专利名称：超微型贯入仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于土力学和岩土工程领域中对土的性质进行测量的超微型贯入仪。用于研究各种类型的土如非饱和土的工程性质。
背景技术：
在土力学和岩土工程实践中，土体常被视为均质体或理想的各向异性体。然而近年来对土体的中、细、微观研究结果表明粘性土是由不同大小的团聚体组成，大的团聚体包含小的团聚体，小的团聚体包含更小的团聚体。由于土中团聚体的排列和分布是不均匀的，因此分布于团聚体内和之间的孔隙形状、大小、分布也是不均匀的，从这点上说粘性土的性质本质上是不均匀和各向异性的。因此，要掌握和改良粘性土，尤其是非饱和土的工程性质，对土中团聚体的研究就显得至关重要。
团聚体的形状、大小、内部结构和强度在一定程度上决定了非饱和土的力学性质和工程性质[2]，而这方面的研究常常被岩土工程界所忽视。由于土中团聚体在中、细、微观上的尺寸较小，因此过去相关的研究主要通过各种观察手段对团聚体的形状、大小、空间排列等形貌进行分析(参见王清，王剑平.土孔隙的分形几何研究.岩土工程学报，2000，22(4)46-93；施斌，李生林.粘性土微观结构SEM图象的定量研究.中国科学(A辑)，1995，25(6)666-672)，而较少对团聚体内的组构和强度开展研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种可分析土中团聚体强度分布的超微型贯入仪。专门用于土中团聚体在中、细、微观上即尺寸较小时的研究，完善过去相关研究的不足(过去主要通过各种观察手段对团聚体的形状、大小、空间排列等形貌特征进行分析)。
超微型贯入仪，主要由荷载传感器；位移传感器、探针、土样盒、托盘、水平定位台、控制箱、数据采集仪等构成。探针与荷载传感器相连，样品盒置于水平托盘上并位于探针下方，托盘下的控制箱内有一个电控无级变速马达，它通过一个竖直螺杆控制上面的水平定位机构匀速上升和下降。固定在仪器右侧竖直立杆上的位移传感器可以测量土样盒前进和后退的相对位移即探针刺入土样内的深度。
托盘下方由燕尾槽组成的往复移动水平定位机构可以通过手动调节的方式准确定位探针在土样上表面的刺入点位置。
因为仪器工作时探针保持不动而土样前进，这就等价于探针以恒定的速度刺入土样中。探针刺入和退出过程的阻力值和刺入深度分别由荷载和位移传感器测量得出，并将所测数据输入为仪器专门配备的数据采集仪，此后通过数据线导入电脑加以保存以便进行数据的后处理。本发明可以控制探针刺入土样时的速度、刺入深度。
根据力的作用与反作用原理，当一根刚性的探针匀速垂直刺入一个物体时，排除探针周边摩擦力因素，则物体越坚硬，探针受到的端阻力就越大，反之亦然。因此很显然，如果我们采用的探针有足够大的刚度和适当小的直径，利用探针对土样的刺入和退出过程，就可以得到探针在不同刺入深度处的端阻力，进而就可以获知土样内部团聚体的强度分布情况。基于这一原理，由于样品土的种类不同，甚至不同含水量的同种土其内部强度分布情况可能存在很大的差异，超微型贯入仪可以配备0.3-1.0mm一系列不同直径的探针，可根据待分析土样的软硬情况加以选用。由于使用了无级变速马达，贯入仪的探针给进速率可设定在1-5mm/min之间的某一恒定值。由于荷载传感器的最大额定荷载为100N，因此所测样品的硬度不能高于这一额定值。
本发明的工作过程是首先在土样上表面布置一定间距的网格，试验中须将探针的刺入点准确调节至每一个网格节点上，启动电脑上的数采仪控制软件，设定好采样初始条件，然后开动马达，令探针刺入土样。经过一段时间后，关闭马达，停止刺入过程，将螺杆运动方向改设为回程，继续采样过程，直至探针从土样中退出，停止马达，保存所采集的数据。
本发明的特点是超微型贯入仪可以用于工程土质材料内部团聚体的强度研究。根据试验中所分析土样的种类、状态和试验目的，超微型贯入仪可选择不同的贯入参数，如探针直径、探针的刺入速率和数采仪的采样周期等。贯入仪已基本满足了粒径大于0.5cm的团聚体强度的分析要求。
通过贯入试验可以获得探针的刺入端阻力与刺入深度的关系曲线以及在三维空间上土样中任一选定的纵剖面或横剖面内团聚体的强度分布等值线图。贯入试验表明，许多看似均质的材料，其内部包含着丰富的内在结构。利用超微型贯入仪我们可以从能量学的角度，在中观和细观层次上评价土质材料的结构性和不均匀性。
超微型贯入仪还可以对土体中团聚体内部的强度分布进行测试分析，这为了解土质改良机理和效果、土中水分迁移、污染物在土中的弥散和运移以及土样破坏机理等提供了一个新的有力工具。
