CN207798532U - 一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置。包括多功能探头、迥转钻进装置、光纤光栅无线解调仪、机箱外壳和底座。所述的多功能探头包括Y字形板头和锥尖测头，锥尖测头安装在Y字形板头的底端；所述的迥转钻进装置包括探杆、卡盘、步进电机、压入主机、安装平台和固定装置；所述的探杆自下而上贯穿整个迥转钻进装置，依次穿过卡盘、步进电机、安装平台和压入主机，底部与多功能探头连接；本实用新型具有精确度高、稳定性好、防水性好、抗电磁干扰能力强、多参量监测、自动实时监测等优点，可同时获取锥尖阻力、土体抗剪强度和探头温度，并通过光纤光栅无线解调仪实现监测数据的自动采集、远程传输等功能。

Description

一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置

技术领域：

本实用新型涉及光纤感测和地基原位测试领域，具体涉及一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置。

背景技术：

土体作为一种天然生成的三相介质，一般具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低等特点，在工程施工中的危害性大，常造成地基破坏、边坡失稳等问题。因此快速有效地测定地基土体的物理力学性质是岩土工程中的重要课题。目前，常用的地基原位测试方法包括平板荷载试验、十字板剪切试验和静力触探试验等。

一般而言，平板荷载试验是确定地基承载力最直接也相对准确的原位测试方法，但该方法成本较高，耗时费力，限制了其在工程中的应用。十字板剪切试验多为手动操作，人工误差大。近年来开始出现的电测式十字板剪切试验和静力触探试验在理论上较为完善，具有快速、经济、节省人力等优点，但这两种方法只能测量单个物理量，且应变片的测量精度有限，在现场测试过程中可能会受到电磁干扰，应变片在潮湿环境中容易发生短路，不适合富水地层土体的测试。

光纤传感器因具有灵敏度高、稳定性好、耐腐蚀、抗电磁波干扰、准分布式等优点，近年来得到了飞速的发展。其中，光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，简称光纤光栅)是目前比较成熟的光纤传感技术，已广泛应用于地质工程、岩土工程和水利工程等多个领域，为地基原位测试方法的革新提供了一种有力的工具。光纤光栅的传感原理是，当宽带入射光进入光纤时，光纤光栅会反射特定波长的光，反射光的中心波长λ_B和应变Δε、温度ΔT之间满足以下关系：

式中：K_ε为应变传感灵敏度系数，K_T为温度传感灵敏度系数，Δλ_B为中心波长的变化量。对于一般的光纤光栅传感器，K_ε≈0.78×10^-6με^-1，K_T≈6.67×10^-6℃^-1。光纤光栅的中心波长对温度和应变都极为敏感，所以光纤光栅应变传感器和温度传感器具有很高的精度。同时，不同中心波长的光纤光栅可以串联使用，组成准分布式的传感序列，实现对光纤沿线应变或温度数据的自动采集。

发明内容

针对现有地基原位测试技术的不足，本实用新型的目的是提供一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置。与传统装置相比，本实用新型具有精确度高、稳定性好、防水性好、抗电磁干扰能力强、多参量监测、自动实时监测等优点，可同时获取锥尖阻力、土体抗剪强度和探头温度，并通过光纤光栅无线解调仪实现监测数据的自动采集、远程传输等功能。

本实用新型采用了如下技术方案：一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置，包括多功能探头、迥转钻进装置、光纤光栅无线解调仪、机箱外壳和底座，多功能探头穿过底座贯入地基土体中，另一头连接迥转钻进装置再经由信号传输光纤与光纤光栅无线解调仪连接，迥转钻进装置外设机箱外壳，机箱外壳和底座连接；所述的多功能探头包括Y字形板头和锥尖测头，锥尖测头安装在Y字形板头的底端；所述的迥转钻进装置包括探杆、卡盘、步进电机、安装平台、压入主机和固定装置，所述的探杆自下而上贯穿整个迥转钻进装置，依次穿过卡盘、步进电机、安装平台和压入主机，探杆底部与多功能探头连接；迥转钻进装置通过固定装置安装在机箱外壳内壁；所述的底座下部设置滚轮和支座。

所述的Y字形板头由三块夹角互为120°的三角形金属侧板组成，各金属侧板上都安装侧板光纤光栅应变传感器，侧板光纤光栅应变传感器通过信号传输光纤互相串联。

所述的Y字形板头的侧板上刻有细槽，侧板光纤光栅应变传感器紧紧黏贴在细槽中间，表面覆盖一层环氧树脂。

所述的锥尖测头由下往上依次设置锥尖头、传力柱、弹性金属膜片、锥尖头光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器；锥尖头光纤光栅应变传感器紧贴在弹性金属膜片上，通过信号传输光纤与光纤光栅温度传感器串联。

