专利名称：岩土工程的深层静力触探测试方法
技术领域：
本发明属于岩土工程的触探方法，特别是涉及一种岩土工程的深层静力触探测试 方法。
背景技术：
静力触探是采用动力源的贯入压力将触探探头压入土层实施原位测试的一种工 程地质勘探方法。在公知的静力触探测试方法中，设置于探头的传感器通过探杆中的线缆与地面记 录仪相连接，一般称为有缆触探，因此探杆的护管与探杆必需同步勻速压入土层。现有技术中，无缆静力触探杆件通常是由探杆接头、存储杆和探头依次连接构成， 探头可以是单桥探头或双桥探头，存储杆是设有将探头本体传感器输出的模拟量转换为数 字量并实时存储或在地面转发到地面接收设备的存储装置。为了减少探杆贯入时的摩擦阻 力而使静力触探探头达到一定的触探深度，有的静力触探探头还设置扩孔器，扩孔器主要 有直齿形、鼓形等，扩孔器设有与探杆接头水道相连通的中心过水盲道，扩孔器表面的凹部 设有与其中心过水盲道相连通的出水孔。扩孔器的接入位置通常是探杆接头与存储杆之 间。上述静力触探方法虽然在在工程地质勘探中得到了广泛的应用，但只能适用于40 米以上的浅层地质测试。现有技术中，一种岩土工程原位旋转触探车，由车体、地锚、液压支腿、承重底板、 油泵、液压装置、探杆和套管拆装卡套、探杆和套管导向套、装有各控制阀控制台所组成，特 征在于液压装置由两并列液压油缸及其活塞杆构成，两并列液压油缸之间设有与之同步升 降并传递贯入压力的主轴箱及主轴，主轴设有轴心水道和连接车载泥浆泵的旋转水龙头， 主轴下端设有探杆拆装卡套和带接头水道的探杆螺纹接头，还设有探杆液压、气动夹具，控 制台还设有主轴和车载泥浆泵油马达的控制阀，两并列液压油缸的快速升、快速降和浮动 降控制阀及各夹具控制阀。公告号CN201138519的实用新型《用于旋转触探的数据处理仪》是一种应用于无 缆旋转触探的地上读数仪，它由壳体、控制面板、液晶显示屏、控制电路板和电池电源所组 成，其控制面板设有菜单选择确认键、子程序选择及确认键组、状态指示灯组，壳体设有连 接插座及其多功能电缆和USB标准插口，多功能电缆分别与旋转触探系统设备的深度、转 速传感器输出电缆、上位PC机数据交换电缆、充电器输出电缆和地下数据采集装置相连 接，控制电路板设有单片机，分别连接于单片机相应端口的接收数据存储器、液晶显示屏接 口电路、键盘控制电路、USB接口电路、RS485通讯接口电路、转速、深度传感器输入控制电 路和时钟电路。公告号CN201107634的实用新型《旋转触探系统的地下数据存储器》，包括筒形壳 体、安装接头、电路板和电池组电源及开关、电路板设置以主控CPU为核心的计算机。电池 组电源设有由主控CPU、继电器驱动电路组成的电源管理机构，该机构可以实现地下数据存储器在地面进行检测、参数设定和数据交换的过程中主要使用地面的外电源，同时还可以 对电池组电源进行充电。当本地下数据存储器即将投入触探作业时，主控CPU接收地面数 据设备的指令启动内外电源切换程序，主控CPU控制的继电器完成电源切换。现有技术中， 所述地下数据存储器与探杆和旋转触探头相结合构成地下数据测试存储杆，即地下数据存 储器固定于探杆中，探杆底端与现有技术中的旋转触探头相接，旋转触探头输出的电信号 由地下数据存储器进行采集放大、A/D转换和储存。
以上公告号为CN201138519和CN201107634的实用新型是构成无缆触探的主要技 术条件。发明内容
