用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪的制作方法
【专利摘要】本发明公布了一种能够用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，该微型扁铲侧胀仪主要由三个关键部分构成。一是贯入传动部分，这部分包含驱动马达、传动杆、连接管架和不锈钢空心探杆；二是加压部分，包括压力调控器、尼龙油气管和压力计；三是土下试验部分，即扁铲探头，整个扁铲探头由探头前端圆环片、后端固定支撑铸件、承压橡胶薄膜和尼龙网组成。试验过程中，通过位于微型扁铲侧胀仪内部的核心控制器对加压和数据采集的间隔进行控制，结合外部电源和读数器进行试验。微型扁铲侧胀仪体积较小，能够对更加浅层的地表软土或是浅水中表层软粘土的固结性质进行测试，得到的数据更为真实，连续，可靠度较高。
【专利说明】
用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪
技术领域
[0001] 本发明属于地球物理学科和岩土工程领域，具体涉及一种能够直接测量浅层地表 软土或浅水中表层软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪。
【背景技术】
[0002] 近年来，涌现出很多实验数据说明，土体的弹性特性能够决定一些特定的地球物 理现象。国外学者揭示了气泡的形成和生长中体现出的沉积土体的弹性和断裂性。不仅如 此，更有学者指出了由海洋生物运移所产生的类似规模的弹性破裂。海洋生物在细颗粒土 体中运移的能力取决于在土体发生弹性形变直至破裂发生过程中微生物释放能量的大小。 气泡的产生和生长和微生物的作用有关。所以线性弹性破坏模型中关于气泡生长和上升关 系的建立需要对杨氏模量E，进行估计。
[0003] 目前研究土体性质的测试方法有以下三种：（1)现场取样至实验室进行室内试验； (2)现场测试；（3)间接方法。其中间接方法只适合大范围内的土体性质评估，没有能力对土 体的具体物理力学性质进行详尽描述。而取样至室内进行实验，需要经过取样，卸样，包装， 运移，实验室装样等一系列可能产生扰动的过程，这些潜在扰动使实验的精度和可靠性降 低，因而对土体性质的评估产生误差，不能精确描述或定量土体的性质参数。除此之外，在 装样运移的过程中，扰动会造成土体内部软弱连结的断裂，一定程度影响土体性质。
[0004] 土体的杨氏模量能够通过直接和间接两种方法得到。两种方法的区别主要是关于 测量的方式不同，因此而导致其得出的相应弹性量值有了数量级上的差别。
[0005] 扁铲侧胀仪(DMT)是已经证实的能够成功测量杨氏模量E值的现场试验仪器。现 在，扁铲侧胀仪经常被用于测量不同土体的弹性模量和侧向压力系数。扁铲侧胀仪上设有 一个直径为60mm的不锈钢薄膜用以挤压两侧的土体使之发生形变。通常情况下每一次扁铲 测量能得到以下两个典型数据:平衡贯入土压力的气体压力值和使钢膜中心向外膨胀位移 达到1.1mm时的气体压力值。杨氏模量的测量理论上需要满足胡克弹性定律的定义，又因为 测量深度的受限，故整个试验结束时可以在现有数据的基础上对指定深度范围内的实测值 进行线性拟合。为了得到的更加连续的应力应变曲线，有专家学者对试验提出了很多改进 方法，但就测量浅层软粘土而言，薄膜刚度仍是数倍乃至数十倍之于土体本身。
[0006] 旧有的扁铲侧胀仪在试验过程中，每次的压入深度间隔通常为0.2m，这使得测得 数据的间断区间过大，实测得到的杨氏模量E值跨度较大，无法反应气泡增大上升以及底栖 动物运移与土体E值的精确关系。锥尖静力触探试验能够获得更为连续的土体物理力学性 质数据，然而其获得的参数不能直接得到土体的弹性模量值。
【发明内容】
[0007] 技术问题:本装置的目的是研发一种新型的扁铲侧胀仪，在地表浅层软土中，通过 测量得到更为连续的应力应变曲线，进而推出连续的杨氏模量E值，从而方便研究沉积土体 中气泡和底栖动物对浅层软粘土体性质的影响。
[0008] 技术方案：用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，包括壳体、设 置于壳体内的核心控制器、贯入传动部分、加压部分和土下试验部分;工作时，所述核心控 制器连接外部电源和外部读数仪；
