本发明涉及岩土工程技术领域，更具体涉及一种基于可变能量动力触探的标定罐系统。
背景技术
由于岩土工程参数受到复杂多变自然环境影响以及岩土参数将直接影响工程设计质量，因此如何准确合理确定岩土工程参数是岩土工程中的关键问题。
岩土工程原位测试技术是直接在天然工程场地进行试验而获取工程参数的技术，相比于钻孔取样进行室内试验，其具有简便快捷，土体扰动小的优点，是获取岩土工程参数的有效方法。动力触探是利用一定质量的重锤以一定落距自由落下，将与探杆相连的标准探头打入土中一定深度所需的锤击数来判断土体力学性质的技术。常规动力触探的锤击能量为一固定标准值，势能装置笨重不便于携带，因此出现了可变能量动力触探装置。
但是，通过原位测试参数需要转换为土体参数，且建立基于原位测试参数的工程设计方法，需要大量原位测试数据和土体参数数据，相关原位测试技术经济成本和时间成本都较高，并且无法控制变量，研究单一参数的影响。
因此，需要新的方法和系统装置，以更加方便、经济和准确地进行动力触探。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，由此提供一种基于可变能量动力触探的标定罐系统以及基于该系统的动力触探方法。
本发明通过设计特定结构的标定罐，并将其结合可变能量动力触探仪，使得能够模拟特定条件下天然场地的土体应力状态，实时测量土压力状态和贯入阻力等参数，检测施加压力方式便捷简单，提高了制样效率，缩短了试验周期。
根据本发明的一方面，提供一种基于可变能量动力触探的标定罐系统，包括：
可变能量动力触探装置10、标定罐20、数据采集装置30以及压力施加装置40；
其中，所述标定罐20包括上部刚性罐21、下部刚性罐22、具有开孔230的刚性顶盖23、具有通孔240压力加载梁24以及连接上部刚性罐21、下部刚性罐22和压力加载梁24的连接单元25；所述刚性顶盖23与上部刚性罐21的内周形状和尺寸相匹配，由此可移动地嵌入在上部刚性罐21之中；
所述数据采集装置30包括设置在下部刚性罐22之内的土压力传感器31；
所述压力施加装置40包括穿心千斤顶41以及与之连通的液压泵42，穿心千斤顶41设置在所述压力加载梁24与所述刚性顶盖23之间；
所述可变能量动力触探装置10包括主机11、钻杆12以及探头13，所述主机11固定在所述压力加载梁24上，使得所述钻杆12以及探头13能够穿过所述通孔240、所述穿心千斤顶41以及所述开孔230进入所述上部刚性罐21和下部刚性罐22之中。
根据本发明的一个实施方案，其中所述可变能量动力触探装置10为panda2可变能量动力触探仪。
根据本发明的一个实施方案，其中上部刚性罐21、下部刚性罐22以及刚性顶盖23由钢材料制成。
根据本发明的一个实施方案，其中所述上部刚性罐21和下部刚性罐22之间通过卡槽连接，由此限制水平方向上的移动。
根据本发明的一个实施方案，其中所述土压力传感器31具有多个，布置下部刚性罐22的内壁以及底部的至少之一上。
根据本发明的一个实施方案，其中所述液压泵42为油压泵。
根据本发明的一个实施方案，其中所述连接单元25包括螺杆以及螺栓。
根据本发明的另一方面，还提供一种利用标定罐的可变能量动力触探方法，包括步骤：
连接数据采集装置30的步骤，包括将多个土压力传感器31设置在标定罐20内部的侧壁以及底部上，并与数据采集仪32连接和校零；
制备土样的步骤，包括根据指定级配以及密度配制一定质量的土样，并将土样装入标定罐20内至指定深度；
安装压力施加装置40并施加上覆压力的步骤，包括在确认土样表面水平后，将具有开孔230的刚性顶盖23放于土样表面上，将穿心千斤顶41置于压力加载梁24与刚性顶盖23之间，然后通过液压泵42控制试验时上覆压力的大小；
进行可变能量动力触探试验的步骤，包括将可变能量动力触探装置10固定在压力加载梁24上，使得钻杆和探头从压力加载梁24的通孔、穿心千斤顶41以及刚性顶盖23的开孔穿过，然后施加锤击力进行可变能量动力触探试验并记录实验数据；以及
计算贯入阻力值和土压力参数例如静止土压力系数k0。
根据本发明的一个实施方案，其中所述可变能量动力触探装置10为panda2可变能量动力触探仪。
根据本发明的一个实施方案，其中利用下面的荷兰人公式计算贯入阻力值qd：
式中：qd——锥形探头的贯入阻力，mpa；
m——标准重锤质量，kg；
