專利名稱：有效應(yīng)力鏟的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及土木和建筑工程勘察測試工具，尤其涉及一種用于現(xiàn) 場同步快速測定土的貫入阻力和水平有效應(yīng)力及孔隙水壓力的有效應(yīng)力 鏟。
背景技術(shù)：
基礎(chǔ)工程設(shè)計中，土的有效應(yīng)力是較為重要的技術(shù)指標(biāo)。有效應(yīng)力是 總應(yīng)力與孔隙水壓力的差值。有效應(yīng)力分垂直向和水平向應(yīng)力。靜止側(cè)壓
力系數(shù)K。為水平有效應(yīng)力與垂直有效應(yīng)力之比。它們都是基礎(chǔ)工程設(shè)計中 一個重要的參數(shù)。目前，在國內(nèi)巖土工程領(lǐng)域，現(xiàn)場同時測試有效應(yīng)力是 一個技術(shù)空白。 一般垂直向應(yīng)力可采用靜力觸探試驗獲得，而現(xiàn)場準(zhǔn)確快 速直接測定水平有效應(yīng)力的方法不多且困難，都是分別測試水平總應(yīng)力和 孔隙水壓力。而國內(nèi)現(xiàn)場直接測試水平總應(yīng)力的方法是應(yīng)力鏟試驗(申請 人先前公開的一種應(yīng)力鏟專利技術(shù)，專利申請?zhí)?2279590.1)?，F(xiàn)場直 接測試孔隙水壓力的是孔壓靜力觸探試驗。應(yīng)力鏟試驗無法直接得到水平 孔隙水壓力，它是通過水平總應(yīng)力長時間的衰減消散達(dá)到相對穩(wěn)定，使孔 隙水壓力的影響減少到最小程度，而水平總應(yīng)力衰減后的相對穩(wěn)定值扣除 靜水壓力后，被認(rèn)為是水平有效應(yīng)力值。這種方法由于無法準(zhǔn)確確定水平 總應(yīng)力衰減的時間及應(yīng)力穩(wěn)定值的標(biāo)準(zhǔn)，使獲得的水平有效應(yīng)力是一個近 似值，其準(zhǔn)確性和效率都非常低。若同時采用現(xiàn)有兩種方法平行試驗，即 在現(xiàn)場同時進(jìn)行應(yīng)力鏟試驗和孔壓靜力觸探試驗，則存在如下問題1. 試驗點的問題。為防止對土的擾動，影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，兩種
試驗不能在同一個坐標(biāo)點進(jìn)行，必須相距l(xiāng)m以上；
2. 應(yīng)力鏟試驗和孔壓靜力觸探試驗理論解釋的邊界條件不同。應(yīng)力鏟 外形是扁平鏟盒狀，對土的擾動較小，水平應(yīng)力垂直作用于鏟面，鏟面沿 水平應(yīng)力方向的變形很小，可以歸結(jié)為平面應(yīng)力問題進(jìn)行解釋；而孔壓靜 力觸探試驗的探頭是圓柱圓錐形，對土的擾動較大，其理論解釋是運用軸 對稱或球?qū)ΨQ的數(shù)學(xué)模型，是二維和三維問題；
3. 由于土是沉積而成的，存在各向異性。因此，土顆粒中的孔隙水壓 力也存在各向異性。
上述情況說明，不能簡單地將兩種試驗功能進(jìn)行組合或疊加，也不能 用平行試驗方法替代。將導(dǎo)致其理論解釋很復(fù)雜并產(chǎn)生多解，也影響測試 的準(zhǔn)確性。
綜上所述，目前國內(nèi)現(xiàn)有的現(xiàn)場測試方法均不能準(zhǔn)確獲得水平有效應(yīng) 力，只是近似值和推估值，且費工費時，效率低下。
中國專利CN101089566公開了一種名稱為"復(fù)合壓阻式土應(yīng)力傳感器" 發(fā)明專利，該專利設(shè)置了一個模塊殼體，模塊殼體一面外側(cè)焊有感受土應(yīng) 力的彈性體，模塊殼體另一面為矩形保護(hù)襯板，是三層結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力敏感 組件和水壓敏感組件均是安裝在模塊殼體內(nèi)，沒有測試垂直向貫入阻力功 能。透水石為多片狀排列成圓環(huán)形，模塊殼體幾何中心點沒有透水石，其 透水石的高度低于模塊外體，產(chǎn)生凹陷現(xiàn)象，這樣測得的數(shù)據(jù)很難用平面 應(yīng)力進(jìn)行解釋。