专利名称：用于测试土体静止侧压力系数的侧向应力孔压探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测试土体静止侧压力系数的侧向应力孔压静力触探探头，属于岩土工程领域中一种能够直接、连续地分析测试土层原位静止侧压力系数的静力触探装置。
背景技术：
静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、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。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探，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式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，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能够快速、准确地获得土层的孔隙水压力、地震波、污染物性状、温度、甚至影像。国外已将之大量应用于环境岩土工程领域。我国在新型静力触探传感器的研究起步比较晚，目前国内广泛使用的单双桥静力触探仅能够测试的贯入阻力或比贯入阻力，侧壁摩阻力，可确定的土层基本物理力学特性非常有限。所有的土层物理力学指标均为原位应力状态的函数，因此在岩土工程实践中，土体原位应力状态的确定至关重要。静止侧压力系数定义为土层所受的水平向应力与竖向应力之比，是描述土体原位应力状态的基本指标之一。目前静止侧压力系数的测定主要依赖于扁铲侧胀仪、旁压仪或高质量的钻孔取样和室内试验分析，而现有的静力触探技术作为岩土工程领域最广泛使用的原位勘察手段却难以有效确定这一参数。本发明基于常规的静力触探探头，提出了一种可以方便、快捷、测试成本低廉的土体静止侧压力系数原位测试仪器，为岩土工程实践提供有力的检测工具。发明内容
技术问题:本发明要解决的技术问题是针对国内现有单双桥静探技术存在的缺陷，提出一种可以直接测量土体静止侧压力系数的侧向应力孔压静力触探探头。
技术方案:本发明的用于测试土体静止侧压力系数的侧向应力孔压探头，在探头的上半段顶部设有模数转换器，模数转换器的下部从上至下依次设有侧壁上摩擦筒、上孔压过滤环和一对侧向应力传感器，侧向应力传感器对称设置在探杆的外壁上，在侧壁上摩擦筒的中部设有上孔隙水压力传感器；在探头的下半段从上至下依次设有三分量地震检波器、测斜仪、侧壁下摩擦筒、下孔压过滤环以及圆锥探头，在侧壁下摩擦筒的中部设有下孔隙水压力传感器；在该探头的顶部采用同轴电缆与模数转换器相接传递信号和数据。
侧向应力传感器的表面为圆形，其投影面积为400 mm2。
圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为10 cm2，侧壁上摩擦筒、侧壁下摩擦筒表面积均为150 cm2。
上孔压过滤环、下孔压过滤环的厚度5 mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。
本发明的可测土体静止侧压力系数的侧向应力孔压静力触探探头，其静止侧压力系数测量部分主要由侧壁摩擦筒、孔压过滤环、孔隙水压力传感器和侧向应力传感器及其内部的电路系统组成。大量的理论研究表明，侧壁摩阻力对土层的水平向应力非常敏感，因此由侧壁摩擦筒所测得侧壁摩阻力能很大程度上反应出土层的水平应力状态。孔压过滤环和孔隙水压力传感器可以确定测试深度处的孔隙水压力，有助于确定土层的有效应力和应力路径。侧向应力传感器确定贯入过程中土层的水平应力大小。所测得各参数经模数转换器转换为数字信号后经同轴电缆传输至地表的微机采集和存储系统中保存，然后根据理论经验公式编制计算程序计算侧向应力传感器周围土层的静止侧压力系数，绘出实时连续的剖面图。
有益效果:在岩土工程实践中，土原位应力状态的确定至关重要。静止侧压力系数定义为土层所受的水平向应力与竖向应力之比，是描述土体原位应力状态的基本指标之一。目前静止侧压力系数的测定主要依赖于扁铲侧胀仪、旁压仪或高质量的钻孔取样和室内试验分析，而现有的静力触探技术作为岩土工程领域最广泛使用的原位勘察手段却难以有效确定这一参数。
本发明解决了国内现有的单双桥静探技术不能测量土层静止侧压力系数的缺陷，能方便、快捷、连续测量锥头深度处土层的原位静止侧压力系数，使得静力触探技术能更准确、全面地务于岩土工程领域。该项技术具有连续性、可靠性和可重复性的特点。
图1是本发明的元件装置图； 其中有:同轴电缆I，模数转换器2，侧壁上摩擦筒3.1，侧壁下摩擦筒3.2，上孔隙水压力传感器4.1，下孔隙水压力传感器4.2，上孔压过滤环5.1,下孔压过滤环5.2，侧向应力传感器6，三分量地震检波器7，测斜仪8，圆锥探头9。
