一种多功能数字式地震波孔压静力触探测试系统的制作方法

本发明属于岩土工程测试领域，特别涉及一种地下土体工程性质评价与工程设计参数获取的方法，具体涉及一种新型多功能数字式地震波孔压静力触探测试系统。

背景技术：

静力触探技术至今已有80多年的历史，是指利用压力装置将有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的贯入阻力和侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。国际上现已广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测静力触探并应用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了孔压静力触探技术。该技术能够同时提供地下土体的强度和固结渗流特征资料，已经在国外得到了大量广泛的应用。国内也对孔压静力触探测试技术进行了研发，然而并未得到推广应用。其主要原因在于，国内孔压静力触探测试系统普遍还存在如下问题：

1.国内孔压静力触探探头采用双变形柱分别独立测量锥尖阻力和侧壁摩阻力，存在结构复杂的问题。且为保证测量过程中侧壁摩擦筒的可活动性，通常会在侧壁摩擦筒首、尾两端留有缝隙。而贯入过程中地下土体容易进入这些缝隙中，使得侧壁摩擦筒活动性降低，阻碍了侧壁摩阻力的传递，同时还会将圆锥头受到的力传递给侧壁摩擦筒，从而降低了测量结果的准确性。此外，工程上实践中侧壁摩阻力一般较小，不易直接被侧壁摩阻力应变片检测到，导致测量结果精确性不足，这一问题在软土中尤为显著。

2.国内孔压静力触探测试系统，无论采用模拟信号还是数字信号，其数据采集系统都很落后，结构设计不严密。采用模拟信号的数据采集系统，信号之间互相干扰严重，导致测量结果不准确。采用数字信号的数据采集系统，一方面变形柱上的锥尖阻力应变片和侧壁摩阻力应变片的供电和排布方式不合理，其信号并不稳定，降低了测试结果的可靠性；另一方面，现有的采集系统将采集的数字信号直接通过电缆传输至上位机采集软件中，则当测试过程中数据传输出现故障或信号出错时，并不能够准确识别出这些错误的信号，使得测试过程中容易采集到错误的数据。

3.国内孔压静力触探测试系统的深度测量方法落后，其主要原因在于普遍采用人工读数、齿轮齿条组合或光电编码器读数。人工读数方法自动化程度不高，容易受到人为因素的影响；而齿轮齿条组合方法将特定尺寸的齿轮固定在孔压静力触探的贯入系统上，无法更换使用其他尺寸的齿轮，因此不利于调整测试系统的深度采样间隔，难以满足不同工程勘察设计的需要；光电编码器不管在静力触探外部贯入系统上下移动时都会计数，这就要求由操作人员手动操作在向下贯入的时候打开计数开关使编码器计数，而在向上移动时关闭计数开关使编码器停止计数，这种方式为半自动计数方式，操作过于复杂，不够智能化。

4.国内外孔压静力触探测试系统均采用单个三分量检波器，应用的是下孔法和伪时间间隔测量原理，测量的是每隔1m深度范围内的剪切波速。而复杂工程的勘察需要更小深度间距范围内的剪切波速，采用单个三分量检波器时需要在每个待测试点处停顿测量，费力费时，不利于提高工程勘察的效率。

综上所述，国内外孔压静力触探测试系统探头结构存在缺陷，数据采集系统落后，不仅降低了触探试验结果的精度，还增加了测试成本。而国外孔压探头价格昂贵，且出现故障以后维修困难，不利于国内推广应用。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种测量效率高、结果准确的一种多功能数字式地震波孔压静力触探测试系统。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供的一种多功能数字式地震波孔压静力触探测试系统包圆锥头、孔压过滤环、侧壁摩擦筒、转接头、转接杆、减摩杆、探杆、上位机数据采集电路板、深度编码器、数据采集计算机和同轴电缆；同轴电缆穿过减摩杆、探杆，其一端接转接杆中的两条电源线和两条信号线，另一端接上位机数据采集电路板；