本发明的特点之所以称为“超微型贯入仪”是为了区别于目前工程中使用的“微型贯入仪”，因为该发明是从微观的角度探测土体内部的团聚体强度分布情况，而通常工程中使用的微型贯入仪则是测量土体的宏观力学指标。
图1.SMP-1超微型贯入仪的机械组成部分图2显示了面团内部不同深度平面上的一组团聚体强度分布等值线图，图中1.横梁；2.荷载传感器；3.固定立杆；4.位移传感器；5.探针；6.土样盒；7.托盘；8.水平定位台；9.控制箱；10.控制面板；图2显示了面团内部不同深度平面上的一组团聚体强度分布等值线图，三幅图所选取的平面在z轴方向的间距为1mm。从这些等值线图上可以清楚地看到，在貌似均质的面团内部其实有着更加丰富的细部结构。例如，在x坐标取[-5，+5]mm，y坐标取
mm的矩形区域内，存在一个软核区。
具体实施例方式
该仪器的组成如图1所示。通过一个特殊的夹持器，将探针与荷载传感器相连，后者固定在上面的横梁上，横梁又固定在坚直立杆上。测试土样放入仪器中部固定在水平托盘上圆筒状的土样盒内，托盘下方由燕尾槽组成的往复移动水平定位机构，可以通过手动调节的方式准确定位探针在土样上表面的刺入点位置。在仪器下方的控制箱内装有一个电控无级变速马达，它通过一个竖直螺杆推动上面的水平定位机构匀速上升和下降。固定在仪器右侧竖直立杆上的位移传感器可以测量土样盒前进和后退的位移。因为仪器工作时探针保持不动而土样前进，这就等价于探针以恒定的速度刺入土样中。探针刺入过程的刺入阻力和刺入深度值由荷载和位移传感器测量得出，并将所测数据输入为仪器专门配备的数据采集仪，此后通过数据线导入电脑加以保存以便进行数据的后处理。
由于土的种类不同，甚至不同含水量的同种土其内部强度分布情况可能存在很大的差异，SMP-1型超微型贯入仪配备了0.3-1.0mm一系列不同直径的探针，可根据需分析土样的软硬情况加以选用。由于使用了无极变速马达，贯入仪的探针给进速率可设定在1-5mm/min之间的某一恒定值。由于荷载传感器的最大额定荷载为100N，因此所测样品的硬度不能高于这一额定值。
荷载传感器的典型型号TCLZ-100NA；位移传感器的典型型号SDP-50C；图2中所选取的平面在z轴方向的间距为1mm。从这些等值线图上可以清楚地看到，在貌似均质的面团内部其实有着更加丰富的细部结构。例如，在x坐标取[-5，+5]mm，y坐标取
mm的矩形区域内，存在一个软核区。
尽管面团中有如此丰富的细部结构，我们仍然可以将其视为一个相对均质和各向同性体，因为这些强度上的差别对整个面团的宏观力学性质影响很小，可以忽略不计。不过，有了以上的试验分析，我们对这个“均质”体有了一个强度上定量化的鉴别标准，那就是面团内存在不同强度大小的团聚体，其强度差异不超过0.1-0.2N，这就与以往的感性认识有了质的不同。
权利要求
1.超微型贯入仪，包括荷载传感器、位移传感器、探针、土样盒、托盘、水平定位台、控制箱、数据采集仪等构成，其特征是探针与荷载传感器相连，测试样品盒置于探针下部，测试样品盒设于水平托盘上，托盘下方有一个电控无级变速马达，它通过一个竖直螺杆推动上面的水平定位机构匀速上升和下降。固定在仪器右侧竖直立杆上的位移传感器可以测量土样盒前进和后退的位移。
2.根据权利要求1所述的超微型贯入仪，其特征是托盘下方有燕尾槽组成的往复移动水平定位机构，然后再固定在竖直螺杆上。
3.根据权利要求1所述的超微型贯入仪，其特征是探针与荷载传感器相连，固定在上面的横梁上，横梁又固定在坚直立杆上。
4.根据权利要求1所述的超微型贯入仪，其特征是固定在仪器竖直立杆上的位移传感器可以测量土样盒前进和后退的位移。
5.根据权利要求1所述的超微型贯入仪，其特征是水平定位台设有相互垂直的两个方向。
全文摘要
超微型贯入仪，包括荷载传感器、位移传感器、探针、土样盒、托盘、水平定位台、控制箱、数据采集仪等构成，其特征是探针与荷载传感器相连，测试样品盒置于探针下部，测试样品盒设于水平托盘上，托盘下方有一个电控无级变速马达，它通过一个竖直螺杆推动上面的水平定位机构匀速上升和下降。固定在仪器右侧竖直立杆上的位移传感器可以测量土样盒前进和后退的位移。本发明超微型贯入仪是为了区别于目前工程中使用的“微型贯入仪”，因为该发明是从微观的角度探测土体内部的团聚体强度分布情况，而通常工程中使用的微型贯入仪则是测量土体的宏观力学指标。
文档编号G01N3/40GK1595103SQ20041004112
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者施斌, 蔡奕, 刘志彬, 王宝军 申请人:南京大学