专利名称：一种多桥静力触探设备及多桥静力触探试验方法
技术领域：
本发明涉及一种岩土工程的测试设备，尤其涉及一种静力触探设备；本发明还涉及一种静力触探试验方法。
背景技术：
现有技术中，应用于岩土工程勘察和原位测试方法的静力触探，按其测读的测试项目划分，分为单桥静力触探、双桥静力触探和三桥静力触探。单桥静力触探所使用的静力触探设备中探头只有一个压力传感器，只能读取土层的比贯入阻力Ps，数据单一，土层力学信息量小，工程技术人员较难进行分析，已越来越少使用。双桥静力触探的探头有两个 压力传感器，分别读取土层中的锥头阻力q。和侧壁摩阻力fs，并可计算出摩阻比Rf = (fs/q。)X 100，其测试结果信息量较多，可用于土层的划分，估算土层承载力、压缩性、桩承载力，沉桩可能性和判定液化等等，是目前使用较多的静探方法，但其估算精度仍然不高。此后，还出现了一种三桥探头，其一般是在双桥静力触探探头的基础上再安装一种可测触探时产生的孔隙水压力的装置的探头，因而，三桥探头能够同时测定q。、fs和孔隙水压力，同时还能测量探头周围土中孔隙水压力的消散过程。另外还有一种静力触探方法，其使用的设备是在双桥静力触探设备的基础上在探杆的顶部增加测压体系，用于测量探杆压入土中的总贯入力PM，这样，使用该设备就可以得到锥尖阻力q。、侧壁摩阻力fs和总贯入力P11s，从而可以计算出岩土层对探杆和探头侧壁的总阻力Pw=P_q。·ΑΚ(Α探为探头的有效面积)，以及计算出锥压比R<j=q。· As侧压比Rs=fs · h · 1/P#S^,从而可以进行更多的分析，特别是在桩基工程中压桩力及桩极限承载力的估算。然而，传统的静力触探设备，包括三桥静力触探设备，只能得到地下岩土层的上述压力信息，并不能得到如温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速、地震加速度等信息，也不能获取地下的图像信息，如果需要测试更多的信息，往往是根据所需要测量的项目特制单独的探头，并且需要使用专门的试验设备进行测试，成本昂贵。同时，传统的取土钻探方法效率低，工人劳动强度高，操作环境差，导致越来越少劳动者愿意从事钻探工作，故急需寻找一种能替代钻探的高效的勘探工艺。
发明内容
为克服上述现有静力触探设备的缺陷与不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种测试项目多、测试信息量大的多桥静力触探设备；与此相应，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种测试项目多、测试信息量大的多桥静力触探方法，以及一种可以替代传统钻探方法的勘察手段。本发明所称的多桥静力触探设备，是指能同时测量4个或以上测试项目的静力触探设备，本发明所称的多桥静力触探方法，是指能同时测量4个或以上测试项目的静力触探试验方法。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多桥静力触探设备，包括杆体底端设有探头的静力触探杆和位于静力触探杆上方向所述静力触探杆施力的施力装置，所述探头设有用于测量锥尖阻力的锥尖阻力传感器和用于测量侧壁摩阻力的侧壁摩阻力传感器，其特征在于所述静力触探杆还包括用于地下摄像的微型摄像机和分别用于测量孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度的多个传感器。作为本发明一种多桥静力触探设备技术方案的改进，所述多个传感器分别安装于多个传感器接手，所述微型摄像机安装于侧面与微型摄像机镜头相对处设有开口并封有透明高强耐磨玻璃的地下摄像接手，所述多个传感器接手和地下摄像接手根据测试的需要而选择并依次连接，并且所述多个传感器接手和地下摄像接手可拆卸的安装于所述静力触探杆探头与杆体之间。作为本发明一种多桥静力触探设备技术方案的另一种改进，所述多个传感器和微型摄像机依次固定于所述静力触探杆杆体内部，并在静力触探杆杆体外表面与所述微型摄像机镜头相对的位置开口并封装透明高强耐磨玻璃。作为本发明一种多桥静力触探设备技术方案的再一种改进，所述多个传感器集成于所述探头从而形成多功能探头，所述微型摄像机安装于其侧面与微型摄像机镜头相对处 设有开口并封有透明耐磨玻璃的地下摄像接手，所述地下摄像接手可拆卸的安装于所述多功能探头与杆体之间，或者所述微型摄像机固定安装于静力触探杆杆体内部，并在所述静力触探杆杆体外表面与所述微型摄像机镜头相对的位置开口并封装透明高强耐磨玻璃。