本发明涉及岩土工程勘察领域，具体涉及一种微型静力触探探杆。
背景技术：
静力触探是指用静压力以匀速率将装有测力传感器的杆件或者探头压入到土体当中，探头附近一定范围内的土体受到压缩和剪切破坏，同时对探头产生贯入阻力。在贯入过程中，由于埋藏在地层中的各种土的物理力学性质不同，因此，探头遇到的阻力也不同，有的土软，阻力就小，有的土硬，阻力就大。土的软硬正是土的力学性质的一种表现。所以贯入阻力是从一个侧面反应了土的强度。根据这样一种内部联系，我们利用杆件或者探头中的测力传感器，将贯入阻力通过电子量测记录仪表把它显示和记录下来，利用贯入阻力和土的强度之间存在的一定关系，可以确定土层剖面的力学指标，从而划分土层，进行地基土评价、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等，为设计提供所需参数。此外，静力触探也经常用于室内模型试验，可以根据静力触探的结果评价模型土体的密实度等基本物理参数。
静力触探既是一种原位测试手段，也是一种勘探手段，静力触探和常规的钻探、取样、室内试验等勘探程序相比，具有快速、精确、经济和节省人力等特点。静力触探主要适用于粘性土、粉性土和砂性土。
静力触探系统主要由两部分组成：一是贯入系统：由加压装置及反力装置组成；二是量测系统：由装在探头中的阻力传感器和量测仪表组成。目前比较常见的静力触探的触探杆是将测力传感器安装在探头当中。例如，专利CN201611092442设计了一种用于海洋静力触探的探头，将测量锥尖阻力的测力传感器安装在探头当中；专利CN201210458273涉及了一种用于野外经历触探试验的探头，将测力的应变片安装探头内部的应变筒中，通过锥尖阻力引起应变筒长度或者直径发生变化、继而通过应变片转化成电信号。将锥尖阻力测力传感器安装在探头当中有几个弊端：一是探头本身尺寸很小，所以安装在探头内部的测力传感器本身体积也必须足够小，因此测力传感器的尺寸选择就受到极大限制，体积小且量程满足在探头内部安装要求的传感器往往价格比较高；同时探头内部的零部件比较多，给探头结构设计造成极大困难，大大提高了探头设计成本；另一方面，当探头贯入到地下水位以下时，必须要严格保证探头的密封性，因为水或者其他液体渗入探头很可能导致锥尖测力传感器的失效；三是由于探头内部结构复杂，因此探头的直径不可能做的很小，如果要达到几毫米的设计要求将会大大增加探头加工和设计的成本。因此目前室外常用的探头直径一般都在30mm以上。然而在室内进行岩土工程模型试验时，由于模型箱尺寸比较小，例如一般模型箱尺寸为长×宽×高＝600mm×400mm×500mm，探头及探杆的直径较大势必由于模型箱壁的边界效应影响静力触探的试验结果(一般要求，模型试验中进行静力触探时，探头中心距离模型箱壁10倍探头直径距离才可以有效避免模型箱边界效应对贯入阻力的影响)，同时还会显著影响模型土体当中其他范围的土体响应，例如在大直径探头贯入过程中会显著影响模型其他地方的超静孔隙水压力变化。因此在模型试验中有必要采用小直径探头来进一步提高试验结果的准确性。
基于目前测力传感器安装在探头内部的结构设计特点，目前市场上所谓的“微型”静力触探都不能很好的处理探头小尺寸要求和经济性的要求。
技术实现要素：
