CN104634795A - 一种可有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种可有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头，在探头的上半段顶部中设有模数转换器(2)，并与传递信号和数据的同轴电缆(1)相连，模数转换器(2)的下部连接有前置放大器(3)，前置放大器(3)的下方连接有元素检测部件(4)，在元素检测部件(4)所对应的探头侧壁上开设有薄壁不锈钢窗口(5)；在探头的下半段设有三分量地震检波器(6)，在三分量地震检波器(6)的下部设有测斜仪(7)，摩擦筒(8)位于测斜仪的下方，在摩擦筒(8)的中部设有孔隙水压力传感器(9)，在摩擦筒的下方连接有圆锥探头(11)，孔压过滤环(10)位于摩擦筒与圆锥探头的连接处。采用该探头，具有探测范围广、安全、快速、准确、经济等特点，为环境岩土工程实践提供有力的检测工具。

Description

一种可有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头

技术领域

本发明涉及一种用于有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头，属于岩土工程领域中一种能够直接、连续地原位检测土层元素种类及含量的静力触探装置。

背景技术

静力触探技术是指利用动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，可确定土的工程特性，如土的变形模量、刚度、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、电阻率、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，可确定的土层力学特性非常有限。重金属污染导致土体环境质量恶化，严重危害了生态***的良性循环和人类的生存环境。土是一种非常复杂的工程材料，其中元素种类、含量及存在形式对土的物理、化学及力学性质均会产生不同程度的影响。因此，了解土中元素的情况，尤其是重金属元素的检测有十分重要的意义。

稳定的原子结构由原子核及核外电子组成，核外电子以其特有的能量在各自固定的轨道上运行。当足够能量的初级X射线照射待测样品时，原子内层电子获得能量而释放，该层产生空位，处于高能量电子层的电子跃迁至该低能量电子层填补相应的空位。由于不同电子层存在着能量差，这些能量差以X射线的形式释放出来。各元素的特征X射线的强度除与激发源的能量和强度有关外，还与该元素在样品中的含量有关。根据不同元素的特征X射线的强度可以检测出某种元素存在与否以及含量。根据这一原理，本发明基于常规的孔压探头，发明了一种可以方便、快捷检测土体重金属元素的原位测试仪器，改善了常规探头无法检测土体元素的不足。同时，利用孔压探头的贯入装置可以检测到深度80m范围内土体中的重金属元素种类及含量，为环境岩土工程实践提供了有力的勘察工具。

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孔压触探探技术存在的缺陷，提出一种可以直接原位检测深部土体重金属元素种类及含量的环境孔压探头。

技术方案：本发明的可检测深部土体重金属元素(种类或含量)的环境孔压探头采用同轴电缆传递信号和数据，在探头的上半段顶部中设有模数转换器，并与传递信号和数据的同轴电缆相连，模数转换器的下部连接有前置放大器，前置放大器的下方连接有元素检测部件，在元素检测部件所对应的探头侧壁上开设有薄壁不锈钢窗口；

在探头的下半段设有三分量地震检波器，在三分量地震检波器的下部设有测斜仪，摩擦筒位于测斜仪的下方，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3.5mm。

元素检测部件由三部分组成，分别是探测器、铅遮板和X射线放射源；探测器为高度为30mm，直径为10mm的圆柱体；铅遮板为厚度为3.0mm，直径为15mm的薄圆柱体。

圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为10cm²，摩擦筒表面积150cm²。

孔压过滤环厚度5mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。

本发明的用于深部土体重金属元素检测的环境孔压探头，其元素检测部分主要由同轴电缆、模数转换器、前置放大器、元素检测部件、薄壁不锈钢窗口以及其内部的电路***所组成。X射线放射源接收来自地表的信息之后，由阴极发射出高速的电子撞击到阳极金属材料(可根据所需检测元素不同而更换)后产生X射线。X射线照射到探头外周围土颗粒时，土颗粒中待测定元素的原子受到X射线照射后其内层电子得到能量，脱离原子束缚而释放；处于高能级电子层的电子跃迁到低能级电子来填补该层的空位。高低能级电子层之间的能量差以特征X射线的形式释放出来。元素检测部件中的探测器探测到透过薄壁不锈钢窗口的特征X射线，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元素种类及含量之间的关系式。铅遮板阻止X射线放射源所激发的X射线直接照射在探测器上，进而产生错误的接收信号。薄壁不锈钢窗口减少了特征X射线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。其中，X射线放射源可以通过调节阴阳两极之间的电压可以调节电子的速度，调节阴极电压可以调节产生电子的数量，从而可以控制所产生的X射线的硬度进而改变其穿透能力。

有益效果：土中所含的元素对土的性质有很大程度的影响。当土中含有重金属元素时会导致环境恶化，严重危害了生态***的良性循环和人类的生存环境。因此，在土木工程和岩土工程领域中进行勘察时对土中重金属元素进行检测是一项意义重大的工作。目前土体重金属元素检测的传统做法需要收集试样运输到实验室进行检测，在这一过程中存储条件和运输条件都会对试验的精度和准确度造成影响，成本较高，需花费较长时间。同时，在取样过程中重金属可能对操作者的身体健康产生不好的影响。

本发明解决了现有的孔压探头不能直接检测土中元素的缺陷，能方便、快捷、连续检测锥头深度处土中的重金属元素的含量，使得孔压静力触探技术能更准确、全面地服务于环境岩土工程领域。该项技术具有分析速度快、检测元素种类多、深度范围光、安全无污染、成本低廉以及无损检测等优点，非常适合于污染场地的检测。

