一种基于有压触探的原位土体参数测量装置

摘要

本发明公开一种基于有压触探的原位土体参数测量装置，包括工作筒、加载及数据采集系统、探杆、探头、加压囊体和加压部件，试验，将工作筒插入土体中，加载及数据采集系统控制探杆缓慢加载，直至探头接触土体表面，利用加压部件向加压囊体内输入加压介质，工作筒内的水随着加压囊体的膨胀而被挤出，提高试验结果准确度，通过加压部件控制加压囊体内的压力，直至与工作筒接触的土体表面受到加压囊体施加的均匀设计载荷，加载及数据采集系统控制探杆加卸载，进行土体特性参数试验。另外，本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置还能够用于原位土体固结特性试验。

权利要求

1.一种基于有压触探的原位土体参数测量装置，其特征在于：包括工作筒、加载及数据采集系统、探杆、探头、加压囊体和加压部件，所述工作筒为底部开口的中空结构，所述探杆的一端与所述加载及数据采集系统相连，所述加载及数据采集系统能够驱动所述探杆往复运动，所述探杆的一端可滑动地伸入所述工作筒中，所述探杆伸入所述工作筒中的一端与所述探头相连，所述探头内置力传感器和孔压传感器，所述加压囊体设置于所述工作筒内，所述加压囊体环绕所述探杆设置，所述加压囊体位于所述探头的顶部，所述加压囊体与所述加压部件相连通，所述加压囊体由柔性材质制成，所述工作筒还设置有连通口，所述连通口与外部环境相连通；所述连通口位于所述工作筒的顶部，所述工作筒的内壁上具有多道排水凹槽，所述排水凹槽平行于所述工作筒的轴线设置，所述排水凹槽等间距均布，所述排水凹槽朝向远离所述工作筒轴线的方向凹陷设置。

2.根据权利要求1所述的基于有压触探的原位土体参数测量装置，其特征在于：所述加压囊体为中空结构，所述探杆穿过所述加压囊体的中空部与所述探头相连。

3.根据权利要求2所述的基于有压触探的原位土体参数测量装置，其特征在于：所述加压囊体为中空圆柱状结构，所述加压囊体的内径与所述探杆的外径相匹配。

4.根据权利要求1所述的基于有压触探的原位土体参数测量装置，其特征在于：所述加压部件为加压水泵，所述加压水泵通过泵管与所述加压囊体相连通。

5.根据权利要求1所述的基于有压触探的原位土体参数测量装置，其特征在于：所述探杆与所述工作筒同轴设置，所述工作筒的顶部连接有固定环和保护筒，所述保护筒与所述工作筒相连通，所述探杆穿过所述保护筒伸入所述工作筒内，所述探杆与所述保护筒之间设置密封环，所述固定环套装于所述保护筒的外部，所述固定环与所述工作筒相连，所述加载及数据采集系统位于所述保护筒的顶部。

6.根据权利要求1所述的基于有压触探的原位土体参数测量装置，其特征在于：所述探头为ball‑bar探头、T‑bar探头、静力触探锥尖探头或十字板探头。

7.根据权利要求1所述的基于有压触探的原位土体参数测量装置，其特征在于：所述工作筒的直径不小于所述探头直径的5倍。

8.根据权利要求1所述的基于有压触探的原位土体参数测量装置，其特征在于：所述工作筒的底部具有插入部，所述插入部为倒圆台状，所述插入部的直径较大一端与所述工作筒相连。

说明书

一种基于有压触探的原位土体参数测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土、地质和环境研究技术领域，特别是涉及一种基于有压触探的原位土体参数测量装置。

背景技术

[0002] 土工原位测试是指在现场原位对土的工程性质进行的勘测和试验。土工原位测试可以测定难于取得的不扰动土样的有关工程力学性质；可避免取样过程中应力释放的影
响；影响范围大，代表性强。静力触探(CPT，CPTU等)和全流触探是目前应用较为广泛的原位
测试，具有快速、直接、准确的特点。全流触探常用探头形式为T‑bar和ball‑bar，其测量原
理是将探头以恒定速度静压入土体，当探头周围土体达到完全回流状态时，其上下表面的
土压力几乎相等，无需修正上覆土压力，可直接通过传感器测得的土体反力和孔压来分析
土体抗剪强度等参数。

