用于大面积软土的原位测试装置的制作方法

本发明属于岩土测试技术领域，具体涉及用于大面积软土的原位测试装置。

背景技术：

软土有效参数、渗透系数以及固结时间的获取，对于工程有重要意义，它们与孔压的积累和消散密切相关，通过原位测试中的孔压曲线以及孔压消散试验，可以获得有效参数、渗透系数以及固结系数等重要参数，对于固结时间或地基承载力的计算都有工程意义和研究价值；

对于大面积、低强度、强流动性的饱和软土来说，受运载工具和承载设备的限制，所以取样和常规测试设备都不太适合，所以既无法使用传统的室内试验强度测试方法，也不太适合使用需要船或木筏携带轻量仪器的常规原位测试法，同时已应用于海洋工程原位测试的流触探仪和自由落体式触探仪因为设备巨大同样无法使用；

鉴于以上，我们提供一种用于大面积软土的原位测试装置用于解决上述问题。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供一种用于大面积软土的原位测试装置，该设备通过将无人机技术和认可度较高的十字板剪切仪相结合并且利用滚珠丝杠将竖向的作用力转换为扭矩加载在十字板剪切仪中，可实现对大面积软土的原位测试，并且该装置结构轻便、设计新颖，通过利用无人机平台可将设备快速、高效的送达大面积软土区域。

用于大面积软土的原位测试装置，包括无人机，其特征在于，所述无人机下端固定安装有细绳缠绕装置且细绳缠绕装置上缠绕有微型细绳，所述细绳缠绕装置电性连接有控制模块，所述控制模块实现控制线绳缠绕装置的动作；

所述微型细绳下端连接有配重块且配重块上固定有数据采集装置，所述数据采集装置底部固定安装有滚珠丝杠且滚珠丝杠上螺纹配合有滚珠丝杠螺母，所述滚珠丝杠螺母外壁上固定安装有与滚珠丝杠同轴心且间隔设置的浮力圆盘，所述滚珠丝杠下端同轴固定安装有十字板剪切仪。

优选的，所述控制模块包括测距模块且测距模块电性连接有微控制器，所述微控制器电性连接有升降控制模块且升降控制模块控制线绳缠绕装置动作，所述测距模块与数据采集装置电性连接。

优选的，所述十字板剪切仪包括固定安装在滚珠丝杠下端且与之同轴心设置的空心轴杆，所述空心轴杆外圆面上同轴心固定安装有十字形板且十字形板每个板体上竖向间隔设置有与空心轴杆连通的透水孔，所述空心轴杆底部可拆卸安装有与数据采集装置电性连接的微型孔压传感器。

优选的，所述配重块底部安装有防护壳，所述数据采集装置包括固定安装于防护壳内的数据存储单元，所述数据存储单元电性连接有固定安装于防护壳内的扭力传感器和加速度传感器，所述滚珠丝杠固定安装于防护壳下端面。

优选的，无人机底部固定安装有照相机。

上述技术方案有益效果在于：

（1）该设备通过将无人机技术和认可度较高的十字板剪切仪相结合并且利用滚珠丝杠将竖向的作用力转换为扭矩加载在十字板剪切仪中，进而实现带动十字板剪切仪在软土中进行转动，可实现测试不排水抗剪强度，并且该装置结构轻便、设计新颖，通过利用无人机平台可将设备快速、高效的送达大面积软土区域；

（2）较好的，在本方案中我们在无人机底部固定安装有照相机，可以远距离实时观察测试场地以及测试过程中的情况，便于控制人员针对现场测试情况及时做出相应的调整；

（3）通过升降控制模块和测距模块，使得设备可以在达到自由落体效果的同时，控制设备的离地高度和进入土体的初速度，使得数据更具参照性；

（4）我们通过在十字形板上设置有透水孔并且使得透水孔与空心轴杆进行连通，进而通过安装在空心轴杆底部的微型孔压传感器实现对钻孔孔压的实时测量，从而实现了同时对不排水抗剪强度以及孔压的测量。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明防护壳侧壁删去后内部结构示意图；

图3为本发明十字形板与空心轴杆安装关系意图；

图4为本发明滚珠丝杠螺母、滚珠丝杠配合时剖视示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图4对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现，以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

实施例1，本实施例提供一种用于大面积软土的原位测试装置，参照附图1所示，包括无人机1，其特征在于，我们在无人机1下端固定安装有细绳缠绕装置18且细绳缠绕装置18上缠绕有微型细绳2，所述细绳缠绕装置18电性连接有控制模块，所述控制模块实现控制线绳缠绕装置18的动作；

我们在微型细绳2下端连接有配重块3且配重块3上固定有数据采集装置，所述数据采集装置底部固定安装有滚珠丝杠4且滚珠丝杠4上螺纹配合有滚珠丝杠螺母5（由于在螺母与螺杆之间置入滚珠19，以滚动摩擦取代滑动摩擦，进而导致滚珠丝杠4不具有自锁功能，当我们将相配合的滚珠丝杠4、滚珠丝杠螺母5竖直放置时，由于滚珠丝杠螺母5和滚珠丝杠4之间不具有自锁性质，故，滚珠丝杠螺母5在围绕滚珠丝杠4转动的同时，沿着滚珠丝杠4同步下降），参照附图1所示，我们在滚珠丝杠螺母5外壁上固定安装有与滚珠丝杠4同轴心且间隔设置的浮力圆盘6，我们在滚珠丝杠4下端同轴固定安装有十字板剪切仪7；

