用于鉆探現(xiàn)場(chǎng)土工參數(shù)的設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于鉆探現(xiàn)場(chǎng)土工參數(shù)的設(shè)備，包括測(cè)量載體鉆桿、沖擊耦合桿、重力錘、應(yīng)力傳感器、加速度傳感器、信號(hào)采集裝置、無線通訊模塊、智能運(yùn)算單元，上述載體鉆桿與上述沖擊耦合桿連接，上述鉆桿插入大地并與大地之間存有間隙，上述沖擊耦合桿位于大地之上，上述重力錘固定在上述載體鉆桿的頂部，上述應(yīng)力傳感器、上述加速度傳感器均安裝在上述沖擊耦合桿，并均連接上述信號(hào)采集裝置，上述信號(hào)采集裝置與上述無線通訊模塊連接，無線通訊模塊將信息傳輸至上述智能運(yùn)算單元。本實(shí)用新型的有益效果在于，利用波動(dòng)方程原理，利用動(dòng)探過程中捶擊產(chǎn)生的應(yīng)力波的波動(dòng)效應(yīng)，測(cè)量鉆探深度、能量轉(zhuǎn)換效率、捶擊數(shù)的校正及土工參數(shù)演算。
【專利說明】
用于鉆探現(xiàn)場(chǎng)土工參數(shù)的設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種用于鉆探現(xiàn)場(chǎng)土工參數(shù)的設(shè)備，屬于工程勘探中場(chǎng)地土工參 數(shù)的處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工程勘探中，現(xiàn)場(chǎng)土工參數(shù)的測(cè)量最通用的方法是動(dòng)探方法，包括輕型動(dòng)探、標(biāo) 準(zhǔn)貫入(SPT)和重力動(dòng)探，它們得到的是指定能量和貫入度下，棰擊數(shù)。然而，由于棰擊能量 效率不同和人們對(duì)于棰擊數(shù)物理意義理解不夠深入，致使它們難于直接用于巖土工程的計(jì) 算或者偏差太大，同時(shí)鉆孔深度也需要直接測(cè)量，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)鉆探質(zhì)量的監(jiān)管，存在很大困 難。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種用于鉆探現(xiàn)場(chǎng)土工參數(shù)的設(shè)備。
[0004] 本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0005] -種用于鉆探現(xiàn)場(chǎng)土工參數(shù)的設(shè)備，包括測(cè)量載體鉆桿、沖擊耦合桿、重力錘、應(yīng) 力傳感器、加速度傳感器、信號(hào)采集裝置、無線通訊模塊、智能運(yùn)算單元，上述載體鉆桿與上 述沖擊耦合桿連接，上述鉆桿插入大地并與大地之間存有間隙，上述沖擊耦合桿位于大地 之上，上述重力錘固定在上述載體鉆桿的頂部，上述應(yīng)力傳感器、上述加速度傳感器均安裝 在上述沖擊耦合桿，并均連接上述信號(hào)采集裝置，上述信號(hào)采集裝置與上述無線通訊模塊 連接，無線通訊模塊將信息傳輸至上述智能運(yùn)算單元。
[0006] 本實(shí)用新型的有益效果：
[0007] 利用波動(dòng)方程原理，利用動(dòng)探過程中棰擊產(chǎn)生的應(yīng)力波的波動(dòng)效應(yīng)，測(cè)量鉆探深 度、能量轉(zhuǎn)換效率、棰擊數(shù)的校正及土工參數(shù)演算;從工程實(shí)際出發(fā)，重點(diǎn)解決鉆探檢測(cè)及 土工參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算方法，有效降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，提高工作效率的同時(shí)提高了作業(yè)數(shù)據(jù)的 可靠性。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本實(shí)施案例的工程結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009] 圖2為圖1的A-A部分放大示意圖；