本发明是为了解决现有静力触探测试方法只能适用于浅层地质测试的技术问题， 而公开的一种岩土工程的深层静力触探测试方法。
本发明的深层静力触探测试方法由以下步骤组成
1.平整场地，旋转触探车到达勘探点，旋转触探车的探杆定位圈对准孔位，打开触 探车液压系统，进行触探车支腿调平；
2.下地锚或给触探车配重；
3.挖好泥浆坑，注入水或泥浆，用水管连接泥浆泵的进水、出水、泄水管路，泥浆泵 的出水口和旋转触探车的旋转水龙头相连；
4.触探作业前，在地面将无缆静力触探杆件的地下数据存储器经其通讯接口连接 于地上读数仪，地上读数仪进入现场测试选项程序，现场测试程序主要检测地下数据存储 器和电池组电源状态，选项程序包括输入孔号、采样间距、选择探头类型，并使无缆静力触 探杆件的地下数据存储器与地上读数仪时钟同步；现场测试选项程序执行后断开地上读数 仪与无缆静力触探杆件的连接，将地上读数仪与探头深度记录仪相接；
5.通过旋转触探车的探杆导向套在无缆静力触探杆件加接探杆，开始触探，触探 机将无缆静力触探杆件按一定速度压入地层中，同时地上读数仪记录经探头深度记录仪输 出的静力触探头贯入深度；在探头贯入的过程中，打开泥浆泵，水或泥浆经探杆内腔从扩孔 器出水孔注入无缆静力触探杆件和地层之间的间隙中，并经该间隙返回地面；
6.触探到一定深度后，停止水或泥浆的注入，用一水堵将探杆上端内腔封堵；
7.将旋转触探车的探杆导向套换为套管导向套并置入套管，第一根套管下端沿口 带有切削齿，套管套装于已触探地层的探杆外侧，旋转触探车的动力头带动依次连接的套 管向下旋转贯入，套管旋转贯入的同时打开泥浆泵，水或泥浆经套管与探杆之间的间隙从 第一根套管下端流出，水或泥浆经套管与地层之间的间隙返回地面；
8.旋转贯入的第一根套管下端距无缆静力触探杆件底端不少于1米时停止套管 的旋转贯入操作，用套管夹板夹住套管，并将地面上的多余套管卸掉；
9.将套管导向套换为探杆导向套，拆卸探杆上端的水堵并加接探杆继续进行注水 或泥浆的静力触探操作；
10.如需再下套管，则拆卸套管夹板，重复以上6 9步骤；
11.触探到设计深度后，停止给水或泥浆注入操作，将探杆导向套拆下，加接套管， 拆下套管夹板，在液压卡具配合下，先将套管逐根起拔；
12.套管起拔完成后，由探杆提头等器具配合下将探杆逐根起拔，起拔后的无缆静 力触探杆件擦洗并上油；
13.用通讯电缆将无缆静力触探杆件与地上读数仪连接，将无缆静力触探杆件存 储的测试数据传输到该地上读数仪，浏览测试数据及测试曲线，地上读数仪退出系统，地上 读数仪转存的测试数据上传于上位计算机进行数据后处理；
14.用清水冲洗泥浆泵，然后拆下进出水管路；
15.起拔旋转触探车地锚、落下油缸、收起支腿，关闭触探车液压系统。
所述第一根套管下端沿口的切削齿是肋骨取芯钻头。
本发明的有益效果和优点在于本发明是在现有无缆静力触探测试方法的基础 上，利用旋转触探车旋转贯入动力头的特性为静力触探探杆提供具有保护作用的套管，该 套管为旋转贯入方式并且套管底端还具有利于旋进的切削齿(肋骨钻头)，套管的旋转贯 入还充分利用旋转触探车提供具有润滑作用的泥浆，因此本方法旋转贯入的套管深度明显 大于静压贯入的套管深度而有利于防止探杆受力弯曲而折断，从而提高了无缆静力触探杆 件的静力贯入深度。实践证明，本方法可以实现深层静力触探，在天津地区最大试验深度达 70米。本发明具有操作简单、能明显提高静力触探深度的突出优点。
附图1是旋转触探车结构示意图。
