专利名称：一种用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，属于岩土工程领域中一种能够直接、连续地分析测试河底或海底淤泥的静力触探装置。
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、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。随着我国经济的快速发展，我国港口、航道和水利建设事业也随之蓬勃发展，海底工程的建设、航道、河道、湖泊的疏浚和拓宽以及港口的新建、扩建等工程项目都不可避免地需要处理大量的淤泥。这些淤泥通常埋置于深水之下，且具有非常高的粘滞性和触变性，强度低，灵敏度高。现有的取样技术无法获得无扰动试样，且在运输过程中同样会产生水分丧失，使得室内试验结果严重偏离其真实值。现有的静力触探技术虽然可以用于评价淤泥的原位特性，然而由于淤泥的强度过低、部分呈悬浮物状态，因此静力触探设备所产生的贯入阻力低于其本身的分辨率，故而测量精度难以满足高质量数据的要求。T形触探器和圆盘动力CPTU探头虽然增加了与淤泥接触的面积，提高了分辨率，然而前者在贯入过程中容易受力不均衡，探头等部件容易损坏；后者更适合于悬浮状淤泥的探测，在凝固状淤泥中贯入深度较浅，且为非匀速贯入过程，贯入速率对实测贯入阻力的影响非常显著，需要作出有效修正。故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供可以直接评价淤泥特性的用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头。为实现上述发明目的，本发明用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头可采用如下技术方案:一种用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，包括纵长的探杆、位于探杆前端的侧壁摩擦筒、位于侧壁摩擦筒内的侧壁摩阻力传感器、位于侧壁摩擦筒前端的球形探头、位于球形探头上的若干孔压过滤环、与孔压过滤环连接的孔隙水压力传感器；还包括温度传感器、球形阻力传感器、测斜仪及模数转换器。与背景技术相比，本发明解决了现有技术中不能直接评价淤泥原位特性的缺陷，通过贯入过程中产生的圆球贯入阻力、侧壁摩阻力以及孔隙水压力，能方便、快捷、连续的评价淤泥的原位特性，使得静力触探技术能更准确、全面地服务于岩土工程领域。本发明具有连续性、可靠性和可重复性的特点。为实现上述发明目的，本发明用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头的使用方法可采用如下技术方案:将探头置于水面5m以下停留数分钟，使得探头得到足够的饱和；在地表贯入系统作用下球形探头以恒定速率贯入淤泥层中；侧壁摩阻力传感器测量侧壁摩擦筒受到的摩阻力，球形阻力传感器测量球形探头受到的贯入阻力；孔隙水压力传感器测量球形探头受到的孔隙水压力大小；采用温度传感器提供测试过程中探头内部的温度，对实测值进行补偿和修正；测斜仪提供该用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头的倾斜角度，对贯入深度进行修正；所有测量和记录的数据经过模数转换器转换为数字信号后，传输至地表的微机采集和存储系统中保存，绘出实时连续的剖面图。
图1是本发明用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。请参阅图1所示，本发明公开一种用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，其采用同轴电缆I传递信号和数据，包括纵长的探杆2、位于探杆前端的侧壁摩擦筒6、位于侧壁摩擦筒6内的侧壁摩阻力传感器8、位于侧壁摩擦筒6前端的球形探头12、位于球形探头12上的若干孔压过滤环、与孔压过滤环连接的孔隙水压力传感器；还包括温度传感器9、球形阻力传感器11、测斜仪7及模数转换器4。所述探杆2中设有防水圈3 ;所述探杆2与侧壁摩擦筒6连接处设有密封圈5。所述孔压过滤环包括位于球形探头12赤道位置的第一孔压过滤环13.1、位于球形探头12顶端的第三孔压过滤环13.3、位于第一孔压过滤环13.1及第三孔压过滤环13.3之间的第二孔压过滤环13.2 ;所述孔隙水压力传感器包括连接第一孔压过滤环13.1的第一孔隙水压力传感器10.1、连接第一孔压过滤环13.1的第一孔隙水压力传感器10.1及连接第一孔压过滤环13.1的第一孔隙水压力传感器10.1。本实施例中各部分的具体设计尺寸优选为:球形探头12的直径为113mm，投影面积为10000mm2。侧壁摩擦筒5外径为35.7mm,表面积150 cm2。第一孔压过滤环13.1的直径为113mm、第二孔压过滤环13.2的直径为57mm、第三孔压过滤环13.3的直径为10mm。下面通过具体的实验实施例说明本发明用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头的使用方法试验前，该球形探头12置于水面5m以下停留5分钟，使得球形探头12得到足够的饱和。在地表贯入系统作用下，球形探头12以2cm/s的恒定速率贯入淤泥层中。侧壁摩阻力传感器8测量侧壁摩擦筒6受到的摩阻力，球形阻力传感器11测量球形探头12受到的贯入阻力。球形探头12的表面积大，因此受到的贯入阻力大，解决了常规静力触探技术分辨率不足的问题。第一、第二、第三孔隙水压力传感器10.1、10.2、10.3通过第一孔压过滤环