[0010] 圖3為圖1的B部分放大示意圖；
[0011] 圖4為圖1的C部分放大示意圖；
[0012] 圖5為本實(shí)施案例信號(hào)采集的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖6為本實(shí)施案例采樣數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]參照?qǐng)D1-圖6,工程構(gòu)建包括:大地1，鉆桿2,沖擊親合桿3,重力錘4,表不鉆桿與大 地之間的空隙5,集成有應(yīng)力傳感器6,加速度傳感器7,信號(hào)采集裝置8,集成有電池的無線 通訊模塊9,智能運(yùn)算單元10。按照?qǐng)D1-圖4所示連接組成測(cè)試系統(tǒng)。
[0016] 用于鉆探現(xiàn)場(chǎng)土工參數(shù)的測(cè)量、處理方法，步驟包括：
[0017] 1)利用行波理論取得鉆桿行波走時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算鉆進(jìn)深度：
[0018] (1)通過速度曲線查找第一次達(dá)到峰值的時(shí)刻，記錄為;
[0019] (2)通過沖擊力曲線得到時(shí)刻的峰值FU!);
[0020] (3)在沖擊力曲線第一次下降到小于0.01倍F(t〇的時(shí)刻后開始查找速度曲線的 最近一個(gè)峰值，并記錄時(shí)刻為t2,計(jì)算Δ t = t2_tl;
[0021] (4)利用波動(dòng)理論，在鉆桿中應(yīng)力波速度已知情況下的鉆桿長(zhǎng)度
[0022] (5)測(cè)量傳感器離地面的距離記為Hse_r;
[0023] (6)計(jì)算鉆探深度 H=L-Hsensor;
[0024] 2)利用1)的結(jié)果，通過給定公式計(jì)算沖擊能量，計(jì)算有效能量比，修正傳統(tǒng)灌入法 的棰擊數(shù)：
[0025] (1)記沖擊力曲線值第一次大于1N的時(shí)刻為to;
[0026] (2)由1)的（3)中取得計(jì)算時(shí)間差A(yù)t;
[0027]
:計(jì)算得到有效的 灌入能量Er;
[0028] (4)計(jì)算錘自由落體能量60%的量E*=mXgXhX60% ;
[0029] (5)動(dòng)探方法得到的棰擊數(shù)記為Y，
，并得到修正后的有效棰擊數(shù)N = ERrXN/ ；
[0030] A為鉆桿的截面積，E為鉆桿的彈性模量，C為應(yīng)力波在桿中的波速。
[0031] 3)用CASE法計(jì)算最大承載力：
[0032] (1)根據(jù)鉆探對(duì)土質(zhì)的判斷，適當(dāng)選取阻尼系數(shù)Js;
[0034] (3)根據(jù)a)得到的，分別從速度曲線和沖擊力曲線讀取ρ(ω、ρ(ω、ν(ω、ν (t2);
[0035] (4)采用Case法公式進(jìn)行計(jì)算：
[0036]
計(jì)算土的最大靜阻力，及鉆桿 端面的最大承載力。
[0037]本實(shí)施例實(shí)施步驟如下：
[0038] 1.本實(shí)施例實(shí)在鉆探到8m深提土后再放入鉆桿，并按照?qǐng)D1所示將集成有應(yīng)力傳 感器6、加速度傳感器7安裝于第一節(jié)鉆桿上面離第二節(jié)鉆桿接頭1.2m的位置，將沖擊耦合 桿3、重力錘4套在第一節(jié)鉆桿上，并且將信號(hào)采集裝置8、集成有電池的無線通訊模塊9和傳 感器用專用線纜連接在一起.
