TWI531698B - Integration of tension measurement function of the cone penetrometer - Google Patents

Description

整合張力量測功能之圓錐貫入儀

本發明係屬一種土壤測量之技術領域，尤指一種整合張力量測功能之圓錐貫入儀，運用圓錐貫入試驗操作簡單、迅速、擷取資料具連續性之特點，以及張力計的量測方式，結合兩種試驗操作模式，研發整合張力量測功能之圓錐貫入試驗技術。整合式的試驗技術可以在迅速置換的方式下，持續進行不同土層深度之張力量測並獲致其圓錐貫入試驗參數，具備多點式量測與擷取連續性地層工程參數之優勢。

非飽和邊坡在降雨過後會造成土壤的含水量上升與基質吸力(matric suction)降低，進而使得剪力強度下降而引致邊坡滑動破壞，而邊坡的穩定性可以運用非飽和土壤基質吸力與強度參數進行其邊坡穩定分析。現地試驗是獲得現地特性最直接的方式。

圓錐貫入試驗(Cone Penetration Test,CPT)是一種廣泛使用的現地試驗方法，可以藉由錐尖阻抗(cone tip resistance,qc)與袖管摩擦阻抗(sleeve friction resistance,fs)推求現地土壤之強度參數，CPT可應用於土層中，依據試驗結果推求不同土層的承載力和剪力強度的結果。

根據ASTM D5778標準的圓錐貫入試驗儀，其為底面直徑35.7mm(截面積10cm²)的圓錐體，錐頭角度呈60度，試驗時以20mm/sec的穩定速度將圓錐貫入土中。試驗過程除記錄圓錐貫入阻抗(cone penetration resistance,qc)，及作用在錐頭後方圓柱外壁之袖管摩擦阻抗(sleeve friction resistance,fs)。CPT操作簡單、迅速，加上擷取資料具連續性，因此對現地土壤的量測與分析，提供很大的助益。

而張力計(tensiometer)則為量測非飽和土壤基質吸力經常使用的方法。張力計量測時，其感測單元之進氣吸力陶瓷必須與土壤密切接觸，然而鑽孔與埋設張力計皆需耗費不少時間。

有鑑於上述習知張力計的缺失，本發明人乃亟思創作用於結合張力計及圓錐貫入儀的方法。是以，如何開發一種更具理想實用性之創新結構，實是消費者所殷切企盼，亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向。有鑑於此，發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。

張力計量測時，其感測單元之進氣吸力陶 瓷必須與土壤密切接觸，然而鑽孔與埋設張力計皆需耗費不少時間。

提供一種整合張力量測功能之圓錐貫入 儀，係包括：一中空之外套管，該外套管後端設有一外套管結合蓋，該外套管結合蓋中央有一第一穿孔，可供傳輸線穿出；一中空之內套管，該內套管係設於該外套管內；一內套管結合蓋中央有一第二穿孔，可供傳輸線穿出，且該內套管結合蓋頂端設有一卡合緣，而該內套管結合蓋底端係可與該內套管後端結合，當該內套管結合蓋結合該內套管時，該卡合緣可卡合於該外套管後端，可利用該內套管結合蓋抽取及置放該內套管；一貫入錐頭組件及一張力計組件，該貫入錐頭組件及該張力計組件可組設於該內套管前端；其中，該外套管結合蓋係藉由陰陽螺紋固接該外套管。

其中，該內套管結合蓋軸向方向設有一剖槽，可方便線材之拿取；其中，該內套管結合蓋係藉由陰陽螺紋固接該內套管。

其中，當該內套管設於該外套管內部時，該外套管結合蓋底端係抵靠該內套管後端；其中，該外套管前端設有一中空套接管，可方便更換該貫入錐頭組件及該張力計組件；其中，該外套管及該內套管係可由數中空管所螺接而成，可依使用長度而調整各該中空管之數目； 當需量測土壤之強度參數時，首先將該貫入錐頭組件固定於該內套管前端，該貫入錐頭組件的傳輸電纜線可收納於該內套管內，再來將該內套管放入該外套管內，使得該貫入錐頭組件係突出於該外套管外，並把該外套管結合蓋結合該外套管後端，且該外套管結合蓋底端係抵頂該內套管後端，藉由以上構造，可量測錐尖阻抗與袖管摩擦阻抗進而推求現地土壤之強度參數；

