CN103526738B - 一种用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，包括封闭圆筒、数据采集仪表、电源、探杆、扁铲侧胀探头、推杆电机、主控器、体积控制单元、压力传感器和移动台；推杆电机的推杆底端与移动台固定连接，探杆的顶端固定连接在移动台上，探杆的下部与扁铲侧胀探头固定连接，探杆的顶端通过气流管道与体积控制单元相连通，扁铲侧胀探头的中部设有通孔，橡胶膜片固定连接在扁铲侧胀探头外壁面上，气流管道的底端在扁铲侧胀探头的通孔处与橡胶膜片相对；数据采集仪表与主控器相连，主控器分别与电源、压力传感器、体积控制单元和推杆电机相连，压力传感器通过管道与气流管道相连。该扁铲侧胀装置具有方便、准确、分辨率高和质量控制好等优点。

Description

一种用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置

技术领域

本发明属于土木工程领域中一种能够有效地分析软土工程特性的器件，具体来说，涉及一种用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置。

背景技术

扁铲侧胀仪（DMT）试验方法首先由意大利Marchetti教授发明，该方法因试验迅速、准确和经济，很快被世界各地推广应用。传统的扁铲侧胀仪是用来原位测量弹性模量和侧压力系数等土工参数的仪器，通常用于陆地各种沉积物中，包含60mm直径的不锈钢膜，用于对土体施加侧向应变。传统的扁铲侧胀仪仅仅能够读取三个读数：0.05mm膨胀量时钢膜的膨胀压力、1.1mm侧向膨胀量时的膨胀压力以及最终泄压钢膜膨胀量回缩至0.05mm时的膨胀压力。这使得对给定深度处土体提供有限的应力应变曲线，对低应力时的数据点只能假定为线性应力应变路径。然而许多最新研究证明，在低应力应变水平下，土的特征仍然是非线性的。因此传统的扁铲侧胀仪并不能满足低应力应变关系的获取。对软土等海相沉积物而言，钢膜的刚度可能是土体刚度的数倍，分辨率不足，导致难以掌握土体的小应变特征。此外，传统扁铲侧胀仪的最小贯入增量为10cm。这使得DMT非常不适用于研究弹性模量的微尺度变化。因此，发展可精密测量土体微尺度特征的扁铲侧胀仪是非常有必要的。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是：提供一种用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，该装置可精密测量土体微尺度特征，尤其适用于测量软土等海相沉积物的土体微尺度特征。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，该扁铲侧胀装置包括封闭圆筒、数据采集仪表、电源、探杆、扁铲侧胀探头，以及位于封闭圆筒内部的推杆电机、主控器、体积控制单元、压力传感器和移动台；主控器、体积控制单元和压力传感器固定连接在封闭圆筒的壁面上，推杆电机固定连接在封闭圆筒的顶部，且推杆电机的推杆底端与移动台固定连接，探杆的顶端固定连接在移动台上，探杆的下部穿出封闭圆筒的底端，探杆的下部与位于封闭圆筒下方的扁铲侧胀探头固定连接，探杆为空心杆，气流管道惯穿探杆，探杆的顶端通过气流管道与体积控制单元相连通，探杆的底端位于扁铲侧胀探头中，扁铲侧胀探头的中部设有通孔，橡胶膜片固定连接在扁铲侧胀探头外壁面上，且橡胶膜片覆盖扁铲侧胀探头的通孔，气流管道的底端在扁铲侧胀探头的通孔处与橡胶膜片相对；数据采集仪表与主控器相连，主控器分别与电源、压力传感器、体积控制单元和推杆电机相连，压力传感器通过管道与气流管道相连。

进一步，所述的扁铲侧胀探头的横剖面呈圆形，扁铲侧胀探头呈橄榄球形；从中部到边缘，扁铲侧胀探头的厚度逐渐变薄。

进一步，所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，还包括橡胶网格片，该橡胶网格片嵌至在扁铲侧胀探头和橡胶膜片之间。

