专利名称：用于污染地基土的环境静力触探探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种污染地基土的环境静力触探探头，属于环境岩土工程领域中一种 能够快速识别污染土层的静力触探装置。
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、电阻率、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。近年来，随着我国经济的发展、城市建设的扩张以及产业布局的调整，很多大城市 中心区、郊区的大型企业，例如化工厂、炼油厂、钢铁厂、纺织厂、金属冶炼、电镀和机械加工 厂等都逐步实施了退城进园、关停并转工作，如北京首钢、南京化工厂、南京化纤厂、金陵化 工、无锡钢铁厂等。这些企业“三废，，排放技术不完善以及环保措施政策等原因，大量有毒 有害重金属、有机污染物进入了土壤和地下水，致使企业原址场地成为重污染场地，形成污 染(土)地基。这些工业污染场地绝大部分将为商用建筑、民用住宅等再开发利用，成为建 筑物地基。污染土地基，由于受到了工业生产过程中产生的三废(废气、废液、废渣)的侵 蚀，土质发生了化学变化，改变了土的原有性状，一般而言，污染地基不仅会污染地下水或 形成有害气体，直接危害人民身心健康，同时污染物质会引起地基强度的降低，降低工程结 构、地下工程、地下设施等的稳定性和耐久性，从而影响工程寿命。因此评价这些场地的污 染特征及其演化、发展规律，并采取相应的工程技术处置污染地基，使其达到再开发利用和 耐久的功能，是我国现代化城市建设面临的一个新的重大课题。污染地基的调查需要确定 地层剖面、地下水分布、污染物的分布、范围及污染程度，其中污染物的分布对环境土工来 说是最重要的。污染程度的定量评价需要获得某些土层与地下水的特定参数，这些是地面 物探方法难以准确得到的。而带有特定传感器的静力触探技术毫无疑问是最好的选择。由 于污染物通常是电解质或者有机质，如重金属和碳的有机化合物，因此有可能通过土电阻 率的不同来区分污染土与未被污染的土体。研究揭示，电阻率高预示着含水量低、孔隙中含 气体量高、砂或砂砾含量大等。每种土类都包含固有的传导率(电阻率背景值)，其变异意 味着可能受到了污染。也就是说，可以通过比较土体中污染水电阻率和与其有相似物理性 质的未受污染土体中的水电阻率之间的差异来判断地下水污染的基本特征。
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，提出一种用于污染地基土快速识别的环境静力触探探头。技术方案本发明的用于污染地基土的环境静力触探探头上半段的外周包有四个环 形电极，上下两个是参考电极，中间两个为测试电极，在各环形电极之间采用塑料绝缘层隔离； 在该探头下半段自上至下顺序设有三分量地震检波器，二维测斜仪，电热调节器、摩擦筒、孔压 过滤环、圆锥状探头；在摩擦筒的中间设有孔隙水压力传感器，在摩擦筒内的侧面上分别布设 锥尖阻力压力传感器和侧壁摩阻力压力传感器，？L压过滤环位于摩擦筒与探头的连接处。探头的锥角为60°。于孔压过滤环厚度5mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0. 8。参考电极和测试电极的排列间距为50mm。有益效果本发明的用于污染地基土的环境静力触探探头，其电阻率测试部分主 要由四个铜质环形电极以及内部的电路系统等所组成。铜电极之间用绝缘塑料隔离开来， 形成0形环状密封系统。根据两个外部电极(参考电极)与两个内部电极(测试电极)的 电压差，通过其内部的电路系统与两个电极同步、连续地测量内部两电极间的电压变化，并 根据欧姆定律原理编制计算程序计算电极周围土体的电阻率大小。
图1是本发明的测量原理图；其中有参考电极1，测试电极2，塑料绝缘层3，三分量地震检波器4，二维测斜仪 5，电热调节器6，摩擦筒7，孔隙水压力传感器8，孔压过滤环9，圆锥状探头10，锥尖阻力压 力传感器11，侧壁摩阻力压力传感器12。