當需量測土壤張力時，首先將該外套管結合蓋從該外套管上取下，再將該內套管結合蓋裝設於該內套管後端後，利用該內套管結合蓋將該內套管取出，再將該內套管內之該貫入錐頭組件置換成該張力計組件，該張力計組件的傳輸電纜線可收納於該內套管內，再利用該內套管結合蓋將該內套管放入該外套管內，並使得該張力計組件係突出於該外套管外，最後將該內套管結合蓋取下，並把該外套管結合蓋結合該外套管後端，且該外套管結合蓋底端係抵頂該內套管後端，藉由以上構造，可進行張力量測。

本發明運用CPT操作簡單、迅速、擷取資料具連續性之特點，以及張力計的量測方式，結合兩種試驗操作模式，研發整合張力量測功能之圓錐貫入試驗技術。整合式的試驗技術可以在迅速置換的方式下，持續進行不同土層深度之張力量測並獲致其圓錐貫入試驗參數，具備多點式量測與擷取連續性地層工程參數之優勢。

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明於後，相信本發明上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。

10‧‧‧外套管

101‧‧‧中空管

11‧‧‧中空套接管

12‧‧‧外套管結合蓋

121‧‧‧第一穿孔

20‧‧‧內套管

201‧‧‧中空管

21‧‧‧內套管結合蓋

211‧‧‧第二穿孔

212‧‧‧卡合緣

213‧‧‧剖槽

40‧‧‧貫入錐頭組件

41‧‧‧貫入錐頭

42‧‧‧應變計量器

43‧‧‧惠斯登電橋

50‧‧‧張力計組件

51‧‧‧固定件

511‧‧‧第三穿孔

512‧‧‧固定槽

52‧‧‧張力計

521‧‧‧撞針狀尖端

522‧‧‧中間端

523‧‧‧後端基座

第1圖係本發明之立體分解示意圖。

第2圖係本發明圓錐貫入試驗之示意圖。

第3圖係將本發明貫入錐頭組件取出之示意圖。

第4圖係本發明將貫入錐頭組件置換成張力計組件之示意圖。

第5圖係本發明將張力計組件置入外套管內之示意圖。

第6圖係本發明量測土壤張力之示意圖。

第7圖係本發明外套管及內套管由數中空管所螺接之示意圖。

首先，如第1圖至第7圖所示，係本發明之較佳實施例，惟此等實施例僅供說明之用，在專利申請上並不受此結構之限制。

所述該整合張力量測功能之圓錐貫入儀，如第1圖所示，係包括：一中空之外套管10，該外套管10後端設有一外套管結合蓋12，該外套管結合蓋12中央有一第一穿孔121，可供傳輸線穿出；一中空之內套管20，該內套管20係設於該外套管10內；一內套管結合蓋21中央有一第二穿孔211，可供傳輸線穿出，且該內套管結合蓋21頂端設有一卡合緣212，而該內套管結合蓋21底端係可與該內套管20後端結合，當該內套管結合蓋21結合該內套管20時，該卡合緣212可卡合於該外套管10後端，可利用該內套管結合蓋21抽取及置放該內套管20；一貫入錐頭組件40及一張力計組件50，該貫入錐頭組件40及該張力計組件50可組設於該內套管20前端；其中，該外套管結合蓋12係藉由陰陽螺紋固接該外套管10。

