一种用于考虑黏土各向异性的标准贯入试验的贯入装置的制作方法

1.本实用新型属于与海洋新能源工程勘察相关技术领域，尤其是涉及一种用于考虑黏土各向异性的标准贯入试验的贯入装置。


背景技术：

2.随着我国海洋强国与碳中和战略的提出，海上新能源成为了目前开发的热点，尤其是海上风电场工程项目。我国长三角、珠三角等沿海区域广泛分布有黏土，其强度评价直接影响着风机基础造价、基础设计及安全运行，传统钻孔取样-室内试验的方式对土样扰动较大，无法反映原位黏土的强度。
3.原位测试技术对土体扰动较少，高精度现场原位测试能够有效获得土体参数。标准贯入试验(spt)作为常用的原位测试技术，可应用于黏土强度估算中。标准贯入试验是通过锤击方式将标准尺寸的贯入器打入土中，预打15cm后，记录接下来贯入30cm的锤击数n来表征黏土的贯入特性。采用解译公式将锤击数n转换至黏土的抗剪强度su。
4.原位黏土处于各向异性状态，即竖向应力σ
v0
'与水平向应力σ
h0
'不同，其抗剪强度su存在原生各向异性，而目前黏土抗剪强度su的标准贯入试验解译方法未考虑黏土的原生各向异性，同时不同土的强度解译参数范围也不清晰。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于针对现有技术不足，旨在提供一种用于考虑黏土各向异性的标准贯入试验的贯入装置。
6.为此，本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
7.一种用于考虑黏土各向异性的标准贯入试验的贯入装置，其特征在于：所述用于考虑黏土各向异性的标准贯入试验的贯入装置包括标准贯入器、探杆、锤垫、穿心锤、穿心杆、滑轮以及钢索，所述探杆固定至标准贯入器的顶部，所述锤垫布置在探杆的顶部，所述穿心杆位于锤垫的上方，所述穿心锤穿过穿心杆且两端经钢索挂在滑轮上，所述钢索连接至运动电机上，所述运动电机用于提升或者自由下落穿心锤；
8.所述标准贯入器或探杆或者标准贯入器与探杆之间设有加速度传感器，所述加速度传感器与数据采集器信号连接；
9.所述标准贯入器或探杆或者标准贯入器与探杆之间设有激光位移传感器，所述激光位移传感器用于检测标准贯入器的贯入深度，所述激光位移传感器与数据采集器信号连接。
10.在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用如下技术方案：
11.作为本实用新型的优选技术方案：所述标准贯入器包括自上而下两两之间依次固定的上贯入器、下贯入器和贯入器靴，所述下贯入器与贯入器靴具有贯通的空腔，所述下贯入器的空腔内布置朝向贯入器靴空腔方向的激光位移传感器。
12.作为本实用新型的优选技术方案：位于滑轮与运动电机之间的钢索上设有拉线式位移传感器，所述拉线式位移传感器经拉线式位移传感器绑扎头绑扎于钢索上，所述拉线式位移传感器与数据采集器信号连接。
13.作为本实用新型的优选技术方案：所述运动电机和数据采集器均与电子控制端信号连接，所述电子控制端用于控制运动电机运动以及控制数据采集器采集传感器检测信号。
14.作为本实用新型的优选技术方案：所述穿心杆与探杆同轴。
15.作为本实用新型的优选技术方案：所述用于考虑黏土各向异性的标准贯入试验的贯入装置布置在考虑黏土各向异性的标准贯入试验室内标定装置的模型槽上，
16.所述模型槽内自下而上依次布置砂砾排水层、黏土以及处于黏土顶部的加载钢板，所述加载钢板上具有可拆卸标准贯入试验孔以穿入贯入装置的标准贯入器，所述加载钢板上表面布置定荷载机构，所述定荷载机构用于对加载钢板以形成定荷载压力，所述模型槽外侧壁上设有排水阀，所述排水阀与砂砾排水层相连通；
17.所述考虑黏土各向异性的标准贯入试验室内标定装置还包括扶持机构，所述扶持机构用于左右扶持贯入装置以方便贯入装置的标准贯入器贯入至黏土内。
18.作为本实用新型的优选技术方案：所述加载钢板上开设有排水口。
19.作为本实用新型的优选技术方案：所述定荷载机构为片式加载块，所述片式加载块为至少一个。
20.作为本实用新型的优选技术方案：所述砂砾排水层与黏土之间铺设底部土工布。
21.作为本实用新型的优选技术方案：所述黏土与加载钢板之间铺设顶部土工布。
22.作为本实用新型的优选技术方案：所述扶持机构为钢架，所述钢架固定至模型槽上，所述钢架顶部具有钢架圆形孔以穿入贯入装置的标准贯入器。