其中，圆锥头、孔压过滤环、侧壁摩擦筒、转接头、转接杆从下到上顺序设置，所述圆锥头内设有孔压通道，所述侧壁摩擦筒内的下部设有可拆卸式导力环，在可拆卸式导力环的上面设有变形柱，所述变形柱上设有第一小孔、第二小孔，在变形柱的外侧设有锥尖阻力电桥、贯入总阻力电桥，变形柱的下部设有孔压传感器；所述转接杆内部设有底层采集板。

其中：

所述的底层采集板内设有底层微型电源调理器、锥尖阻力分电源、贯入总阻力分电源、孔压分电源、第一三分量检波器、倾斜仪、温度传感器、底层主控芯片、模数转换器、信号调理电路元件、底层CAN接收发器和第二三分量检波器。

所述的上位机数据采集电路板包含了上位机主控芯片、上层CAN接收发器、CAN串口转换器、上层微型电源调理器和输入输出串口。

所述的圆锥头的锥角为60°，锥底截面积为10cm²；侧壁摩擦筒表面积为150cm²。

所述的孔压过滤环厚度为5mm。

所述的锥尖阻力电桥由绕圆柱中心轴等间距分布的四个小应变片及其连接导线组成，且四个小应变片的排布方式依次为纵向、横向、纵向和横向。

所述的贯入总阻力电桥由绕圆柱中心轴等间距分布的四个小应变片及其连接导线组成，且四个小应变片的排布方式依次为纵向、横向、纵向和横向。

所述的同轴电缆为四芯，包括两条电源线和两条信号线，两条电源线与底层微型电源调理器相连，底层微型电源调理器再分别与锥尖阻力分电源、贯入总阻力分电源、孔压分电源和底层主控芯片相连。

所述的锥尖阻力分电源与锥尖阻力电桥相连，贯入总阻力分电源与贯入总阻力电桥相连，孔压分电源与孔压传感器相连。

所述的同轴电缆的两条信号线依次与底层CAN接收发器、底层主控芯片、模数转换器和信号调理电路元件输出端相连。

所述的信号调理电路元件输入端分别独立地与锥尖阻力电桥、贯入总阻力电桥、孔压传感器、倾斜仪、温度传感器、第一三分量检波器和第二三分量检波器相连。

所述的减摩杆首、尾两端横截面积为10cm²，而其中部横截面积要大于10cm²，优选15cm²。

所述的输入输出串口有四个，其中第一个将上层微型电源调理器与外接电源相连，第二个将深度编码器与上位机主控芯片相连，第三个将串口转换器和数据采集计算机相连，最后一个将同轴电缆与上层CAN接收发器相连。

所述的上位机主控芯片分别与上层微型电源调理器、串口转换器和上层CAN接收发器相连。

所述的第一三分量检波器和第二三分量检波器之间的距离为0.2m至0.8m，优选0.5m。

所述的深度编码器采用拉绳位移传感器。

所述的第一防水密封圈，所述可拆卸式导力环上设有第二防水密封圈，所述侧壁摩擦筒与转接头之间设有防土密封圈，所述转接头与转接杆连接处设有第三防水密封圈。

有益效果：本发明提供的新型多功能数字式地震波孔压静力触探测试系统，全面解决了国内孔压静力触探测试系统存在的缺陷和问题。本发明有益效果是：

1.本发明的孔压静力触探测试系统，其探头结构简单稳定、紧凑可靠。

2.单变形柱设计，分别测量圆锥头与侧壁摩擦筒受到的贯入总阻力和圆锥头单独受到的锥尖阻力，则侧壁摩阻力为贯入总阻力与锥尖阻力之差。该方法直接将锥尖阻力与侧壁摩阻力耦合在一起，解决两者之间交互影响的问题。

3.本发明的孔压静力触探测试系统，其采集信号之间的交互干扰降低至最小，CAN总线传输方式速度快、准确性高、减少了电缆线的冗余，还允许对信号进行检查和报错，电路设计稳定可靠。