[0039] 2.設(shè)置采樣電路處于準(zhǔn)備狀態(tài)，等待重力錘落下產(chǎn)生信號(hào)突變觸發(fā)采樣電路8采 樣，采樣電路由信號(hào)匹配裝置81、A/D采集芯片82、數(shù)據(jù)緩存器83、單片機(jī)84組成，信號(hào)匹配 裝置81與集成有應(yīng)力傳感器6、加速度傳感器7相連(本實(shí)施例采用精密運(yùn)放CA3140組成的 信號(hào)匹配電路將信號(hào)輸送給18bit高精度A/D采集芯片AD7641，通過FIFO緩沖后連接至 STM32F407單片機(jī)），無線通訊模塊9與單片機(jī)84相連，單片機(jī)84將信息通過無線通訊模塊9 傳送到智能運(yùn)算單元10進(jìn)行處理；
[0040] 3.本實(shí)施例重錘重量63.5kg，提起重錘至76cm高處，釋放重錘，使產(chǎn)生沖擊信號(hào)觸 發(fā)采樣電路，并通過實(shí)施例2步中的各個(gè)環(huán)節(jié)將傳感器的信號(hào)傳送至智能運(yùn)算單元；
[0041 ] 4.智能運(yùn)算單元10分別對(duì)應(yīng)變信號(hào)和加速度信號(hào)處理分析，方法如下：
[0042] (l)F(t)=AXEX ε式中A為鉆桿截面積，E為彈性模量，ε為應(yīng)變量，其中A和E為常 量，可以通過測(cè)量和查表方法獲得，屬于工程基知識(shí)，不在本專利討論范圍，ε可以根據(jù)傳感 器廠家提供的傳感器資料根據(jù)測(cè)量電壓換算得到（具體方法在此不作討論，屬于應(yīng)變傳感 器基本知識(shí)），在不同的時(shí)刻應(yīng)變會(huì)不同，Sh是隨時(shí)間變化而變化的量。通過得到Α、Ε、ε后 通過式F(t )= A X Ε X ε可以準(zhǔn)確獲得實(shí)時(shí)的通過截面的力；
[0043] (2)V(t)=Ja(t)dt，加速度傳感器可以直接獲得加速度值，通過積分可以直接得 到。
[0044] 5.通過實(shí)施例第4步得到的速度數(shù)據(jù)并做平滑去毛刺處理（波形處理的常規(guī)運(yùn) 算），通過峰值檢測(cè)程序檢測(cè)速度曲線查找第一次達(dá)到峰值的時(shí)刻，記錄為七=3.5ms，通過 沖擊力曲線得到t時(shí)刻的峰值F(t)，在沖擊力曲線第一次下降到小于0.01倍F(t)的時(shí)刻 后開始查找速度曲線的最近一個(gè)峰值，并記錄時(shí)刻為t2 = 7.6ms，計(jì)算Δ t = t2_ti = 4. lms， 波速c通過單節(jié)桿試驗(yàn)測(cè)得(屬于基礎(chǔ)知識(shí)，不在本專利探討），本實(shí)施例測(cè)得波速為5100m/ s，
計(jì)算得到鉆桿的長(zhǎng)度為10455mm。測(cè)量傳感器離地面的距離記為H sensQr = 2205mm，計(jì)算鉆探深度 H=L-Hsens〇r = 8250mm;[0045] 6.通過實(shí)施例第4步得到的F(t)和V(t)，通過公式
本實(shí)施例數(shù)據(jù)to點(diǎn)選取為3ms處 ， (判別基準(zhǔn)為F(t)第一次大于1N處作為計(jì)算to點(diǎn)），△ t為實(shí)施例第5步計(jì)算的值4. lms,計(jì)算 得 Er，E*=mXgXhX60%進(jìn)而
[0046] 7.采用Case法公式
計(jì)算土的 最大靜阻力，及鉆桿端面的最大承載力；
[0047] 數(shù)據(jù)通過智能運(yùn)算單元（10)實(shí)時(shí)回傳遠(yuǎn)端服務(wù)器，從而本實(shí)用新型的方法可以實(shí) 現(xiàn)鉆探地質(zhì)信息的實(shí)時(shí)分析與存儲(chǔ)，解決了數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確造成的勘察困境。
[0048] 上述實(shí)施例只為說明本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此領(lǐng)域技 術(shù)的人士能夠了解本【實(shí)用新型內(nèi)容】并加以實(shí)施，并不能以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。 凡根據(jù)本實(shí)用新型精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍 內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于鉆探現(xiàn)場(chǎng)土工參數(shù)的設(shè)備，其特征在于，包括測(cè)量載體鉆桿、沖擊耦合桿、 重力錘、應(yīng)力傳感器、加速度傳感器、信號(hào)采集裝置、無線通訊模塊、智能運(yùn)算單元，所述載 體鉆桿與所述沖擊耦合桿連接，所述鉆桿插入大地并與大地之間存有間隙，所述沖擊耦合 桿位于大地之上，所述重力錘固定在所述載體鉆桿的頂部，所述應(yīng)力傳感器、所述加速度傳 感器均安裝在所述沖擊耦合桿，并均連接所述信號(hào)采集裝置，所述信號(hào)采集裝置與所述無 線通訊模塊連接，無線通訊模塊將信息傳輸至所述智能運(yùn)算單元。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK205642426SQ201521104198
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年12月24日
【發(fā)明人】曹光暄, 胡亮亮, 廖旭濤, 徐文華, 曹丹平, 李剛, 萬富, 胡慶紅, 徐哲, 李天寶
【申請(qǐng)人】安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院有限公司