專利名稱：有效應力鏟的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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力及孔隙水壓力的有效應力伊。
背景技術(shù)：
基礎(chǔ)工程設(shè)計中，土的有效應力是較為重要的技術(shù)指標。有效應力是 總應力與孔隙水壓力的差值。有效應力分垂直向和水平向應力。靜止側(cè)壓
力系數(shù)K。為水平有效應力與垂直有效應力之比。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)場同時測試有效應力是 一個技術(shù)空白。 一般垂直向應力可采用靜力觸探試驗獲得，而現(xiàn)場準確快 速直接測定水平有效應力的方法不多且困難，都是分別測試水平總應力和 孔隙水壓力。而國內(nèi)現(xiàn)場直接測試水平總應力的方法是應力鏟試驗(申請 人先前公開的一種應力鏟專利技術(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，它是通過水平總應力長時間的衰減消散達到相對穩(wěn)定，使孔 隙水壓力的影響減少到最小程度，而水平總應力衰減后的相對穩(wěn)定值扣除 靜水壓力后，被認為是水平有效應力值。這種方法由于無法準確確定水平 總應力衰減的時間及應力穩(wěn)定值的標準，使獲得的水平有效應力是一個近 似值，其準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)場同時進行應力鏟試驗和孔壓靜力觸探試驗，則存在如下問題
l.試驗點的問題。為防止對土的擾動，影響測試數(shù)據(jù)的準確性，兩種試驗不能在同一個坐標點進行，必須相距l(xiāng)m以上；
2. 應力鏟試驗和孔壓靜力觸探試驗理論解釋的邊界條件不同。應力伊
外形是扁平鏟盒狀，對土的擾動較小，水平應力垂直作用于鏟面，鏟面沿
水平應力方向的變形很小，可以歸結(jié)為平面應力問題進行解釋；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行組合或疊加，也不能 用平行試驗方法替代。將導致其理論解釋很復雜并產(chǎn)生多解，也影響測試 的準確性。
綜上所述，目前國內(nèi)現(xiàn)有的現(xiàn)場測試方法均不能準確獲得水平有效應 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"復合壓阻式土應力傳感器" 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 力的彈性體，模塊殼體另一面為矩形保護襯板，是三層結(jié)構(gòu)，其應力敏感 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 應力進行解釋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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力及孔隙水壓力的有效應 力鏟，使其具有準確、快速、經(jīng)濟的特點。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案有效應力鏟，它由夾持
桿1和應力盒2組成，夾持桿1與應力盒2平行，其特征是所述應力盒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膜9，較厚的 另一面作為應力盒的支撐背面10，封閉空腔K1內(nèi)充滿應力傳遞介質(zhì)，封 閉空腔Kl與壓力導管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 管7連通；夾持桿1內(nèi)安裝有與壓力導管6相連的微型壓力傳感器4和與 水壓導管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。
在上述方案中，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)貼有應變計15，應變計15通過信號 線16與接收儀表連接。
在上述方案中，應力盒2可以采用一塊高強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，所述應力盒2內(nèi)部封閉空腔Kl為矩形空腔，其空腔 的感應膜9厚1 mm，支撐背面10厚9 mm，所述應力傳遞介質(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^f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0. 1 0. 5ym。
本發(fā)明實現(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)場測試水平有效應力和靜止側(cè)壓力系數(shù)K。值的難 題，促進了原位測試技術(shù)的發(fā)展和進步，具有準確、快速、經(jīng)濟的特點。
本發(fā)明與CN101089566 "復合壓阻式土應力傳感器"專利存在如下不 同之處
1. 外形結(jié)構(gòu)本發(fā)明是在申請人先前公開的一種應力鏟專利技術(shù)(專 利申請?zhí)?2279590.1)的基礎(chǔ)上改進而成，采用一塊不銹鋼板整體加工 成形。鏟的一面測試水平總應力方式和結(jié)構(gòu)與應力鏟專利技術(shù)相同，改進 的是增加背面的厚度，由原應力鏟的雙面變形測試水平總應力，改變?yōu)閱?面，背面成為支撐骨架，是單層整體結(jié)構(gòu)。而"復合壓阻式土應力傳感器" 中設(shè)置了一個模塊殼體，模塊殼體一面外側(cè)焊有感受土應力的彈性體；模 塊殼體另一面為矩形保護襯板，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"復合壓阻式土應力傳感器"中，應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發(fā)明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 原因前面己在技術(shù)背景中進行了分析解釋。而"復合壓阻式土應力傳感器" 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)〉14腿，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) 很難用平面應力進行解釋，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 合壓阻式土應力傳感器"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)在應力盒(2) 的安裝位置是唯一的，它必須放置在應力盒背面幾何中心處，并且其外形 尺寸不宜過大，其直徑應小于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，將導致其理論解釋很復雜并產(chǎn)生多 解，影響測試的準確性。
