CN110080194A

CN110080194A - 勘探压注仪及其应用

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Publication number: CN110080194A
Application number: CN201910359283.1A
Authority: CN
Inventors: 高志林; 张延仓; 高龙翔; 李潇一; 李士明; 李锋; 张三定; 张丙先; 苏志远; 李林; 宋斌; 杜胜华; 何涛; 李俣继; 姜超; 王茂智; 王寺响; 袁洋洋; 朱忠; 曹道宁
Original assignee: CHANGJIANG GEOTECHNICAL ENGINEERING GENERAL Co (WUHAN)
Current assignee: Changjiang Geotechnical Engineering Co.,Ltd.
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2039-04-30
Also published as: CN110080194B

Abstract

本发明公开了一种勘探压注仪。它包括受力设备和动力设备，所述受力设备包括衔接***和压提***，所述衔接***包括压力传感器和卡盘，所述压力传感器固定于所述卡盘上、且置于所述卡盘和所述动力设备之间；所述压提***包括探杆，探杆接头，和锥头或螺旋钻头；所述卡盘卡于所述探杆或探杆接头上，所述探杆一端向上伸出所述动力设备、另一端与通过内柱与所述锥头插拔连接；所述探杆为中空结构。本发明压力传感器置于卡盘和动力设备之间，探杆中空结构无电缆，锥头可脱离探杆等特征，压力传感器不易受潮损坏、可扩展试验范围和灌浆封孔，操作简便快捷。本发明还公开了勘探压注仪的应用。

Description

勘探压注仪及其应用

技术领域

本发明涉及勘察设备技术领域，具体地说它是勘探压注仪。更具体地说它是在静力触探仪的基础上，改变压力传感器位置、探头可脱离探杆、探杆内中空无电缆的勘探压注仪。本发明还涉及勘探压注仪的应用。

背景技术

静力触探仪是常用的勘探设备，能根据探头中的力传感器所受压力，通过线缆传输到地面记录仪；当下常用探头有两种，其中单桥探头采集锥尖阻力，双桥探头还可根据侧壁摩擦套筒采集侧壁摩擦力。根据记录仪转换后数据可划分地层、确定建筑物承载力和变形模量、预估单桩承载力等工作。由于该设备轻便、快捷，数据精度人为干扰少等优点，在武汉一级阶地的实际工作中，探头可贯入深度40余米达到中粗砂中，应用前景广泛。

现有申请号为：201210166353X，专利名称为：《一种静力触探仪的探测方法》，其主要特点是：(1)在原静力触探增加测斜、测温装置； (2)无线传输探头数据。

现有申请号为：2017113743881，专利名称为：《一种静力触探仪》，其主要特点是防止探杆受力发生偏斜、弯折。

现有申请号为：201720248341X，专利名称为：《一种用于研究上拔式静力触探试验机理的模型试验装置》，其主要特点是：(1)采用拉力传感器，(2)未清楚其探头形状尺寸；(3)其作用是获得拉拔阻力，并且需进一步研究和物理力学参数的关系。

但静力触探仪也存在一定不足，比较主要的是探头、电缆易损和难以封孔问题：第一，探头是设备中最精密仪器，常常因损耗而密封不严，进而导致核心传感器受潮降低绝缘电阻，甚至电桥不能平衡，测试工作无法进行；连接探头传输数据的线缆位于静探杆内，因工作需要常常反复弯折，及与探杆摩擦，也是易损设备；第二，由于孔径一般为4cm以下，常规方法难以封孔，导致有封孔要求的江河堤防等勘察工作难以利用。

因此，现亟需研发一种不易损坏、可实现灌浆封孔的勘探压注仪及其应用。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种勘探压注仪，本发明勘探压注仪主要特征为：压力传感器置于卡盘和动力设备之间，探杆为中空结构，锥头可脱离探杆；基于以上特征，使压力传感器不易受潮损坏、可扩展试验范围及灌浆封孔，操作简便快捷；本发明设备无易损坏精密探头，遇砾砂、含砾中粗砂等地层必要时还可在地面以上辅以震动设备进入一定深度再采集压力数据，相同地层贯入深度应超过静力触探仪。

