功能/作用介紹
靜力觸探(CPT)廣泛用于水利工程，工業(yè)與民用建筑工程，公路鐵路，橋梁隧道工程等，探頭是靜力觸探設(shè)備的核心部件，探頭質(zhì)量的好壞直接影響著靜力觸探實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度?？紫端畨毫o力觸探簡(jiǎn)稱(chēng)孔壓觸探(CPTU)，可以同時(shí)測(cè)量錐尖阻力，側(cè)壁摩擦力，孔隙水壓力。國(guó)內(nèi)孔壓觸探探頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有些仍然采用對(duì)加工要求比較高的頂柱傳力方式，且不適用于深度大于30m的深孔觸探。針對(duì)國(guó)內(nèi)探頭存在的問(wèn)題，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，建立數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，探頭的標(biāo)定試驗(yàn)等工作。
通過(guò)對(duì)比研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有孔壓靜力觸探技術(shù)，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種性能好，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的孔壓靜力觸探探頭。該探頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，能夠在20t大載荷下保持良好的靜態(tài)特性，適用于深孔及較硬土層的觸探;變形柱結(jié)構(gòu)采用雙變形柱，能夠獨(dú)立測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩檫力，消除了錐尖阻力和側(cè)壁摩檫力的相互干擾。檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)貫入，避免了探頭上電纜帶來(lái)的問(wèn)題，特別是連續(xù)貫入不會(huì)丟失薄層信息，提高工程勘察精度，縮短工程勘察周期。希望最終能夠提高我國(guó)靜力觸探技術(shù)水平，促進(jìn)孔壓靜力觸探技術(shù)在國(guó)內(nèi)工程勘察中的推廣和應(yīng)用。
靜力觸探技術(shù)主要分為單橋靜力觸探技術(shù)(測(cè)量總的錐頭阻力)、雙橋靜力觸探技術(shù)(測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力)、孔壓靜力觸探技術(shù)(測(cè)量錐尖阻力，側(cè)壁摩擦力和孔隙水壓力)及近幾年研制成功的其它功能靜力觸探技術(shù)。整個(gè)靜力觸探設(shè)備由三部分構(gòu)成，即：靜力觸探探頭(地層阻力傳感器)，測(cè)量記錄儀(測(cè)量與記錄探頭所受各種力學(xué)參數(shù));貫入系統(tǒng)(將探頭等速貫入土中)。
探頭是靜力觸探設(shè)備的核心部件，探頭質(zhì)量的好壞直接影響著靜力觸探實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度?？讐红o力觸探探頭主要由錐頭、摩擦筒、傳感器三部分組成。錐尖裝有透水層，探頭在被壓入土層中時(shí)，錐尖受到土的阻力，摩擦筒受到土的摩擦力，同時(shí)土層中的水通過(guò)透水層滲水入探頭內(nèi)部，且具有一定的壓力，這些力通過(guò)探頭內(nèi)部的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸?shù)降孛?。技術(shù)人員將這些測(cè)量數(shù)據(jù)與土的力學(xué)性質(zhì)建立經(jīng)驗(yàn)公式，最終可以方便的得到土的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
孔壓靜力觸探探頭有以下幾個(gè)功能特點(diǎn)：
(1) 探頭結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)變形柱，一個(gè)變形柱測(cè)量錐尖阻力，另一個(gè)測(cè)量摩擦筒的側(cè)壁摩擦力，由于測(cè)量相互獨(dú)立不產(chǎn)生干擾，測(cè)得數(shù)據(jù)更真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠;
(2) 探頭在雙橋探頭的基礎(chǔ)上加裝孔隙水壓力傳感器，以便在測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力的同時(shí)測(cè)量孔隙水壓力。
(3) 探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，降低了加工成本，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可以測(cè)量較硬土層的參數(shù)及適用于深孔觸探;
(4) 探頭摩擦筒和變形柱之間的連接是接觸式的，探頭上提時(shí)，可使摩擦筒和變形柱2脫開(kāi)，變形柱2處于不受力狀態(tài)，這對(duì)探頭在工作時(shí)零讀數(shù)的變化很有用處。
(5) 探頭可以廣泛應(yīng)用于水利工程、工業(yè)與民用建筑工程、公路橋梁等工程，具備輕便、快速、分辨率高、功能多等優(yōu)點(diǎn)，縮短工程勘察周期，節(jié)省大量勘察費(fèi)用，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
針對(duì)國(guó)內(nèi)外孔壓靜力觸探探頭的發(fā)展趨勢(shì)和存在的問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)于深孔及較硬土層的新型孔壓靜力觸探探頭，本探頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為雙變形柱，能夠獨(dú)立測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力，消除了它們的相互干擾，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。探頭檢測(cè)數(shù)據(jù)采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式，便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)貫入，解決了在觸探工程中電纜帶來(lái)的問(wèn)題。本探頭作為自制教學(xué)儀器集合了電、機(jī)類(lèi)學(xué)科知識(shí)，適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。
主要性能及特色
教學(xué)性：(30分)根據(jù)孔壓靜力觸探探頭的工作原理和軟、硬件結(jié)構(gòu)組成特征，該儀器可以應(yīng)用于電類(lèi)、機(jī)械類(lèi)和地質(zhì)工程類(lèi)學(xué)科開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)：
(1) 錐尖壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)
(2) 側(cè)壁摩擦力測(cè)量實(shí)驗(yàn)
(3) 孔隙水壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)
(4) 電阻應(yīng)變計(jì)電橋性能測(cè)試
