CN102839641A - 用于测试土体密度的核子密度孔压静力触探探头 - Google Patents

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刘松玉
邹海峰
蔡国军
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Abstract

本发明公布了一种用于测试土体密度的核子密度孔压静力触探探头，该探头的上半段，自上到下依次连接有同轴电缆（1）、模数转换器（2）、前置放大器（3）、光电倍增管（4）和伽马射线源（7），在光电倍增管（4）所对应的探头侧壁上开设有薄壁不锈钢窗口（5），铅遮板（6）位于光电倍增管（4）的下方，探头采用同轴电缆（1）传递信号和数据；在探头的下半段，自上到下依次设有半段三分量地震检波器（8）、测斜仪（9）、摩擦筒（10），在摩擦筒（10）的中部设有孔隙水压力传感器（11），在摩擦筒（10）的下方连接有圆锥探头（13），孔压过滤环（12）位于摩擦筒（10）与圆锥探头（13）的连接处。采用该探头，具有原位、直接、快速、准确、经济等特点，为岩土工程实践提供有力的检测工具。

Description

用于测试土体密度的核子密度孔压静力触探探头
技术领域
本发明涉及一种用于测试土体密度的核子密度孔压静力触探探头，属于岩土工程领域中一种能够直接、连续地分析测试土层原位密度的静力触探装置。
背景技术
静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测***测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能够快速、准确地获得土层的孔隙水压力、地震波、污染物性状、温度、甚至影像。国外已将之大量应用于环境岩土工程领域。我国在新型静力触探传感器的研究起步比较晚，目前国内广泛使用的单双桥静力触探仅能够测试的贯入阻力或比贯入阻力，侧壁摩阻力，可确定的土层基本物理力学特性非常有限。土的密度或重度是土的最基本的物理力学指标之一，是土木工程和岩土工程勘察领域需要首先确定的基本参数。目前土体密度的确定依赖于钻孔取样与室内试验，然而由于取样的扰动和运输土样过程中水分的丧失，使得室内试验结果往往存在误差，难以代表土的原位密度。
当放射源激发出光子时，光子与周围材料原子的电子层发生碰撞。根据所激发光子的能级不同，将会产生不同程度的电吸收现象和康普顿散射。康普顿散射除收到光子能级的影响之外，还与散射物的原子序数有关。而原子序数直接决定了散射物材料的宏观密度或重度，因此可以采用康普顿散射效应来测量岩土材料的密度。根据这一原理，本发明基于常规的静力触探探头，发明了一种可以方便、快捷、测试成本低廉的土体密度原位测试仪器，为岩土工程实践提供有力的检测工具。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是针对国内现有单双桥静探技术存在的缺陷, 提出一种可以直接测量土体密度的核子密度孔压静力触探探头。
技术方案：本发明的用于测试土体密度的核子密度孔压静力触探探头的上半段，自上到下依次连接有同轴电缆、模数转换器、前置放大器、光电倍增管和伽马射线源，在光电倍增管所对应的探头侧壁上开设有薄壁不锈钢窗口，铅遮板位于光电倍增管的下方，探头采用同轴电缆传递信号和数据；
在探头的下半段，自上到下依次设有半段三分量地震检波器、测斜仪、摩擦筒，在摩擦筒的中部设有孔隙水压力传感器，在摩擦筒的下方连接有圆锥探头，孔压过滤环位于摩擦筒与圆锥探头的连接处。
薄壁不锈钢窗口的厚度为4.2mm。
圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为10 cm2，摩擦筒表面积150 cm2。
孔压过滤环厚度5 mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。
本发明的核子密度孔压静力触探探头，其核子密度测试部分主要由同轴电缆、模数转换器、前置放大器、光电倍增管、薄壁不锈钢窗口、铅遮板、伽马射线源以及其内部的电路***所组成。伽马射线源接受来自地表的电压信息之后，激发出伽马光子。伽马光子与探头外周围土颗粒原子的电子层发生碰撞，产生康普顿散射。光电倍增管探测到透过薄壁不锈钢窗口的散射波，进而产生电信号。所产生的电信号经前置放大器的放大后传递给模数转换器，再转为数字信号后经同轴电缆传输至地表的微机采集和存储***中保存，绘出实时连续的剖面图。根据所测得的信号强度，经过室内试验的标定之后，即可建立信号强度与周围土层密度之间的关系式。铅遮板阻止伽马射线源所激发的光子直接照射在光电倍增管上，进而产生错误的接收信号。薄壁不锈钢窗口减少了散射波在传递过程中通过探头时产生的损失，最大程度的提高测量的准确性。模数转换器的作用在于将模拟信号转换为数字信号，然后经同轴电缆传输保存，以提高信号的准确性和精度，避免传输过程中产生数据包的丢失。
有益效果：土的密度或重度是岩土材料最基本的物理力学指标之一，是土木工程和岩土工程勘察领域需要首先确定的基本参数。目前土体密度的确定依赖于钻孔取样与室内试验，然而由于取样的扰动和运输土样过程中水分的丧失，使得室内试验的结果往往存在误差，难以代表土的原位密度。
本发明解决了国内现有的单双桥静探技术不能直接测量土体原位密度的缺陷，能方便、快捷、连续测量锥头深度处土层的原位密度，使得静力触探技术能更准确、全面地服务于岩土工程领域。该项技术具有连续性、可靠性和可重复性的特点。
附图说明
图1是本发明的元件装置图；
其中有：同轴电缆1，模数转换器2，前置放大器3，光电倍增管4，薄壁不锈钢窗口5，铅遮板6，伽马射线源7，三分量地震检波器8，测斜仪9，摩擦筒10，孔隙水压力传感器11，孔压过滤环12，圆锥探头13。
具体实施方式
本发明的可测土体密度的核子密度孔压静力触探探头采用同轴电缆1传递信号和数据，在探头的上半段顶部设有模数转换器2，并与同轴电缆1相连，模数转换器2的下部设有前置放大器3，光电倍增管4位于前置放大器3的下方，在光电倍增管4所对应的探头侧壁上开设有薄壁不锈钢窗口5，铅遮板6位于光电倍增管4的下方，伽马射线源7置于铅遮板6的底部，导线依次将模数转换器2、前置放大器3、光电倍增管4和伽马射线源7相连接；在探头的下半段三分量地震检波器8，在三分量地震检波器8的下部设有测斜仪9，摩擦筒10位于测斜仪9的下方，在摩擦筒10的中部设有孔隙水压力传感器11，在摩擦筒10的下方连接有圆锥探头13，孔压过滤环12位于摩擦筒10与圆锥探头13的连接处。
薄壁不锈钢窗口的厚度为4.2mm。
圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为10 cm2，摩擦筒表面积150 cm2。
孔压过滤环厚度5 mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。
该探头集成了常规静力触探的功能（可测端阻、摩阻）和测试土层原位密度的功能，进一步发展了静力触探技术的内容。
伽马射线源接受来自地表的电压信息之后，激发出伽马光子。伽马光子与探头外周围土颗粒原子的电子层发生碰撞，产生康普顿散射。光电倍增管探测到透过薄壁不锈钢窗口的散射波，进而产生电信号。所产生的电信号经前置放大器的放大后传递给模数转换器，再转为数字信号后经同轴电缆传输至地表的微机采集和存储***中保存，绘出实时连续的剖面图。根据所测得的信号强度，经过室内试验的标定之后，即可建立信号强度与周围土层密度之间的关系式。铅遮板阻止伽马射线源所激发的光子直接照射在光电倍增管上，进而产生错误的接收信号。薄壁不锈钢窗口减少了散射波在传递过程中通过探头时产生的损失，最大程度的提高测量的准确性。模数转换器的作用在于将模拟信号转换为数字信号，然后经同轴电缆传输保存，以提高信号的准确性和精度，避免传输过程中产生数据包的丢失。