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決上述背景技術(shù)中存在的不足，提出一種 能在現(xiàn)場同步快速測定土的貫入阻力和水平有效應(yīng)力及孔隙水壓力的有 效應(yīng)力鏟，使其具有準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)的特點。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案有效應(yīng)力鏟，它由 夾持桿1和應(yīng)力盒2組成，夾持桿1與應(yīng)力盒2平行，其特征是所述應(yīng)力
盒2內(nèi)部設(shè)有封閉空腔Kl，其封閉空腔Kl較薄的一面作為感應(yīng)膜9，較 厚的另一面作為應(yīng)力盒的支撐背面10，封閉空腔K1內(nèi)充滿應(yīng)力傳遞介質(zhì)， 封閉空腔Kl與壓力導(dǎo)管6連通;在支撐背面10幾何中心處裝有濾水器11 ， 濾水器11背后的支撐背面10設(shè)有一小型空腔K2，小型空腔K2和水壓導(dǎo) 管7連通；夾持桿1內(nèi)安裝有與壓力導(dǎo)管6相連的微型壓力傳感器4和與 水壓導(dǎo)管7相連的微型水壓傳感器5，在夾持桿1上安裝有測試在應(yīng)力鏟 貫入過程中土體的垂直方向的單位貫入阻力的力傳感器。
在上述^"案中，所述力傳感器位于夾持桿1上方，為空心柱形力傳感 器3，它由敏感元件空心彈性體13和護(hù)筒14組成，空心彈性體13與軸線 與夾持桿軸線平行，空心彈性體13內(nèi)貼有應(yīng)變計15，應(yīng)變計15通過信號 線16與接收儀表連接。
在上述方案中，應(yīng)力盒2可以采用一塊高強(qiáng)度不銹鋼板整體成形，制 成前部為楔形的矩形鏟盒狀。
在上述方案中，所述應(yīng)力盒2內(nèi)部封閉空腔Kl為矩形空腔，其空腔 的感應(yīng)膜9厚1 mm，支撐背面10厚9 mm，所述應(yīng)力傳遞介質(zhì)為脫氣硅油8。
在上述方案中，所述濾水器11用位于支撐背面10上的法蘭壓蓋12 固定，濾水器的表面與支撐背面10表面齊平。在上述方案中，所述濾水器11為單孔濾水器，其直徑小于14mm，濾 水材料的滲透系數(shù)為(1 5) X10—5cm/s，過濾孔徑為O. 1 0. 5ym。
本實用新型實現(xiàn)了集中同步測試三個重要參數(shù)，即現(xiàn)場快速同時測試 土的貫入阻力、水平總應(yīng)力和孔隙水壓力，三個參數(shù)理論解釋的邊界條件 相同，解決了國內(nèi)目前無法現(xiàn)場測試水平有效應(yīng)力和靜止側(cè)壓力系數(shù)K。值 的難題，促進(jìn)了原位測試技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，具有準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)的特 點。
本實用新型與CN101089566 "復(fù)合壓阻式土應(yīng)力傳感器"專利存在如 下不同之處
1. 外形結(jié)構(gòu)本實用新型是在申請人先前公開的一種應(yīng)力鏟專利技術(shù) (專利申請?zhí)?2279590.1)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，采用一塊不銹鋼板整體
加工成形。鏟的一面測試水平總應(yīng)力方式和結(jié)構(gòu)與應(yīng)力鏟專利技術(shù)相同， 改進(jìn)的是增加背面的厚度，由原應(yīng)力鏟的雙面變形測試水平總應(yīng)力，改變 為單面，背面成為支撐骨架，是單層整體結(jié)構(gòu)。而"復(fù)合壓阻式土應(yīng)力傳 感器"中設(shè)置了一個模塊殼體，模塊殼體一面外側(cè)焊有感受土應(yīng)力的彈性 體；模塊殼體另一面為矩形保護(hù)襯板，是三層結(jié)構(gòu)；