本发明的第二目的是为了提供勘探压注仪的应用，以压力传感器置于地面以上、探杆中空无电缆和锥头可脱离探杆为基础，可综合实现利用锥头、探杆或螺旋钻头与砂土间的阻力收集力学数据；利用活动锥头收集注水数据；利用可脱离锥头实现封孔、灌浆。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：勘探压注仪，其特征在于：包括受力设备和动力设备，所述受力设备包括衔接***和压提***，所述衔接***包括压力传感器和卡盘，所述压力传感器固定于所述卡盘上、且位于所述卡盘与所述动力设备之间；所述压提***包括探杆，探杆接头，和锥头或螺旋钻头；所述探杆和探杆接头中部设有凹槽，所述卡盘卡于所述探杆或探杆接头上，所述探杆顶端向上伸出所述动力设备、底端与所述锥头插拔连接；所述探杆和所述探杆接头均为中空结构。

在上述技术方案中，所述探杆中部和探杆接头中部均设有凹槽，所述卡盘卡设在所述凹槽中；所述探杆和探杆接头通过丝扣连接。

在上述技术方案中，所述锥头包括锥尖、锥柱和内柱，所述锥柱下端与所述锥尖同心连接、上端与所述内柱同心相连；所述锥柱直径大于所述内柱直径；所述锥柱直径与所述锥尖底座直径相等、且与所述探杆外径相等。

在上述技术方案中，所述内柱包括第一内柱和第二内柱；所述第一内柱呈圆柱形，所述第二内柱呈底部逐渐扩大的变径柱体结构。

在上述技术方案中，所述锥尖的锥角为60°；所述锥头为钢质锥头。

在上述技术方案中，所述卡盘上布置有上下通透的卡盘插槽，所述卡盘插槽宽度大于所述凹槽宽度、且小于所述探杆直径；所述压力传感器呈圆盘结构，所述压力传感器中部布置有上下通透的压力传感器凹槽，所述压力传感器凹槽宽度大于所述探杆直径；所述压力传感器与所述卡盘同心接触，且通过螺栓与所述卡盘固定连接；所述卡盘插槽宽度小于所述压力传感器凹槽宽度，且两者对应接触。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的勘探压注仪的应用，其特征在于：用于采集砂、土层力学数据，采集砂、土层渗透数据，恢复及改善砂、土状况。

在上述技术方案中，当应用于采集砂、土层力学数据时，包括采集单桩竖向承载力或单独采集锥尖阻力，和采集扰动土的抗剪强度；

1)采集单桩竖向承载力或锥尖阻力包括如下步骤：

工作时，固定动力设备，将探杆从动力设备的居中圆孔放置于接近地面，第一内柱从下至上嵌入探杆内径、且同探杆一起铅直落于地面；卡盘卡在凹槽上，压力传感器位于卡盘上方、顶面紧密接触动力设备底面，接受动力设备的压力，将压力传递至压提***上并记录数据变化，该数据为单桩竖向承载力；

到达预定深度后，将卡盘器翻转置于动力设备顶面，压力传感器紧密接触动力设备顶面，卡盘位于压力传感器上方，卡盘卡在凹槽上，接受动力设备的上提压力，带动探杆上行，锥头受围土摩擦力脱离，此时压力传感器收集数据为探杆表面摩擦力的变化；

当单独采集锥尖阻力时，压入步骤同单桩竖向承载力，区别在于锥头无锥柱，锥尖底座直径大于探杆直径；达到试验孔深后，上提阶段不记录压力数据；

2)采集扰动土的抗剪强度包括如下步骤：

工作时，固定动力设备，螺旋钻头通过丝扣连接于所述探杆下端，将螺旋钻头从动力设备的居中圆孔放置于地面、上部连接探杆，旋转钻入一定深度，通过动力设备和衔接***上提螺旋钻头至地表，清除钻头和探杆岩芯；再将螺旋钻头放至孔底，利用人力或设备，钻进 2cm～5cm深度；卡盘卡在凹槽上；压力传感器位于卡盘下方、且顶面紧密接触动力设备顶面，接受动力设备的上提压力，并将上提压力传递至压提***上并记录数据变化；

清除岩芯后，继续放置孔底钻进5cm～10cm深度，继续前述上提、记录、清除岩芯步骤；

再进行钻进10cm～20cm深度，继续前述上提、记录、清除岩芯步骤，以此类推；

利用剪破不同扰动土厚度数据和记录仪压力数据变化，计算抗剪强度相关指标；

当不需要收集试验数据仅螺旋钻进取岩芯时，压提***钻进 5cm～50cm深度时，上提一次压提***，剪破土体后继续将压提***放至孔底螺旋钻进5cm～50cm，再次上提剪破土体及下入孔底，直至上提压力接近动力设备动力极限时，将压提***提出地表并清理螺旋钻头和探杆附着岩芯；继续至孔底钻进、提升步骤至预定孔深。