[0003] 然而在实际贯入过程中，贯入深度较浅时探头上方会形成一个空腔，此时土体并未完全回流；随着贯入深度的增加，土体在重力作用下才会逐渐回流，空腔逐渐闭合，贯入
较深时土体才能发生完全回流机制。也就是说传统全流触探仪无法准确测量浅层土体的物
理特性参数。

[0004] 因此，如何改变现有技术中，全流触探仪无法准确测量浅层土体的物理特性参数的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于有压触探的原位土体参数测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高原位土工程参数特性测量准确性。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于有压触探的原位土体参数测量装置，包括工作筒、加载及数据采集系统、探杆、探头、加压囊体和加压部件，
所述工作筒为底部开口的中空结构，所述探杆的一端与所述加载及数据采集系统相连，所
述加载及数据采集系统能够驱动所述探杆往复运动，所述探杆的一端可滑动地伸入所述工
作筒中，所述探杆伸入所述工作筒中的一端与所述探头相连，所述探头内置力传感器和孔
压传感器，所述加压囊体设置于所述工作筒内，所述加压囊体环绕所述探杆设置，所述加压
囊体位于所述探头的顶部，所述加压囊体与所述加压部件相连通，所述加压囊体由柔性材
质制成，所述工作筒还设置有连通口，所述连通口与外部环境相连通。

[0007] 优选地，所述加压囊体为中空结构，所述探杆穿过所述加压囊体的中空部与所述探头相连。

[0008] 优选地，所述加压囊体为中空圆柱状结构，所述加压囊体的内径与所述探杆的外径相匹配。

[0009] 优选地，所述加压部件为加压水泵，所述加压水泵通过泵管与所述加压囊体相连通。

[0010] 优选地，所述探杆与所述工作筒同轴设置，所述工作筒的顶部连接有固定环和保护筒，所述保护筒与所述工作筒相连通，所述探杆穿过所述保护筒伸入所述工作筒内，所述
探杆与所述保护筒之间设置密封环，所述固定环套装于所述保护筒的外部，所述固定环与
所述工作筒相连，所述加载及数据采集系统位于所述保护筒的顶部。

[0011] 优选地，所述连通口位于所述工作筒的顶部。

[0012] 优选地，所述工作筒的内壁上具有多道排水凹槽，所述排水凹槽平行于所述工作筒的轴线设置，所述排水凹槽等间距均布，所述排水凹槽朝向远离所述工作筒轴线的方向
凹陷设置。

[0013] 优选地，所述探头为ball‑bar探头、T‑bar探头、静力触探锥尖探头或十字板探头。

[0014] 优选地，所述工作筒的直径不小于所述探头直径的5倍。

[0015] 优选地，所述工作筒的底部具有插入部，所述插入部为倒圆台状，所述插入部的直径较大一端与所述工作筒相连。

[0016] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置，包括工作筒、加载及数据采集系统、探杆、探头、加压囊体和加压部件，工作
筒为底部开口的中空结构，探杆的一端与加载及数据采集系统相连，加载及数据采集系统
能够驱动探杆往复运动，探杆的一端可滑动地伸入工作筒中，探杆伸入工作筒中的一端与
探头相连，探头内置力传感器和孔压传感器，加压囊体设置于工作筒内，加压囊体环绕探杆
设置，加压囊体位于探头的顶部，加压囊体与加压部件相连通，加压囊体由柔性材质制成，
工作筒还设置有连通口，连通口与外部环境相连通。使用本发明的基于有压触探的原位土
体参数测量装置时，将工作筒插入土体，加载及数据采集系统控制探杆缓慢加载，直至探头
接触土体表面，利用加压部件向加压囊体内输入加压介质，在进行水下土体参数测量时，工
作筒内的水随着加压囊体的膨胀而被挤出，提高试验结果准确度，通过加压部件控制加压
囊体内的压力，直至与工作筒接触的土体表面受到加压囊体施加的均匀设计载荷，加载及
数据采集系统控制探杆加卸载，进行土体特性参数试验。另外，本发明的基于有压触探的原
位土体参数测量装置还能够用于原位土体固结特性试验，在进行循环触探试验后，将探杆
和探头抽回土体表面位置，释放加压囊体内加压介质，使工作筒处于自然水压力条件，静置
一段时间，或者控制加压囊体内压力达到指定压力值并保持不变，使受扰动土在指定固结
压力下进行固结，用以测量不同固结压力下土体强度恢复特性。固结结束后，向加压囊体内
再次通入加压介质直至达到设计压力，接着控制探杆和探头进行再一次的有压触探试验，
测量原位土不同固结程度的土体强度。试验全程用探头内置的孔压传感器和力传感器测量
孔压和反力，用以分析原位土固结特性。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。