2. 傳感器的安裝方式本發(fā)明測試水平總應(yīng)力和孔隙水壓力的傳感器 是安裝在夾持桿內(nèi)的，測試垂直向貫入阻力的傳感器安裝在夾持桿的上 方。而"復(fù)合壓阻式土應(yīng)力傳感器"中，應(yīng)力敏感組件和水壓敏感組件均 是安裝在模塊殼體內(nèi)，它也沒有測試垂直向貫入阻力功能；
3. 濾水器的外形及位置本實用新型濾水器的形狀為單孔圓形，且濾 水器的直徑為4)10mm，必須安裝在背面幾何中心處，高度與背面必須齊平，其原因前面已在技術(shù)背景中進(jìn)行了分析解釋。而"復(fù)合壓阻式土應(yīng)力傳感 器"中透水石為多片狀排列成圓環(huán)形，幾何中心點沒有透水石，圓環(huán)直徑
4>〉14mm，其透水石的高度低于模塊外體，產(chǎn)生凹陷現(xiàn)象，這樣測得的數(shù) 據(jù)很難用平面應(yīng)力進(jìn)行解釋，而且濾水器的位置該專利沒有具體指出。
4.選用傳感器本發(fā)明測試水平總應(yīng)力和孔隙水壓力的傳感器是直接 選用批量生產(chǎn)的定型產(chǎn)品一微型壓力傳感器，采用螺紋安裝方式。而"復(fù) 合壓阻式土應(yīng)力傳感器"中，是該申請人自行制作的敏感組件。另外，本 發(fā)明中，水平孔隙水壓力測試點的位置，即單孔濾水器(8)在應(yīng)力盒(2) 的安裝位置是唯一的，它必須放置在應(yīng)力盒背面幾何中心處，并且其外形 尺寸不宜過大，其直徑應(yīng)小于14mm，同時它的高度必須與背面齊平，才可 解釋為一維平面問題，若安放在其他點或外形尺寸過大或高度不與背面齊
平有凹陷現(xiàn)象，由于邊界條件的改變，將導(dǎo)致其理論解釋很復(fù)雜并產(chǎn)生多 解，影響測試的準(zhǔn)確性。
因此，有效應(yīng)力鏟的發(fā)明，解決了長期困擾巖土工程領(lǐng)域無法現(xiàn)場快 速直接測試水平有效應(yīng)力和水平孔隙水壓力以及準(zhǔn)確計算靜止側(cè)壓力系 數(shù)K。值的難題。另外，有效應(yīng)力鏟在貫入過程中同時獲得的三個動態(tài)參數(shù)， 即貫入水平總應(yīng)力、貫入水平孔隙水壓力和垂直向單位貫入阻力，通過應(yīng) 力衰減試驗后的測試數(shù)據(jù)，可計算出土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K。值和固結(jié)系數(shù) Cv值等重要參數(shù)，利用這三個動態(tài)參數(shù)，不僅精確劃分土層界面、土類定 名，還可藉助土工試驗數(shù)據(jù)，測定土的其他物理力學(xué)指標(biāo)(包括某些動力 學(xué)指標(biāo))，相比其他方法，大大提高了效率和準(zhǔn)確性。 本實用新型特點1. 功能特點現(xiàn)場同時快速直接測定土的三種應(yīng)力，即同時測試土的 水平總應(yīng)力、孔隙水壓力和垂直貫入阻力；
2. 結(jié)構(gòu)特點應(yīng)力盒采用高強(qiáng)度不銹鋼板整體制成，感應(yīng)矩形空腔加 工成形后，其空腔對應(yīng)厚度薄的一面，正好利用不銹鋼的高彈性作為土應(yīng) 力的感應(yīng)膜，使整個應(yīng)力盒單一結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度大大提高，且便于密封，優(yōu)于 焊接或粘接方法等多層結(jié)構(gòu)；
3. 孔壓測試特點濾水器設(shè)計成單片直徑cj)10mm，且高度與接觸土層
的背面齊平；
4. 貫入阻力測試增加一個測試垂直向土的阻力傳感器，它設(shè)計成空 心柱形應(yīng)變式力傳感器，便于貫入土中圓滑的外形小巧堅固，密封性能好。

圖1本實施例整體結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為應(yīng)力盒2的側(cè)視剖面圖 圖3為圖2中A處局部放大圖 圖4為圖1中空心力傳感器放大圖
