專利名稱：一種有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多套筒CPT元件，屬于巖土工程領(lǐng)域中一種能夠原位、連續(xù)、準(zhǔn)確、定量地測試巖土材料接觸面摩阻力的靜力觸探裝置。
背景技術(shù)：
巖土工程領(lǐng)域內(nèi)，有關(guān)巖土材料接觸面摩阻力的研究變得越來越重要。準(zhǔn)確、有效的預(yù)測巖土材料接觸面間的摩阻力對于上部結(jié)構(gòu)與下部土體之間的荷載傳遞機(jī)理研究十分重要，同時摩擦樁、深基礎(chǔ)、擋土墻等眾多巖土工程結(jié)構(gòu)物的正常使用性能也與土體接觸面間的摩阻力密切相關(guān)。嚴(yán)格意義的設(shè)計方法要求上部結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒑奢d合理的傳遞至巖土工程材料中，但有關(guān)巖土材料接觸面摩阻力的計算卻缺少相關(guān)認(rèn)識，目前有關(guān)巖土材料接觸面摩阻力的確定方法主要依賴于室內(nèi)試驗,通過室內(nèi)試驗測定土體的相關(guān)特性,并加以一系列的修正系數(shù)估算巖土材料接觸面摩阻力。這種方法是經(jīng)驗的且修正系數(shù)很大程度上依賴于一系列工程因素的正確判斷，如地表下土體的變異性、應(yīng)力狀態(tài)、巖土材料表面粗糙度等，使得預(yù)測結(jié)果精確度較差，難以滿足相關(guān)研究和設(shè)計需要。因此提高巖土材料接觸面摩阻力預(yù)測的精確度是十分必要的。靜力觸探原位測試技術(shù)避免了取樣擾動、土樣運輸保管以及一系列繁瑣的室內(nèi)試驗的缺陷，具有快速、方便、準(zhǔn)確、連續(xù)等特點，為巖土材料接觸面摩阻力的準(zhǔn)確預(yù)測提供了有效的途徑。本發(fā)明基于常規(guī)CPT探頭，提出一種簡單、可重復(fù)、易操作的多套筒元件，為巖土材料接觸面摩阻力的原位測試和土體識別、土層分界面判定等提供準(zhǔn)確有效的評價工具。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對目前國內(nèi)無法進(jìn)行巖土材料接觸面摩阻力的原位測試，提出一種可用于巖土工程領(lǐng)域的原位定量測試巖土材料接觸面摩阻力的有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件。技術(shù)方案本發(fā)明的一種有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件，該元件的上部為圓形空心軸桿，圓形空心軸桿的下方依次設(shè)有四個相互間隔的表面粗糙度不同的第一側(cè)壁摩擦套筒、第二側(cè)壁摩擦套筒、第三側(cè)壁摩擦套筒、第四側(cè)壁摩擦套筒，該四個側(cè)壁摩擦套筒的內(nèi)壁均設(shè)有單獨的荷載傳感器，該四個側(cè)壁摩擦套筒的表面分布有不同數(shù)量和間距的菱形突起，第四側(cè)壁摩擦套筒的下方依次為常規(guī)側(cè)壁摩擦筒、孔壓過濾環(huán)以及錐形探頭。圓形空心軸桿的直徑為43. 7mm。第一側(cè)壁摩擦套筒、第二側(cè)壁摩擦套筒、第三側(cè)壁摩擦套筒、第四側(cè)壁摩擦套筒的表面粗糙度自第一側(cè)壁摩擦套筒至側(cè)壁摩擦套筒逐漸遞增，各側(cè)壁摩擦套筒的長度均為110mm，兩側(cè)壁摩擦套筒的間距均為40mm，表面積均為150cm2。所述第一側(cè)壁摩擦套筒、第二側(cè)壁摩擦套筒、第三側(cè)壁摩擦套筒、第四側(cè)壁摩擦套筒均為金屬合金材料，表面分布有菱形突起，根據(jù)菱形突起的數(shù)量和間距，調(diào)整不同的表面粗糙度。