作为上述技术方案的改进，所述静力触探杆与所述施力装置之间还设有测压装置，所述测压装置包括用于测量施加在所述静力触探杆顶部的总贯入压力的压力传感器。作为上述技术方案的改进，所述多个传感器上端设有信号转换及合成微机，用于减少传输线数量，所述传感器及所述微型摄像机与所述信号转换及合成微机电性连接。作为上述技术方案的改进，所述静力触探设备还包括设于静力触探杆外部的数据采集微机，所述数据采集微机通过数据传输线与所述测压装置和所述信号转换及合成微机电性连接。实施本发明静力触探设备的技术方案，可以取得如下技术效果由于静力触探杆内部安装了多个传感器，可分别用于测量孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度，因而使用本发明的技术方案，在进行传统的静力触探试验时，还能够在同一次测试过程中测试更多的项目，大大提高了测试信息量。具体的，各个传感器可以直接固定的安装于静力触探杆杆体内部，也可以集成于探头中从而形成多功能探头，最好的方式是将各个传感器安装于接手中，形成一个个传感器接手，这样一个个传感器接手依次可相互拆卸的连接，并且也可拆卸的安装于静力触探杆杆体与探头之间，这样，杆体和接手和探头就成为相互独立的构件，可以组合使用，根据测试的需要选择传感器接手，逐个连接起来即可实施测试，非常简单方便。接手形式传感器也便于加工生产及回收再使用，降低了成本。使用固定安装于杆体内的微型摄像机或者可拆卸的连接于杆体的地下摄像接手中的微型摄像机，具体为高清微距微型摄像机，可对地下岩土层进行摄像，既可以看到地下岩土层的宏观信息，通过把图像放大也可观察到岩土层的微观结构，还能观察到地下水的水量及流动性，为建筑工程提供一个形象的窗口来了解地下岩土层的情况。当然，如有需要也可以安装更多的传感器，以测试更多的信息量，因而本发明的技术方案并不限于前述的几个测试项目。当测试的项目多时，可以在传感器的上方设置信号转换及合成微机，探头和传感器及摄像头所采集测量到的信息通过信号转换及合成微机转换成为数字信号，并合成起来，这样，只需要少量数据线就可以把各传感器数据传输到地面的数据采集微机中，也就不再受静力触探杆内部体积大小对数据线数量的限制，极大得增加了静力触探试验可测试的项目。地下摄像结合其他测试项目，既能准确看到岩土层，又能得到岩土的参数，比传统钻探的效果更好，是一种完全能够取代钻探的新的勘察方法。相应的，本发明还提供了一种多桥静力触探试验方法，该方法包括如下步骤a)、施力装置对静力触探杆施力，将所述静力触探杆持续压入土中；b)、测压装置测出静力触探杆压入土中时施力装置的总贯入压力P1 ，并将所述P S数值传输至数据采集微机存储；C)、探头的锥尖阻力传感器和侧壁摩阻力传感器分别测出锥尖阻力q。和侧壁摩阻力fs ;微型摄像机进行地下摄像，根据需要选择多个传感器中的部分或全部分别测试地下的孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度；
d)、根据步骤c)中所测试的项目数量选择是否需要使用信号转换及合成微机合成，如需要则将所测量的项目数据转换成数字信号并合成，传输至所述数据采集微机存储；如不需要则将所测量的项目数据直接传输至数据采集微机存储；e)、根据数据采集微机所设定的采样深度间隔，依次重复步骤b)、c)、d)，直至静力触探杆达到预定试验深度；f)、绘制总贯入压力P1 、锥尖阻力q。、侧壁摩阻力fs、地下岩土层图像信息和孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度中的测试项目随岩土层深度的变化情况。作为上述技术方案的改进，在步骤e)中，数据采集微机设定O. Im为采样深度间隔。采用该方法进行静力触探试验，可以获得大量的地下岩土层信息，大大提高了测试信息量，可以更为精确的估算出更多的数值，如更精确地估算压桩力和压桩深度，通过测量到的许多力学数据，结合所摄取的岩土层图像信息，可精确的判别土层、划分层位、了解岩土层结构及变化情况，而且在信号转换及合成微机的作用下，上述测试到的大量数据和图像信息均可以传输到地面的数据采集微机进行分析处理，采用地下摄像多桥静力触探方法在未来完全可以取代大部分的取土钻探勘察方法，应用前景广阔、经济效益可观。
