用于钻探现场土工参数的设备以及测量、处理方法

摘要

本发明公开了一种用于钻探现场土工参数的设备以及测量、处理方法，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。方法步骤包括：1)利用行波理论取得钻杆行波走时间，进而计算钻进深度；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，修正传统灌入法的捶击数；3)用CASE法计算最大承载力。本发明的有益效果在于，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。

权利要求

1.一种用于钻探现场土工参数的测量、处理方法，其特征在于，步骤包括：

1)利用行波理论取得钻杆行波走时间，进而计算钻进深度：(1)通过速度曲线查找第一次达到峰值的时刻，记录为t1；

(2)通过冲击力曲线得到t1时刻的峰值F(t1)；

(3)在冲击力曲线第一次下降到小于0.01倍F(t1)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Δt＝t2-t1；

(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(5)测量传感器离地面的距离记为Hsensor；

(6)计算钻探深度H＝L-Hsensor；

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，修正传统灌入法的捶击数；捶击数的计算方法包含以下步骤：(1)记冲击力曲线值第一次大于1N的时刻为t0；

(2)由1)的(3)中取得计算时间差Δt；

(3)通过公式 计算得到有效的

灌入能量Er；

(4)计算锤自由落体能量60％的量E*＝m×g×h×60％；

(5)动探方法得到的捶击数记为N′，定义 并得到修正后的有效捶击数N＝ERr×N′；

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；

3)用CASE法计算最大承载力。

2.根据权利要求1所述的用于钻探现场土工参数的测量、处理方法，其特征在于，3)用CASE法计算最大承载力的计算方法包含以下步骤：(1)根据钻探对土质的判断，适当选取阻尼系数Js；

(2)计算土的动阻力

(3)根据(1)得到的t1、t2，分别从速度曲线和冲击力曲线读取F(t1)、F(t2)、V(t1)、V(t2)；

(4)采用Case法公式进行计算：

计算土的最大静阻力，及钻杆端面的最大承载力。

3.一种用于如权利要求1或2所述的钻探现场土工参数的测量、处理方法的设备，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。

说明书

用于钻探现场土工参数的设备以及测量、处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于钻探现场土工参数的设备以及测量、处理方法，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，捶击数。然而，由于捶击能量效率不同和人们对于捶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。

发明内容

[0003] 本发明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以及测量、处理方法。

[0004] 本发明是通过以下技术方案来实现的。

[0005] 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。

[0006] 一种用于钻探现场土工参数的测量、处理方法，步骤包括：

[0007] 1)利用行波理论取得钻杆行波走时间，进而计算钻进深度：

[0008] (1)通过速度曲线查找第一次达到峰值的时刻，记录为t1；

[0009] (2)通过冲击力曲线得到t1时刻的峰值F(t1)；

[0010] (3)在冲击力曲线第一次下降到小于0.01倍F(t1)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Δt＝t2-t1；

[0011] (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

[0012] (5)测量传感器离地面的距离记为Hsensor；

[0013] (6)计算钻探深度H＝L-Hsensor；

[0014] 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，修正传统灌入法的捶击数；

[0015] 3)用CASE法计算最大承载力。

[0016] 进一步地，2)通过给定公式计算冲击能量，计算有效能量比，修正传统灌入法的捶击数的计算方法包含以下步骤：

[0017] (1)记冲击力曲线值第一次大于1N的时刻为t0；

[0018] (2)由1)的(3)中取得计算时间差Δt；

[0019] (3)通过公式 计算得到有效的灌入能量Er；

[0020] (4)计算锤自由落体能量60％的量E*＝m×g×h×60％；

[0021] (5)动探方法得到的捶击数记为N′，定义 并得到修正后的有效捶击数N＝ERr×N′；

[0022] 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。

[0023] 进一步地，3)用CASE法计算最大承载力的计算方法包含以下步骤：

[0024] (1)根据钻探对土质的判断，适当选取阻尼系数Js；

[0025] (2)计算土的动阻力

[0026]