为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种既可以用于室外勘探、也可用于室内模型试验的微型静力触探探杆，主要可用于进行野外地质勘探或者室内模型实验时对土体进行静力触探试验获得土体的物理力学参数。
本发明采用的技术方案如下：
所述的触探杆包括压力框架、测力传感器、套筒、导力杆和探头，压力框架为中空的方形框架，测力传感器置于压力框架内部，测力传感器上端通过贯穿螺栓固定于压力框架内顶面，套筒上端通过带外螺纹圆筒固定连接到压力框架下端并穿设连接于压力框架下端中心的通孔内，导力杆上端穿出套筒后伸入到压力框架内通过半开外螺纹圆筒固定连接到测力传感器的下端，导力杆下端固定有探头，探头位于套筒下端端口处并与套筒之间通过探头O性密封圈密封。
本发明中，压力框架用于将所述的微型静力触探触探杆与其他驱动装置相连接，从而在驱动装置的动力作用下将触探杆压入或者抽出试验材料来进行静力触探试验。套筒用于为在贯入过程中将所述的导力杆与试验土体分离开来，即实现端阻和侧阻的分离，从而保证端阻测量结果的准确性。导力杆主要用于将探头在贯入土体过程中受到的贯入阻力传递到测力传感器进行感知和记录。
所述的压力框架顶部中心开有上中央贯穿螺孔，上中央贯穿螺孔顶端通过环形锥面过渡连接到压力框架顶端面，上中央贯穿螺孔下端贯穿连通到压力框架内部，压力框架的上端开有螺纹盲孔，压力框架上端的螺纹盲孔和上央贯穿螺孔之间通过贯穿螺栓连接。
所述的上中央贯穿螺孔周围的所述压力框架顶端面上开有四个贯穿螺孔，四个贯穿螺孔围绕上中心贯穿螺孔周向均布布置，用于将压力框架与外部驱动装置连接，外部驱动装置例如可以是能使得整个静力触探探杆动力压入的设备装置。
所述的套筒为绝对刚性体，以使得微型静力触探探杆伸入到土体后不发生弯曲。
所述压力框架下端面中心开有下中央贯穿螺孔，套筒上端与带外螺纹圆筒同轴焊接固定，带外螺纹圆筒通过螺纹套装于下中央贯穿螺孔中，并且在带外螺纹圆筒上端伸入压力框架内的部分和带外螺纹圆筒下端伸出压力框架外的部分均套装下固定螺母，通过下固定螺母轴向锁紧带外螺纹圆筒进行轴向固定。
所述的下固定螺母和带外螺纹圆筒之间设有垫圈。
所述的套筒作用为在贯入过程中将所述的导力杆与土体分离。所述的套筒为中空的圆筒结构，套筒的两端内壁直径相同但两端外壁直径不同，套筒上端外壁直径大于下端外壁直径。
所述的套筒变截面的位置和角度根据圆孔扩张理论来确定。
所述的导力杆为上端封闭、下端开孔的杆状结构，探头上端通过螺纹套装于导力杆下端开孔内，探头上端的螺杆旋入导力杆的开孔后在探头和套筒之间通过探头O型密封圈密封；导力杆上端穿过套筒和带外螺纹圆筒后伸入到压力框架内并套装于半开外螺纹圆筒底部中，半开外螺纹圆筒主要由一对半环体、带外螺纹的筒片对接组成，半开外螺纹圆筒底部外套装上固定螺母，通过上固定螺母将导力杆上端和半开外螺纹圆筒底部同轴夹紧固定；测力传感器底部开有螺纹盲孔，半开外螺纹圆筒上端套装入测力传感器底部的螺纹盲孔后通过控力螺母轴向锁紧固定，半开外螺纹圆筒上端端部外套装有控力螺母。
所述的导力杆下端开孔的孔底部内凹形成容置液体的空间。
所述的导力杆的两端端部处各开设有一个定位O型密封圈环槽，定位O型密封圈环槽内安装有和环槽宽度相匹配的定位O型密封圈，定位O型密封圈外周连接于套筒内壁，定位O型密封圈的外圈直径等于套筒内腔直径，导力杆和套筒之间通过定位O型密封圈连接形成超静定结构。
所述的导力杆中部沿轴向间隔距离开设有多个防滑O型密封圈环槽，防滑O型密封圈环槽内安装有和环槽宽度相匹配的防滑O型密封圈，防滑O型密封圈外周连接于套筒内壁。