[0009] 所述贯入传动部分包括设置于壳体内侧顶部的驱动马达、连接于驱动马达下方的 传动杆、穿过壳体底面的不锈钢空心探杆、连接传动杆和不锈钢空心探杆的连接管架，所述 驱动马达信号连接至核心控制器，通过核心控制器控制驱动马达带动传动杆进行转动，转 动造成连接管架的上下移动，从而带动不锈钢空心探杆上下移动；
[0010] 所述加压部分包括设置于壳体内部的压力调控器、压力计和穿过不锈钢空心探杆 的尼龙油气管;所述压力调控器和压力计信号连接至核心控制器，所述尼龙油气管于壳体 内部穿出不锈钢空心探杆部分向上延生出2根分管，一根与压力计相连，由压力计显示气压 读数，另一头与压力调控器形成密封。
[0011] 所述土下试验部分为一个整体呈圆饼形的扁铲探头，所述扁铲探头包括探头前端 圆环片、后端固定支撑铸件和承压橡胶薄膜;整个探头尖端在试验中作为一个切片，整体推 进入土体中。所述前端圆环片底部尖端呈一个12-18°的锥角，减小贯入阻力;所述后端固定 支撑铸件上端外延出一截不锈钢圆柱管与不锈钢空心探杆底端螺纹连接，后端固定支撑铸 件下端与前端圆环片的后表面紧密贴合固定，尼龙油气管插入不锈钢圆柱管并延伸至前端 圆环中心部位;所述承压橡胶薄膜粘结于前端圆环片的中心圈内。
[0012] 进一步的，为了确保探头表面的平整性，在所述承压橡胶薄膜后面加设有一层尼 龙网。
[0013] 进一步的，所述扁铲探头整体呈圆饼形，直径为30mm，厚度为1mm;所述前端圆环片 是一个错制金属圆环，圆环内径为16.2mm，外径为30mm，厚度为0.3mm;所述承压橡胶薄膜直 径为16.2mm;所述尼龙网直径为16mm，厚度为0.3mm;所述承压橡胶薄膜通过耐海水腐蚀的 环氧树脂粘合剂粘结于前端圆环片的中心圈内。将探头尺寸限制在这么小的范围内，其目 的就是为了尽可能的减小试验贯入过程中整个探头的变形程度。不仅在尺寸上，较传统扁 铲侧胀仪更为小巧灵活，而且其中的橡胶薄膜更是能够及时进行更换。
[0014] 进一步的，所述连接管架与传动杆的连接处设置内螺纹，所述传动杆与连接管架 的连接处设置外螺纹，所述驱动马达带动传动杆正反转动，转动造成连接管架的上下移动， 从而带动不锈钢空心探杆上下移动；
[0015] 进一步的，所述后端固定支撑铸件是一个0.7mm厚度的机械构件;所述不锈钢圆柱 管长为8-12mm;所述不锈钢空心探杆长度为60cm，直径为4mm。
[0016] 进一步的，所述壳体为直径为9-1 Icm的柱形PVC塑料容器。
[0017]进一步的，所述壳体外设置有三角支架。以保证测量过程中设备的稳定性。
[0018] 进一步的，所述外部电源的电压为12V，电流为5A。
[0019] 进一步的，所述尼龙油气管和分管的直径均为0.7-0.8_。
[0020] 进一步的，所述核心控制器内部包含有型号为PICAXE 28X-2的已编码单片机，通 过读数器读取数据。
[0021] 有益效果:本发明不仅继承了现有扁铲侧胀仪试验快捷、方便、可持续，能够即刻 获得连续的地质剖面等优点，还专门针对现有仪器在软粘土或地表浅层土体中的测量空 白，发挥新仪器自身规格小巧便携的特点，大大减小了现有扁铲侧胀仪的测量间隔，从而能 够通过获得更为连续可靠的测量数据，进而得到较为精确的土体杨氏模量值，更加真实地 反映浅水中地表软土的弹性性质。
【附图说明】
[0022]图1是本发明的部件构成及原理图；
[0023]图2是扁f产探头的主视图；
[0024]图3是扁f产探头的左视图；
[0025] 图4是扁f产探头的后视图；
[0026] 图5是扁铲探头的细节图；
[0027] 其中有:驱动马达1，传动杆2,扁铲探头3,核心控制器4,压力调控器5,压力计6,尼 龙油气管7,连接管架8,不锈钢空心探杆9,外部电源10,读数仪11;扁铲探头3包括:后端承 接构件31，前端圆环片32，高压橡胶薄膜33，尼龙网34。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0029]如图1-5所示，用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，包括直径 为IOcm的柱形PVC塑料容器壳体、设置于壳体内的核心控制器4、贯入传动部分、加压部分和 土下试验部分;工作时，所述核心控制器4连接电压为12V，电流为5A的外部电源10和外部读 数仪11。所述核心控制器4内部包含有型号为PICAXE 28X-2的已编码单片机，通过读数器11 读取数据。所述壳体外设置有三角支架。以保证测量过程中设备的稳定性。