附图2是地上读数仪实施例结构示意图。
附图3是地上读数仪实施例电原理结构框图。
附图4是无缆静力触探杆件结构示意图。
附图5是地下数据存储器结构示意图。
附图6是多功能电缆结构示意图。
附图7是地下数据存储器电原理结构框图。
附图8是第一根套管结构示意图。
附图9是本方法流程框图。
图中标号1触探车车体，2主轴，3并列液压油缸，4主轴油马达，5旋转水管接头， 6主轴箱，7控制台，8车载泥浆泵，9液压支腿，10地锚，11导向套，12地上读数仪，13USB标 准插口，14电源开关，15多功能电缆，16传感器中继盒，17通讯或充电中继盒，18探杆接头， 19扩孔器，19-1中心过水盲道，19-2出水孔，20中间接头，21存储杆，22地下数据存储器， 22-1侧盖，22-2座圈，22-3端盖，22-4安装接头，22-5信号线，23探头，24中继盒，24-1电 缆，24-2共用通讯电缆，24-3电源电缆，24-4充电器输入电缆，25第一根套管，26肋骨取芯 钻头。
具体实施方式
下面结合附图首先说明本深层静力触探测试方法所涉及的主要设备。
如图1所示，触探车车体1的主轴2由主轴箱6的轴承支撑，主轴油马达4经减速 齿轮轮系的齿轮箱传动连接于的主轴2，主轴箱6经支撑板固定连接于两并列液压油缸3缸 体，使主轴箱8随两并列液压油缸同步升降并传递贯入压力。主轴2设有贯通轴心的主轴水道，主轴上端设有与主轴水道相衔接的旋转水龙头5，旋转水龙头的进口连接于车载泥浆 泵8出口，旋转水龙头的手动阀门用于控制进水流量。主轴下端固定有探杆和套管气动拆 装卡套，该拆装卡套中的探杆或套管分别在两并列液压油缸升降、主轴油马达旋转驱动下， 完成探杆或套管的松开、拧紧、静力贯入、旋转贯入和起拔操作。导向套11与主轴相对应，导向套是可以换装的探杆导向套或套管导向套，该导向 套的一半夹头是液压夹头。触探车车体底盘底面对称分布有四套液压支腿9和设置于底盘两端部的地锚10。 触探车的发动机带动油泵和气泵。控制台7由机箱、面板和操作手柄板构成，机箱中设有分别对应液压支腿调整、主 轴油马达、探杆或套管拆装卡套、探杆或套管导向套、泥浆泵油马达和两并列液压油缸的液 压油路的减压阀。本实施例的两并列液压油缸在油泵输出压力为16. OMPa时，提升力为492kN，贯入 力为 289kN，提升速度慢速 Vbm = 0-2. 27m/min,快速 Vbk = 5. 50-7. 07m/min,贯入速度 工进 Vtg max = 0-3. 87m/min，快速 Vtk max = 3. 87-4. 98m/min。主轴油马达排量为 39ml/ r,齿轮箱主动齿轮的M = 5，Z = 16 ；被动齿轮的M = 5，Z = 38，主轴转速η = 0_29r/min， 主轴扭矩N = 0-1600Nm。泥浆泵油马达排量为16mL/r，泵行程为100mm。油压夹具夹紧力 Nj = 90kN。气动夹具夹紧力Nj = 3. 9kN。如图2所示，地上读数仪12的控制面板设置菜单选择确认键“P”、由键“K1”、 “K2”、“K3”、“K4”构成的子程序选择及确认键组及分别为绿、兰、白、红发光二极管“D1”、 “D2”、“D3”、“D4”构成的状态指示灯组。控制面板的上部是240*128点阵图像、汉字15列 8行的液晶显示屏。壳体右侧设有连接多功能电缆15的插座和USB标准插口 13，壳体左侧 设有电池电源的电源开关14。