在上述技术方案中，当应用于采集砂、土层渗透数据时，包括如下步骤，

步骤一：采集渗透性数据时的压入方法与所述采集单桩竖向承载力压入步骤相同，不同之处在于：采用锥头的内柱为第二内柱；

步骤二：在锥头到达需注水试验部位时，上提压提***，上提的高度为2～5cm，锥头在围土摩擦力作用下部分脱离探杆；由地表探杆内径注水至试验段并按时间记录流量，直至水量稳定完成注水试验；下压压提***，使探杆与锥柱衔接，继续压入试验；

步骤三：数据分析使用：注水试验取得稳定单位流量后，计算方法根据包括试段长度、试段直径、流量、地下水位的数据，利用现有公式计算渗透数据。

在上述技术方案中，当应用于恢复及改善砂、土状况时，包括试验探孔封孔和锥探灌浆施工；

1)试验探孔封孔包括如下步骤：

力学试验完成后，上提探杆使锥头脱离，探孔中下部使用泥浆或水泥浆，通过漏斗灌入探杆中空部分，依靠泥浆或水泥浆重力和探杆上提时的真空吸力达到孔底；提升部分长度探杆；

重复前述灌浆及提升探杆步骤；待探杆全部提出地面，采用少量泥球塞进试验探孔孔口，利用动力设备和底端设有内凹堵头的探杆压入指定深度，提升探杆；

重复前述操作，直至泥球封堵至孔口；

2)锥探灌浆施工步骤：

压提***达到设计深度后，提起部分探杆，使锥头脱离，按设计压力注浆；

该段达到设计要求后，再提一段探杆，再注浆；

重复前述步骤，直至完成孔口锥探灌浆，并采用泥球封堵孔口。

所述动力设备、压盘、探杆、探杆接头均属于现有技术。压力传感器因尺寸要求需委托制作，锥头需专门加工。

本发明相对静力触探仪具有如下优点：

(1)本发明压力传感器置于地面以上不易受潮损坏、孔内无需易损坏的精密静力触探探头、探杆内无电缆，经济耐用；

(2)本发明探杆内无电缆，可节省专门整理探杆和电缆的人工，本发明操作简便；

(3)本发明压力传感器具有置于加压设备和受力***衔接处的特征，除了完成常规静力触探仪收集探头端阻力、侧壁摩阻力的作用，还可以利用动力设备、压力传感器与螺旋钻头、探杆组合进行扰动土的抗剪强度试验；

(4)本发明锥头具有依靠围土摩擦力与探杆形成间隙或脱离的特征，探孔具中空无电缆的特征，两者结合可进行注水试验、试验探孔封孔、锥探灌浆施工等；克服了现有技术常用的静力触探仪的探头贵重、不能与探杆脱离以及探杆内置线缆，无法自行封孔，导致堤防等适合应用静力触探的工程无法使用的缺点。

本发明相对现有钻机设备具有如下优点：在砂、土层勘察中，勘探压注仪具有占地范围小、耗时短，并且环境污染小，交通干扰少等优点。

本发明相对现有手摇钻设备具有如下优点：勘探压注仪具有利用动力设备代替人工提断剪破螺旋钻头土体，并可多次重复上提剪破和螺旋钻进步骤，直至接近动力设备动力极限，再提出地面清理螺旋钻头和探杆附着砂土的特性，具有省力、快速等优点。

附图说明

图1为本发明下压时工作结构示意图。

图2为图1的A处放大图。

图3为图1的B处放大图。

图4为图1的C处放大图。

图5为本发明上提时工作结构示意图。

图6为图5的A处放大图。

图7为图5的B处放大图。

图8为图5的C处放大图。

图9为本发明卡盘与压力传感器连接俯视结构示意图。

图10为本发明卡盘与压力传感器连接侧视结构示意图。

图11为本发明压力传感器凹槽与卡盘插槽对应连接结构示意图。

图12为本发明注水试验工作结构示意图。

图13为本发明抗剪强度试验工作结构示意图。

图14为图13的A处放大图。

图15为图13的B处放大图。

图16为图13的C处放大图。

图17为本发明阻力与深度关系的曲线图。

图1和图5分别为本发明勘探压注仪工作的两种状态：一种工作状态是如图1所示，下压时衔接***位于压杆器以下，衔接***中压力传感器位于卡盘之上，与压杆器紧密接触；另一种工作状态是如图 5所示，上提时衔接***位于压杆器之上，衔接***中压力传感器位于卡盘之下，与压杆器紧密接触；两种工作状态中，压力传感器受到压杆器与卡盘的挤压，产生压力数据。