图I是本发明一种多桥静力触探设备的实施例的结构示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图I是本发明一种多桥静力触探设备的实施例的结构示意图，本发明实施例包括杆体底端设有探头的静力触探杆和位于静力触探杆上方向所述静力触探杆施力的施力装置5，在本实施例中，施力装置为液压油缸。所述静力触探杆包括杆体3和设置于静力触探杆底端的探头1，探头I包括设于尖端的锥尖阻力传感器11以及位于该锥尖阻力传感器11上方的侧壁摩阻力传感器12，上述锥尖阻力传感器用于测量静力触探杆的锥尖阻力q。，侧壁摩阻力传感器用于测量静力触探杆的侧壁摩阻力fs。所述静力触探杆还包括用于地下摄像的微型摄像机和分别用于测量孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度的多个传感器，优选的，该多个传感器分别安装于多个传感器接手，如图I中的传感器接手81和传感器接手82，根据测试项目的需要，可以选择性的依次再安装其他传感器接手，微型摄像机则安装于地下摄像接手2，地下摄像接手侧面与接手内的微型摄像机镜头相对的位置开口并封装透明高强耐磨玻璃，这些传感器接手和地下摄像接手依次连接，相互之间可以拆卸，而且，这些接手也是可拆卸的安装于静力触探杆杆体3，并位于杆体3与探头I之间。地下摄像接手2内的微型摄像机具体为高清微距微型摄像机，通过该高清微距微型摄像机对地下岩土层进行摄像，既可以看到地下岩土层的宏观信息，通过把图像放大也可观察到岩土层的微观结构，还能观察到地下水的水量及流动性，为建筑工程提供一个形象的窗口来了解地下岩土层的情况。
本发明多桥静力触探设备的另一种实施方式是将各个传感器和微型摄像机依次 直接固定的安装于静力触探杆杆体，并在静力触探杆杆体外表面与所述微型摄像机镜头相对的位置开口并封装透明耐磨玻璃。相较于第一种以接手连接的方式，固定安装的方式成本更高，一次安装了某些传感器，就只能测试相应数量的测试项目，而采用接手进行可拆卸安装的方式，就可以根据所需要测试的项目组合使用接手，提高了接手的重复利用率，降低了成本。本发明多桥静力触探设备的再一种实施方式是将各个传感器集成于探头形成多功能探头，而微型摄像机安装于侧面开口并封装透明高强耐磨玻璃的地下摄像接手，地下摄像接手的侧面开口的位置与接手内微型摄像机的镜头相对，该地下摄像接手可拆卸的安装于所述多功能探头和静力触探杆杆体之间；或者将微型摄像机固定安装于静力触探杆杆体内部，并在杆体外表面与所述微型摄像机镜头相对的位置开口并封装透明耐磨玻璃。如图I所示，在本实施例中，静力触探杆杆体3与施力装置5之间还设有测压装置4，静力触探杆外部设有数据采集微机7，测压装置4内含用于测量施加在所述静力触探杆顶部的总贯入压力的压力传感器，该测压装置4通过数据传输线6与所述静力触探杆外部的数据采集微机7电性连接，所测量到的施力装置的总贯入压力的数值通过数据线存储到数据采集微机7中。静力触探杆的传感器也与数据采集微机电性连接。由于每一桥，即每一个传感器需要四根线，两根用于传输信息，两根作为电源线，当桥数较多，也即测试项目较多，静力触探杆的内部的体积不足以容纳足够多的线，因而可以在传感器的上端设置信号转换及合成微机，该信号转换及合成微机主要采用高速单片机，可以分时采集信号并分时传输，这样，即使桥数再多，也只需要四根线即可将信息从信号转换及合成微机中传输至设于静力触探杆外部的数据采集微机7。在本实施例中，信号转换及合成微机仍采用安装于接手9的方式，并将该接手9安装于最后一个传感器接手82与杆体3之间。当然，信号转换及合成微机也可以采取固定于静力触探杆杆体内部的方式，尤其是当传感器也是采取固定于静力触探杆杆体内部的方式时。信号转换及合成微机的位置宜设置于最后一个传感器的上方。使用本发明的技术方案，由于静力触探杆上安装了用于测量孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度的多个传感器，当然实际中可测试的项目远远不限于此，需要测试什么项目，只要按照本发明的技术方案继续加装传感器即可。