具体实施方式
本发明的可测土体静止侧压力系数的孔压静力触探探头采用同轴电缆I传递信号和数据，在探头的上半段顶部设有模数转换器2，模数转换器2的下部从上至下依次设有侧壁上摩擦筒3.1、上孔压过滤环5.1和一对侧向应力传感器6，侧向应力传感器6对立装置在探杆的外壁上，在侧壁上摩擦筒3.1的中部设有上孔隙水压力传感器4.1 ;在探头的下半段从上至下依次设有三分量地震检波器7、测斜仪8、侧壁下摩擦筒3.2、下孔隙水压力传感器4.2、下孔压过滤环5.2以及圆锥探头9。
侧向应力传感器的表面为圆形,其投影面积为400 mm2。
圆锥探头锥角为60°，锥底截面积为10 cm2，侧壁摩擦筒表面积150 cm2。
孔压过滤环厚度5 mm,探头的有效面积比为0.8。
该探头集成了常规静力触探的功能(可测端阻、摩阻)和测试土层原位静止侧压力系数的功能，进一步发展了静力触探技术的内容。
大量的理论研究表明，侧壁摩阻力对土层的水平向应力非常敏感，因此由侧壁摩擦筒所测得侧壁摩阻力能很大程度上反应出土层的水平应力状态。孔压过滤环和孔隙水压力传感器可以确定测试深度处的孔隙水压力，有助于确定土层的有效应力和应力路径。侧向应力传感器确定贯入过程中土层的水平应力大小。所测得各参数经模数转换器转换为数字信号后经同轴电缆传输至地表的微机采集和存储系统中保存，然后根据理论-经验公式编制计算程序计算侧向应力传感器周围土层的静止侧压力系数，绘出实时连续的剖面图。
根据定义，静止侧压力系数K。定义为原位水平向应力σΜ与原位竖向应力0^的比值，即Ktl= σ h0/ σ v(1。工程实践中，原位竖向应力的值往往容易确定: 式中Yi和Zi分别为第i层土的重度与厚度。而原位水平向应力则难以确定。
当探头贯入土体中时，将会产生侧向应力的增加，因此所测得水平向应力Ohc为原位侧向应力。,。与侧向应力增量Λ Oh之和: °hc = 0 ho+ Δ 0 h 若所测得侧向应力传感器深度处的静水压力为U4，则该深度处的各有效应力分别为:σ ' he = σ hc_u4 σ ' ho = σ M-U4 对于砂土，标定槽和室内试验的大量结果表明，贯入的水平向有效应力σ ‘h。与原位水平向有效应力σ ‘Μ存在如下关系式:
权利要求
1.一种用于测试土体静止侧压力系数的侧向应力孔压探头，其特征在于在探头的上半段顶部设有模数转换器(2)，模数转换器(2)的下部从上至下依次设有侧壁上摩擦筒(3.1)、上孔压过滤环(5.1)和一对侧向应力传感器(6)，侧向应力传感器(6)对称设置在探杆的外壁上，在侧壁上摩擦筒(3.1)的中部设有上孔隙水压力传感器(4.1);在探头的下半段从上至下依次设有三分量地震检波器(7)、测斜仪(8)、侧壁下摩擦筒(3.2)、下孔压过滤环(5.2)以及圆锥探头(9)，在侧壁下摩擦筒(3.2)的中部设有下孔隙水压力传感器(4.2)；在该探头的顶部采用同轴电缆(I)与模数转换器(2 )相接传递信号和数据。
2.根据权利要求1所述的用于测试土体静止侧压力系数的侧向应力孔压探头，其特征在于侧向应力传感器(6)的表面为圆形，其投影面积为400 mm2。
3.根据权利要求1所述的用于测试土体静止侧压力系数的侧向应力孔压探头，其特征在于圆锥探头(9)的锥角为60°，锥底截面积为10 cm2，侧壁上摩擦筒(3.1)、侧壁下摩擦筒(3.2)表面积均为150 cm2。
4.根据权利要求1所述的用于测试土体静止侧压力系数的侧向应力孔压探头，其特征在于上孔压过滤环(5.1)、下孔压过滤环(5.2)的厚度5 _，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。
全文摘要
本发明公布了一种用于测试土体静止侧压力系数的侧向应力孔压探头，在探头的上半段顶部设有模数转换器(2)，模数转换器(2)的下部从上至下依次设有侧壁上摩擦筒(3.1)、上孔压过滤环(5.1)和一对侧向应力传感器(6)，侧向应力传感器(6)对称设置在探杆的外壁上，在侧壁上摩擦筒(3.1)的中部设有上孔隙水压力传感器(4.1)；在探头的下半段从上至下依次设有三分量地震检波器(7)、测斜仪(8)、侧壁下摩擦筒(3.2)、下孔压过滤环(5.2)以及圆锥探头(9)，在侧壁下摩擦筒(3.2)的中部设有下孔隙水压力传感器(4.2)；在该探头的顶部采用同轴电缆(1)与模数转换器(2)相接传递信号和数据。该探头具有原位、快速、连续、经济等特点。
文档编号E02D1/00GK103174122SQ201210305900
公开日2013年6月26日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者蔡国军, 刘松玉, 邹海峰 申请人:东南大学