地面力学参数测试装置的制作方法

本发明属于测量地面力学特性领域，具体涉及一种地面力学参数测试装置。

背景技术：

地面力学中圆锥指数用以描述土壤强度，指当锥体以恒定速率插入土壤过程中单位面积上瞬时所受的土壤阻力。圆锥指数仪源于美国工程兵水道试验站（wes），最早用于表征车辆的可通行性。圆锥指数仪相对于其他土壤力学特性测试工具，突出特点是简单高效，借助加载机构与测量系统即可快速获取锥头贯入阻力曲线。

现有的圆锥指数仪分有静态、动态两种形式。对需要进行垂向变形地面强度采集的地域，以往根据具体情况利用便携式圆锥采集仪在该地域的代表性测量位置进行圆锥指数试验。实际野外测试中，依靠人力的静态形式测试精度虽然可以保证，但量程一般较小。而土木测试中，也有利用动态形式，依靠锤击数和经验公式进行土力学性质研究，或根据能量原理由贯入深度解算土壤阻力，但这是一种较为粗糙的测试方法，精准度难以保证。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种地面力学参数测试装置，通过动态贯入的方式，利用传感器测试数据实现圆锥指数的精准解算，测试过程简单、操作方便且不需要额外动力源。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种地面力学参数测试装置，它包括施力部件、与施力部件连接的贯入部件、与贯入部件电连接的数据采集处理系统；

所述施力部件包括滑杆、安装于滑杆上可上下滑动的滑锤，以及安装于滑杆上且位于滑锤下方的托盘；

所述贯入部件包括锥杆、设置于锥杆底端的锥头、安装于锥杆上的传感器安装壳，以及位于传感器安装壳内部的压力传感器与加速度传感器；

所述数据采集处理系统包括分别与压力传感器、加速度传感器电连接的电荷放大器，以及与电荷放大器电连接的计算机采集仪；

所述滑杆经贯入杆与传感器安装壳相连。

作为对本发明的限定，所述滑锤、托盘均为上下贯通的圆柱体结构，所述滑杆穿过滑锤穿进托盘，滑杆底端与贯入杆顶端固定连接于托盘内部；所述滑杆、贯入杆、滑锤、托盘四者的轴线共线。。

作为对上述方式的限定，所述滑锤内装有滑动轴承。

作为进一步限定，所述滑杆上于滑锤与托盘之间装有橡胶弹簧。

作为对本发明的另一种限定，所述传感器安装壳包括上壳、下壳，以及分别与上壳、下壳固定连接的固定盘；

所述压力传感器、加速度传感器分别固定在固定盘的顶面中心、底面中心部位处。

作为对上述方式的限定，所述上壳、下壳均为带有空腔的t字型回转体结构；所述固定盘为圆盘结构；

所述贯入杆的底端固定连接于上壳内部；

所述锥杆的顶端固定连接于下壳内部；

所述上壳、下壳、固定盘、贯入杆、锥杆五者的轴线共线。

作为进一步限定：

所述压力传感器经螺母连接于固定盘的顶面。

所述加速度传感器经螺栓连接于固定盘的底面。

所述压力传感器的顶部设有与贯入杆连接的直线轴承。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

本发明利用滑锤锤击贯入部件，锤击能量大且能量大小可以视土质情况进行调整，以更好地适应不同的土壤的测试环境，滑锤内部设置滑动轴承，可减小滑锤滑动过程中因摩擦产生的能量消耗；利用贯入杆冲击贯入部件，贯入杆底端连接直线轴承，贯入过程中可减少能量损失，使冲击更为平顺；利用压力传感器及加速度传感器接收贯入部件所受的实时压力及加速度信号，利用数据采集处理系统处理信号，结合力学原理分析完成静态土壤阻力的解算；本发明结合硬质地面强度要求，综合了现有技术中的静态圆锥指数仪的精准测试和动态圆锥指数仪的便捷高效的特点。