23.本实用新型提供一种用于考虑黏土各向异性的标准贯入试验的贯入装置，具有如下有益效果：
24.1)、在标准贯入器内部安装有激光位移传感器，试验时可实时读取贯入深度，所述激光位移传感器连接至数据采集器，并实时反馈至所述电子控制端，可实现准确控制标准贯入试验于45cm贯入度时终止。
25.2)、将拉线式位移传感器绑扎头绑扎于钢索，并连接至数据采集器，所述钢索与穿心锤相连接，试验时通过数据传感器实时反馈至所述电子控制端，可实现准确控制穿心锤吊起高度为76cm时自由下落。
26.3)、电子控制端通过数据采集器获取加速度传感器的波峰出现次数，并获取激光位移传感器对应的贯入深度，可在试验后直接读取不同贯入深度区间的波峰出现次数，避免了试验时人工记录可能出现错误的现象。
27.综上所述，本实用新型结构简单、设计合理，标准贯入器内部安装有激光位移传感器，试验时可实时读取贯入深度，方便控制试验；拉线式位移传感器绑扎于钢索，可实现准确控制穿心锤起吊高度；结合激光位移传感器的贯入深度数据，以及加速度传感器的波峰数据，可在试验后直接读取不同贯入深度区间的波峰出现次数，避免了试验时人工记录可能出现错误的现象。
附图说明
28.图1为本实用新型所提供的用于考虑黏土各向异性的标准贯入试验的贯入装置的正视剖面图；
29.图2为考虑黏土各向异性的标准贯入试验室内标定装置的模型槽正视剖面图；
30.图3为标准贯入器开始贯入时试验装置剖面图；
31.图中：1-模型槽；2-砂砾排水层；3-底部土工布；4-排水阀；5-黏土；6-顶部土工布；7-加载钢板；8-排水口；9-可拆卸标准贯入试验孔；10-加载块；11-钢架；12-钢架圆形孔；13-贯入器靴；14-下贯入器；15-激光位移传感器；16-激光位移传感器数据线；17-传感器出线孔；18-通气孔；19-上贯入器；20-探杆；21-加速度传感器；22-加速度传感器数据线；23-锤垫；24-穿心锤；25-穿心杆；26-钢索；27-滑轮；28-拉线式位移传感器；29-拉线式位移传感器绑扎头；30-拉线式位移传感器数据线；31-运动电机；32-数据采集器；33-电子控制端。
具体实施方式
32.参照附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细地描述。
33.如图1和图2所示，考虑黏土各向异性的标准贯入试验室内标定装置，包括模型槽1、砂砾排水层2、底部土工布3、排水阀4、黏土5、顶部土工布6、加载钢板7、排水口8、可拆卸标准贯入试验孔9、加载块10、钢架11、钢架圆形孔12、贯入器靴13、下贯入器14、激光位移传感器15、激光位移传感器数据线16、传感器出线孔17、通气孔18、上贯入器19、探杆20、加速度传感器21、加速度传感器数据线22、锤垫23、穿心锤24、穿心杆25、钢索26、滑轮27、拉线式位移传感器28、拉线式位移传感器绑扎头29、拉线式位移传感器数据线30、运动电机31、数据采集器32、电子控制端33。
34.模型槽1水平放置于试验区域内，模型槽1为长方体，钢架11焊接于模型槽1上；模型槽1底部铺设砂砾石排水层2和底部土工布3，砂砾石排水层侧面安装有排水阀4；黏土5位于底层土工布3之上，黏土5上覆有顶部土工布6和加载钢板7；加载钢板7上具有排水口8和可拆卸标准贯入试验孔9；加载块10位于加载钢板7之上；钢架11上具有钢架圆形孔12；贯入器靴13与下贯入器14通过螺纹紧固；下贯入器14通过螺旋紧固于上贯入器19上；激光位移传感器15位于下贯入器14的空腔中，通过螺纹紧固于上贯入器19；位移传感器数据线16通过上贯入器19上的传感器出线孔17连接至数据采集器32；上贯入器19上具有通气孔18；探杆20通过螺纹紧固于上贯入器19上；贯入器靴13、下贯入器14、上贯入器19组成标准贯入器；加速度传感器21的通过螺纹紧固于探杆20上，加速度传感器21的加速度传感器数据线22连接至数据采集器32；锤垫23通过螺纹安装于加速度传感器22之上，并与穿心杆25相连；穿心锤24安装于穿心杆25上，钢索26与穿心锤24相连接，并连接于运动电机31；钢索26挂于滑轮27之上；拉线式位移传感器28锚固于运动电机31的机座上，通过拉线式位移传感器绑扎头29绑扎于钢索26之上；拉线式位移传感器数据线30连接至数据采集器32；电子控制端33连接至数据采集器32和运动电机31。