因而，本发明的静力触探设备在一次测试工程中，就可以测试大量项目的地下岩土层信息，尤其在信号转换及合成接手的作用下，静力触探杆下端的探头和传感器接手就无需各自通过数据线与数据采集微机相连接，只需要小量传输线就可以将各传感器所采集到的数据和信息传输到地面的数据采集微机中，这样就不再受静力触探杆内部体积大小对数据线数量的限制，大大提高了测试信息量，实现多桥静力触探。使用地下摄像接手中的高清微距微型摄像机，还可对地下岩土层进行摄像，既可以看到地下岩土层的宏观信息，通过把图像放大也可观察到岩土层的微观结构，又能观察到地下水的水量及流动性，为建筑工程提供一个形象的窗口来了解地下岩土层的情况。采用地下摄像多桥静力触探方法在未来完全可以取代大部分的取土钻探勘察方法，应用前景广阔、经济效益可观。下面介绍使用本多桥静力触探设备进行静力触探试验方法，在本实施例中，包括以下步骤
a)、施力装置5对静力触探杆3施力，将所述静力触探杆持续压入土中；b)、测压装置4测出静力触探杆压入土中时施力装置5的总贯入压力P1 ，并将所述P S数值传输至数据采集微机7存储；C)、探头I的锥尖阻力传感器11和侧壁摩阻力传感器12分别测出锥尖阻力q。和侧壁摩阻力fs ;微型摄像机进行地下摄像，根据需要选择多个传感器中的部分或全部分别测试地下的孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度；d)、根据步骤c)中所测试的项目数量选择是否需要使用信号转换及合成微机9合成，如需要则将所测量的项目数据转换成数字信号并合成，传输至所述数据采集微机7存储；如不需要则将所测量的项目数据直接传输至数据采集微机7存储；e)、根据数据采集微机所设定的采样深度间隔，依次重复步骤b)、c)、d)，直至静力触探杆达到预定试验深度；f)、绘制总贯入压力P1 、锥尖阻力q。、侧壁摩阻力fs、地下岩土层图像信息和孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度中的测试项目随岩土层深度的变化情况。优选的，在步骤e)中，数据采集微机设定O. Im为采样深度间隔，即每隔O. I米深度测量并记录存储一次所测试项目数据。当然，也可通过数据采集微机调整采样深度间隔。本发明多桥静力触探设备和多桥静力触探试验方法由于一次测试过程即可进行大量项目的测试，可获得丰富的地下岩土层信息，具有广泛的应用。如波速测试方面的应用，一般高层建筑场地勘察需要对场地岩土层进行剪切波速测试，本方法只需装上地震波速传感器接手，即可同时完成对岩土层的剪切波速的测试，一个静力触探过程既取得了双桥数据，又取得了波速数据，大大增加了勘探的效率，降低了勘探成本。再如地下摄像的应用，通过分析不同深度下岩土层的图像中岩土层的颜色、颗粒、成分、孔隙、水份等图像信息，我们可以判断出岩土层的定名、颜色、状态等性状，与取土钻探的方法把岩土芯取到地面上来进行肉眼分析达到同样的效果和目的。也就是说通过地下摄像的图像可进行岩土层层位的划分和状态的判断，而且层位划分精度远高于传统钻探，并且能够观察到传统钻探所无法观测到的地下水的情况。该方法特别适用于复杂的岩土层勘察，例如溶洞地区勘察，能揭示出非常细致的地下景象。本发明静力触探设备的地下摄像功能测试方便快捷，效率高，成本低，本静力触探方法完全可以取代传统的取芯钻探。本发明静力触探方法还可应用于对压桩力和压桩深度的估算，众所周知，静压桩在压桩过程所受到的阻力与压桩完毕后受荷过程所受到的阻力是不一样的，压桩过程桩侧受到的是土对桩的滑动摩擦力，而受荷过程桩侧受到的是土对桩的静摩擦力，该两力之比就是土的动静摩擦比β。我们可以认为，岩土层初始破坏时，对静探探头的侧壁摩阻力fs属于静摩擦力，岩土层经过探头破坏后，对探杆的摩擦力属动摩擦力。将第i层土层的总贯入压力P *、锥尖阻力q。、侧壁摩阻力仁分别标记为卩静探^^^^那么，摩阻比为Rf= fsi/qci ；维压比为Rqi= qci · A/P 静探 ^ ；
侧压比为Rsi= fsi · hi · 1/P静探 i;弟i层土对探头和探杆的总侧阻力为Pfj i = P静探i_qCiA_(P静探i-i_qc(i-i)A)；第i层土的动静摩擦比为具
权利要求