Claims (4)

1.一种用于测试土体密度的核子密度孔压静力触探探头，其特征在于在该探头的上半段，自上到下依次连接有同轴电缆（1）、模数转换器（2）、前置放大器（3）、光电倍增管（4）和伽马射线源（7），在光电倍增管（4）所对应的探头侧壁上开设有薄壁不锈钢窗口（5），铅遮板（6）位于光电倍增管（4）的下方，探头采用同轴电缆（1）传递信号和数据；
在探头的下半段，自上到下依次设有半段三分量地震检波器（8）、测斜仪（9）、摩擦筒（10），在摩擦筒（10）的中部设有孔隙水压力传感器（11），在摩擦筒（10）的下方连接有圆锥探头（13），孔压过滤环（12）位于摩擦筒（10）与圆锥探头（13）的连接处。
2.根据权利要求1所述的用于测试土体密度的核子密度孔压静力触探探头，其特征在于薄壁不锈钢窗口（5）的厚度为4.2mm。
3.根据权利要求1所述的用于测试土体密度的核子密度孔压静力触探探头，其特征在于圆锥探头（13）的锥角为60°，锥底截面积为10 cm2，摩擦筒（10）表面积150 cm2。
4.根据权利要求1所述的用于测试土体密度的核子密度孔压静力触探探头，其特征在于孔压过滤环（12）厚度5 mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。
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