因此，有效應力鏟的發(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力和水平孔隙水壓力以及準確計算靜止側(cè)壓力系 數(shù)K。值的難題。另外，有效應力鏟在貫入過程中同時獲得的三個動態(tài)參數(shù)， 即貫入水平總應力、貫入水平孔隙水壓力和垂直向單位貫入阻力，通過應 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) a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指標(包括某些動力 學指標)，相比其他方法，大大提高了效率和準確性。 本發(fā)明特點
l.功能特點現(xiàn)場同時快速直接測定土的三種應力，即同時測試土的 水平總應力、孔隙水壓力和垂直貫入阻力；2. 結(jié)構(gòu)特點應力盒采用高強度不銹鋼板整體制成，感應矩形空腔加 工成形后，其空腔對應厚度薄的一面，正好利用不銹鋼的高彈性作為土應 力的感應膜，使整個應力盒單一結(jié)構(gòu)，強度大大提高，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4)10咖，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—壓力導管，7—水壓導管，8—脫氣硅油，9—感 應膜，IO—支撐背面，ll一濾水器，12—法蘭壓蓋，13—空心彈性體，14 一護筒，15—應變計，16—應變計信號線。
具體實施例方式
參照圖1至圖4，本發(fā)明所述實施例是現(xiàn)場同步快速測定土的貫入阻力 和水平有效應力及孔隙水壓力的土工測試儀器——有效應力鏟，它由夾持 桿1和應力盒2組成，夾持桿1與應力盒2平行。應力盒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0Crl7Nil2Mo2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l咖，利用不銹鋼的高彈性作為感應膜9，另一面，厚9mi 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作為傳導介質(zhì)，通過壓力導管6與微 型壓力傳感器4連接。應力盒2上的感應膜9受到土的水平向擠壓應力時 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l內(nèi)的微型壓力 傳感器4上，獲得水平總應力。
在應力盒2的支撐背面10不銹鋼板幾何中心處，設(shè)計一個4> 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 0.1 0.5pm，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力鏟貫入過程中土體的垂直方向 的單位貫入組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 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) 貼有應變計15，應變計15通過信號線16與接收儀表連接。在應力鏟貫入 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；
本實施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，重復性誤差0.5%FS，穩(wěn)定性 誤差0.5XFS，采用螺紋安裝方式；
本實施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技術(shù)，對 接收的直流電壓信號進行采集、處理和運算，最后顯示水平有效應力、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)C.值。
水平有效應力=水平總應力 一孔隙水壓力；
垂直有效應力=垂直總應力一孔隙水壓力；
靜止側(cè)壓力系數(shù)K。二水平有效應力/垂直有效應力；
固結(jié)系數(shù)Cv二T5oXro7tso 。
權(quán)利要求
1.有效應力鏟，它由夾持桿(1)和應力盒(2)組成，夾持桿(1)與應力盒(2)平行，其特征是所述應力盒(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膜(9)，較厚的另一面作為應力盒的支撐背面(10)，封閉空腔(K1)內(nèi)充滿應力傳遞介質(zhì)，封閉空腔(K1)與壓力導管(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)和水壓導管(7)連通；夾持桿(1)內(nèi)安裝有與壓力導管(6)相連的微型壓力傳感器(4)和與水壓導管(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)貼有應變計(15)，應變計(15)通過信號線(16)與接收 儀表連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有效應力鏟，其特征是應力盒(2)采用一塊 高強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所述的有效應力鏟，其特征是所述應力盒(2)內(nèi) 部封閉空腔(Kl)為矩形空腔，其空腔的感應膜(9)厚1 mi，支撐背面(10)厚9咖，所述應力傳遞介質(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。
全文摘要
有效應力鏟，它由夾持桿(1)和應力盒(2)組成，夾持桿(1)與應力盒(2)平行，其特征是所述應力盒(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膜(9)，較厚的另一面作為應力盒的支撐背面(10)，封閉空腔(K1)內(nèi)充滿應力傳遞介質(zhì)，封閉空腔(K1)與壓力導管(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)和水壓導管(7)連通；夾持桿(1)內(nèi)安裝有與壓力導管(6)相連的微型壓力傳感器(4)和與水壓導管(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。本發(fā)明能現(xiàn)場同步快速測定土的貫入阻力和水平有效應力及孔隙水壓力。
文檔編號E02D1/02GK101575847SQ20091006230
公開日2009年11月11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)計院集團有限公司