器8，金属外套筒12为空心圆柱体，由厚度为5mm的经热处理后的不锈钢(40Cr)材料制成，其直径一般为3～5cm，理想直径4.5cm，高度为7～10cm，理想高度为9cm。推进杆10为经热处理后的不锈钢(40Cr)材料制成的空心圆管，圆管外径为1.5cm，内径为1cm，推进杆10可首尾连接不断续接用于将锥形探头16持续压入土层中。金属锥形探头16为实心圆锥体，由经热处理后的不锈钢(40Cr)材料制成，内部有电子部件土壤水分探测器及应力传感器，应力传感器包括电阻应变片3及顶柱4，这里的顶柱为短圆柱体，由经热处理后的60Si2Mn钢材料制成的实心体，横截面直径为1.5cm，高度为3.0cm，安放在圆柱形探筒中轴线底部，与圆锥形探头16相连接，其作用是在不同的锥尖17阻力变化下产生不同的应变，从而由电阻应变片应变测出锥尖17阻力。

上述的数据处理器8中包含信息输入装置及信息输出装置，可以是一台电脑或数据处理终端，数据处理器8有电缆6穿过推进杆10连接到锥形探头16内的各电子部件。通过分线器5将电缆内导线分出接到锥形探头16内的各电子部件上用于采集电子信息。应力传感器用以探测锥形探头16的进入土层的阻力即贯入阻力。传感器探测到贯入阻力后，将产生电阻变化信号，通过图1中所示金属导线传至地面数据处理器8。由探测到的贯入阻力可推算土体强度及压缩性等参数。

上述的测试装置内还有注水装置，该注水装置包括注水开关9、输水通道7和注水环，该环形输水通道为双层中间有空腔的环型圆筒，圆筒12的双层壁的间隙一般为3～6mm，理想的间隙为5mm，可以达到最佳的注水效果。环形通道上部内壁有孔和输水管相连接，该连接处有密封垫圈套11，下部用隔板隔出15mm高部分作为注水环。该注水环位于锥形探头16与外套筒12的连接处，其内填充有直径1.5～2.5mm的砂砾颗粒14，注水环顶部为带孔隔板13。该砂砾颗粒的理想直径为2mm，主要是起滤层作用，防止泥土堵塞注水通道，而又能让注入的水顺利通过。注水环外壁分布至少一个孔径为0.8～2mm的出水孔，出水孔的理想孔径为1mm，该孔径下，可顺利排水又可阻止空腔内的砂砾漏出。

上述的注水环圆筒外壁分布孔径为0.8～2mm的出水孔，可根据不同的土壤来采用不同孔径的出水孔，对于常见的黄土层，孔径为1mm效果最好，即能顺利排水，又能防止出水孔被堵塞。

上述装置的输水通道分两部分，一部分为环形输水通道，另一部分为输水管，其中环形输水通道位于外套筒内并靠近外套筒12的筒壁，环形输水通道与外套筒12共用轴线，输水管位于推进杆10内并与环形输水通道相连接，输水管的进水口上有注水开关9，打开注水开关9后，水流通过输水管进入环形输水通道，再通过注水环进入土壤中。

上述的锥形探头16的圆锥体纵截面夹角一般为55～65度，其中60度是比较理想的夹角，此夹角下，金属锥形探头16前进的阻力适中，可取得良好的测试数据。

上述的锥形探头16圆锥体底面直径为3～4cm，其中比较理想的直径为4.5cm，此时圆锥底部面积约16cm2。

对上述技术方案的进一步改进在于，所述的锥形探头16的圆锥体的锥尖17为球型，其特征在于所述的锥形探头16的圆锥体的锥尖17为球型，球型锥尖17与圆锥体相切的圆形横截面直径为1.5～3mm，比较理想的直径为2mm。锥尖17被削成球型后，在土壤中前进的阻力变均匀，更有利于提高测试数据的精确度。

使用此装置时，可以先测得某一深度处原状黄土锥尖17的阻力，并推算出天然含水量下黄土的强度，然后给锥尖17附近的土注水至饱和，再测出此时土体的锥尖17的阻力，通过比较土体饱和前后强度的变化，初判土层是否为湿陷性黄土。