进一步，所述的橡胶膜片由对海水呈惰性的材料制成。

进一步，所述的体积控制单元中设有活塞和与活塞相连的活塞杆，活塞杆通过导线与主控器相连。

有益效果：软土工程特性的准确鉴别是确保港口、码头等近岸工程建设可靠性的重要依据。本发明解决了国内外现有扁铲侧胀仪不能精确、可靠研究软土低应变条件下工程性质的缺陷，通过改变微型扁铲侧胀探头的形状与尺寸、膨胀膜的材料与尺寸和配备设施的结构优化，实现了可在软土中进行高精度、高分辨率的扁铲侧胀试验。该装置具有原位、高分辨率、高精度、可靠性和可重复性的特点。

附图说明

图1是本发明微型扁铲侧胀装置的元件装置图。

其中有：封闭圆筒1、数据采集仪表2、电源3、推杆电机4、主控器5、体积控制单元6、压力传感器7、气流管道8、移动台9、探杆10、扁铲侧胀探头11和橡胶膜片12。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作出进一步说明。

如图1所示，本发明的一种用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，包括封闭圆筒1、数据采集仪表2、电源3、探杆10、扁铲侧胀探头11，以及位于封闭圆筒1内部的推杆电机4、主控器5、体积控制单元6、压力传感器7和移动台9。主控器5、体积控制单元6和压力传感器7固定连接在封闭圆筒1的壁面上，推杆电机4固定连接在封闭圆筒1的顶部，且推杆电机4的推杆底端与移动台9固定连接。主控器5包含可编程芯片，且设有10字节的数模转换器。可编程芯片可采用英国PICAXE公司生产的28X-2芯片。探杆10的顶端固定连接在移动台9上，探杆10的下部穿出封闭圆筒1的底端，探杆10的下部与位于封闭圆筒1下方的扁铲侧胀探头11固定连接。探杆10为空心杆。气流管道8惯穿探杆10。探杆10的顶端通过气流管道8与体积控制单元6相连通，探杆10的底端位于扁铲侧胀探头11中。扁铲侧胀探头11的中部设有通孔。橡胶膜片12固定连接在扁铲侧胀探头11外壁面上，且橡胶膜片12覆盖扁铲侧胀探头11的通孔。气流管道8的底端在扁铲侧胀探头11的通孔处与橡胶膜片12相对。数据采集仪表2与主控器5相连，主控器5分别与电源3、压力传感器7、体积控制单元6和推杆电机4相连，压力传感器7通过管道与气流管道8相连。

进一步，所述的扁铲侧胀探头11的横剖面呈圆形，扁铲侧胀探头11呈橄榄球形；从中部到边缘，扁铲侧胀探头11的厚度逐渐变薄。前述形状结构具有对称性和低扰动的优点，保证扁铲侧胀探头11贯入过程中的平稳性，提高测试的可重复性和精度。

进一步。所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置还包括橡胶网格片，该橡胶网格片嵌至在扁铲侧胀探头11和橡胶膜片12之间，以防止橡胶膜片12因磨损破坏，使得外部土体通过扁铲侧胀探头11的通孔进入测试***内部。所述的橡胶膜片12由对海水呈惰性的材料制成，例如采用橡胶或者环氧树脂制成。

进一步，所述的体积控制单元6中设有活塞和与活塞相连的活塞杆，活塞杆通过导线与主控器5相连。主控器5控制活塞杆上下移动，进而控制气流管道8中的气体体积和气体压力。

进一步，所述的推杆电机4设有两根推杆，且每根推杆最大延伸长度为0.8m至1.3m。设置两根推杆，可以提高推杆电机4的工作稳定性。

进一步，作为优选，压力传感器7分辨率为0.01kPa至0.04kPa，量程为0至35kPa

气流管道8长为4m至6m，内径为0.55mm至0.65mm。探杆10长度为0.5m至1.5m，外径为1.57cm，内径为1.0cm。封闭圆筒1的长度为1m至1.5m，内径为10cm至15cm。电源3的额定电压为12V，额定电流为5A，提供交流电。