本发明适用于各种圆锥指数仪。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。

图1为本发明实施例1的施力部件与贯入部件的结构示意图；

图2为图1中的爆炸图；

图3为本发明实施例1的信号传输示意图；

图4为本发明实施例1的力学原理示意图；

图5为本发明实施例1的求解土壤阻力示意图。

图中：1、滑杆；2、滑锤；3、托盘；4、贯入杆；5、上壳；6、直线轴承；7、压力传感器；8、固定盘；10、加速度传感器；11、下壳；12、锥杆；13、锥头；14、螺栓；15、螺母；16、橡胶弹簧；17、电荷放大器；18、计算机采集仪；m、贯入体重；f、土壤阻力；f、压力；a、冲击加速度；g、重力加速度。

具体实施方式

实施例1

一种地面力学参数测试装置，用于测量圆锥指数，结构如图1-3所示，包括施力部件、贯入部件以及数据采集处理系统。

（一）施力部件

施力部件包括滑杆1、滑锤2、托盘3。

滑锤2及托盘3均为上下贯通的圆柱体结构，滑锤2的内部装有滑动轴承。滑锤2与托盘3之间设有橡胶弹簧16。滑杆1的底端依次穿过滑锤2、橡胶弹簧16穿进托盘3，橡胶弹簧16、滑锤2均可相对于滑杆1上下滑动，滑杆1的底端连接贯入杆4，且二者固定在托盘3内部。滑杆1、贯入杆4、滑锤2、托盘3、橡胶弹簧16五者的轴线共线。。

（二）贯入部件

贯入部件包括传感器安装壳、锥杆12、锥头13、压力传感器7、加速度传感器10。

传感器安装壳包括上壳5、下壳11、固定盘8。上壳5、下壳11均为带有空腔的t字型回转体结构。固定盘8为圆盘结构，固定盘8固定连接于上壳5下壳11之间，使上壳5、固定盘8、下壳11成为一体。贯入杆4的底端位于上壳5内部，且与直线轴承6连接。锥杆12的顶端固定连接于下壳11内部，锥头13设置于锥杆12的底端。上壳5、下壳11、固定盘8、贯入杆4、锥杆12五者的轴线共线。

压力传感器7的型号为zmhbm，其用于采集贯入过程中贯入部件实时受到的压力。压力传感器7经螺母15连接于固定盘8的顶面中心处，直线轴承6位于压力传感器7的顶部。

加速度传感器10的型号为yd-126d，其用于采集贯入过程中贯入部件实时受到的加速度，加速度传感器10经螺栓14连接于固定盘8的底面中心处。

（三）数据采集处理系统

数据采集处理系统包括分别与压力传感器7及加速度传感器10电连接的电荷放大器17、与电荷放大器17电连接的计算机采集仪18。

电荷放大器17的型号为ts5863d，通过信号线缆将电荷量转化成电压信号并实时传输至计算机采集仪中18。计算机采集仪18内装采集卡，配合软件实时采集冲击信号。

本实施例设计滑杆1长1.5m，滑锤2重5.6kg，贯入部件总重10kg，锥杆12锥头13参考标准的wes圆锥，锥杆12直径15mm，锥头13底面直径22.27mm，锥头13的锥角30°。

本实施例的测试过程如下：

竖直放置滑杆1与锥杆12，提升滑锤2，滑锤2借助滑动轴承沿滑杆1滑落，砸向托盘3，托盘3带动贯入杆4冲击贯入部件，进而带动锥杆12贯入土体，完成一次贯入过程，如图4所示。

设贯入体重m，冲击过程中的土壤阻力f，贯入部件所受的压力f（即压力传感器7的测试值），冲击加速度a（即加速度传感器10的测试值），对贯入部件进行受力分析，根据图4，则有关系式：

对得到的信号进行综合处理，在一次冲击过程中，将压力传感器7实测的压力信号与针对加速度和压力运算后的数值曲线共同绘制如图5所示的土壤阻力f图解示意图。图5中，在1.285s-1.295s期间，利用牛顿第二定律取均值求解，可得该段土壤平均阻力f=1068.7n。