13.1、第二孔压过滤环13.2、第三孔压过滤环13.3测量在球形探头12赤道、中部以及顶端处的孔隙水压力大小，一方面可用于评价淤泥的流动特性，另一方面可用于修正球形探头受到的贯入阻力。由于测得的贯入阻力和孔隙水压力较小，且不同深度处的海水温差很大，温度对实测值影响较为显著，因此采用温度传感器9提供测试过程中用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头内部的温度，对实测值进行补偿和修正。测斜仪7提供用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头的倾斜角度，对贯入深度进行修正。防水圈3阻止水进入探杆2内部，避免电路损坏。密封圈5在防水的同时还可防止淤泥进入侧壁摩擦筒6内部。所有测量和记录的数据经过模数转换器4转换为数字信号后，经同轴电缆I传输至地表的微机采集和存储系统中保存，绘出实时连续的剖面图。通过圆球贯入阻力、侧壁摩阻力以及孔隙水压力，可评价河底或海底淤泥的原位特性，使得静力触探技术能更准确、全面地服务于岩土工程领域。本发明具有连续性、可靠性和可重复性的特点。
权利要求
1.一种用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，其特征在于:包括纵长的探杆(2)、位于探杆前端的侧壁摩擦筒(6)、位于侧壁摩擦筒(6)内的侧壁摩阻力传感器(8)、位于侧壁摩擦筒(6)前端的球形探头(12)、位于球形探头(12)上的若干孔压过滤环、与孔压过滤环连接的孔隙水压力传感器；还包括温度传感器(9)、球形阻力传感器(11)、测斜仪(7)及模数转换器(4)。
2.根据权利要求1所述的用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，其特征在于:所述孔压过滤环包括位于球形探头(12)赤道位置的第一孔压过滤环(13.1)、位于球形探头(12)顶端的第三孔压过滤环(13.3)、位于第一孔压过滤环(13.1)及第三孔压过滤环(13.3)之间的第二孔压过滤环(13.2);所述孔隙水压力传感器包括连接第一孔压过滤环(13.1)的第一孔隙水压力传感器(10.1)、连接第一孔压过滤环(13.1)的第一孔隙水压力传感器(10.1)及连接第一孔压过滤环(13.1)的第一孔隙水压力传感器(10.1)。
3.根据权利要求1或2所述的用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，其特征在于:该用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头采用同轴电缆(I)传递信号和数据。
4.根据权利要求1所述的用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，其特征在于:球形探头(12)的直径为113mm,投影面积为10000mm2。
5.根据权利要求1所述的用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，其特征在于:侧壁摩擦筒(5)外径为35.7mm，表面积150 cm2。
6.根据权利要求1所述的用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，其特征在于:第一孔压过滤环(13.1)的直径为113mm、第二孔压过滤环(13.2)的直径为57mm、第三孔压过滤环(13.3)的直径为10mm。
7.根据权利要求1或2所述的用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头的使用方法，其特征在于: 将球形探头(12)置于水面5m以下停留数分钟，使得球形探头(12)得到足够的饱和；在地表贯入系统作用下球形探头(12)以恒定速率贯入淤泥层中；侧壁摩阻力传感器(8)测量侧壁摩擦筒(6)受到的摩阻力，球形阻力传感器(11)测量球形探头受到的贯入阻力；孔隙水压力传感器测量球形探头受到的孔隙水压力大小；采用温度传感器提供测试过程中探头内部的温度，对实测值进行补偿和修正；测斜仪(7)提供该用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头的倾斜角度，对贯入深度进行修正；所有测量和记录的数据经过模数转换器转换为数字信号后，传输至地表的微机采集和存储系统中保存，绘出实时连续的剖面图。
全文摘要
本发明公布了一种用于探测淤泥的球形孔压静力触探探头，该探头采用同轴电缆(1)传递信号和数据，上部为探杆(2)和防水圈(3)，中部设有模数转换器(4)，探杆(2)下部设有密封圈(5)和侧壁摩擦筒(6)，在侧壁摩擦筒(6)的内部设有测斜仪(7)、侧壁摩阻力传感器(8)、温度传感器(9)、3个孔隙水压力传感器(10.1、10.2、10.3)以及圆球阻力传感器(11)，球形探头(12)连接在侧壁摩擦筒(6)的下部，3个孔压过滤环(13.1、13.2、13.3)设置在球形探头(12)上，且分别与3个孔隙水压力传感器(10.1、10.2、10.3)相连。采用该探头，具有原位、直接、快速、准确、经济等特点，为岩土工程实践提供有力的检测工具。
文档编号E02D1/00GK103147432SQ201310052158
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月18日 优先权日2013年2月18日
发明者邹海峰, 刘松玉, 蔡国军 申请人:东南大学