在进行具体工作时，我们通过无人机1将该设备快速送达至所要进行软土原位测试点位置上方，我们通过控制模块实时监测无人机1的所处位置高度并且通过远程控制调节无人机1距离软土层的距离，当无人机1距离软土层的距离达到我们所需的测试要求后，控制模块控制固定安装在无人机1上的细绳缠绕装置进行动作，进而将缠绕于细绳缠绕装置18上的微型细绳2进行释放，参照附图1所示，此时与微型细绳2固定连接的配重块3、数据采集装置、滚珠丝杠4以及十字板剪切仪7在重力的作用下向下做自由落体运动，十字板剪切仪7贯入软土的初始速度取决于初始时无人机1与软土的距离大小（我们根据实际测试情况要求进行相应的设置），当十字板剪切仪7贯入至软土一定深度时，固定安装在滚珠丝杠螺母5外壁的浮力圆盘6浮在饱和的软土层上方，加之浮力圆盘6与软土表面较大的接触面积（浮力圆盘6与软土层较大的接触面积，进而使得浮力圆盘6与软土层之间的摩擦阻力进一步增加），从而可确保浮力圆盘6浮在软土层上端面保持较为稳定的状态且不会产生转动；

与此同时，当浮力圆盘6下端面与软土层接触并且浮在软土层上时，此时滚珠丝杠4在其自身重力的作用下存在继续向下移动的趋势，加之我们在滚珠丝杠4上端设置有配重块3，从而进一步加大了滚珠丝杠4向下移动的趋势，由于滚珠丝杠螺母5外壁与浮力圆盘6固定连接，加之，此时浮力圆盘6处于较为稳定的状态且不会移动（即，此时滚珠丝杠螺母5不会产生转动），加之此时滚珠丝杠4有较大的向下移动的趋势（滚珠丝杠4受到一个较大的向下的作用力，该作用力来自滚珠丝杠4、配重块3的重力势能），故，会使得滚珠丝杠4在滚珠丝杠螺母5的作用下一边转动并且一边向下移动（此时滚珠丝杠4将竖向的作用力转换为扭矩加载在十字板剪切仪7上），参照附图4所示，为滚珠丝杠螺母5内部结构示意图（滚珠丝杠4与滚珠丝杠螺母5相配合具有很小的摩擦阻力，通过将滚珠19置入螺母与螺杆之间，进而实现了以滚动摩擦代替传统的滑动摩擦，大大提供了传动效率而且其摩擦阻力很小很小，我们通过设置于滚珠丝杠螺母5上的注油孔20定期向滚珠19滑道内注入润滑油，以实现对滚珠丝杠4、滚珠19、滚珠丝杠螺母5之间的润滑），伴随着滚珠丝杠4的转动进而同步带动与之固定连接的十字板剪切仪7进行转动并且剪切土体（十字板剪切仪7是一种用十字板测定软粘性土抗剪强度的装置，将十字板头压入土层或土样中，然后进行转动，在土层中形成圆柱状的破坏面，通过一定的测量系统和计算公式，测出土的抵抗力矩，从而换算出土的抗剪强度），当浮力圆盘6浮在软土层上并且不再移动时，我们通过固定安装在滚珠丝杠4上的数据采集装置实现对滚珠丝杠4加速度数据的采集以及加载在十字板剪切仪7上的扭矩的测量，进而可以实现在不排水的情况下测试软土的抗剪强度和孔压，然后通过公式计算得到其他相关软土的土质参数指标；

在此需要注意的是：该装置上的各种控制模块以及数据采集装置等设备，其均通过无人机1蓄电池提供电能。

实施例2，在实施例1的基础上，参照附图1所示，控制模块包括测距模块8且测距模块8电性连接有微控制器，微控制器与升降控制模块9电性连接并且通过升降控制模块9控制线绳缠绕装置18的动作，我们将升降控制模块9、测距模块8均固定安装在线绳缠绕装置18上，关于线绳缠绕装置18的结构设置本领域技术人员可参照现有技术并且在结合本方案的基础上做出相应的改进，即可得到本方案中的线绳缠绕装置18，加之其也不是本方案的改进点，故，不再对其具体结构进行描述；

在进行具体工作时，我们通过测距模块8实现实时检测无人机1与软土层之间的距离，并且根据所探测的距离进而实时调整无人机1的位置高度，以至将该设备调整到一个试验所需的位置高度后，测距模块8通过与之电性连接的微控制器向升降控制模块9发出信号指令并且通过升降控制模块9控制线绳缠绕装置18进行动作，以实现将缠绕在线绳缠绕装置18上的微型细绳2进行释放，由于微型细绳2下端连接有配重块3、滚珠丝杠4等装置，进而当线绳缠绕装置18将微型细绳2释放时，会使得滚珠丝杠4、配重块3等装置快速向下做自由落体运动；