所述的弹性金属膜片为四周固定的等厚度圆形薄板。

所述的探杆为单个或多个串联，探杆侧边开有细缝，刚好允许信号传输光纤穿过细缝，并放置在探杆中空部分。

有益效果

1.与传统的电测十字板剪切仪和静力触探相比，本实用新型具有精确度高、稳定性好、防水性好、抗电磁干扰能力强，不会因为仪器老化或者密封性不好等原因受潮发生短路，因此适用于富水地层土体的原位测试。

2.采用本实用新型可同时获取多个物理量，包括锥尖阻力、抗剪强度和探头温度,三组监测数据可以相互比较、印证，对正确评价土体的物理力学性质和现场的工程地质条件具有重要的意义。

3.本实用新型采用Y字形板头，相较于传统的十字板剪切仪，更容易贯入土体中，减小测试过程中对原位土体的扰动。

4.通过光纤光栅无线解调仪，实现了光纤光栅传感器读数的自动获取、远程传输和实时显示等。

附图说明

图1为本实用新型的一个较佳实施例的基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置示意图。

其中：1.包括多功能探头，2.迥转钻进装置，3.光纤光栅无线解调仪，4.机箱外壳，5.底座，6.Y字形板头，7.锥尖测头，8.探杆，9.卡盘，10.步进电机，11.安装平台，12.压入主机，13.固定装置，14.滚轮，15.支座，16.侧板，17.光纤光栅应变传感器，18.信号传输光纤。

图2为本实用新型的一个较佳实施例的多功能探头示意图，包括Y字形板头和锥尖测头。

其中：6.Y字形板头，7.锥尖测头，16.侧板，17-1为侧板光纤光栅应变传感器， 17-2为锥尖头光纤光栅应变传感器，18.信号传输光纤，19.锥尖头，20.传力柱，21.弹性金属膜片，22.光纤光栅温度传感器。

图3为本实用新型的Y字形板头侧板剪切时的受力情况示意图。其中1为地基土抗剪力示意图，τ_f为地基土抗剪强度，2θ为圆锥形剪破面的顶角，2为侧板受力示意图，F为侧板所承受的土压力。

图4为根据本实用新型的一个较佳实施例的试验结果所绘制的曲线，包括1尖端阻力-深度、2抗剪强度-深度、3温度-深度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本实用新型的技术方案作更为具体的描述。

一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置，包括多功能探头、迥转钻进装置、光纤光栅无线解调仪、机箱外壳和底座。所述的多功能探头包括Y 字形板头和锥尖测头，锥尖测头安装在Y字形板头的底端；所述的迥转钻进装置包括探杆、卡盘、步进电机、安装平台、压入主机和固定装置；所述的探杆自下而上贯穿整个迥转钻进装置，依次穿过卡盘、步进电机、安装平台和压入主机，底部与多功能探头连接；迥转钻进装置通过固定装置被安装在机箱外壳内壁；所述的底座上部安置机箱外壳，下部安装滚轮和支座，多功能探头从底座中间穿过，贯入地基土体中。

作为优选，所述的Y字形板头由三块夹角互为120°的三角形金属侧板组成，各金属侧板上都安装了一个光纤光栅应变传感器，三个光纤光栅应变传感器通过信号传输光纤互相串联。

作为优选，所述的Y字形板头的侧板上刻有细槽，光纤光栅应变传感器紧紧黏贴在细槽中间，表面覆盖一层环氧树脂。

作为优选，所述的锥尖测头包括锥尖头、传力柱、弹性金属膜片、光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器；光纤光栅应变传感器紧贴在弹性金属膜片上，与光纤光栅温度传感器串联。

作为优选，所述的弹性金属膜片为四周固定的等厚度圆形薄板，通过传力柱与锥尖头相连接；当锥尖头受到阻力时，弹性金属膜片发生弯曲变形，带动光纤光栅应变传感器产生应变。

作为优选，所述的探杆顶部可通过螺纹连接更多探杆，以增大贯入深度，每根探杆侧边开有细缝，刚好允许信号传输光纤穿过细缝，并放置在探杆中空部分。

作为优选，所述的信号传输光纤一端将所有光纤光栅应变传感器和温度传感器串联，一端从探杆中穿过，延伸到机箱外壳外，与光纤光栅无线解调仪连接。

进一步地，上述一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一为清场、就位：清理并平整待测场地，装置底座固定在待测地基上方，将信号传输光纤连接至光纤光栅无线解调仪。