a——锥形探头的截面积，m2；
e——对应每次锤击的锥形探头贯入量,m；
m＇——被锤击部分的质量，kg；
l——活塞内两侧速传感器之间的距离，m
t——通过活塞内两测速传感器的时间，s。
根据本发明的一个实施方案，其中所述液压泵42为油压泵。
根据本发明的一个实施方案，其中在所述制备土样的步骤中，以多次分层的方式将所述土样装入标定罐20内。
根据本发明的一个实施方案，其中对土样进行击实，下层击实程度较低，由下到上击实程度递增。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的技术方案。
图1为根据本发明一个实施方案基于可变能量动力触探的标定罐系统结构示意图。
图2为根据本发明一个实施方案的可变能量动力触探装置的结构示意图。
图3为根据本发明一个实施方案的利用标定罐的可变能量动力触探方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
图1为根据本发明一个实施方案基于可变能量动力触探的标定罐系统结构示意图。
如图1所示，本发明基于可变能量动力触探的标定罐系统，包括：可变能量动力触探装置10、标定罐20、数据采集装置30以及压力施加装置40。
其中，所述标定罐20包括上部刚性罐21、下部刚性罐22、具有开孔230的刚性顶盖23、具有通孔240压力加载梁24以及连接上部刚性罐21、下部刚性罐22和压力加载梁24的连接单元25；所述刚性顶盖23与上部刚性罐21的内周形状和尺寸相匹配，由此可移动地嵌入在上部刚性罐21之中。
所述上部刚性罐21和下部刚性罐22整体上可以呈圆柱形，截面呈圆形，例如可以由钢材料制成，具有一定的刚性，能够承受一定的压力。其大小也可以根据需要来具体确定。所述上部刚性罐21和下部刚性罐22二者之间可以通过卡槽(未示出)连接，由此限制水平方向上的移动，但是在垂直方向上可以分合。当然二者之间也可以通过其他适当的方式连接。
刚性顶盖23与上部刚性罐21以及下部刚性罐22的内周形状和尺寸相匹配，由此能够可移动地嵌入在上部刚性罐21和下部刚性罐22之中，作为刚性罐的封盖。例如刚性顶盖23呈圆形，其直径与上部刚性罐21以及下部刚性罐22的内径基本一致。刚性顶盖23在中央部分可具有开孔230，以便在试验时所述可变能量动力触探装置10的钻杆12以及探头13能够透过。
加载梁24可用于固定可变能量动力触探装置10，以及被所述压力施加装置40利用来向土样施加压力。加载梁24可以利用钢材料制成。其可以呈长梁型，在中部具有通孔240，由此所述可变能量动力触探装置10的钻杆12以及探头13能够透过。
压力加载梁24与上部刚性罐21和下部刚性罐22之间通过连接单元25来连接。这样的连接单元25例如可以包括螺杆和螺栓。如图1所示，螺杆通过螺栓分别连接至下部刚性罐22的底座、上部刚性罐21的侧壁以及压力加载梁24，由此将三者连接固定。因此在试验中，下部刚性罐22的底座和上部刚性罐21二者是固定结合的。另外，下部刚性罐22的底座突出，由此半径较主体大。
所述数据采集装置30可以包括设置在下部刚性罐22之内的土压力传感器31以及与之连接的数据采集仪32。土压力传感器31可以是多个，例如可以布置在布置下部刚性罐22的内壁上，可以布置在下部刚性罐22的内部的底部上。压力传感器可以根据需要来设置，一般来说数量越多，结果越精确。例如可以通过设置在侧壁上的多个土压力传感器31来实时检测不同深度的土压力，通过设置在侧壁以及底部土压力传感器31，可实时测量试验过程中静止土压力系数k0，同时动力触探过程中的贯入阻力也可实时检测。检测的数据传输到数据采集仪32。
所述压力施加装置40可以包括穿心千斤顶41以及与之连通的液压泵42，穿心千斤顶41设置在所述压力加载梁24与所述刚性顶盖23之间。在制样过程中，可以利用所述压力施加装置40来对土体60样品进行施压，以制备符合要求例如一定密度的土样。传感器可记录上覆压力施加前后土体体积变化，严格控制试样整体密度，通过增加制样时土样分层数量，可以提高制样稳定性，控制试样密度。例如液压泵42可以是油泵，通过油泵对穿心千斤顶41施加一定的压力。
图2为根据本发明一个实施方案的可变能量动力触探装置的结构示意图。参考图2，本发明的所述可变能量动力触探装置10可以是panda2可变能量动力触探仪。