当完成对软土的测试工作后，我们通过微控制器控制升降控制模块9并且通过升降控制模块9控制线绳缠绕装置18再次动作以实现将微型细绳2收起，进而实现将贯入至软土中的设备向上从软土中拔出；

我们将测距模块8与数据采集装置电性连接，进而实现通过数据采集装置采集滚珠丝杠4开始做自由落体运动时距离软土的位置高度并且对上述数据进行存储，以便于后期将数据的导出或者拷贝，进而实现后续分析。

实施例3，在实施例1的基础上，参照附图1所示，十字板剪切仪7包括固定安装在滚珠丝杠4下端且与之同轴心设置的空心轴杆10，我们在空心轴杆10外圆面上同轴心固定安装有十字形板11，参照附图3所示，为十字形板11与空心轴杆10相互配合俯视示意图，参照附图1所示，我们在十字形板11的每个板体上竖向间隔设置有与空心轴杆10连通的透水孔12（参照附图3所示，十字形板11一共有四个板体且间隔等距环绕空心轴杆10设置），我们在空心轴杆10下端可拆卸安装有与数据采集装置电性连接的微型孔压传感器13（我们对微型孔压传感器13做防水密封处理）；

在进行具体工作时，当十字形板11下端贯入至软土中时，位于软土中的水经设置于十字形板11上的若干透水孔12进入到空心轴杆10内（如附图1中所示），此时通过设置于空心轴杆10底部的微型孔压传感器13实时检测软土的孔压，以至当十字形板11贯入至软土中一定深度时，浮力圆盘6浮在软土上且此时浮力圆盘6不再向下移动（浮力圆盘6较为稳定的浮在软土上），滚珠丝杠螺母5与浮力圆板固定连接，加之浮力圆盘6与软土较大的接触面积进而使得浮力圆盘6与软土之间存在较大的摩擦阻力，进而使得滚珠丝杠螺母5不会产生转动，相当于在垂直于滚珠丝杠4的平面内给滚珠丝杠螺母5提供一个限位作用，当浮力圆盘6浮在软土上且不会继续移动时，滚珠丝杠4在重力势能的作用下仍有一个向下移动的作用力，此时会使得滚珠丝杠4围绕滚珠丝杠螺母5进行转动并且边转动边下降，与此同时，同步带动与滚珠丝杠4下端固定连接的空心轴杆10转动，进而带动十字形板11在软土内进行转动（剪切土体），进而在软土中产生一个钻孔并且伴随着十字形板11在钻孔内的转动通过微型孔压传感器13实时测量孔内的压力；

我们通过固定安装于配重块3底部的数据采集装置实现对滚珠丝杠4的加速度以及作用在十字形板11上扭矩的测量，进而通过上述采集到的数据信息，可以实现在不排水的情况下测试软土的抗剪强度以及其他相关土质的参数指标。

实施例4，在实施例1基础上，参照附图2所示，我们在配重块3底部安装有防护壳14，滚珠丝杠4上端固定安装在防护壳14的下端面，所述数据采集装置包括固定安装于防护壳14内的数据存储单元15，所述数据存储单元15电性连接有固定安装于防护壳14内的扭力传感器16和加速度传感器17，在滚珠丝杠4做自由落体运动的过程中，设置于防护壳14内的加速度传感器17用于实现测量滚珠丝杠4的加速度，当浮力圆盘6浮在软土上不再移动时，扭力传感器16用于检测作用于十字形板11上的扭矩，数据存储单元15将加速度传感器17、扭力传感器16所测得的数据信息进行存储，以便于后期对数据的拷贝、导出。

实施例5，在实施例1的基础上，较好的，我们在无人机1底部固定安装有照相机，可以远距离实时观察测试场地以及整个的测试过程，便于在试验过程中出现的各种问题及时进行处理。

该设备通过将无人机1技术和认可度较高的十字板剪切仪7相结合并且利用滚珠丝杠4将竖向的作用力转换为扭矩加载在十字板剪切仪7中，进而实现带动十字板剪切仪7在软土中进行转动，可实现对大面积软土的原位测试，并且该装置结构轻便、设计新颖，通过利用无人机1平台可将设备快速、高效的送达大面积软土区域；

较好的，在本方案中我们在无人机1底部固定安装有照相机，可以远距离实时观察测试场地以及测试过程中的情况，便于控制人员针对现场测试情况及时做出相应的调整；

在本方案中，通过升降控制模块9和测距模块8，使得设备可以在达到自由落体效果的同时，控制设备的离地高度和进入土体的初速度，使得数据更具参照性；

我们通过在十字形板11上设置有透水孔12并且使得透水孔12与空心轴杆10进行连通，进而通过安装在空心轴杆10底部的微型孔压传感器13实现对钻孔孔压的实时测量，从而实现了同时对不排水抗剪强度以及孔压的测量。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。