具体实施中，中间的防滑O型密封圈环槽的宽度较小且规格相同；分别位于导力杆两端的两个定位O型密封圈环槽宽度较大。
所述的探头探端朝下，且为顶角为60°的圆锥结构，探头上端为带外螺纹的螺杆，与导力杆下端开孔的内螺纹配合套装。
所述的测力传感器为一种具有将导力杆顶部受到的反力转变成其他电信号的传感器，包括但不限于目前常用的应变式传感器。
本发明将测力传感器和探头分离通过套筒和导力杆等结构设置进行连接，避免了传统探头部位安装测力传感器后造成复杂安装结构，并且巧妙地设置了各个探头和套筒之间的密封圈以及导力杆和套筒之间的密封圈，使得整根微型静力触探探杆形成超静定结构，而通过旋拧控力螺母调整导力杆上端旋入测力传感器下端螺纹盲孔的长度，进而调节导力杆下端所固定连接的探头和O型密封圈的预紧力，使得探测准确。
所述的压力框架为金属材质，优选的，选用铝合金不锈钢材料，质轻高强。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用测力传感器后置式布置，探头只是实心的圆锥形结构，内部没有安装的测力传感器及孔压传感器，因此探头结构更加简单，制作成本大大降低；
2)相比于传统探杆将测力传感器安装在探头内部，本发明测力传感器后置式布置，在整个触探过程中测力传感器不会进入到贯入土体内部，因此探头附近的密封性要求并不高，有利于减小探头附近因为严格密封而增加的制造成本；
3)本发明将测力传感器放置在压力框架内，因此对测力传感器的尺寸没有要求，相比于传统探杆必须选择小尺寸测力传感器安装于探头内部，可以更大程度的节约成本；
4)因为探头结构的简单，因此探头的尺寸可以做的很小，探头的直径可以做到几毫米，这样探杆也可以做的很细，因此更加满足室内模型试验对探杆直径越细越好的要求，有利于更好的规避模型箱的边界效应和减小对模型其他部分的响应的影响；
5)采用套筒式设计，将导力杆与模型土体分离，有利于提高测量端阻结果的准确性；
6)触感杆的套筒外直径采用变截面设计使得探头部分的探杆直径较小，有利于减小对原装试验土体的扰动；同时触探杆上部外壁直径较大，有利于触探杆长度较大时仍然保持很好的刚度，避免在试验过程中探杆发生弯曲；
7)导力杆和套筒之间通过环槽和O型密封圈相接触，使得导力杆形成超静定结构，增加了导力杆的刚度，避免在试验过程中导力杆发生弯曲；
8)本发明采用压力框架与驱动装置或者原有静力触探贯入结构通过螺栓相连接，增加了本发明在室外或者室内试验原有设备基础上的适用性。
附图说明
图1是本发明所述微型静力触探触探杆示意图。
图2(a)是本发明压力框架结构的正视剖视图。
图2(b)是本发明压力框架结构的俯视图。
图3是本发明所述套筒结构示意图。
图4是本发明所述压力框架下端、套筒与导力杆拆解图。
图5是本发明所述导力杆结构示意图。
图6是本发明所述压力框架、测力传感器、导力杆上端和套筒上端结构安装爆炸示意图。
图7是本发明所述导力杆下端和探头安装示意图。