[0018] 图1为本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置的工作示意图；

[0019] 图2为本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置的部分结构示意图；

[0020] 图3为本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置的不同种类的探头的结构示意图；

[0021] 图4为本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置的部分结构的剖切示意图；

[0022] 其中，1为工作筒，2为加载及数据采集系统，3为探杆，4为探头，5为加压囊体，6为加压部件，7为孔压传感器，8为力传感器，9为固定环，10为保护筒，11为密封环，12为连通
口，13为排水凹槽，14为插入部，15为泵管。

具体实施方式

[0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0024] 本发明的目的是提供一种基于有压触探的原位土体参数测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高原位土工程参数特性测量准确性。

[0025] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0026] 请参考图1‑4，其中，图1为本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置的工作示意图，图2为本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置的部分结构示意图，图3
为本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置的不同种类的探头的结构示意图，图4
为本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置的部分结构的剖切示意图。

[0027] 首先需要说明的是，本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置，适用于干燥的土体和水下土体参数测量，由于进行水下土体参数测量时的情况较复杂，下面的具体
实施方式以水下土体参数测量为例对本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置进
行解释说明。

[0028] 本发明提供一种基于有压触探的原位土体参数测量装置，包括工作筒1、加载及数据采集系统2、探杆3、探头4、加压囊体5和加压部件6，工作筒1为底部开口的中空结构，探杆
3的一端与加载及数据采集系统2相连，加载及数据采集系统2能够驱动探杆3往复运动，探
杆3的一端可滑动地伸入工作筒1中，探杆3伸入工作筒1中的一端与探头4相连，探头4内置
力传感器8和孔压传感器7，加压囊体5设置于工作筒1内，加压囊体5环绕探杆3设置，加压囊
体5位于探头4的顶部，加压囊体5与加压部件6相连通，加压囊体5由柔性材质制成，工作筒1
还设置有连通口12，连通口12与外部环境相连通。

[0029] 使用本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置时，将工作筒1安装至水下一定深度，加载及数据采集系统2控制探杆3缓慢加载，直至探头4接触土体表面，利用加压
部件6向加压囊体5内输入加压介质，工作筒1内的水随着加压囊体5的膨胀而被挤出，提高
试验结果准确度，通过加压部件6控制加压囊体5内的压力，直至与工作筒1接触的土体表面
受到加压囊体5施加的均匀设计载荷，加载及数据采集系统2控制探杆3加卸载，进行土体特
性参数试验。另外，本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置还能够用于原位土体
固结特性试验，在进行循环触探试验后，将探杆3和探头4抽回土体表面位置，释放加压囊体
5内加压介质，使工作筒1处于自然水压力条件，静置一段时间(静置时间根据试验要求确
定)，或者控制加压囊体5内压力达到指定压力值并保持不变，使受扰动土在指定固结压力
下进行固结，用以测量不同固结压力下土体强度恢复特性。固结结束后，向加压囊体5内再
次通入加压介质直至达到设计压力，接着控制探杆3和探头4进行再一次的有压触探试验，
测量原位土不同固结程度的土体强度。试验全程用探头4内置的孔压传感器7和力传感器8
测量孔压和反力，用以分析原位土固结特性。

[0030] 为了便于向试验部分土体均匀施加压力，加压囊体5为中空结构，探杆3穿过加压囊体5的中空部与探头4相连。

[0031] 在本具体实施方式中，加压囊体5为中空圆柱状结构，加压囊体5的内径与探杆3的外径相匹配，进一步保证试验部分土体受到均匀分布的压力。

[0032] 此处需要说明的是，加压介质可以使用水、气体等能够填充加压囊体5内部使其膨胀加压的介质，在本具体实施方式中，加压部件6为加压水泵，加压水泵通过泵管15与加压
囊体5相连通，加压水泵通过向加压囊体5内泵入水实现向试验部分土体施加压力。需要说
明的是，本发明还设置控制系统，控制系统与加载及数据采集系统2、加压水泵相连，便于操
作者控制，因设置控制系统属于本领域技术人员的惯用手段，此处不再赘述。