本发明的扁铲侧胀装置，数据测试部分由数据采集仪表2、主控器5、体积控制单元6、压力传感器7、扁铲侧胀探头11和橡胶膜片12共同完成。将该扁铲侧胀装置运送至试验现场后，采用三角架或其他基座将封闭圆筒1固定，并调整高度安装探杆10与扁铲侧胀探头11。首先将探杆10穿过封闭圆筒1底部小孔，通过螺纹接口固定在移动台9中部，然后将扁铲侧胀探头11连接在探杆10的尾端。

试验时接通电源3，开启数据采集仪表2。此时，推杆电机4的推杆收缩至封闭圆筒1的顶部，开启推杆电机4，使得移动台9缓慢下行，带动探杆10和扁铲侧胀探头11往下贯入土体中。到达指定深度处时，关闭推杆电机4停止贯入。此时体积控制单元6并未对气流管道8施压，因此橡胶膜片12的侧向膨胀量为0，记录此时压力传感器7的压力。然后，数据采集仪表2通过主控器5控制体积控制单元6，活塞下行固定的位移，对气流管道8施加压力，气流管道8中的气体在压力作用下推动扁铲侧胀探头11上的橡胶膜片12侧向膨胀鼓起，维持该加压过程7秒至8秒，记录压力传感器7的读数，然后控制活塞上行，返回至原位置处，压力的增量归零，橡胶膜片12恢复至原侧向膨胀量为0的位置处，此时完成了一个加荷——卸荷循环。若存在工程需要，可施加多个加荷——卸荷循环。每个加荷——卸荷循环的持续时间为14秒至16秒，每两个相邻加荷——卸荷循环之间的延迟为10秒至15秒，以确保橡胶膜片12的变形得到充分的发展与恢复。在该深度处试验完成时，打开推杆电机4开关，继续往下贯入至另一预定深度处，重复上述过程。

当所有测试完成时，保存数据采集仪表2记录不同深度处测试时随时间变化的压力与体积变化量，再关闭数据采集仪表2。然后逆转推杆电机4的开关，推杆带动移动台9上行，此时探杆10和扁铲侧胀探头11随着移动台9上升，直至地表，再关闭电源3。最后清洗探杆10和扁铲侧胀探头11，完成测试。

主控器5的数模转换器用于将压力传感器7发出的模拟信号转换成数字信号，以降低电路之间的信号干扰，提高测试分辨率和准确性。试验前，需要将扁铲侧胀装置的压力传感器7与精度为10^-5kPa的压力传感器进行相对标定，确保扁铲侧胀装置所用的压力传感器7分辨率足够高。

记扁铲侧胀探头11内部气体的总体积V₀，则该体积可以分解为气流管道8的体积V_sys和橡胶膜片12变形空间内的体积V_memb。在变形之前，V_memb为0，而V_sys为V₀，记此时的压力传感器7读数为P₀。

当体积控制单元6控制活塞下行后，气流管道8内的体积V_sys减小，记其该变量为ΔV，此时压力传感器7读数改变量为ΔP。则V_sys为先验资料，是已知量；ΔV为体积控制单元6所控制的体积改变量，也是已知量；P₀和ΔP通过压力传感器7记录得到，是已知量；因此，唯一的未知量为橡胶膜片12变形空间内的体积V_memb。

根据波以耳定律，V_memb按照式（1）计算得出：

P₀V₀=P₁(V₀+ΔV+V_memb)      （1）

式（1）中：P₁为（P₀-ΔP），ΔV为负值。

根据V_memb可以得到橡胶膜片12的位移量，在加压过程中，橡胶膜片12的变形近似为球冠形：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{memb}}=\frac{{\mathrm{\πa}}^{2}b}{2}+\frac{b^3}{6}---\left(2\right)$