图中：1，压力框架；2，测力传感器；3，套筒；4，导力杆；5，探头；6，探头O型密封圈；7，定位O型密封圈；8，防滑O型密封圈；9，防滑O型密封圈环槽；10，半开外螺纹圆筒；11，贯穿螺孔；12，贯穿螺栓；13，带外螺纹圆筒；14，控力螺母；15，上固定螺母；16，下固定螺母；17，垫圈；18，定位O型密封圈环槽；19，下中央贯穿螺孔；20，上中央贯穿螺孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例做进一步的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应该理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，触探杆包括压力框架1、测力传感器2、套筒3、导力杆4和探头5，压力框架1为中空的方形框架，测力传感器2置于压力框架1内部，测力传感器2上端通过贯穿螺栓12固定于压力框架1内顶面，套筒5上端通过带外螺纹圆筒13固定连接到压力框架1下端并穿设连接于压力框架1下端中心的通孔内，导力杆4上端穿出套筒3、带外螺纹圆筒13后伸入到压力框架1内通过半开外螺纹圆筒10固定连接到测力传感器2的下端，导力杆4下端固定有探头5，探头5位于套筒3下端端口处并与套筒3之间通过探头O性密封圈6密封。
如图1和图2所示，压力框架1顶部中心开有上中央贯穿螺孔20，上中央贯穿螺孔20顶端通过环形锥面过渡连接到压力框架1顶端面，上中央贯穿螺孔20下端贯穿连通到压力框架1内部，上中央贯穿螺孔20用于将压力框架1与套筒3上端的带外螺纹螺旋的圆筒13固定连接，压力框架1的上端开有螺纹盲孔，压力框架1上端的螺纹盲孔和上央贯穿螺孔20之间通过贯穿螺栓12连接。
如图2(a)所示，上中央贯穿螺孔20周围的压力框架1顶端面上开有四个贯穿螺孔11，四个贯穿螺孔11围绕上中心贯穿螺孔20周向均布布置，用于将压力框架1与外部驱动装置连接，外部驱动装置例如可以是能使得整个静力触探探杆动力压入的设备装置。
如图2(b)所示，压力框架1下端面中心开有下中央贯穿螺孔19，套筒3上端与带外螺纹圆筒13同轴焊接固定，如图4所示，带外螺纹圆筒13通过螺纹套装于下中央贯穿螺孔19中，并且在带外螺纹圆筒13上端伸入压力框架1内的部分和带外螺纹圆筒13下端伸出压力框架1外的部分均套装下固定螺母16，通过下固定螺母16轴向锁紧带外螺纹圆筒13进行轴向固定。
带外螺纹圆筒13的长度大于压力框架下端的下中央贯穿螺孔19长度。下固定螺母16和带外螺纹圆筒13之间设有垫圈17，套筒13上端和压力框架下端通过螺纹旋紧后在圆筒两端用相匹配的垫圈17和固定螺母16进一步紧固。
如图3所示，套筒3为中空的圆筒结构，套筒3的两端内壁直径相同但两端外壁直径不同，套筒3上端外壁直径大于下端外壁直径，并可在套筒3中部的外壁处设置直径过渡，套筒上端直径较大有利于提高套筒整体的刚度，套筒下端小直径有利于减小试验时对模型土体的扰动。具体实施中，套筒外径发生变化的位置和过渡角根据圆孔扩张理论来确定，外径发生变化的位置距离套筒下端的距离100mm，过渡角度θ选择160度。
如图7所示，导力杆4为上端封闭、下端开孔的杆状结构，探头5上端通过螺纹套装于导力杆4下端开孔内，具体来说导力杆4下端设有内螺纹，探头5上端设有外螺纹，导力杆4下端设有内螺纹，探头5上端为设有外螺纹的螺杆，导力杆4的内螺纹和螺杆的外螺纹相匹配；导力杆与探头连接时，探头上端螺杆的外螺纹旋入导力杆下端内螺纹的螺纹孔中；探头5上端的螺杆旋入导力杆的开孔后在探头5和套筒3之间通过探头O型密封圈6密封，一方面防止探杆贯入土体过程中土体颗粒和液体进入套筒内腔，另一方面使得探头5和套筒3之间具有预紧力使得微型静力触探探杆测量准确性；探头5和套筒3之间的探头O型圈6在贯入试验之前需要加上一定的预紧力，作用在于减小探头和套筒之间的间隙，增加试验结果的一致性。