[0030] 贯入传动部分包括设置于壳体内侧顶部的驱动马达1、连接于驱动马达1下方的传 动杆2、穿过壳体底面的长度为60cm，直径为4mm不锈钢空心探杆9、连接传动杆2和不锈钢空 心探杆9的连接管架8,所述驱动马达信号连接至核心控制器，通过核心控制器控制驱动马 达带动传动杆进行转动，转动造成连接管架的上下移动，从而带动不锈钢空心探杆上下移 动。
[0031] 加压部分包括设置于壳体内部的压力调控器5、压力计6和穿过不锈钢空心探杆的 直径为0.75mm的尼龙油气管7;所述压力调控器5和压力计6信号连接至核心控制器4,所述 尼龙油气管7于壳体内部穿出不锈钢空心探杆部分向上延生出2根直径为0.75mm的分管，一 根与压力计6相连，由压力计6显示气压读数，另一头与压力调控器5形成密封。
[0032] 土下试验部分为一个整体呈圆饼形的扁|产探头3,直径为30mm，厚度为1mm。所述扁 铲探头3包括探头前端圆环片32、后端固定支撑铸件31和承压橡胶薄膜33;整个探头尖端在 试验中作为一个切片，整体推进入土体中。所述前端圆环片32是一个铝制金属圆环，圆环内 径为16.2mm，外径为30mm，厚度为0.3mm，底部尖端呈一个12-18°的锥角，减小贯入阻力；所 述后端固定支撑铸件31是一个0.7mm厚度的机械构件，上端外延出一截管长为8-12mm的不 锈钢圆柱管与不锈钢空心探杆9底端螺纹连接，后端固定支撑铸件31下端与前端圆环片32 的后表面紧密贴合固定，尼龙油气管7插入不锈钢圆柱管并延伸至前端圆环中心部位;所述 承压橡胶薄膜33直径为16.2mm，通过耐海水腐蚀的环氧树脂粘合剂粘结于前端圆环片32的 中心圈内。
[0033]为了确保探头表面的平整性，在所述承压橡胶薄膜33后面加设有一层直径为 16mm，厚度为0.3mm尼龙网34。
[0034] 作为优选的实施方式，所述连接管架8与传动杆2的连接处设置内螺纹，所述传动 杆2与连接管架8的连接处设置外螺纹，所述驱动马达带动传动杆正反转动，转动造成连接 管架的上下移动，从而带动不锈钢空心探杆上下移动。
[0035] 微型扁铲侧胀仪扁铲侧胀仪的使用地点主要为潮间带或浅水地区，需要避开有地 表植物和潮汐通道的区域。整个设备的重量仅为3公斤，外加试验时需要的外带电源和电 脑，整个试验流程方便、快捷，很大程度上降低了试验人员的负重要求，更易在不同场地之 间进行切换。到达指定试验地点之后，需要先将三角支架打开并插入至土体一定深度，对微 型扁铲侧胀仪形成固定，减少因上部倾斜造成的扰动。接着将设备与外带电源及电脑进行 连接，打开设备控制软件进行测试。由试验前编码好的微型控制器对微型扁铲侧胀仪的测 量间隔进行设定，一般为2_5cm-个测量点进行编译。探头尖端贯入的速率为lcm/min，薄膜 位移的频率为每15s-个加载卸载循环，且每个循环之间间隔10s。试验完成后，一般的试验 深度在地表以下16cm左右，设备的驱动装置进行反转，将探头尖端从土体中抽取出来。
[0036] 橡胶薄膜位移变形：薄膜的变形来源是位于薄膜后面的防爆气体穿过尼龙油气 管。位于探头内部的总的气体体积Vtcit，能够分为系统体积V sys和薄膜位移体积V??b。变形开 始目丨J，Vmemb - 0 j Vsys - V〇 〇
[0037] 薄膜的变形是由预先设定好的系统体积Vsys以已知的速率AV逐渐减小得到的，与 此同时，压力传感器测得的初始气压值Po也以Δ P的速度随之递增。其中AV由核心控制器 中的微型处理器进行设定，整个环节中唯一的未知量薄膜位移体积Vmemb,能够由波义耳公 式计算得出：
[0038] P〇V〇 = Pl(V〇+AV+Vmemb)
[0039] 其中P1 = Po- Δ Ρ，Δ V为负值。薄膜位移体积Vme3mb经以下公式转换为能够量化橡胶 薄膜的体积变化的值：
[0040]
[0041]其中a为橡胶薄膜的半径（8.1mm)，b是以薄膜圆心为中点的最大变形值。试验得 出，通常情况下的b沅小干a倌,故上述方程能够简化为：
[0042]
[0043]上面结合说明书附图针对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于 上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨 的前提下做出各种变化。
【主权项】