式（2）中，ΔV_memb为V_memb的增量，将ΔV_memb累加可得V_memb；a为橡胶模片12半径，b为橡胶模片12中心处的最大位移量。一般而言，满足b<<a，则消除上式右边第二项，方程式可简化为如下形式：

${\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{memb}}=\frac{{\mathrm{\&pi;a}}^{2}b}{2}---\left(3\right)$

根据式（3）可以得到b值。根据胡克定律，依据式（4）得到土壤的弹性模量E：

$E=\frac{4\mathrm{a\&Delta;P}(1-v^2)}{\mathrm{\&pi;b}}---\left(4\right)$

式（4）中，v为土壤的泊松比，对饱和软土而言，v取值0.5。

上述理论推导了根据本发明获得软土弹性模量的方法，工程实践中还可建立土的其他工程参数如孔隙比、抗剪强度和塑性指数等与本发明测试参数之间的经验关系式。

Claims (10)

1.一种用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，该扁铲侧胀装置包括封闭圆筒(1)、数据采集仪表(2)、电源(3)、探杆(10)、扁铲侧胀探头(11)，以及位于封闭圆筒(1)内部的推杆电机(4)、主控器(5)、体积控制单元(6)、压力传感器(7)和移动台(9)；主控器(5)、体积控制单元(6)和压力传感器(7)固定连接在封闭圆筒(1)的壁面上，推杆电机(4)固定连接在封闭圆筒(1)的顶部，且推杆电机(4)的推杆底端与移动台(9)固定连接，探杆(10)的顶端固定连接在移动台(9)上，探杆(10)的下部穿出封闭圆筒(1)的底端，探杆(10)的下部与位于封闭圆筒(1)下方的扁铲侧胀探头(11)固定连接，探杆(10)为空心杆，气流管道(8)贯穿探杆(10)，探杆(10)的顶端通过气流管道(8)与体积控制单元(6)相连通，探杆(10)的底端位于扁铲侧胀探头(11)中，扁铲侧胀探头(11)的中部设有通孔，橡胶膜片(12)固定连接在扁铲侧胀探头(11)外壁面上，且橡胶膜片(12)覆盖扁铲侧胀探头(11)的通孔，气流管道(8)的底端在扁铲侧胀探头(11)的通孔处与橡胶膜片(12)相对；数据采集仪表(2)与主控器(5)相连，主控器(5)分别与电源(3)、压力传感器(7)、体积控制单元(6)和推杆电机(4)相连，压力传感器(7)通过管道与气流管道(8)相连；压力传感器(7)分辨率为0.01kPa至0.04kPa。

2.根据权利要求1所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，所述的扁铲侧胀探头(11)的横剖面呈圆形，扁铲侧胀探头(11)呈橄榄球形；从中部到边缘，扁铲侧胀探头(11)的厚度逐渐变薄。

3.根据权利要求1所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，还包括橡胶网格片，该橡胶网格片嵌至在扁铲侧胀探头(11)和橡胶膜片(12)之间。

4.根据权利要求1所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，所述的橡胶膜片(12)由对海水呈惰性的材料制成。

5.根据权利要求1所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，所述的体积控制单元(6)中设有活塞和与活塞相连的活塞杆，活塞杆通过导线与主控器(5)相连。

6.根据权利要求1所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，所述的推杆电机(4)设有两根推杆，且每根推杆最大延伸长度为0.8m至1.3m。

7.根据权利要求1所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，所述的主控器(5)包含可编程芯片，且设有10字节的数模转换器。

8.根据权利要求1所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，所述的压力传感器(7)量程为0至35kPa。

9.根据权利要求1所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，所述的气流管道(8)长为4m至6m，内径为0.55mm至0.65mm。

10.根据权利要求1所述的用于土壤原位测试的扁铲侧胀装置，其特征在于，所述的探杆(10)长度为0.5m至1.5m，外径为1.57cm，内径为1.0cm。