导力杆4下端开孔的孔底部内凹形成容置液体的空间，此空间用于防止在贯入过程中液体在外界压力作用下压入导力杆内螺纹端后液体压力增大导力杆端阻力而影响试验结果。
导力杆4上端穿过套筒3和带外螺纹圆筒13后伸入到压力框架1内并套装于半开外螺纹圆筒10底部中，半开外螺纹圆筒10主要由一对半环体、带外螺纹的筒片对接组成，半开外螺纹圆筒10底部外套装上固定螺母15，通过上固定螺母15将导力杆4上端和半开外螺纹圆筒10底部同轴夹紧固定；
如图6所示，测力传感器2底部开有螺纹盲孔，半开外螺纹圆筒10上端套装入测力传感器2底部的螺纹盲孔后通过控力螺母14轴向锁紧固定，半开外螺纹圆筒10上端端部外套装有控力螺母14。
如图5所示，导力杆4的两端端部处各开设有一个定位O型密封圈环槽18，定位O型密封圈环槽18内安装有和环槽宽度相匹配的定位O型密封圈7，定位O型密封圈7外周连接于套筒3内壁，定位O型密封圈7的外圈直径等于套筒3内腔直径，导力杆4和套筒3之间通过定位O型密封圈7连接形成超静定结构。定位O型密封圈7作用在于使整根导力杆形成超静定结构，增加探杆的刚度从而避免在探入过程中发生屈曲，环槽的作用在于防止导力杆向套筒中安装时O型密封圈滑落，并能保证整根导力杆在套筒内腔的中间位置。
如图5所示，导力杆4中部沿轴向间隔距离开设有多个防滑O型密封圈环槽9，防滑O型密封圈环槽9内安装有和环槽宽度相匹配的防滑O型密封圈8，防滑O型密封圈8外周连接于套筒3内壁，防滑O型密封圈8外圈直径略小于套筒3内腔直径，以减小套筒与导力杆之间的摩擦力，环槽的作用在于防止导力杆向套筒中安装时O型密封圈滑落。
导力杆4中间的防滑O型密封圈环槽9的宽度较小且规格相同，具体实施中，环槽宽度为0.76mm，相邻两个环槽之间的距离为100mm；分别距离导力杆两端最近的两个定位O型密封圈环槽7宽度较大，具体实施中为1mm，上下两端环槽距离端头距离分别为5mm和7mm。
如图7所示，探头5探端朝下，且为顶角为60°的圆锥结构，探头5上端为带外螺纹的螺杆，与导力杆4下端开孔的内螺纹配合套装。
测力传感器2外形经过改装，在上端和下端均开设有一定深度的内螺纹，分别用于与压力框架1和导力杆4相连接；测力传感器下端开设的内螺纹的深度要大于导力杆上端半开的带外螺纹圆筒10旋入测力传感器下端内螺纹的长度。
本发明的微型静力触探触探杆在贯入土体过程中只测量锥尖阻力，触探杆在贯入过程中，探头5受到的土体阻力直接通过导力杆4传递到测力传感器2，测力传感器2通过将此压力转化成电信号，通过数据线将此电信号传输到具有数据采集和处理能力的终端。具有数据采集和处理能力的终端包括但不限于笔记本、计算机、或者其他具有数据采集和处理能力的移动智能终端。
微型静力触探触探杆可通过压力框架1上端的四个贯穿螺孔11方便与其他驱动装置进行连接；当与已有的静力触探装置进行连接时，只需要将静力触探装置的探杆拆卸，将压力框架1与静力触探装置的驱动装置进行简单连接即可，比较方便。
微型静力触探触探杆在使用前进行标定，标定方式是：标定出在贯入过程中导力杆与套筒内腔之间的O型密封圈7、8与套筒内腔之间的摩擦力△P，在测力传感器2的记录结果中减去摩擦力△P。