圓錐探頭的錐角為60°，錐底截面積為15cm2，常規(guī)側(cè)壁摩擦筒位于圓形空心軸桿中的長度為164mm,表面積為225cm2。該多套筒元件總長度為1090mm?！び幸嫘Ч麕r土工程實踐中，巖土材料接觸面摩阻力的評價非常重要。如摩擦樁的設(shè)計，由于傳統(tǒng)光滑的側(cè)壁摩擦筒難以真實反映樁與土體間的相互作用，一般采用錐尖阻力來確定樁體的設(shè)計承載力，這就大大降低了設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)有巖土材料接觸面摩阻力的測試方法主要局限于室內(nèi)試驗，然而受土體擾動、試驗方法、經(jīng)驗修正系數(shù)等因素的影響，使得測試過程繁瑣且精確度較差。本發(fā)明基于現(xiàn)有CPT測試裝置，提出了一種多套筒CPT元件，解決了國內(nèi)現(xiàn)有原位測試技術(shù)難以準(zhǔn)確、定量、連續(xù)的測試巖土材料接觸面摩阻力的缺陷，使得CPT原位測試技術(shù)能夠更好的服務(wù)于巖土工程實踐。


圖1是本發(fā)明的元件總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明單一側(cè)壁摩擦筒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明側(cè)壁摩擦筒表面的結(jié)構(gòu)示意圖；其中有圓形空心軸桿1、第一側(cè)壁摩擦套筒2.1、第二側(cè)壁摩擦套筒2. 2、第三側(cè)壁摩擦套筒2. 3、第四側(cè)壁摩擦套筒2. 4、常規(guī)側(cè)壁摩擦筒3、孔壓過濾環(huán)4、錐形探頭5、荷載傳感器6、菱形突起7。
具體實施例方式本發(fā)明的可有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒CPT元件，該元件的頂部為圓形空心軸桿，圓形空心軸桿的下方依次設(shè)有四個相互間隔的新型側(cè)壁摩擦套筒(包括四個表面粗糙度不同的新型側(cè)壁摩擦筒)，四個新型摩擦筒的內(nèi)壁均設(shè)有單獨的荷載傳感器，表面分布有不同數(shù)量和間距的菱形突起，新型側(cè)壁摩擦筒的下方為標(biāo)準(zhǔn)CPT探頭，從上至下依次設(shè)置有圓形空心軸桿、常規(guī)側(cè)壁摩擦筒、孔壓過濾環(huán)以及錐形探頭。所述的新型側(cè)壁摩擦筒類型為4種，數(shù)量為4個，高度為110mm，間距為40mm。所述的圓形空心軸桿的直徑為43. 7mm,圓錐探頭的錐角為60° ,錐底截面積為15cm2，側(cè)壁摩擦筒的高度為164_、表面積為225cm2。新型側(cè)壁摩擦套筒表面粗糙度對于巖土材料接觸面摩阻力的測試至關(guān)重要。常用定義粗糙度的參數(shù)為Ra，其表達(dá)式為
I I* IRri = — \ Z dx
a Jd式中，L為測試材料的長度，z為剖面以平均線為基準(zhǔn)的絕對高度。Uesugi和Kishida(1986)提出了一個歸一化粗糙度指標(biāo)Rn，計算式為式中，D5tl為平均粒徑大小，Rfflax為測試材料長度L等于D5tl剖面上最高點與最低點的絕對垂直距離。采用歸一化粗糙度指標(biāo)Rn時，巖土材料表面粗糙度與摩阻力成雙線性關(guān)系并存在一“臨界粗糙度”。當(dāng)表面粗糙度低于“臨界粗糙度”時，接觸面摩阻力隨粗糙度的增加線性增加；當(dāng)表面粗糙度高于“臨界粗糙度”時，摩阻力逐漸傳遞至底部土體中，直至摩阻力降低至內(nèi)部摩擦角大小或接觸土體內(nèi)摩擦強(qiáng)度?，F(xiàn)場原位測試按照美國試驗與材料學(xué)會(ASTM)D5778_12標(biāo)準(zhǔn)，每Icm采集一次測試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析通常采用多項式趨勢函數(shù)法進(jìn)行分析，一般采用計算機(jī)編程，使得計算過程簡潔、計算結(jié)果直觀。