多功能电缆15是一个7芯电缆，两端连有两M16型7芯航空插头，电缆的芯线分 别是电池电源正极输出线、电池电源负极输出线、深度传感器输入线、转速传感器输入线、 RS485信号线、RS485屏蔽线和电池电源直流充电线。多功能电缆经传感器中继盒16使地上读数仪12与旋转触探系统设备的深度传感 器、转速传感器输出电缆相接，用于触探时对深度、转速的现场观察。传感器中继盒16设有 连通或切断各传感器的开关KNl和手动模拟深度传感器脉冲输出的微动按钮开关KN2。通讯或充电中继盒17设有RS485-RS232的双向转换器，RS232为适应上位PC机， RS485用于地下数据采集装置的数据传输。多功能电缆经由通讯或充电中继盒17的相应插 座实现地上读数仪12与上位PC机或地下数据采集装置的连接。多功能电缆还经由通讯或 充电中继盒17的相应插座由外接充电器向地上读数仪12的电池电源充电，地上读数仪12 的电池电源在不同阶段分别向处于地面的地下数据采集装置以及深度传感器、转速传感器 提供工作电源。如图3所示，地上读数仪12中的单片机安装的系统管理程序有现场勘测程序、数 据回放程序、传感器标定程序、文件预览程序、系统设置程序。其中现场勘测程序主要完成 测试深度记录、监视系统运行状况。数据回放程序主要完成数据采集、存储、传输、打印等控 制。传感器标定程序主要完成传感器检查、初始值设置和确认、时钟设定，使无缆静力触探 杆件与地上读数仪时钟同步。文件预览程序主要完成从本实施例界面浏览触探曲线的选择控制，文件的移动、拷贝、删除、重命名等操作。系统设置程序完成标注测试文件的工程名 称、孔号、深度系数及测量日期，曲线生成、显示选择及纵、横坐标比例尺设定。
专用键盘中“P”为系统程序选择和确认键，“K1”、“K2”、“K3”、“K4”分别为“P”键 选中程序的子程序选择和确认键。状态指示灯分别显示数据采集状态、进入某程序后受控 设备运行状态等，其中灯Dl是电源指示灯，灯D2是深度脉冲接收指示灯，每接收一个深度 脉冲接收指示灯D2闪亮一次，灯D3和D4是数据传输过程和完毕指示灯。
如图4所示的无缆静力触探杆件实施例，它由探杆接头18、扩孔器19、中间接头 20、存储杆21和探头23依次连接构成，其中扩孔器19设置中心过水盲道19-1和出水孔 19-2。
如图5所示，地下数据存储器22的筒形主体设置侧盖22-1，筒形主体上端的座圈 22-2设置密封筒形主体的端盖22-3，筒形主体下端设置空心的安装接头22-4，探头23各传 感器的信号线22-5从空心的安装接头引入本地下存储器。
如图6所示，图5的地下数据存储器配置中间设有中继盒M的电缆，图示中继盒 右侧是连接通用插座的共用电缆对-1，左侧是连接数据处理设备的通讯电缆对-2、连接 12V和5V外电源的电源电缆Μ-3和充电器输入电缆Μ-4。
如图7所示，地下数据存储器设置由主控CPU、FIASH E2R0M储存器、多路A/D电 路、时钟电路和RS-232通讯接口组成的计算机，筒形主体中的12V电池组电源即内电源的 开关K后端连接于主控CPU电源输入端和5VDC-DC直流变换器输入端。主控CPU的一控制 输出端经光电隔离电路控制继电器驱动电路J，一控制输出端经光电隔离电路控制本地下 数据存储器的状态指示灯。内电源的开关后端连接于继电器一组控制触点J-I的常开触 点，其常闭触点连接于12V外电源，静触点连接于3. 3VDC-DC直流变换器输入端，其输出端 引出接至探头的传感器。5VDC-DC直流变换器输出端连接于继电器另一组控制触点J-2的 常开触点，其常闭触点连接于5V外电源，静触点连接于本储存器各电路的电源输入端。图 中RS-485通讯接口、12V和5V外电源连接于通用插座，该插座的充电器连接端子连接于内 电源。
