用于钻探现场土工参数的设备的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于钻探现场土工参数的设备，包括测量载体钻杆、冲击耦合杆、重力锤、应力传感器、加速度传感器、信号采集装置、无线通讯模块、智能运算单元，上述载体钻杆与上述冲击耦合杆连接，上述钻杆插入大地并与大地之间存有间隙，上述冲击耦合杆位于大地之上，上述重力锤固定在上述载体钻杆的顶部，上述应力传感器、上述加速度传感器均安装在上述冲击耦合杆，并均连接上述信号采集装置，上述信号采集装置与上述无线通讯模块连接，无线通讯模块将信息传输至上述智能运算单元。本实用新型的有益效果在于，利用波动方程原理，利用动探过程中捶击产生的应力波的波动效应，测量钻探深度、能量转换效率、捶击数的校正及土工参数演算。
【专利说明】
用于钻探现场土工参数的设备
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种用于钻探现场土工参数的设备，属于工程勘探中场地土工参 数的处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 在工程勘探中，现场土工参数的测量最通用的方法是动探方法，包括轻型动探、标 准贯入(SPT)和重力动探，它们得到的是指定能量和贯入度下，棰击数。然而，由于棰击能量 效率不同和人们对于棰击数物理意义理解不够深入，致使它们难于直接用于岩土工程的计 算或者偏差太大，同时钻孔深度也需要直接测量，对于现场钻探质量的监管，存在很大困 难。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于钻探现场土工参数的设备。
[0004] 本实用新型是通过以下技术方案来实现的。
[0005] -种用于钻探现场土工参数的设备，包括测量载体钻杆、冲击耦合杆、重力锤、应 力传感器、加速度传感器、信号采集装置、无线通讯模块、智能运算单元，上述载体钻杆与上 述冲击耦合杆连接，上述钻杆插入大地并与大地之间存有间隙，上述冲击耦合杆位于大地 之上，上述重力锤固定在上述载体钻杆的顶部，上述应力传感器、上述加速度传感器均安装 在上述冲击耦合杆，并均连接上述信号采集装置，上述信号采集装置与上述无线通讯模块 连接，无线通讯模块将信息传输至上述智能运算单元。
[0006] 本实用新型的有益效果：
[0007] 利用波动方程原理，利用动探过程中棰击产生的应力波的波动效应，测量钻探深 度、能量转换效率、棰击数的校正及土工参数演算;从工程实际出发，重点解决钻探检测及 土工参数实时计算方法，有效降低企业运营成本，提高工作效率的同时提高了作业数据的 可靠性。
【附图说明】
[0008] 图1为本实施案例的工程结构示意图；
[0009] 图2为图1的A-A部分放大示意图；
[0010] 图3为图1的B部分放大示意图；
[0011] 图4为图1的C部分放大示意图；
[0012] 图5为本实施案例信号采集的结构示意图；
[0013]图6为本实施案例采样数据。
【具体实施方式】
[0014]下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
[0015]参照图1-图6,工程构建包括:大地1，钻杆2,冲击親合杆3,重力锤4,表不钻杆与大 地之间的空隙5,集成有应力传感器6,加速度传感器7,信号采集装置8,集成有电池的无线 通讯模块9,智能运算单元10。按照图1-图4所示连接组成测试系统。
[0016] 用于钻探现场土工参数的测量、处理方法，步骤包括：
[0017] 1)利用行波理论取得钻杆行波走时间，进而计算钻进深度：
[0018] (1)通过速度曲线查找第一次达到峰值的时刻，记录为;
[0019] (2)通过冲击力曲线得到时刻的峰值FU!);
[0020] (3)在冲击力曲线第一次下降到小于0.01倍F(t〇的时刻后开始查找速度曲线的 最近一个峰值，并记录时刻为t2,计算Δ t = t2_tl;
[0021] (4)利用波动理论，在钻杆中应力波速度已知情况下的钻杆长度
[0022] (5)测量传感器离地面的距离记为Hse_r;
[0023] (6)计算钻探深度 H=L-Hsensor;
[0024] 2)利用1)的结果，通过给定公式计算冲击能量，计算有效能量比，修正传统灌入法 的棰击数：
[0025] (1)记冲击力曲线值第一次大于1N的时刻为to;
[0026] (2)由1)的（3)中取得计算时间差At;
[0027]
:计算得到有效的 灌入能量Er;
[0028] (4)计算锤自由落体能量60%的量E*=mXgXhX60% ;
[0029] (5)动探方法得到的棰击数记为Y，
，并得到修正后的有效棰击数N = ERrXN/ ；
[0030] A为钻杆的截面积，E为钻杆的弹性模量，C为应力波在杆中的波速。
[0031] 3)用CASE法计算最大承载力：
[0032] (1)根据钻探对土质的判断，适当选取阻尼系数Js;
[0034] (3)根据a)得到的，分别从速度曲线和冲击力曲线读取ρ(ω、ρ(ω、ν(ω、ν (t2);
[0035] (4)采用Case法公式进行计算：
[0036]
计算土的最大静阻力，及钻杆 端面的最大承载力。
[0037]本实施例实施步骤如下：
[0038] 1.本实施例实在钻探到8m深提土后再放入钻杆，并按照图1所示将集成有应力传 感器6、加速度传感器7安装于第一节钻杆上面离第二节钻杆接头1.2m的位置，将冲击耦合 杆3、重力锤4套在第一节钻杆上，并且将信号采集装置8、集成有电池的无线通讯模块9和传 感器用专用线缆连接在一起.