图17中，横坐标表示：压力值，单位为：KN；纵坐标表示：深度，单位为：m；E表示岩性分层第1层；F表示岩性分层第2层；G表示岩性分层第3层；H表示岩性分层第4层；J表示岩性分层第5层；X表示上提摩擦力曲线；Y表示锥头阻力+累计摩擦力曲线；Z表示锥尖阻力，锥尖阻力为Y与X的差值或每岩性分层曲线数据平均值的差值。

图中1-受力设备,1.1-衔接***,1.11-压力传感器,1.111-压力传感器凹槽,1.12-卡盘,1.121-卡盘插槽,1.122-卡盘握杆,1.123-数据线,1.124-数据线接口,1.2-压提***,1.21-探杆,1.211-凹槽,1.22-探杆接头,1.23-锥头,1.231-锥尖,1.232-锥柱,1.233-内柱,1.2331-第一内柱,1.2332-第二内柱,1.24-螺旋钻头,1.241-螺旋钻头钻杆,2-动力设备,2.1-压杆器,3-围土。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：勘探压注仪，包括受力设备1和动力设备2，所述受力设备1包括衔接***1.1和压提***1.2，所述衔接***1.1 包括压力传感器1.11和卡盘1.12，所述压力传感器1.11固定于所述卡盘1.12上、且置于所述卡盘1.12与所述压杆器2.1之间；所述压提***1.2包括探杆1.21，探杆接头1.22，和锥头1.23或螺旋钻头1.24；所述探杆1.21中部和探杆接头1.22中部均设有凹槽1.211；所述卡盘1.12卡于所述凹槽1.211中，卡盘1.12可插、拔；可实现压力传感器接收锥头、探杆与土体间的阻力数据；所述探杆1.21与探杆接头1.22通过丝扣连接；所述探杆1.21顶端向上伸出所述动力设备2、底端通过内柱1.233与所述锥头1.23插拔连接；锥头1.23 通过内柱1.233插拔至小距离分开或脱离探杆1.21(如图1、图5、图12、图13所示)；所述探杆1.21和探杆接头1.22均为中空结构。

探杆中部凹槽1.211与探杆接头凹槽1.211尺寸相同且是常用设置，原因是动力设备2的液压传动架行程是50cm，相应一根探杆1.21 加一个探杆接头1.22长度是100cm；探杆中部凹槽1.211和探杆接头凹槽1.211作用是固定卡盘1.12；所述锥头1.23插拔连接于所述探杆1.21下端目的是探杆1.21上提时，锥头1.23受围土3摩擦力小距离分开或脱离，以用于注水试验、封孔、灌浆等工作。

所述锥头1.23包括锥尖1.231、锥柱1.232和内柱1.233，所述锥柱1.232下端与所述锥尖1.231同心连接、上端与所述内柱1.233 同心连接；所述锥柱1.232直径大于所述内柱1.233直径；所述锥柱 1.232直径与所述锥尖1.231底座直径相等、且与所述探杆1.21外径相等(如图1、图2、图5、图6所示)；当单独采集锥尖阻力为主的数据时，取消锥柱1.232，增大锥尖1.231底座直径。

所述内柱1.233包括第一内柱1.2331和第二内柱1.2332，第一内柱与第二内柱的区别是后者存在变径，并且长度长；所述第一内柱 1.2331呈圆柱形(如图1、图2所示)；所述第二内柱1.2332呈底部逐渐扩大的变径柱体结构(如图5、图6所示)，其上面是细圆柱、下面是粗圆柱，中间变径连接，其中间投影是等腰梯形，变径和粗圆柱目的是注水试验完成后，下压探杆1.21时顺利与锥柱1.232结合；所述第一内柱1.2331和第二内柱1.2332与所述锥柱1.232连接处直径略小于所述探杆1.21内径。

当本发明用于采集砂、土层力学数据时，采用锥头1.23的内柱1.233 为第一内柱1.2331；当本发明用于采集砂、土层渗透数据时，采用锥头1.23的内柱1.233为第二内柱1.2332，满足勘探使用需求。