[0033] 具体地，探杆3与工作筒1同轴设置，工作筒1的顶部连接有固定环9和保护筒10，保护筒10与工作筒1相连通，探杆3穿过保护筒10伸入工作筒1内，保护筒10能够保护探杆3不
受外部干扰，确保试验顺利进行，探杆3与保护筒10之间设置密封环11，密封环11能够防止
有压探触时土体挤压进入保护筒10中，影响试验结果。固定环9套装于保护筒10的外部，固
定环9与工作筒1相连，进一步提高保护筒10的稳定性，提高装置可靠性，加载及数据采集系
统2位于保护筒10的顶部。

[0034] 另外，连通口12位于工作筒1的顶部，便于工作筒1中的水顺利排出，同时避免水体进入工作筒1中影响试验顺利进行。

[0035] 更具体地，工作筒1的内壁上具有多道排水凹槽13，排水凹槽13平行于工作筒1的轴线设置，排水凹槽13等间距均布，排水凹槽13朝向远离工作筒1轴线的方向凹陷设置。工
作筒1的内壁上设置排水凹槽13，一方面便于工作筒1更顺利地贯入土内更深处，提供工作
所需抗拔力，另一方面，当水下作业时(如海床表面或者河床表面土体参数测量)，能够保证
加压囊体5膨胀到一定体积后和水下土体表面接触位置的残留水能够顺利通过排水凹槽13
排出，使加压囊体5与水下土体表面充分接触，更好更灵活地施加上覆压力。此处需要强调
的是，工作筒1的高度根据场地条件确定，确保工作筒1贯入一定深度后预留有工作区域，且
能提供足够的抗拔力保证加压囊体5施加压力时，整个实验装置保持稳定。在进行干燥的土
体参数测量时，排水凹槽13可用于排出气体。

[0036] 探头4与探杆3可拆卸连接，在进行不同的土工试验时，可选择不同种类的探头4，探头4包括但不限于ball‑bar探头、T‑bar探头、静力触探锥尖探头或十字板探头。T‑bar和
ball‑bar可进行有压循环触探试验测量土体强度和软化参数。静力触探锥尖探头和十字板
探头在测量土体强度和软化参数(十字板可以测黏土灵敏度)之外还可通过改变上覆压力
测量土体内摩擦角。

[0037] 进一步地，工作筒1的直径不小于探头4直径的5倍，以减小和消除边界效应影响。

[0038] 更进一步地，工作筒1的底部具有插入部14，插入部14为倒圆台状，插入部14的直径较大一端与工作筒1相连，设置插入部14方便工作筒1贯入土体，在实际应用中，工作筒1
的安装方式根据场地条件进行选择，例如，针对陆地土，可使用外力加压的方式将工作筒1
贯入土体至指定深度，如脚踩等方式；针对水下土，如海床表面土或河床土，可使用吸力负
压筒或其他加载方式进行辅助安装，使工作筒1连同加压囊体5压入土体。

[0039] 本发明的基于有压触探的原位土体参数测量装置，适用于原位土工程参数特性(如土体强度，内摩擦角，粘性土灵敏度等)的准确测量。通过加压囊体5对土体表面灵活施
加上覆压力，可以实现全程完全回流的触探试验，更加精确地测量原位土强度和软化特性
(如灵敏度)；通过改变土体表面上覆压力，可以测得原位土内摩擦角。

[0040] 本发明亦可用于原位土的固结特性试验。在初次有压循环触探实验结束后，可抽回探杆3(也可将探杆3置于指定深度，用探头4内置孔压传感器7测量指定深度处超孔压)，
释放加压囊体5内有压水，使得受扰动土在自然条件下进行固结，也可控制加压囊体5施加
指定上覆压力，使得受扰动土在指定固结压力下进行固结。在设计固结时间结束后下放探
杆3，泵满加压囊体5，进行全程完全回流的触探试验，测量不同固结程度的土体强度，进而
进行原位土固结特性分析，为基础承载力的精准分析提供帮助。

[0041] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依
据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容
不应理解为对本发明的限制。