如图8所示，第一根套管25下端沿口带有切削齿，切削齿是肋骨取芯钻头26。
以下结合图9说明本深孔静力触探测试方法。
首先平整场地，旋转触探车到达勘探点，旋转触探车的探杆定位圈对准孔位，打开 触探车液压系统，进行触探车液压支腿调平，液压下地锚或给触探车配重。
挖好泥浆坑，注入水或泥浆，用水管连接车载泥浆泵泥浆泵的进水、出水、泄水管 路，车载泥浆泵的出水口和旋转触探车的旋转水龙头相连，使抽水、给水、回水畅通。
触探作业前，在地面将无缆静力触探杆件的地下数据存储器经其通讯接口连接于 地上读数仪，地上读数仪进入现场测试选项程序，包括检测地下数据存储器和电池组电源 状态，测量参数区标定程序-工程名称、孔号、深度系数及测量日期；标定无缆静力触探杆 件，包括输入孔号、采样间距(有lCm、2Cm、5Cm、10Cm……)、选择探头类型双桥(有单桥、双 桥、三桥，预留四桥)等内容，并使无缆静力触探杆件的地下数据存储器与地上读数仪时钟 同步；检查并标定后断开地上读数仪与无缆静力触探杆件的连接，将地上读数仪与探头深 度记录仪相接。
通过旋转触探车的探杆导向套在无缆静力触探杆件的上端加接探杆，开始触探，触探机将无缆静力触探杆件按一定速度压入地层中，同时地上读数仪记录经探头深度记录 仪输出的静力触探头贯入深度；在探头贯入的过程中，打开泥浆泵，水或泥浆经探杆内腔从 扩孔器出水孔注入无缆静力触探杆件和地层之间的间隙中，泥浆经该间隙返回地面。触探到一定深度后，停止注水或泥浆，用一水堵将探杆上端过水内腔封堵。将旋转触探车的探杆导向套换为套管导向套并置入下端沿口带有切削齿的第一 根套管，第一根套管套装于已触探地层的探杆，旋转触探车的动力头带动依次连接的套管 向下旋转贯入，套管旋转贯入的同时打开泥浆泵，泥浆经套管与探杆之间的间隙从第一根 套管下端流出，泥浆经套管与地层之间的间隙返回地面。旋转贯入的第一根套管下端距无缆静力触探杆件底端为1米时停止套管的旋转 贯入操作，用套管夹板夹住套管，并将地面上的多余套管卸掉。将套管导向套换为探杆导向套，拆卸探杆上端的水堵，加接探杆继续进行注水或 泥浆静力触探操作。如触探深度不够设计深度，需要再次下套管，则拆卸套管夹板，重复以上相应步
马聚ο触探到设计深度后，停止给水或泥浆注入操作，将探杆导向套拆下，加接套管，拆 下套管夹板，在液压卡具配合下，先将套管逐根起拔。套管起拔完成后，在探杆提头等器具配合下将探杆逐根起拔，起拔后的无缆静力 触探杆件擦洗并上油。用通讯电缆将无缆静力触探杆件与地上读数仪连接，将无缆静力触探杆件的测试 数据传输到该地上读数仪，浏览测试数据及测试曲线，地上读数仪退出系统，地上读数仪转 存的测试数据上传于上位计算机进行数据后处理。用清水冲洗泥浆泵，然后拆下进出水管路。起拔旋转触探车地锚、落下油缸、收起支腿，关闭触探车液压系统。
权利要求