本例的具体实施过程是，对测试装置尾部的推进杆10施加一个力，将锥形探头16匀速压入土中，锥形探头16在探入过程中与土体接触时会产生贯入阻力，探头传感器产生电阻变化信号，此变化的信号将传送到地面的数据处理器8上。在不同土层状况下，贯入阻力各有差异，因而通过贯入阻力可以划分土层。

需要判别土体湿陷性时，开启水阀注水开关9，加水至探头所在位置土层至饱和，若土体遇水湿陷，贯入阻力会产生明显变化，通过贯入阻力的变化，按照地区经验公式，可以推算土体强度，通过土体强度的变化，可以初判黄土湿陷性。

本实用新型中，相关专业术语说明如下：带孔隔板13、砂砾14和出水孔15组成注水环；水分传感器1和负载电阻2组成土壤水分探测器；顶柱4的位置、形状及其作用意义包括顶柱为短圆柱体，安放在圆柱形探筒中轴线底部，与锥形探头16相连接，其作用是在不同的锥尖17的阻力变化下产生不同的应变，从而由电阻应变片的应变测出锥尖17的阻力变化；电阻应变片也称电阻应变计，简称应变片或应变计，是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。

电阻应变片是由Φ＝0.02-0.05mm的康铜丝或镍铬丝绕成栅状(或用很薄的金属箔腐蚀成栅状)夹在两层绝缘薄片中(基底)制成；用镀银铜线与应变片丝栅连接，作为电阻片引线。电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件的变化，进而发生电阻变化。，其变化关系式如下：dR/R＝Ks*ε。

其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否；ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。

由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε与电阻变化率dR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。

以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于土层湿陷性判定的测试装置，包括从圆锥型金属探头(16)开始依次连接的圆筒型金属外套筒(12)、推进杆(10)及数据处理器(8)，所述的锥形探头(16)内包含有电子部件土壤水分探测器及应力传感器，土壤水分探测器包括水分传感器(1)和负载电阻(2)，应力传感器包括电阻应变片(3)及顶柱(4)，所述的数据处理器(8)中包含信息输入装置及信息输出装置，数据处理器(8)采用电缆(6)穿过推进杆(10)连接到锥形探头(16)内，并通过分线器(5)将电缆(6)内的导线分出接到锥形探头(16)内以采集电子信息，其特征在于，所述的测试装置内还包括注水装置，该注水装置包括注水开关(9)、输水通道(7)和注水环，所述注水环包括带孔隔板(13)、砂砾(14)和出水孔(15)，位于锥形探头(16)锥形探头与外套筒(12)的连接处的圆筒外壁分布出水孔(15)；所述输水通道(7)分两部分，一部分为环形输水通道，另一部分为输水管，其中环形输水通道位于外套筒(12)内并靠近外套筒(12)的筒壁，环形输水通道与外套筒(12)共用轴线，输水管位于推进杆(10)内并与环形输水通道相连接，该连接处有密封垫圈套(11)，输水管的进水口上有注水开关(9)。

2.如权利要求1所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于，所述环形输水通道为环形圆筒双层壁通道，环形圆筒双层壁的间隙为3～6mm，圆筒中填充直径1.5～2.5mm的砂砾(14)颗粒，填充砂砾(14)的圆筒外壁上面分布有孔径为0.8～2mm的出水孔(15)。

3.如权利要求2所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于，所述环形圆筒双层壁的间隙为5mm，圆筒中填充直径2mm的砂砾(14)颗粒，圆筒外壁分布孔径为1mm的出水孔(15)。

4.如权利要求1所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于注水环的高度为1～3cm，所述注水环的高度为即填充砂砾(14)和出水孔(15)的顶部平面距离锥形探头(16)锥底平面的高度。

5.如权利要求4所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于注水环的高度为1.5cm。

6.如权利要求1所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于所述的锥形探头(16)的圆锥体锥尖角为55～65度，圆锥体的锥尖(17)为球型，球型锥尖(17)与圆锥体相切的圆形横截面直径为1.5～3mm。

7.如权利要求6所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于所述的锥形探头(16)的圆锥体锥尖角为60度，锥尖(17)与圆锥体相切的圆形横截面直径为2mm。

8.如权利要求1所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于所述的锥形探头(16)的圆锥体底面直径为3～5cm。

9.如权利要求8所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于所述的锥形探头(16)的圆锥体底面直径为4.5cm。

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