步骤二为贯入：压入主机提供推力，将多功能探头垂直贯入到所要测试的地基深度，测量多功能探头的锥尖阻力和温度变化。

步骤三为剪切：用卡盘将探杆卡住，静置数分钟，多功能探头在步进电机作用下，以预先设置好的剪切速率在土层中缓慢旋转，直至将周围土体完全剪破，测量地基土抗剪强度。

步骤四为再贯入：完成一次测试后，静置数分钟，将多功能探头下压到要测试的各个深度，重复步骤2和步骤3的操作。

步骤五为取出：测试完成后将探杆缓慢从土中拔出，清理多功能探头。

作为优选，步骤二所述的多功能探头温度由锥尖测头中的光纤光栅温度传感器测得，并用作光纤光栅应变传感器的温度补偿。

作为优选，步骤二所述的多功能探头的锥尖阻力经过理论公式推导得出：

式中p_s为锥尖阻力；ε为弹性金属膜片的切向应变，由贴在上面的光纤光栅应变传感器测得；E、h、v分别为弹性金属膜片的弹性模量、厚度和泊松比。

作为优选，步骤三所述的地基土抗剪强度经过理论公式推导得出：

式中：τ_f为地基土抗剪强度；E为Y字形板头侧板的弹性模量；α为剪切时侧板的轴向应变与径向应变的比值，通过标定试验确定；ε₁、ε₂、ε₃分别为Y字形板头各个侧板上的径向应变，由贴在侧板上的光纤光栅应变传感器测得；R、H分别为Y字形板头半径和高度。

作为优选，步骤二、三、四所述的温度和应变数据均用光纤光栅无线解调仪实时采集、记录并上传至云端。

实施例

如附图1和附图2所示，一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置，包括多功能探头1、迥转钻进装置2、光纤光栅无线解调仪3、机箱外壳4 和底座5。所述的多功能探头1包括Y字形板头6和锥尖测头7，锥尖测头7安装在Y字形板头6的底端；所述的迥转钻进装置2包括探杆8、卡盘9、步进电机10、安装平台11、压入主机12、和固定装置13；所述的探杆8自下而上贯穿整个迥转钻进装置2，依次穿过卡盘9、步进电机10、安装平台11和压入主机 12，底部与多功能探头1连接；迥转钻进装置2通过固定装置13被安装在机箱外壳4内壁；所述的底座5上部安置机箱外壳4，下部安装滚轮14和支座15，多功能探头1从底座5中间穿过，贯入地基土体中。

本实施例中，所述的Y字形板头6由三块夹角互为120°三角形金属侧板16 组成，侧板16的材料采用具有线弹性应力-应变关系的不锈钢，尺寸厚度d×高度H×半径R＝0.1cm×10cm×5cm，各金属侧板16上刻有细槽，细槽中间紧紧黏贴一个侧板光纤光栅应变传感器17-1，传感器表面覆盖一层环氧树脂，三个侧板光纤光栅应变传感器17-1通过信号传输光纤18互相串联。

本实施例中，所述的锥尖测头7包括锥尖头19、传力柱20、弹性金属膜片 21、锥尖头光纤光栅应变传感器17-2和光纤光栅温度传感器22。所述的锥尖头光纤光栅应变传感器17-2紧贴在弹性金属膜片21上，与光纤光栅温度传感器22 串联。所述的弹性金属膜片21为四周固定的等截面圆形薄板，通过传力柱20 与锥尖头19相连接，当锥尖头19受到阻力时，弹性金属膜片21弯曲变形，从而带动贴在上面的光纤光栅应变传感器17-2产生应变。

本实施例中，所述的探杆8为单个或多个通过螺纹或其他紧固件串联更多探杆8，以增大贯入深度，探杆8侧边开有细缝，刚好允许信号传输光纤18穿过细缝，并放置在探杆8中空部分。所述的信号传输光纤18采用直径为0.9mm的单模单芯紧包光纤，其一端将所有光纤光栅应变传感器17和信号传输光纤18 串联，一端从探杆8的中空部分穿过，延伸到机箱外壳4外，与光纤光栅无线解调仪3连接。

本实施例提供的上述一种基于光纤光栅的地基原位测试装置的使用方法，包括如下步骤：

1)清场、就位：清理并平整待测场地，装置底座5固定在待测地基上方，调整底座5水平，将信号传输光纤18连接至光纤光栅无线解调仪3，调试光纤信号，确保所有传感器工作正常。