1.一种多桥静力触探设备，包括杆体底端设有探头的静力触探杆和位于静力触探杆上方向所述静力触探杆施力的施力装置，所述探头设有用于测量锥尖阻力的锥尖阻力传感器和用于测量侧壁摩阻力的侧壁摩阻力传感器，其特征在于所述静力触探杆还包括用于地下摄像的微型摄像机和分别用于测量孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度的多个传感器。
2.如权利要求I所述的多桥静力触探设备，其特征在于 所述多个传感器分别安装于多个传感器接手，所述微型摄像机安装于侧面与微型摄像机镜头相对处设有开口并封有透明高强耐磨玻璃的地下摄像接手，所述多个传感器接手和地下摄像接手依次连接，并且所述多个传感器接手和地下摄像接手可拆卸的安装于所述静力触探杆探头与杆体之间。
3.如权利要求I所述的多桥静力触探设备，其特征在于 所述多个传感器和微型摄像机依次固定于所述静力触探杆杆体内部，并在静力触探杆杆体外表面与所述微型摄像机镜头相对的位置开口并封装透明高强耐磨玻璃。
4.如权利要求I所述的多桥静力触探设备，其特征在于 所述多个传感器集成于所述探头从而形成多功能探头，所述微型摄像机安装于其侧面与微型摄像机镜头相对处设有开口并封有透明高强耐磨玻璃的地下摄像接手，所述地下摄像接手可拆卸的安装于所述多功能探头与杆体之间，或者所述微型摄像机固定安装于静力触探杆杆体内部，并在所述静力触探杆杆体外表面与微型摄像机镜头相对的位置开口并封装透明耐磨玻璃。
5.如权利要求I至4任一项所述的多桥静力触探设备，其特征在于 所述静力触探杆与所述施力装置之间还设有测压装置，所述测压装置包括用于测量施加在所述静力触探杆顶部的总贯入压力的压力传感器。
6.如权利要求5所述的多桥静力触探设备，其特征在于所述多个传感器上端设有信号转换及合成微机，所述传感器及所述微型摄像机与所述信号转换及合成微机电性连接。
7.如权利要求6所述的多桥静力触探设备，其特征在于所述静力触探设备还包括设于静力触探杆外部的数据采集微机，所述数据采集微机通过数据传输线与所述测压装置和所述信号转换及合成微机电性连接。
8.一种多桥静力触探试验方法，其特征在于，包括以下步骤 a )、施力装置对静力触探杆施力，将所述静力触探杆持续压入土中； b)、测压装置测出静力触探杆压入土中时施力装置的总贯入压力Piws，并将所述Piws数值传输至数据采集微机存储； C)、探头的锥尖阻力传感器和侧壁摩阻力传感器分别测出锥尖阻力q。和侧壁摩阻力fs ;微型摄像机进行地下摄像，根据需要选择多个传感器中的部分或全部分别测试地下的孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度； d)、根据步骤c)中所测试的项目数量选择是否需要使用信号转换及合成微机合成，如需要则将所测量的项目数据转换成数字信号并合成，传输至所述数据采集微机存储；如不需要则将所测量的项目数据直接传输至数据采集微机存储； e)、根据数据采集微机所设定的采样深度间隔，依次重复步骤b)、c)、d)，直至静力触探杆达到预定试验深度；f)、绘制总贯入压力P#s、锥尖阻力q。、侦彳壁摩阻力fs、地下岩土层图像信息和孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度中的测试项目随岩土层深度的变化情况。
9.如权利要求8所述的多桥静力触探试验方法，其特征在于 在步骤e)中，数据采集微机设定0. Im为采样深度间隔。
全文摘要
本发明公开了一种多桥静力触探设备，包括杆体底端设有探头的静力触探杆和位于静力触探杆上方向所述静力触探杆施力的施力装置，所述探头设有用于测量锥尖阻力的锥尖阻力传感器和用于测量侧壁摩阻力的侧壁摩阻力传感器，其特征在于所述静力触探杆还包括用于地下摄像的微型摄像机和分别用于测量孔隙水压力、温度、侧压力、倾斜度、含水量、地震波速和地震加速度的多个传感器。所述多个传感器可安装于接手内并根据测试项目需要依次连接，也可直接固定于静力触探杆杆体内部，还可以集成于探头从而形成多功能探头。使用本发明的技术方案，一次测试过程即可进行大量项目的测试，获得丰富的地下岩土层信息。本发明还公开了一种多桥静力触探试验方法。
文档编号E02D1/00GK102966086SQ201210488300
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者黎志中, 李兆源 申请人:广东永基建筑基础有限公司