[0039] 2.设置采样电路处于准备状态，等待重力锤落下产生信号突变触发采样电路8采 样，采样电路由信号匹配装置81、A/D采集芯片82、数据缓存器83、单片机84组成，信号匹配 装置81与集成有应力传感器6、加速度传感器7相连(本实施例采用精密运放CA3140组成的 信号匹配电路将信号输送给18bit高精度A/D采集芯片AD7641，通过FIFO缓冲后连接至 STM32F407单片机），无线通讯模块9与单片机84相连，单片机84将信息通过无线通讯模块9 传送到智能运算单元10进行处理；
[0040] 3.本实施例重锤重量63.5kg，提起重锤至76cm高处，释放重锤，使产生冲击信号触 发采样电路，并通过实施例2步中的各个环节将传感器的信号传送至智能运算单元；
[0041 ] 4.智能运算单元10分别对应变信号和加速度信号处理分析，方法如下：
[0042] (l)F(t)=AXEX ε式中A为钻杆截面积，E为弹性模量，ε为应变量，其中A和E为常 量，可以通过测量和查表方法获得，属于工程基知识，不在本专利讨论范围，ε可以根据传感 器厂家提供的传感器资料根据测量电压换算得到（具体方法在此不作讨论，属于应变传感 器基本知识），在不同的时刻应变会不同，Sh是随时间变化而变化的量。通过得到Α、Ε、ε后 通过式F(t )= A X Ε X ε可以准确获得实时的通过截面的力；
[0043] (2)V(t)=Ja(t)dt，加速度传感器可以直接获得加速度值，通过积分可以直接得 到。
[0044] 5.通过实施例第4步得到的速度数据并做平滑去毛刺处理（波形处理的常规运 算），通过峰值检测程序检测速度曲线查找第一次达到峰值的时刻，记录为七=3.5ms，通过 冲击力曲线得到t时刻的峰值F(t)，在冲击力曲线第一次下降到小于0.01倍F(t)的时刻 后开始查找速度曲线的最近一个峰值，并记录时刻为t2 = 7.6ms，计算Δ t = t2_ti = 4. lms， 波速c通过单节杆试验测得(属于基础知识，不在本专利探讨），本实施例测得波速为5100m/ s，
计算得到钻杆的长度为10455mm。测量传感器离地面的距离记为H sensQr = 2205mm，计算钻探深度 H=L-Hsens〇r = 8250mm;[0045] 6.通过实施例第4步得到的F(t)和V(t)，通过公式
本实施例数据to点选取为3ms处 ， (判别基准为F(t)第一次大于1N处作为计算to点），△ t为实施例第5步计算的值4. lms,计算 得 Er，E*=mXgXhX60%进而
[0046] 7.采用Case法公式
计算土的 最大静阻力，及钻杆端面的最大承载力；
[0047] 数据通过智能运算单元（10)实时回传远端服务器，从而本实用新型的方法可以实 现钻探地质信息的实时分析与存储，解决了数据不准确造成的勘察困境。
[0048] 上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技 术的人士能够了解本【实用新型内容】并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。 凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围 内。
【主权项】
1. 一种用于钻探现场土工参数的设备，其特征在于，包括测量载体钻杆、冲击耦合杆、 重力锤、应力传感器、加速度传感器、信号采集装置、无线通讯模块、智能运算单元，所述载 体钻杆与所述冲击耦合杆连接，所述钻杆插入大地并与大地之间存有间隙，所述冲击耦合 杆位于大地之上，所述重力锤固定在所述载体钻杆的顶部，所述应力传感器、所述加速度传 感器均安装在所述冲击耦合杆，并均连接所述信号采集装置，所述信号采集装置与所述无 线通讯模块连接，无线通讯模块将信息传输至所述智能运算单元。
【文档编号】G01D21/02GK205642426SQ201521104198
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年12月24日
【发明人】曹光暄, 胡亮亮, 廖旭涛, 徐文华, 曹丹平, 李刚, 万富, 胡庆红, 徐哲, 李天宝
【申请人】安徽省城建设计研究总院有限公司