(5) 壓電傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)
(6) 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析
(7) 模擬信號(hào)傳感器及信號(hào)采集
(8) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的軟件控制
(9) 土體原位性能測(cè)試
該探頭結(jié)合配套的載重傳感器式率定裝置，可應(yīng)用于靜力觸探測(cè)試方法、工程地質(zhì)原位測(cè)試、傳感器技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、電工電子、機(jī)械設(shè)計(jì)、單片機(jī)技術(shù)、巖土工程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含種類(lèi)多，可以針對(duì)單門(mén)課程做基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也可以做擴(kuò)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)。儀器還能用于科學(xué)研究，從而促進(jìn)孔壓靜力觸探技術(shù)在我國(guó)工程、地質(zhì)勘探領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。
科學(xué)性：(15分)孔壓靜力觸探設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程非常注重科學(xué)性。該探頭不僅可以與單雙橋探頭一樣測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力，還可以測(cè)量孔隙水壓力。在我國(guó)，單雙橋探頭仍占統(tǒng)治地位，孔壓靜力觸探探頭應(yīng)用較少。國(guó)外孔壓靜力觸探技術(shù)比較成熟，開(kāi)始使用無(wú)電纜孔壓探頭。該申報(bào)作品與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)探頭相比，探頭雙變形柱結(jié)構(gòu)能夠獨(dú)立的測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力，避免了錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力的相互影響，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可靠性。檢測(cè)數(shù)據(jù)采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞剑瑸閷?shí)現(xiàn)連續(xù)貫入提供了保障，很好的解決了在工程勘察過(guò)程中有纜探頭存在的問(wèn)題。該探頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，能夠在20t大載荷下保持良好的靜態(tài)特性，適用于深孔及較硬土層的觸探，可節(jié)省大量的工程勘察費(fèi)用。
孔壓靜力觸探探頭主要由錐頭、摩擦筒、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)四部分組成。錐尖裝有透水層，探頭在被壓入土層中時(shí)，錐尖受到土的阻力，摩擦筒受到土的摩擦力，同時(shí)土層中的水受到孔隙壓力作用通過(guò)透水層傳遞到探頭內(nèi)部，且具有一定的壓力，這些力通過(guò)探頭內(nèi)部的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸?shù)降孛?。技術(shù)人員將這些測(cè)量數(shù)據(jù)與土的力學(xué)性質(zhì)建立經(jīng)驗(yàn)公式，最終可以方便的得到土的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
儀器的科學(xué)性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1) 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙變形柱，消除了錐尖阻力和側(cè)壁摩檫力的相互影響，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可靠性。
(2) 檢測(cè)數(shù)據(jù)采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞?，為?shí)現(xiàn)連續(xù)貫入提供了保障，很好的解決了在工程勘察過(guò)程中有纜探頭存在的問(wèn)題。
(3)孔壓靜力觸探輕便、快速、分辨率高、功能多、縮短工程勘察周期，節(jié)省大量勘察費(fèi)用，有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
創(chuàng)新性：(20分)(1)在結(jié)構(gòu)上，把單橋和雙橋探頭改為雙變形柱方式，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易加工，能夠獨(dú)立測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力，測(cè)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠;
(2)在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上，將國(guó)內(nèi)落后的有纜傳輸方式改為無(wú)線(xiàn)傳輸方式，解決了處理鉆桿時(shí)耗費(fèi)時(shí)間，電纜和連接頭容易損壞，添加探桿造成的探入停頓常常丟失軟弱薄夾層的信息等。
啟發(fā)性：(15分)孔壓靜力觸探探頭可實(shí)現(xiàn)連續(xù)貫入，無(wú)線(xiàn)傳輸檢測(cè)土體原位數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含基礎(chǔ)、擴(kuò)展、研究等不同層面，涉及機(jī)械、電子、地質(zhì)、巖土工程學(xué)等多種學(xué)科領(lǐng)域，可以提高學(xué)生對(duì)多學(xué)科交叉的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生研究興趣，拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，有利于學(xué)生的全面發(fā)展。
實(shí)用性：(20分)孔壓靜力觸探設(shè)備易于操作、性能穩(wěn)定，通用性好、安全可靠，價(jià)格低廉、廣泛應(yīng)用于水利工程、工業(yè)與民用建筑工程、公路橋梁等工程，解決了長(zhǎng)期以來(lái)我們?cè)谶M(jìn)行孔壓靜力觸探工作的瓶頸，提高了孔壓靜力觸探效率，同時(shí)滿(mǎn)足認(rèn)識(shí)性、科學(xué)性、綜合性等實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)及學(xué)生動(dòng)手能力的訓(xùn)練的要求，有利于推進(jìn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。
作品名稱(chēng)：孔壓靜力觸探探頭
完成單位：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)