4.本发明将深度编码器与孔压静力触探的贯入系统独立出来，不再依赖人工读数、齿轮齿条或光电编码器方法的方式，通过数据采集计算机和上位机主控芯片实现了深度的全自动化读取，使用灵活方便，适用性更广。

5.本发明提出采用两个三分量检波器对地震波进行检测，提高了剪切波速测量的精确性，尤其适合于复杂的工程场地中。

本发明提供的新型多功能数字式地震波孔压静力触探测试系统结构简单、质量控制良好、使用方便、检测速度快、测量效率高、测量结果准确可靠、重复性好，该测试系统为土木工程勘探实践提供有力的测试工具。

附图说明

图1为本发明新型多功能数字式地震波孔压静力触探测试系统的结构示意图。

图2为圆锥头的结构示意图。

图3为变形柱的结构示意图。

图4为锥尖阻力电桥和贯入总阻力电桥的应变片分布示意图。

图5为底层采集板的结构示意图。

图6为上位机数据采集电路板的结构示意图。

图中：1－圆锥头，2－孔压过滤环，3－侧壁摩擦筒，4－转接头、5－转接杆，6－减摩杆，7－探杆，8－上位机数据采集电路板，9－深度编码器，10－数据采集计算机，11－同轴电缆，12－孔压通道，13－可拆卸式导力环，14－变形柱，15－锥尖阻力电桥，16－贯入总阻力电桥，17－孔压传感器，18－第一小孔，19－第二小孔，20－第一防水密封圈，21－第二防水密封圈，22－防土密封圈，23－第三防水密封圈，24－底层采集板，25－底层微型电源调理器，26－锥尖阻力分电源，27－贯入总阻力分电源，28－孔压分电源，29－第一三分量检波器，30－倾斜仪，31－温度传感器，32－底层主控芯片，33－模数转换器，34－信号调理电路元件，35－底层CAN接收发器，36－第二三分量检波器，37－上位机主控芯片，38－上层CAN接收发器，39－输入输出串口，40－CAN串口转换器，41－上层微型电源调理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的多功能数字式地震波孔压静力触探测试系统作出进一步说明。

本发明的多功能数字式地震波孔压静力触探测试系统，见图1，包括圆锥头1、孔压过滤环2、侧壁摩擦筒3、转接头4、转接杆5、减摩杆6、探杆7、上位机数据采集电路板8、深度编码器9、数据采集计算机10和同轴电缆11；同轴电缆11穿过减摩杆6、探杆7，其一端接转接杆5中的两条电源线和两条信号线，另一端接上位机数据采集电路板8；其中，圆锥头1、孔压过滤环2、侧壁摩擦筒3、转接头4、转接杆5从下到上顺序设置，所述圆锥头1内设有孔压通道12，所述侧壁摩擦筒3内的下部设有可拆卸式导力环13，在可拆卸式导力环13的上面设有变形柱14，所述变形柱14上设有第一小孔18、第二小孔19，在变形柱14的外侧设有锥尖阻力电桥15、贯入总阻力电桥16，变形柱14的下部设有孔压传感器17；所述转接杆5内部设有底层采集板24。所述的底层采集板24内设有底层微型电源调理器25、锥尖阻力分电源26、贯入总阻力分电源27、孔压分电源28、第一三分量检波器29、倾斜仪30、温度传感器31、底层主控芯片32、模数转换器33、信号调理电路元件34、底层CAN接收发器35和第二三分量检波器36。所述的上位机数据采集电路板8包含了上位机主控芯片37、上层CAN接收发器38、CAN串口转换器40、上层微型电源调理器41和输入输出串口39。

作为一种示例，底层主控芯片32采用C8051f060，模数转换器33采用ADS1211等，底层CAN接收发器35和上层CAN接收发器38采用PCA82C250，上位机主控芯片37采用LPC2119，CAN串口转换器40采用USB-CAN，深度编码器9采用MP5-M-1500。