附图说明

图1是本发明的元件装置图；

图2是本发明元素检测部件示意图。

其中有：同轴电缆1，模数转换器2，前置放大器3，元素检测部件4，薄壁不锈钢窗口5，三分量地震检波器6，测斜仪7，摩擦筒8，孔隙水压力传感器9，孔压过滤环10，圆锥探头11。其中，元素检测部件4由探测器4-1、铅遮板4-2和X射线放射源4-3三部分组成。

具体实施方式

本发明的可有效检测测深部土体重金属元素(种类及含量)的环境孔压探头，在探头的上半段顶部中设有模数转换器2，并与传递信号和数据的同轴电缆1相连，模数转换器2的下部连接有前置放大器3，前置放大器3的下方连接有元素检测部件4，在元素检测部件4所对应的探头侧壁上开设有薄壁不锈钢窗口5；

在探头的下半段设有三分量地震检波器6，在三分量地震检波器6的下部设有测斜仪7，摩擦筒8位于测斜仪7的下方，在摩擦筒8的中部设有孔隙水压力传感器9，在摩擦筒8的下方连接有圆锥探头11，孔压过滤环10位于摩擦筒8与圆锥探头11的连接处。

薄壁不锈钢窗口的厚度为3.5mm。

元素检测部件4由三部分组成，分别是探测器4-1、铅遮板4-2和X射线放射源4-3；探测器4-1为高度为30mm，直径为10mm的圆柱体；铅遮板4-2为厚度为3.0mm，直径为15mm的薄圆柱体。

圆锥探头11的锥角为60°，锥底截面积为10cm²，摩擦筒8表面积150cm²。

孔压过滤环10厚度5mm，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)和检测土层元素种类及含量的功能。借助于孔压探头的贯入装置，本探头可实现对深度为80m范围内的土体中的重金属进行定性和定量的分析，进一步发展了静力触探技术的内容。

X射线放射源接收来自地表的信息之后，由阴极发射出高速的电子撞击到阳极金属材料(可根据所需检测元素不同而更换)后产生X射线。X射线照射到探头外周围土颗粒时，土颗粒中待测定元素的原子受到X射线照射后内层电子得到能量，脱离原子束缚而释放；处于高能级电子层的电子跃迁到低能级电子来填补该层的空位。高低能级电子层之间的能量差以特征X射线的形式释放出来。元素检测部件中的探测器探测到透过薄壁不锈钢窗口的特征X射线，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元素含量之间的关系式。铅遮板阻止X射线放射源所激发的X射线直接照射在探测器上，进而产生错误的接收信号。薄壁不锈钢窗口减少了特征X射线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。其中，X射线放射源可以通过调节阴阳两极之间的电压可以调节电子的速度，调节阴极电压可以调节产生电子的数量，从而可以控制所产生的X射线的硬度进而改变其穿透能力。

对于检测要求的不同，本发明装置可以对土中元素进行定性和定量的分析。

根据莫斯莱定律，特征X射线是各种元素固有的，特征X射线的频率的平方根与元素的原子系数有如下关系：

$\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\λ}}}=Q(Z-\mathrm{\σ})---\left(1\right)$

式中，Q、σ是常数。

特征X射线的能量等于发生跃迁的两个电子层之间的能量差，与原子序数也有确定的关系：

$\mathrm{\ΔE}=E_i-E_f=\mathrm{Rhc}{(Z-\mathrm{\σ})}^2\left(\frac{1}{n_f^{2-}{n}_i^2}\right)---\left(2\right)$

式中，ΔE为特征X射线能量；R为里德伯常数(1.097×10^-5cm^-1)；h为普朗克常量(6.63×10^-34J·s)；c为光速(3×10¹⁰cm/s)；Z为目标元素的原子序数；n_i,n_f分别是跃迁前后所处电子层的主量子数；σ为正数，与内层壳电子数目有关。这表明，每个谱系的特征X射线的能量的平方根与原子序数呈线性关系。只要测出特征X射线的能量即可定性分析土中的元素种类。

对于定量分析，特征X射线的强度I_i与待分析元素的质量百分浓度C_i有如下关系：

I_i＝KC_i/μ_m   (3)

式中，μ_m是样品对X射线和特征X射线的总质量吸收系数；K为常数，与入射线强度和分析元素对入射线的质量吸收系数有关。这样就可以根据特征X射线的谱线强度对元素进行定量分析。

Claims (5)

1.一种可有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头，其特征在于，在探头的上半段顶部中设有模数转换器(2)，并与传递信号和数据的同轴电缆(1)相连，模数转换器(2)的下部连接有前置放大器(3)，前置放大器(3)的下方连接有元素检测部件(4)，在元素检测部件(4)所对应的探头侧壁上开设有薄壁不锈钢窗口(5)；

在探头的下半段设有三分量地震检波器(6)，在三分量地震检波器(6)的下部设有测斜仪(7)，摩擦筒(8)位于测斜仪(7)的下方，在摩擦筒(8)的中部设有孔隙水压力传感器(9)，在摩擦筒(8)的下方连接有圆锥探头(11)，孔压过滤环(10)位于摩擦筒(8)与圆锥探头(11)的连接处。

2.根据权利要求1所述的可有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头，其特征在于薄壁不锈钢窗口(5)的厚度为3.5mm。

3.根据权利要求1所述的可有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头，其特征在于元素检测部件(4)由三部分组成，分别是探测器(4-1)、铅遮板(4-2)和X射线放射源(4-3)；探测器(4-1)为高度为30mm，直径为10mm的圆柱体；铅遮板(4-2)为厚度为3.0mm，直径为15mm的薄圆柱体。

4.根据权利要求1所述的可有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头，其特征在于圆锥探头(11)的锥角为60°，锥底截面积为10cm²，摩擦筒(8)表面积150cm²。

5.根据权利要求1所述的可有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头，其特征在于孔压过滤环(10)厚度5mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。