在圖中，l一夾持桿，2—應(yīng)力盒，3—力傳感器，4一微型壓力傳感器， 5—微型水壓傳感器，6—壓力導(dǎo)管，7—水壓導(dǎo)管，8—脫氣硅油，9—感 應(yīng)膜，IO—支撐背面，ll一濾水器，12—法蘭壓蓋，13—空心彈性體，14 一護(hù)筒，15—應(yīng)變計，16—應(yīng)變計信號線。
具體實施方式
參照圖1至圖4，本實用新型所述實施例是現(xiàn)場同步快速測定土的貫 入阻力和水平有效應(yīng)力及孔隙水壓力的土工測試儀器——有效應(yīng)力鏟，它由夾持桿1和應(yīng)力盒2組成，夾持桿1與應(yīng)力盒2平行。應(yīng)力盒2設(shè)計成 矩形鏟狀和前部楔形，以減少壓入土中的阻力和對土的擾動。采用316即 0Crl7M12Mo2不銹鋼板整體加工成形，盒的中部加工成一個矩形空腔Kl， 空腔的一面厚1 mm,利用不銹鋼的高彈性作為感應(yīng)膜9，另一面，厚9mm 作為盒的支撐背面IO,在壓入過程中背面承受土體中的阻力，使盒體不發(fā) 生變形。矩形空腔內(nèi)充滿脫氣硅油8作為傳導(dǎo)介質(zhì)，通過壓力導(dǎo)管6與微 型壓力傳感器4連接。應(yīng)力盒2上的感應(yīng)膜9受到土的水平向擠壓應(yīng)力時 產(chǎn)生微小的變形，通過矩形空腔內(nèi)脫氣硅油傳遞到夾持桿1內(nèi)的微型壓力 傳感器4上.，獲得水平總應(yīng)力。
在應(yīng)力盒2的支撐背面10不銹鋼板幾何中心處，設(shè)計一個(J)14深5 mm的圓槽，用于安裝濾水器ll，用法蘭壓蓋12固定，濾水器的表面與支 撐背面10表面齊平，濾水材料的滲透率為(1 5) X10—5cm/s，過濾精度 為O. 1 0.5ixm，以不銹鋼或陶瓷材料為主，起到阻隔土顆粒而土中孔隙 水則無礙流通的作用，濾水器背后加工成一個4)10深3 mm小型空腔K2， 腔內(nèi)充滿脫氣硅油并通過水壓導(dǎo)管與微型水壓力傳感器5連通，從而測定 土的水平孔.隙水壓力；
在夾持桿1上方可以安裝有測試在應(yīng)力鏟貫入過程中土體的垂直方向 的單位貫入阻力的空心柱形力傳感器3，它由敏感元件空心彈性體13和護(hù) 筒14組成，空心彈性體13與軸線與夾持桿軸線平行，空心彈性體13內(nèi) 貼有應(yīng)變計15，應(yīng)變計15通過信號線16與接收儀表連接。在應(yīng)力鏟貫入 過程中土體的阻力使空心彈性體13產(chǎn)生微小變形，經(jīng)應(yīng)變計15變換成電 信號，通過信號線16傳遞給接收儀表，以測試在貫入過程中土體的垂直方向的單位貫入阻力；
本實例的微型壓力傳感器4和微型水壓傳感器5選擇商業(yè)化定型產(chǎn)品 ——微型壓力傳感器測試水平總應(yīng)力和孔隙水壓力，選擇空心力傳感器測 試貫入阻力。其技術(shù)指標(biāo)為壓力傳感器量程為0 2MPa，空心力傳感器 量程為0 3t，非線性誤差0.5%FS，重復(fù)性誤差0.5%FS，穩(wěn)定性誤 差0.5XFS，采用螺紋安裝方式；
本實例利用一個力傳感器和兩個微型壓力傳感器分別將垂直貫入阻 力、水平總應(yīng)力和孔隙水壓力轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，其信號輸出靈敏度為 10mv/v，通過電纜傳給地面上的接收儀表；接收儀表采用單片機(jī)技術(shù)，對 接收的直流電壓信號進(jìn)行采集、處理和運算，最后顯示水平有效應(yīng)力、孔 隙水壓力值和單位貫入阻力以及通過計算得到土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K。值和 固結(jié)系數(shù)Cv值。
水平有效應(yīng)力=水平總應(yīng)力一孔隙水壓力；
垂直有效應(yīng)力=垂直總應(yīng)力一孔隙水壓力；
靜止側(cè)壓力系數(shù)K。二水平有效應(yīng)力/垂直有效應(yīng)力；
固結(jié)系數(shù)a-Ts。Xr。7t5。