本发明中，圆锥头1的锥角为60°，锥底截面积为10cm²；侧壁摩擦筒3表面积为150cm²。

本发明中，孔压过滤环2厚度为5mm。

本发明中，锥尖阻力电桥15由绕圆柱中心轴等间距分布的四个小应变片及其连接导线组成，且四个小应变片的排布方式依次为纵向、横向、纵向和横向。

本发明中，贯入总阻力电桥16由绕圆柱中心轴等间距分布的四个小应变片及其连接导线组成，且四个小应变片的排布方式依次为纵向、横向、纵向和横向。

本发明中，同轴电缆11为四芯，包括两条电源线和两条信号线。

本发明中，同轴电缆11的两条电缆线与底层微型电源调理器25相连，底层微型电源调理器25再分别与锥尖阻力分电源26、贯入总阻力分电源27、孔压分电源28和底层主控芯片32相连；

本发明中，锥尖阻力分电源26与锥尖阻力电桥15相连，贯入总阻力分电源27与贯入总阻力电桥16相连，孔压分电源28与孔压传感器17相连。

本发明中，信号调理电路元件34输入端分别独立地与锥尖阻力电桥15、贯入总阻力电桥16、孔压传感器17、倾斜仪30、温度传感器31、第一三分量检波器29和第二三分量检波器36相连。

本发明中，同轴电缆11的两条信号线依次与底层CAN接收发器35、底层主控芯片32、模数转换器33和信号调理电路元件34输出端相连。

本发明中，减摩杆6首、尾两端横截面积为10cm²，而其中部横截面积要大于10cm²，优选15cm²。

本发明中，输入输出串口39有四个，其中一个将上层微型电源调理器41与外接电源相连，另一个将深度编码器9与上位机主控芯片37相连，另一个将CAN串口转换器40和数据采集计算机10相连，最后一个将同轴电缆11与上层CAN接收发器38相连。

本发明中，上位机主控芯片37分别与上层微型电源调理器41、串口转换器40和上层CAN接收发器38相连。

本发明中，第一三分量检波器29和第二三分量检波器36之间的距离为0.2m至0.8m，优选0.5m。

本发明中，深度编码器9优选拉绳位移传感器。

使用前，将深度编码器9安装固定在外部静力触探贯入设备上。使用时，探头在外部静力触探贯入设备的作用下贯入地下土体中，圆锥头1受到土体贯入阻力作用，引起变形柱14的前端变形，而变形柱14的后端同时受到圆柱头1和侧壁摩擦筒3上贯入总阻力的作用而产生变形，锥尖阻力电桥15和贯入总阻力电桥16通过电桥原理将位移信号转换为电信号。探头周围的孔隙水通过孔压过滤环2和孔压通道12作用在孔压传感器17上，孔压传感器17将压力信号转换为电信号。然后采集到的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力电信号通过内部导线传输至信号调理电路元件34，进行信号放大和噪声过滤，然后传输至模数转换器33转换为数字信号。转换后的数字信号经过底层主控芯片32传输给底层CAN接收发器35，转换为CAN信号，然后通过同轴电缆11传输至上位机数据采集电路板8。底层主控芯片32控制和管理底层采集板24上各元件的功能，实现整个电路系统的智能化运行。在上位机数据采集电路板8上，在上位机主控芯片37的控制下，同轴电缆11传输的CAN信号经过上层CAN接收发器38接收，然后传输至CAN串口转换器40转换为USB信号，最终通过输入输出串口39传输至数据采集计算机10中。

使用现有的齿轮齿条或光电编码器方法进行计数的方式简单可靠，且成本低，但存在一定的问题，齿轮齿条或光电编码器不管在液压杆上下移动时都会计数，这就要求由操作人员手动操作在液压杆向下贯入的时候打开计数开关使齿轮齿条或光电编码器计数，而在液压杆向上移动时关闭计数开关使齿轮齿条或光电编码器停止计数，这种方式为半自动计数方式。为了降低系统操作的复杂性，实现贯入深度的全自动计数，且方便深度测量装置的随时更换，本申请直接将深度编码器9与贯入系统分离开来，其核心部件是拉绳位移传感器。深度编码器9发出的位移信号经过输入输出串口39传输至上位机主控芯片37中，然后传输至数据采集计算机10中。在数据采集计算机10和上位机主控芯片37的控制下，当拉绳位移传感器的拉绳伸长时，不记录深度的变化；而当拉绳位移传感器的拉绳缩短时，则记录深度的变化，最终实现深度的全自动采集。