1. 用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，其特征在于，包括壳体、设 置于壳体内的核心控制器(4)、贯入传动部分、加压部分和土下试验部分;工作时，所述核心 控制器(4)连接外部电源(10)和外部读数仪(11); 所述贯入传动部分包括设置于壳体内侧顶部的驱动马达（1)、连接于驱动马达(1)下方 的传动杆(2)、穿过壳体底面的不锈钢空心探杆(9)、连接传动杆(2)和不锈钢空心探杆(9) 的连接管架(8)，所述驱动马达信号连接至核心控制器，通过核心控制器控制驱动马达带动 传动杆进行转动，转动造成连接管架的上下移动，从而带动不锈钢空心探杆上下移动； 所述加压部分包括设置于壳体内部的压力调控器(5)、压力计(6)和穿过不锈钢空心探 杆的尼龙油气管(7);所述压力调控器(5)和压力计(6)信号连接至核心控制器(4)，所述尼 龙油气管(7)于壳体内部穿出不锈钢空心探杆部分向上延生出2根分管，一根与压力计(6) 相连，由压力计(6)显示气压读数，另一头与压力调控器(5)形成密封； 所述土下试验部分为一个整体呈圆饼形的扁铲探头(3)，所述扁铲探头(3)包括探头前 端圆环片（32)、后端固定支撑铸件(31)和承压橡胶薄膜(33);所述前端圆环片（32)底部尖 端呈一个12-18°的锥角;所述后端固定支撑铸件(31)上端外延出一截不锈钢圆柱管与不锈 钢空心探杆(9)底端螺纹连接，后端固定支撑铸件(31)下端与前端圆环片（32)的后表面紧 密贴合固定，尼龙油气管(7)插入不锈钢圆柱管并延伸至前端圆环中心部位;所述承压橡胶 薄膜(33)粘结于前端圆环片(32)的中心圈内。2. 根据权利要求1所述的用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，其 特征在于，所述承压橡胶薄膜(33)后面加设有一层尼龙网（34)。3. 根据权利要求2所述的用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，其 特征在于，所述扁铲探头(3)整体呈圆饼形，直径为30mm，厚度为1mm;所述前端圆环片(32) 是一个错制金属圆环，圆环内径为16.2mm，外径为30mm，厚度为0.3mm;所述承压橡胶薄膜 (33)直径为16.2mm;所述尼龙网（34)直径为16mm，厚度为0.3mm;所述承压橡胶薄膜(33)通 过耐海水腐蚀的环氧树脂粘合剂粘结于前端圆环片(32)的中心圈内。4. 根据权利要求1所述的用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，其 特征在于，所述连接管架(8)与传动杆(2)的连接处设置内螺纹，所述传动杆(2)与连接管架 (8)的连接处设置外螺纹，所述驱动马达带动传动杆正反转动，转动造成连接管架的上下移 动，从而带动不锈钢空心探杆上下移动。5. 根据权利要求1所述的用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，其 特征在于，所述后端固定支撑铸件(31)是一个0.7mm厚度的机械构件;所述不锈钢圆柱管长 为8-12mm;所述不锈钢空心探杆(9)长度为60cm，直径为4_。6. 根据权利要求1所述的用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，其 特征在于，所述壳体为直径为9-1 Icm的柱形PVC塑料容器。7. 根据权利要求1或6所述的用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪， 其特征在于，所述壳体外设置有三角支架。8. 根据权利要求1所述的用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，其 特征在于，所述外部电源(10)的电压为12V，电流为5A。9. 根据权利要求1所述的用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，其 特征在于，所述尼龙油气管(7)和分管的直径均为0.7-0.8mm。10.根据权利要求1所述的用于评价浅层地表软粘土体杨氏模量的微型扁铲侧胀仪，其 特征在于，所述核心控制器(4)内部包含有型号为PICAXE 28X-2的已编码单片机，通过读数 器(11)读取数据。
【文档编号】G01N3/12GK105891002SQ201610227138
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】杨岩, 蔡国军, 彭鹏
【申请人】东南大学