更具体地，可变能量动力触探装置可以包括主机11、钻杆12、探头13、头部14、可变动能击锤15、数据采集器16以及深度记录皮带17等。所述主机11固定在所述压力加载梁24上，使得所述钻杆12以及探头13能够穿过所述通孔240、所述穿心千斤顶41以及所述开孔230进入所述上部刚性罐21和下部刚性罐22之中。
可变能量动力触探装置主要原理是用一个一定质量的标准重锤(可变动能击锤15)锤击探杆顶部的活塞(头部14)，通过钻杆将锥头(探头13)压入土内，对于每次锤击，根据活塞内部传感器测得的冲击速度，由微处理器内计算器计算出贯入的能量；同时卷带盒内另一记录器记录了锥头触入的深度，根据这两个数据，运用下面的荷兰人公式便可立即计算出锥头的动力阻力qd。所有这些数据均可以被记录在微处理器(数据采集仪)内，在试验完成后可以传输到pc机上用相应的后处理软件进行编辑处理。
式中：qd——锥形探头的贯入阻力，mpa；
m——标准重锤质量，kg；
a——锥形探头的截面积，m2；
e——对应每次锤击的锥形探头贯入量,m；
m′——被锤击部分的质量，kg；
l——活塞内两侧速传感器之间的距离，m
t——通过活塞内两测速传感器的时间，s
图3为根据本发明一个实施方案的利用标定罐的可变能量动力触探方法的流程图。下面参考图1以及3来说明利用标定罐的可变能量动力触探方法。
根据本发明的方法包括如下步骤:
1.连接数据采集装置30的步骤,包括将多个土压力传感器31设置在标定罐20内部的侧壁以及底部上(图中示出3个，一个设置在标定罐底部，两个设置在侧壁上)，并将其与数据采集仪32连接，接着将土压力传感器校零。压力传感器布置的越多，监测的数据越多，由此得到的结果越精确。例如可以布置4、5、6、7…等等个。
2.制备土样的步骤，包括根据指定级配以及密度配制一定质量的土样，并将土样装入标定罐20内至指定深度。
更具体地，根据需要，按照指定级配、密度配制一定质量土样，装入刚性标定罐内至指定深度，重复上述步骤多次，可得到指定级配、密度的土体试样，制样过程务必保证试样从上到下的均匀性，下层击实程度较低，由下到上击实程度递增，提高分层数量也可提高制样均匀性。制样完成后，可通过测量土面到罐顶的距离推算土体实际体积，得到土体整体实际密度。
3.安装压力施加装置40并施加上覆压力的步骤，包括在确认土样表面水平后，将具有开孔230的刚性顶盖23放于土样表面上，将穿心千斤顶41置于压力加载梁24与刚性顶盖23之间，然后通过液压泵42控制试验时上覆压力的大小。
更具体地，确认土表面水平后，将刚性开孔顶盖放于土面上，依次连接穿心千斤顶和压力加载梁，压力加载梁两端用螺栓约束，并连接油泵与穿心千斤顶。通过油泵控制试验时上覆压力的大小。
4.进行可变能量动力触探试验的步骤，包括将可变能量动力触探装置10固定在压力加载梁24上，使得钻杆和探头从压力加载梁24的通孔、穿心千斤顶41以及刚性顶盖23的开孔穿过，然后施加锤击力进行可变能量动力触探试验并记录实验数据。
更具体地，利用夹具将panda2可变能量动力触探仪的主机固定在压力加载梁24上。然后组装触探仪，使得钻杆和探头从压力加载梁的开孔和穿心千斤顶中穿过，然后利用可变动能击锤15进行锤击、数据采集器16以及深度记录皮带17等记录实验数据，同时记录试验中的土压力传感器的压力数据。
5.计算贯入阻力值和土压力数据。
更具体地，运用下面的荷兰人公式可计算出探头的贯入阻力qd。
式中：qd——锥形探头的贯入阻力，mpa；
m——标准重锤质量，kg；
a——锥形探头的截面积，m2；
e——对应每次锤击的锥形探头贯入量,m；
m′——被锤击部分的质量，kg；
l——活塞内两侧速传感器之间的距离，m
t——通过活塞内两测速传感器的时间，s
另外，例如可以通过设置在侧壁上的多个土压力传感器31的检测数据。来计算试验过程中静止土压力系数k0。
本发明通过标定罐技术，可在室内制备的土体参数已知的试样，模拟天然场地土体应力状态，对土体参数、土体应力状态与原位测试参数进行标定，能够为工程经验公式和设计方法积累有效数据。另外，检测施加压力方式便捷简单，提高了制样效率，缩短了试验周期。另外，可变能量动力触探试验结果与其他类型的原位测试结果相关性良好，基于可变能量动力触探的标定结果可运用到其他类型的原位测试技术中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。