其中，該內套管結合蓋21軸向方向設有一剖槽213，可方便線材之拿取；其中，該內套管結合蓋21係藉由陰陽螺紋固接該內套管20。

其中，當該內套管20設於該外套管10內部時，該外套管結合蓋12底端係抵靠該內套管20後端；其中，該外套管10前端設有一中空套接管11，可方便更換該貫入錐頭組件40及該張力計組件50；其中，如第7圖所示，該外套管10及該內套管20係可由數中空管101、201所螺接而成，可依使用長度而調整各該中空管101、201之數目；如第1~2圖所示，首先將該貫入錐頭組件40固定於該內套管20前端，該貫入錐頭組件40的傳輸電纜線可收納於該內套管20內，再來 將該內套管20放入該外套管10內，使得該貫入錐頭組件40係突出於該外套管10外，並把該外套管結合蓋12結合該外套管10後端，且該外套管結合蓋12底端係抵頂該內套管20後端，藉由以上構造，可量測錐尖阻抗與袖管摩擦阻抗進而推求現地土壤之強度參數；如第1~2圖所示，該貫入錐頭組件40包括一貫入錐頭41、數應變計量器42(strain gauge)及一惠斯登電橋43(Wheatstone bridge)之電路，該貫入錐頭41之外側面上黏貼各該應變計量器42(strain gauge)，並以該惠斯登電橋43(Wheatstone bridge)之電路設計連接，將該貫入錐頭41貫入時之受力變形反應為電壓差，並可以建立電壓與力量間之標定曲線，再推求該貫入錐頭41貫入阻抗與該貫入錐頭41之外側面摩擦阻抗。於操作圓錐貫入試驗時，即可以經由各該應變計量器42與該惠斯登電橋43之電路設計，搭配預先標定之電壓與該貫入錐頭41的貫入阻抗(或該貫入錐頭41之外側面摩擦阻抗)曲線，量測與擷取不同深度地層之貫入阻抗與摩擦阻抗，進而推求現地土壤之強度參數。

當需量測土壤張力時，如第3圖所示，首先將該外套管結合蓋12從該外套管10上取下，再將該內套管結合蓋21裝設於該內套管20後端後，利用該內套管結合蓋21將該內套管20取出；如第4圖所示，再將該內套管20內之該貫入錐頭組件40置換成該張力計組件50，該張力計組件50的傳輸電纜線可收納於該內套管20內；如第5圖所示，再利用該內套管結合蓋21將該內套管20放入該外套管10內，並使得該張力計組件50係突出於該外套管10外；如第6圖所示，最後將該內套管結合蓋21取下，並把該外套管結合蓋12結合該外套管10後端，且該外套管結合蓋12底端係抵頂該內套管20後端，藉由以上構造，可進行張力量測。

如第4圖所示，該張力計組件50係由一固定件51及一張力計52所組成，該固定件51中央有一第三穿孔511且該固定件51向內配合該張力計52之形狀形成一固定槽512，該張力計52係利用該固定件51之該第三穿孔511及該固定槽512套設固定於該內套管20前端；該張力計52由三部份所組成：1．一撞針狀尖端521：為高進氣吸力陶瓷，量測內外兩側之基值吸力；2．一中間端522：為壓克力管，提供水分補充至高 進氣吸力陶瓷以維持飽和狀態；3．一後端基座523：為資料截取端，藉由傳輸電纜線將電壓訊號傳至地表之接收器。該張力計52可充分使用該外套管10內側之空間，並縮短壓克力管長度使體積減小，以提高水分補充的效能，並儘快將量測之基質吸力在距離該貫入錐頭41貫入的位置附近不遠處即轉化為電壓訊號進行傳輸。

本發明從設備置換的角度，進行量測技術的整合，其係採用圓錐貫入儀的外在幾何型式，於貫入至預定地層深度之過程中，量測並擷取該貫入錐頭41之貫入阻抗與該貫入錐頭41之外側面摩擦阻抗，並於預定量測張力位置，運用該外套管10中間之空間，內置該內套管20並置換該貫入錐頭組件40，且置入該張力計組件50進行張力量測。

本發明運用CPT操作簡單、迅速、擷取資料具連續性之特點，以及該張力計52的量測方式，結合兩種試驗操作模式，研發整合張力量測功能之圓錐貫入試驗技術。整合式的試驗技術可以在迅速置換的方式下，持續進行不同土層深度之張力量測並獲致其圓錐貫入試驗參數，具備多點式量測與擷取連續性地層工程參數之優勢。