1.一种岩土工程的深层静力触探测试方法，其特征在于由以下步骤组成1)平整场地，旋转触探车到达勘探点，旋转触探车的探杆定位圈对准孔位，打开触探车 液压系统，进行触探车支腿调平；2)下地锚或给触探车配重；3)挖好泥浆坑，注入水或泥浆，用水管连接泥浆泵的进水、出水、泄水管路，泥浆泵的出 水口和旋转触探车的旋转水龙头相连；4)触探作业前，在地面将无缆静力触探杆件的地下数据存储器经其通讯接口连接于地 上读数仪，地上读数仪进入现场测试选项程序，现场测试程序主要检测地下数据存储器和 电池组电源状态，选项程序包括输入孔号、采样间距、选择探头类型，并使无缆静力触探杆 件的地下数据存储器与地上读数仪时钟同步；现场测试选项程序执行后断开地上读数仪与 无缆静力触探杆件的连接，将地上读数仪与探头深度记录仪相接；5)通过旋转触探车的探杆导向套在无缆静力触探杆件加接探杆，开始触探，触探机将 无缆静力触探杆件按一定速度压入地层中，同时地上读数仪记录经探头深度记录仪输出的 静力触探头贯入深度；在探头贯入的过程中，打开泥浆泵，水或泥浆经探杆内腔从扩孔器出 水孔注入无缆静力触探杆件和地层之间的间隙中，并经该间隙返回地面；6)触探到一定深度后，停止水或泥浆的注入，用一水堵将探杆上端内腔封堵；7)将旋转触探车的探杆导向套换为套管导向套并置入套管，第一根套管下端沿口带有 切削齿，套管套装于已触探地层的探杆，旋转触探车的动力头带动依次连接的套管向下旋 转贯入，套管旋转贯入的同时打开泥浆泵，水或泥浆经套管与探杆之间的间隙从第一根套 管下端流出，泥浆经套管与地层之间的间隙返回地面；8)旋转贯入的第一根套管下端距无缆静力触探杆件底端不小于1米时停止套管的旋 转贯入操作，用套管夹板夹住套管，并将地面上的多余套管卸掉；9)将套管导向套换为探杆导向套，拆卸探杆上端的水堵并加接探杆继续进行注水或泥 浆的静力触探操作；10)如需再下套管，则拆卸套管夹板，重复以上6 9步骤；11)触探到设计深度后，停止给水或泥浆注入操作，将探杆导向套拆下，加接套管，拆下 套管夹板，在液压卡具配合下，先将套管逐根起拔；12)套管起拔完成后，由探杆提头等器具配合下将探杆逐根起拔，起拔后的无缆静力触 探杆件擦洗并上油；13)用通讯电缆将无缆静力触探杆件与地上读数仪连接，将无缆静力触探杆件存储的 测试数据传输到该地上读数仪，浏览测试数据及测试曲线，地上读数仪退出系统，地上读数 仪转存的测试数据上传于上位计算机进行数据后处理；14)用清水冲洗泥浆泵，然后拆下进出水管路；15)起拔旋转触探车地锚、落下油缸、收起支腿，关闭触探车液压系统。
2.根据权利要求1所述的岩土工程的深层静力触探测试方法，其特征在于所述第一 根套管下端沿口的切削齿是肋骨取芯钻头。
全文摘要
本发明是一种岩土工程的深层静力触探测试方法。本方法是在现有无缆静力触探测试方法的基础上，利用旋转触探车旋转贯入动力头的特性为静力触探探杆提供具有保护作用的套管，该套管为旋转贯入方式并且套管底端还具有利于旋进的切削齿(肋骨钻头)，套管的旋转贯入还充分利用旋转触探车提供具有润滑作用的水或泥浆，因此本方法旋转贯入的套管深度明显大于静压贯入的套管深度而有利于防止探杆受力弯曲而折断，从而提高了无缆静力触探杆件的静力贯入深度。实践证明，本方法可以实现深层静力触探，在天津地区最大试验深度达70米。本发明具有操作简单、能明显提高静力触探深度的突出优点。
文档编号E02D1/02GK102031771SQ200910070579
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者孙树礼, 杨怀玉, 许再良, 陈新军 申请人:铁道第三勘察设计院集团有限公司