减摩杆6将贯入孔的直径略微扩大，能够在不影响锥尖阻力和侧壁摩阻力测量的前提条件下，降低探头周围土体对探杆7的摩擦力，从而可以实现能耗更低、深度更大的贯入测试。可拆卸式导力环13将圆锥头1受到的力传递给变形柱14，尽可能地避免造成侧壁摩擦筒3的移动。锥尖阻力电桥15和贯入总阻力电桥16中的小应变片均采用了绕变形柱呈纵向、横向、纵向和横向分布的排列方式，可以抵抗小应变片信号之间的相互干扰，提高锥尖阻力和贯入总阻力的稳定性和准确性。第一小孔18和第二小孔19用于引导探头内部导线的连接。第一防水密封圈20、第二防水密封圈21和第三防水密封圈23阻止地下水进入探头内部，避免电路发生短路。防土密封圈22防止土体堵塞在侧壁摩擦筒3的尾端，一方面避免土进入探头的电路中，另一方面提高侧壁摩阻力测量结果的准确性。

底层采集板24上设置了底层微型电源调理器25，将同轴电缆11中两根电源线提供的电压分配给锥尖阻力分电源26、贯入总阻力分电源27和孔压分电源28，然后分别给锥尖阻力电桥15、贯入总阻力电桥16和孔压传感器17供电，避免了不同元件之间的电流干扰，提高了测量结果的稳定性。设置了倾斜仪30，实现了探头在地下贯入时倾斜角度的测量，用于修正贯入深度的测量结果，同时便于控制探头的贯入过程，避免倾斜过大导致探杆7的折断。底层采集板24上内置的温度传感器31实现探头温度的测量，用于温度补偿，提高测试结果的准确性。底层CAN接收发器35、上位机主控芯片37和上层CAN接收发器38将数字信号转换为CAN信号进行传输和编码，其优势在于：一方面，CAN总线传输技术允许对信号进行检查和报错的功能，从而能够对错误的测量信号进行识别；另一方面，CAN信号传输速度更快，抗干扰能力更强，发送的信息遭到破坏后可自动重发。因此，本发明的孔压静力触探测试系统可靠性可得到显著提高。

锥尖阻力通过锥尖阻力电桥15独立地测量得到，贯入总阻力通过锥尖阻力电桥15和贯入总阻力电桥16联合测量得到。记圆锥头1受到的阻力为F₁，圆锥头底部横截面积为A₁；侧壁摩擦筒3与圆锥头1受到的总阻力为F₂，侧壁摩擦筒3的表面积为A₂。则侧壁摩擦筒3受到的力为F₂–F₁，锥尖阻力q_c和侧壁摩阻力f_s分别如下得到：

当需要在某个深度处进行地震波测试时，在指定的深度处停顿，然后在地表采用重锤敲击等方式激发剪切波，由第一三分量检波器29和第二三分量检波器36分别检测到时间信号。记两个三分量检波器之间的距离为L，检测到的时间信号差为t，则在长度为L的深度间隔范围内，探头周围土体的剪切波速为v＝L/t。与下孔法的伪时间间隔方法相比，此方法利用了真实的深度间距和时间间隔，因此测得的剪切波速更加准确。且由于距离L可小于1m，测量结果更加精细。此两个三分量检波器同样可以用于下孔法的伪时间间隔方法中，使用更加灵活方便。

本发明对国内外孔压静力触探测试系统的探头和数据采集系统进行了全面的改进，合理设计了探头的结构和测量原理，对内部电路系统进行了改良，使得静力触探技术能更准确、稳定、可靠和全面地服务于岩土工程领域。