35.模型槽底部具有砂砾排水层，并铺设底部土工布，同时砂砾排水层与模型槽侧面的排水阀相连，加载钢板均匀分布有排水孔，加载钢板底面下方具有顶层土工布，可实现整个模型槽的底面和顶面同时排水，大大降低了黏土试样的固结时间，极大提高了试验效率。
36.加载钢板中心处具有可拆卸标准贯入试验孔，黏土固结完成后，在开展标准贯入
试验前拆卸，可保证黏土的加载应力不变，同时保持黏土处于原生各向异性状态，进行标准贯入试验。
37.钢架中心处具有钢架圆形孔，其孔径比下贯入器孔径稍大，可保证下贯入器刚好放置于钢架圆形孔中，保证试验时贯入器的垂直度。
38.标准贯入器内部安装有激光位移传感器，试验时可实时读取贯入深度，激光位移传感器连接至数据采集器，并实时反馈至电子控制端，可实现准确控制标准贯入试验于45cm贯入度时终止。
39.拉线式位移传感器绑扎头绑扎于钢索，并连接至数据采集器，钢索与穿心锤相连接，试验时通过数据传感器实时反馈至电子控制端，可实现准确控制穿心锤吊起高度为76cm时自由下落。
40.参照图3，具体地，上述考虑黏土各向异性的标准贯入试验室内标定装置采用如下方法进行黏土强度标定，包括以下步骤：
41.s1、准备试验所需黏土样：
42.s101、在模型槽1内铺设砂砾石排水层2和底部土工布3，在模型槽1的侧壁涂抹硅脂；
43.s102、将黏土粉与水按照1:1混合，搅拌6h后，将搅拌好的黏土泥浆倒入模型槽1，打开排水阀4；
44.s103、黏土泥浆静置三天后，铺设顶层土工布6，吊装放入加载板7，分级放置加载块10至给定荷载值，直至土体每天的沉降值小于1mm，可认为黏土已固结完毕。
45.s2、室内标准贯入试验：
46.s201、将钢架11用螺栓紧固于模型槽1上，将标准贯入试验装置竖直放入钢架圆形孔12中，并在钢架圆形孔12的侧壁涂抹硅脂；
47.s202、拆除加载钢板7上的可拆卸标准贯入试验孔9，打开数据采集器32，将激光位移传感器15、加速度传感器21和拉线式位移传感器28归零；
48.s203、通过电子控制端32打开运动电机31，将穿心锤24提升拉线式位移传感器28显示为76cm，即提升至76cm高度处，通过电子控制端32关闭运动电机31，使得穿心锤24自由落下，锤击锤垫23，将贯入器靴13贯入黏土5中，激光位移传感器15可显示贯入深度；
49.s204、重复步骤s202至步骤s203，直至激光位移传感器15显示累计贯入深度为45cm时，停止试验；
50.s205、记录加速度传感器21出现的波峰次数，将激光位移传感器15的数值从15cm至45cm时出现的波峰次数记为n，即为标准贯入试验结果n；
51.s3、重复步骤s1至步骤s2，在不同加载块10的荷载值下进行多组试验，得到不同竖向压力(竖向有效应力)下σ
v1
'、σ
v2
'、σ
v3
'、
……
的试验结果n1、n2、n3、
……
；
52.s4、对试验结果进行拟合分析，得到标准贯入击数n与竖向有效应力σ
v0
'的线性拟合公式，拟合公式如下：
53.σ
v0
′
＝β
·n54.其中，σ
v0
'为黏土的竖向有效应力，n为标准贯入击数，β为拟合参数。
55.考虑各向异性的黏土不排水抗剪强度su的计算公式如下：
[0056][0057]
式中：
[0058][0059][0060][0061][0062][0063]
其中，su为黏土的不排水抗剪强度，σ
v0
'为黏土的原位竖向有效应力，b为考虑黏土各向异性效应的综合强度参数；为黏土的有效内摩擦角，可通过室内三轴固结不排水剪切试验获得；k0为黏土的静止土压力系数；η0为黏土的原位初始应力比；m为临界状态应力比；λ为黏土物理参数，可通过室内一维压缩试验获得，一般为0.8左右；α0为各向异性参数。
[0064]
最终可以得到考虑原生各向异性的软黏土不排水抗剪强度解译公式：
[0065]
su＝b
·
β
·n[0066]
通过上式以及标定得到的参数β，即可实现通过标准贯入试验结果，对原位处于各向异性应力状态的黏土的不排水抗剪强度进行计算。
[0067]
上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，仅为本实用新型的优选实施例，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本实用新型的保护范围。