具体实施例方式本发明的用于污染地基土的环境静力触探探头上半段的外周包有两个环形参考 电极1和两个环状测试电极2，在环形电极的两侧为塑料绝缘层3 ；在该探头下半段设有三 分量地震检波器4，在三分量地震检波器4的下部设有二维测斜仪5，在二维测斜仪5的下 部设有电热调节器6，摩擦筒7位于电热调节器6的下方，在摩擦筒7的中部设有孔隙水压 力传感器8，在摩擦筒7的下方连接有圆锥状探头10，孔压过滤环9位于摩擦筒7与探头10 的连接处。在摩擦筒内部侧面上分别布设锥尖阻力压力传感器11和侧壁摩阻力压力传感 器12。探头10的锥角为60°，直径35. 7mm，锥底截面积为10cm2。该探头集成了常规孔压静力触探的功能(可测端阻、摩阻、倾斜和孔压)及土电阻 率测试功能，内部安装有三分量地震检波器，可测得土层的剪切波速。在该探头内部设置 有电热调节器，可进行温度的校正补偿与土层温度的测试。土的电阻率是表征土体导电性 的基本参数，是土的固有物性参数之一，取决于土的孔隙率、孔隙形状、孔隙液电阻率、饱和 度、固体颗粒成分、形状、定向性、胶结状态等。土电阻率及其相关指标的变化规律反映土体 的物理力学性质指标的变化规律。因此，基于电阻率静力触探技术可用于污染地基土层的 评估。污染地基土静力触探探头设备的核心部分为电阻率传感器，探头采用四电极排列方 式，以消除气体发生和电镀可能造成的误差。探头有一特制的电伺服系统，使用自动修正技术确保在0 lOOOOms/s范围内的测试精度。探头规格符合国际标准锥角60°，圆锥直 径为35. 7mm，锥底截面积为10cm2，侧壁摩擦筒面积150cm2。锥尖阻力压力传感器量程为lOOkN ；精度为0. 2%。侧摩阻力压力传感器量程为20kN ；精度为0. 2%。孔隙水压力传感器量程为3. 5MPa ；精度为0. 5%。电阻率测试频率为1000HZ，标定范围为1-10000 ohm-m,电极排列环状排列，电 极间距为50mm。三分量地震检波器4 型号为m317259，固有频率为100HZ/60HZ，灵敏度为104mV/ kine，阻抗为 215Q 二维测斜仪5:顶角测量范围为0° 15° ；精度为士 0.1° ；顶角分辨率为 0. 01°。如图1所示为测量的原理图。由于静力触探探杆周围土中电场的复杂性，且边界 条件难于控制，使得由探头所测得的土电学特征很复杂。通过欧姆定律得出了触探试验的 理论方程，土电阻率是通过测试恒定电流下两电极间的电压降AV，并根据欧姆定律计算出
土电阻R的大小而得出的。试样的竖向电阻率P可表示为 式中，S为电极面积(m2)，L为电极间距(m)，I为电流强度(A)。由于边界条件的复杂性，通过欧姆定律得出了触探试验的理论方程p = π2 A V/ (CI)式中，C= l/(d+rM)-l/(d+r-rM)-l/(d+rN)+l/(d+r-rN)，P 为土的电阻率，AV 为 电压差，I为电流。
权利要求
一种用于污染地基土的环境静力触探探头，其特征在于在该探头上半段的外周包有四个环形电极，上下两个是参考电极(1)，中间两个为测试电极(2)，在各环形电极之间采用塑料绝缘层(3)隔离；在该探头下半段自上至下顺序设有三分量地震检波器(4)，二维测斜仪(5)，电热调节器(6)、摩擦筒(7)、孔压过滤环(9)、圆锥状探头(10)；在摩擦筒(7)的中间设有孔隙水压力传感器(8)，在摩擦筒(7)内的侧面上分别布设锥尖阻力压力传感器(11)和侧壁摩阻力压力传感器(12)，孔压过滤环(9)位于摩擦筒(7)与探头(10)的连接处。
2.根据权利要求1所述的用于污染地基土的环境静力触探探头，其特征在于探头(10) 的锥角为60°。
3.根据权利要求1所述的用于污染地基土的环境静力触探探头，其特征在于孔压过滤 环(9)厚度5mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。
4.根据权利要求1所述的用于污染地基土的环境静力触探探头，其特征在参考电极 (1)和测试电极(2)的排列间距为50mm。
全文摘要
本发明公布了一种用于污染地基土的环境静力触探探头，该探头上半段的外周包有四个环形电极，上下两个是参考电极(1)，中间两个为测试电极(2)，在各环形电极之间采用塑料绝缘层(3)隔离；在该探头下半段自上至下顺序设有三分量地震检波器(4)，二维测斜仪(5)，电热调节器(6)、摩擦筒(7)、孔压过滤环(9)、圆锥状探头(10)；在摩擦筒(7)的中间设有孔隙水压力传感器(8)，在摩擦筒(7)内的侧面上分别布设锥尖阻力压力传感器(11)和侧壁摩阻力压力传感器(12)，孔压过滤环(9)位于摩擦筒(7)与探头(10)的连接处。采用该探头，具有原位、快速、准确、经济等特点，为环境岩土工程中的污染地基土评价提供有力的识别工具。
文档编号E02D1/02GK101858075SQ20101015833
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者刘松玉, 蔡国军 申请人:东南大学