歸納上述的說明，藉由本發明結構的設計，具有上述眾多的優點及實用價值，因此本發明為一創意極佳之發明創作，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，故本發明已符合發明專利有關『新穎性』與『進步性』的要件，乃依法提出申請。

10‧‧‧外套管

11‧‧‧中空套接管

12‧‧‧外套管結合蓋

121‧‧‧第一穿孔

20‧‧‧內套管

21‧‧‧內套管結合蓋

211‧‧‧第二穿孔

212‧‧‧卡合緣

213‧‧‧剖槽

40‧‧‧貫入錐頭組件

50‧‧‧張力計組件

Claims (8)

1. 一種整合張力量測功能之圓錐貫入儀，係包括：一中空之外套管，該外套管後端設有一外套管結合蓋，該外套管結合蓋中央有一第一穿孔，可供傳輸線穿出；一中空之內套管，該內套管係設於該外套管內；一內套管結合蓋中央有一第二穿孔，可供傳輸線穿出，且該內套管結合蓋頂端設有一卡合緣，並於該內套管結合蓋軸向方向設有一剖槽，可方便線材之拿取，而該內套管結合蓋底端係可與該內套管後端結合，當該內套管結合蓋結合該內套管時，該卡合緣可卡合於該外套管後端，可利用該內套管結合蓋抽取及置放該內套管；一貫入錐頭組件及一張力計組件，該貫入錐頭組件及該張力計組件可組設於該內套管前端；當需量測土壤之強度參數時，首先將該貫入錐頭組件固定於該內套管前端，該貫入錐頭組件的傳輸電纜線可收納於該內套管內，再來將該內套管放入該外套管內，使得該貫入錐頭組件係突出於該外套管外，並把該外套管結合蓋結合該外套管後端，且該外套管結合蓋底端係抵頂該內套管後端，藉由以上構造，可量測錐尖阻抗與袖管摩擦阻抗進而推求現地土壤之強度參數；當需量測土壤張力時，首先將該外套管結合蓋從該外套管上取下，再將該內套管結合蓋裝設於該內套管後端後，利用該內套管結合蓋將該內套管取出，再將該內套管內之該貫入錐頭組件置換成該張力計組件，該張力計組件的傳輸電纜線可收納於該內套管內，再利用該內套管結合蓋將該內套管放入該外套管內，並使得該張力計組件係突出於該外套管外，最後將該內套管結合蓋取下，並把該外套管結合蓋結合該外套管後端，且該外套管結合蓋底端係抵頂該內套管後端，藉由以上構造，可進行張力量測。
2. 如請求項1所述之整合張力量測功能之圓錐貫入儀，其中該外套管結合蓋係藉由陰陽螺紋固接該外套管。
3. 如請求項1所述之整合張力量測功能之圓錐貫入儀，其中該內套管結合蓋係藉由陰陽螺紋固接該內套管。
4. 如請求項1所述之整合張力量測功能之圓錐貫入儀，其中當該內套管設於該外套管內部時，該外套管結合蓋底端係抵靠該內套管後端。
5. 如請求項1所述之整合張力量測功能之圓錐貫入儀，其中該外套管前端設 有一中空套接管，可方便更換該貫入錐頭組件及該張力計組件。
6. 如請求項1所述之整合張力量測功能之圓錐貫入儀，其中該外套管及該內套管係可由數中空管所螺接而成，可依使用長度而調整各該中空管之數目。
7. 如請求項1所述之整合張力量測功能之圓錐貫入儀，其中該貫入錐頭組件包括一貫入錐頭、數應變計量器及一惠斯登電橋之電路，該貫入錐頭之外側面上黏貼各該應變計量器，並以該惠斯登電橋之電路設計連接。
8. 如請求項1所述之整合張力量測功能之圓錐貫入儀，其中該張力計組件係由一固定件及一張力計所組成，該固定件中央有一第三穿孔且該固定件向內配合該張力計之形狀形成一固定槽，該張力計係利用該固定件之該第三穿孔及該固定槽套設固定於該內套管前端。