權(quán)利要求1.有效應(yīng)力鏟，它由夾持桿(1)和應(yīng)力盒(2)組成，夾持桿(1)與應(yīng)力盒(2)平行，其特征是所述應(yīng)力盒(2)內(nèi)部設(shè)有封閉空腔(K1)，其封閉空腔(K1)較薄的一面作為感應(yīng)膜(9)，較厚的另一面作為應(yīng)力盒的支撐背面(10)，封閉空腔(K1)內(nèi)充滿應(yīng)力傳遞介質(zhì)，封閉空腔(K1)與壓力導(dǎo)管(6)連通；在支撐背面(10)幾何中心處裝有濾水器(11)，濾水器(11)背后的支撐背面(10)設(shè)有一小型空腔(K2)，小型空腔(K2)和水壓導(dǎo)管(7)連通；夾持桿(1)內(nèi)安裝有與壓力導(dǎo)管(6)相連的微型壓力傳感器(4)和與水壓導(dǎo)管(7)相連的微型水壓傳感器(5)，在夾持桿(1)上安裝有測試在應(yīng)力鏟貫入過程中土體的垂直方向的單位貫入阻力的力傳感器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有效應(yīng)力鏟，其特征是所述力傳感器位于夾 持桿(1)上方，為空心柱形力傳感器(3)，它由敏感元件空心彈性體(13) 和護(hù)筒(14)組成，空心彈性體(13)與軸線與夾持桿軸線平行，空心彈 性體(13)內(nèi)貼有應(yīng)變計(15)，應(yīng)變計(15)通過信號線(16)與接收 儀表連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有效應(yīng)力鏟，其特征是應(yīng)力盒(2)采用一塊 高強(qiáng)度不銹鋼板整體成形，制成前部為楔形的矩形鏟盒狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有效應(yīng)力鏟，其特征是所述應(yīng)力盒(2)內(nèi) 部封閉空腔(Kl)為矩形空腔，其空腔的感應(yīng)膜(9)厚1 mm,支撐背面(10)厚9mm，所述應(yīng)力傳遞介質(zhì)為脫氣硅油(8)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有效應(yīng)力鏟，其特征是所述濾水器(11)用位于支撐背面(10)上的法蘭壓蓋(12)固定，濾水器的表面與支撐背面 (10)表面齊平。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的有效應(yīng)力鏟，其特征是所述濾水器(11)為 單孔濾水器，其直徑小于14mm，濾水材料的滲透系數(shù)為(1 5) X10—5cm/s， 過濾孔徑為0. 1 0. 5um。
專利摘要有效應(yīng)力鏟，它由夾持桿(1)和應(yīng)力盒(2)組成，夾持桿(1)與應(yīng)力盒(2)平行，其特征是所述應(yīng)力盒(2)內(nèi)部設(shè)有封閉空腔(K1)，其封閉空腔(K1)較薄的一面作為感應(yīng)膜(9)，較厚的另一面作為應(yīng)力盒的支撐背面(10)，封閉空腔(K1)內(nèi)充滿應(yīng)力傳遞介質(zhì)，封閉空腔(K1)與壓力導(dǎo)管(6)連通；在支撐背面(10)幾何中心處裝有濾水器(11)，濾水器(11)背后的支撐背面(10)設(shè)有一小型空腔(K2)，小型空腔(K2)和水壓導(dǎo)管(7)連通；夾持桿(1)內(nèi)安裝有與壓力導(dǎo)管(6)相連的微型壓力傳感器(4)和與水壓導(dǎo)管(7)相連的微型水壓傳感器(5)，在夾持桿(1)上安裝有測試在應(yīng)力鏟貫入過程中土體的垂直方向的單位貫入阻力的力傳感器。本實用新型能現(xiàn)場同步快速測定土的貫入阻力和水平有效應(yīng)力及孔隙水壓力。
文檔編號G01L7/08GK201413209SQ200920086129
公開日2010年2月24日 申請日期2009年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月2日
發(fā)明者何智杰, 儲團(tuán)結(jié), 戴傳英, 李家治, 偉 梁, 熊大生, 王忠華, 蔣興錕, 趙新益, 黃俊杰 申請人:中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司