2)贯入：压入主机12提供推力，将多功能探头1以大约20mm/s的速度垂直贯入至所要测试的地基深度。在贯入时，锥尖测头7测量出探头的锥尖阻力和温度变化。

3)剪切：用卡盘9将探杆8卡住，静置2～5分钟，Y字形板头6在步进电机10的作用下，以1°/10s的剪切速率在土层中缓慢旋转，直至Y字形板头6将周围土体完全剪破。Y字形板头6侧板16上的光纤光栅应变传感器17-1能够测量出剪切过程中侧板16的径向应变。

4)再贯入：完成一次试验后，静置数分钟，将多功能探头1下压到要试验的各个深度，重复步骤二和步骤三的操作。温度和应变数据均用解调设备和计算机实时采集、记录并上传至云端，并迅速传送到手机、电脑等客户端。

5)取出：试验完成后将探杆8缓慢从土中拔出，清理多功能探头1，以便下次试验继续使用。

本实施例中，所述的多功能探头1的温度变化由锥尖测头7内的光纤光栅温度传感器22测量得到，探头在贯入过程中，因为摩擦探头温度会升高，为了消除温度对光纤光栅应变传感器17结果的影响，在探头尖端的锥尖测头7中安装一个光纤光栅温度传感器22，用作温度补偿，同时根据探头温度的变化可以推算出贯入时受到的阻力大小。

本实施例中，所述的多功能探头1的锥尖阻力与弹性金属膜片中心的切向应变之间有如下关系：式中p_s为锥尖阻力；ε为弹性金属膜片21 中心的切向应变，由贴在上面的光纤光栅应变传感器17-2测得；E、h、v分别为弹性金属膜片21的弹性模量、厚度和泊松比。

本实施例中，Y字形板头6侧板16的径向应变经过理论公式推导得出地基土抗剪强度值。其原理是根据Y字形板头6侧板16上的弯矩M_板应等于锥形侧面上的抗剪力对轴心的抵抗力矩M_侧和上端面的抗剪力对轴心的抵抗力矩M_端之和来求地基土的抗剪强度(附图3)，即：M_板＝M_侧+M_端，其中锥形侧面的抵抗力矩为端面的抵抗力矩为Y字形板头6侧板16共三部分，其弯矩分别为M₁、 M₂、M₃，其中M₂、M₃由此类推，总弯矩于是，地基土抗剪强度为式中：τ_f为地基土抗剪强度，E为Y字形板头6侧板 16的弹性模量；α为剪切时侧板16的轴向应变与径向应变的比值，通过标定试验确定；ε₁、ε₂、ε₃分别为Y字形板头6各个侧板16上的径向应变；R、H分别为Y字形板头6的半径和高度。

需要说明的是，除上述实施例外，本实用新型专利还可以有其它实施方式。凡采用等同替换、等效变换和润饰改进形成的技术方案，均落在本实用新型专利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置，其特征在于，包括多功能探头、迥转钻进装置、光纤光栅无线解调仪、机箱外壳和底座，多功能探头穿过底座贯入地基土体中，另一头连接迥转钻进装置再经由信号传输光纤与光纤光栅无线解调仪连接，迥转钻进装置外设机箱外壳，机箱外壳和底座连接；所述的多功能探头包括Y字形板头和锥尖测头，锥尖测头安装在Y字形板头的底端；所述的迥转钻进装置包括探杆、卡盘、步进电机、安装平台、压入主机和固定装置，所述的探杆自下而上贯穿整个迥转钻进装置，依次穿过卡盘、步进电机、安装平台和压入主机，探杆底部与多功能探头连接；迥转钻进装置通过固定装置安装在机箱外壳内壁；所述的底座下部设置滚轮和支座。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置，其特征在于，所述的Y字形板头由三块夹角互为120°的三角形金属侧板组成，各金属侧板上都安装侧板光纤光栅应变传感器，侧板光纤光栅应变传感器通过信号传输光纤互相串联。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置，其特征在于，所述的Y字形板头的侧板上刻有细槽，侧板光纤光栅应变传感器紧紧黏贴在细槽中间，表面覆盖一层环氧树脂。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置，其特征在于，所述的锥尖测头由下往上依次设置锥尖头、传力柱、弹性金属膜片、锥尖头光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器；锥尖头光纤光栅应变传感器紧贴在弹性金属膜片上，通过信号传输光纤与光纤光栅温度传感器串联。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置，其特征在于，所述的弹性金属膜片为四周固定的等厚度圆形薄板。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置，其特征在于，所述的探杆为单个或多个串联，探杆侧边开有细缝，刚好允许信号传输光纤穿过细缝，并放置在探杆中空部分。