[0027] (3)根据(1)得到的t1、t2，分别从速度曲线和冲击力曲线读取F(t1)、F(t2)、V(t1)、V(t2)；

[0028] (4)采用Case法公式进行计算：

[0029]

[0030] 计算土的最大静阻力，及钻杆端面的最大承载力。

[0031] 本发明的有益效果：

[0032] 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；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

[0033] 图1为本实施案例的工程结构示意图；

[0034] 图2为图1的部分放大示意图；

[0035] 图3为本实施案例信号采集的结构示意图；

[0036] 图4为本实施案例采样数据。

具体实施方式

[0037] 下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

[0038] 参照图1-图4，工程构建包括：大地1，钻杆2，冲击耦合杆3，重力锤4，表示钻杆与大地之间的空隙5，集成有应变环传感器固定支架6，加速度传感器7，信号信号采集装置8，集成有电池的无线传输模块9，智能显示运算单元10。按照图1、图2所示连接组成测试系统。

[0039] 本发明，用于钻探现场土工参数的测量、处理方法，步骤包括：

[0040] 1)1)利用行波理论取得钻杆行波走时间，进而计算钻进深度：

[0041] (1)通过速度曲线查找第一次达到峰值的时刻，记录为t1；

[0042] (2)通过冲击力曲线得到t1时刻的峰值F(t1)；

[0043] (3)在冲击力曲线第一次下降到小于0.01倍F(t1)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Δt＝t2-t1；

[0044] (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

[0045] (5)测量传感器离地面的距离记为Hsensor；

[0046] (6)计算钻探深度H＝L-Hsensor；

[0047] 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，修正传统灌入法的捶击数：

[0048] (1)记冲击力曲线值第一次大于1N的时刻为t0；

[0049] (2)由1)的(3)中取得计算时间差Δt；

[0050] (3)通过公式 计算得到有效的灌入能量Er；

[0051] (4)计算锤自由落体能量60％的量E*＝m×g×h×60％；

[0052] (5)动探方法得到的捶击数记为N′，定义 并得到修正后的有效捶击数N＝ERr×N′；

[0053] 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；。

[0054] 3)用CASE法计算最大承载力：

[0055] (1)根据钻探对土质的判断，适当选取阻尼系数Js；

[0056] (2)计算土的动阻力

[0057]

[0058] (3)根据(1)得到的t1、t2，分别从速度曲线和冲击力曲线读取F(t1)、F(t2)、V(t1)、V(t2)；

[0059] (4)采用Case法公式进行计算：

[0060]

[0061] 计算土的最大静阻力，及钻杆端面的最大承载力。

[0062] 本实施例实施步骤如下：

[0063] 1.本实施例实在钻探到8m深提土后再放入钻杆,并按照图一所示将传感器模块(6和7)安装于第一节钻杆上面离第二节钻杆接头1.2m的位置,将装有冲击锤的冲击耦合杆(3和4组成)套在第一节钻杆上,并且将采集装置(8和9组成)和传感器用专用线缆连接在一起.

[0064] 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与传感器模块相连(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)，无线传输模块9与单片机84相连，单片机84将信息通过无线模块9传送到智能运算单元10进行处理；

[0065] 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；

[0066] 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：

[0067] (1)F(t)＝A×E×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，即ε是随时间变化而变化的量。通过得到A、E、ε后通过式F(t)＝A×E×ε可以准确获得实时的通过截面的力；

[0068] (2)V(t)＝∫a(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。

[0069] 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t1＝3.5ms，通过冲击力曲线得到t1时刻的峰值F(t1)，在冲击力曲线第一次下降到小于0.01倍F(t1)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Δt＝t2-t1＝4.1ms，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，通过 计算得到钻杆的长度为10455mm。测量传感器离地面的距离记为Hsensor＝2205mm，计算钻探深度H＝L-Hsensor＝8250mm；

[0070] 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t0点选取为3ms处(判别基准为F(t)第一次大于1N处作为计算t0点),Δt为实施例第5步计算的值4.1ms,计算得Er，E*＝m×g×h×60％进而计算

[0071] 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；

[0072] 数据通过智能运算单元(10)实时回传远端服务器，从而本发明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。

[0073] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。