權(quán)利要求
1.一種有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件，其特征在于該元件的上部為圓形空心軸桿(1)，圓形空心軸桿(I)的下方依次設(shè)有四個相互間隔的表面粗糙度不同的第一側(cè)壁摩擦套筒(2.1)、第二側(cè)壁摩擦套筒(2. 2)、第三側(cè)壁摩擦套筒(2. 3)、第四側(cè)壁摩擦套筒(2. 4)，該四個側(cè)壁摩擦套筒的內(nèi)壁均設(shè)有單獨的荷載傳感器(6)，該四個側(cè)壁摩擦套筒的表面分布有不同數(shù)量和間距的菱形突起(7)，第四側(cè)壁摩擦套筒(2. 4)的下方依次為常規(guī)側(cè)壁摩擦筒(3 )、孔壓過濾環(huán)(4 )以及錐形探頭(5 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件，其特征在于圓形空心軸桿(I)的直徑為43. 7_。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件，其特征在于第一側(cè)壁摩擦套筒(2.1)、第二側(cè)壁摩擦套筒(2. 2)、第三側(cè)壁摩擦套筒 (2. 3)、第四側(cè)壁摩擦套筒(2. 4)的表面粗糙度自第一側(cè)壁摩擦套筒(2.1)至側(cè)壁摩擦套筒 (2. 4)逐漸遞增，各側(cè)壁摩擦套筒的長度均為110mm，兩側(cè)壁摩擦套筒的間距均為40mm，表面積均為150cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件，其特征在于所述第一側(cè)壁摩擦套筒(2.1)、第二側(cè)壁摩擦套筒(2. 2)、第三側(cè)壁摩擦套筒(2. 3)、第四側(cè)壁摩擦套筒(2. 4)均為金屬合金材料，表面分布有菱形突起，根據(jù)菱形突起的數(shù)量和間距，調(diào)整不同的表面粗糙度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件，其特征在于圓錐探頭(5)的錐角為60°，錐底截面積為15cm2，常規(guī)側(cè)壁摩擦筒(3)位于圓形空心軸桿(I)中的長度為164mm,表面積為225cm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件，其特征在于該多套筒元件總長度為1090mm。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種有效識別巖土材料接觸面摩阻力的多套筒靜力觸探元件，該元件的頂部為圓形空心軸桿(1)，圓形空心軸桿(1)的下方依次設(shè)有四個相互間隔的新型側(cè)壁摩擦套筒(2)(包括2.1、2.2、2.3、2.4四種表面粗糙度不同的側(cè)壁摩擦筒)，四個新型摩擦筒(2)的內(nèi)壁均設(shè)有單獨的荷載傳感器(6)，表面分布有不同數(shù)量和間距的菱形突起(7)，新型側(cè)壁摩擦筒(2)的下方依次為常規(guī)側(cè)壁摩擦筒(3)、孔壓過濾環(huán)(4)以及錐形探頭(5)。該元件具有簡單、可重復(fù)、易操作等特點，為深基礎(chǔ)、摩擦樁、擋土墻等地下結(jié)構(gòu)設(shè)計以及土體識別、土層分界面判定等提供強(qiáng)有力的檢測工具。
文檔編號E02D1/00GK102995616SQ20121058404
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者蔡國軍, 張濤, 劉松玉 申請人:東南大學(xué)