所述锥尖1.231的锥角为60°(如图1、图2、图5、图6所示)；所述锥头1.23为钢质锥头；根据实际勘察情况，锥角还可以为60度以外的其他角度。

所述卡盘1.12为圆盘结构，所述卡盘1.12上布置有上下通透的卡盘插槽1.121，所述卡盘插槽1.121宽度大于所述凹槽1.211宽度、且小于所述探杆1.21直径，卡住、引导探杆下压或上提；所述压力传感器1.11呈圆盘结构，所述压力传感器1.11中部布置有上下通透的压力传感器凹槽1.111，所述压力传感器凹槽1.111宽度大于所述探杆1.21直径；所述压力传感器1.11与所述卡盘1.12同心接触，且通过螺栓与所述卡盘1.12固定连接；所述卡盘插槽1.121宽度小于所述压力传感器凹槽1.111宽度，且两者对应接触(如图9、图10、图11所示)，两个开口槽在安装时位置一致、开口方向一致，保证卡盘插槽和压力传感器凹槽同时插到探杆1.21及凹槽1.211上。

卡盘1.12下端设有卡盘握杆1.122，卡盘握杆1.122呈中空状，为防止弯折拉扯数据线1.123，数据线1.123一端穿过卡盘握杆1.122 内管连接于压力传感器1.11上、另一端设有数据线接口1.124(如图9、图10所示)。

本发明所述的勘探压注仪的工作原理为：卡盘1.12卡在凹槽1.211中，接受动力设备2对其施加的压力；工作时压力传感器 1.11与动力设备2的下面(下压时(如图1所示))或上面(上提时 (如图5所示))紧密接触，接收卡盘1.12与动力设备2对压力传感器1.11施加压力；压提***1.2受力下压入土时，锥头1.23与探杆 1.21紧密接触；压提***1.2受力上提时，锥头1.23与探杆1.21 脱离或必要时部分脱离。

参阅附图可知：一种所述的勘探压注仪的应用，用于采集砂、土层力学数据，采集砂、土层渗透数据，恢复及改善砂、土状况(包括恢复(封孔，可以不用加压)和改善(加压灌浆)两部分)；动力设备2可为液压传动架或其他动力设备；

以液压传动架为例，液压传动架2通过可上下活动的压杆器2.1 传输压力和上提力(如图1、图5所示)；

卡盘1.12为现有设备，通常为钢质，为直径为5～8cm的圆盘，厚度约为1cm，布置有上下通透的卡盘插槽1.121，卡盘插槽1.121 宽度略大于压提***1.2中的凹槽1.211的宽度，卡盘插槽内端点位置超过圆盘圆心约1cm(卡盘1.12开槽深度越过圆心，是为了使探杆上的凹槽和探杆接头的凹槽与卡盘结合时，位于卡盘圆心处)；压力传感器1.11外形与卡盘1.12基本一致(压力传感器因形状因素需委托相关单位制作)，直径小于压杆器2.1的宽度，压力传感器插槽 1.111宽度略大于探杆1.21直径(如图1、图9、图10、图11所示)；压力传感器1.11和卡盘1.12之间主要承受压力(压力传感器和卡盘之间是压力不是拉力，可以不用焊接或别的方式加固，可采用常规螺栓连接)，两者通过螺钉连接固定；压力数据通过连接于压力传感器 1.11中的数据线1.123传输至记录仪。

锥头1.23包括锥尖1.231、锥柱1.232和第一内柱1.2331或第二内柱1.2332；锥尖1.231的锥角为60°，锥底直径约为3cm(与常用探杆同径)；锥柱1.232连接锥尖1.231，直径同锥底约3cm，长度为2～5cm；内柱有两种形状，包括第一内柱1.2331和第二内柱 1.2332，第一内柱1.2331为圆柱状，与锥柱1.232同心相连，直径约为2cm(略小于探杆1.21内径)，长度约为5cm(用于封孔和灌浆时)；第二内柱1.2332为底部逐渐扩大的圆柱形(用于注水试验时，与锥柱1.232相连的内柱段直径略微小于探杆1.21内径，目的是注水试验完成后探杆1.21再次下压，通过该段内柱1.2332起导向作用，使锥柱1.232与探杆1.21平顺接触；探杆1.21里段的内柱直径小，目的是增大探杆1.21内径与内柱1.2332间隙，方便注水；内外内柱段之间为变径段，变径段平顺)，与锥柱1.232同心相连，底部直径约为2cm，圆柱上部直径约为1cm，长度10～20cm(如图1、图5所示)；如只采集锥尖阻力数据，可取消锥柱1.232，增大锥尖1.231 底座直径。

1)采集砂、土层力学数据：

(1)采集单桩竖向承载力或单独锥尖阻力(即采集锥头1.23处土的端阻力和探杆1.21表面摩阻力)：

主要工作步骤如下：

①测试过程：本发明相较于静力触探试验，增加了下压和提升阶段探杆1.21表面摩擦力数据收集的内容；

工作时，如图1、图5所示：固定动力设备2，将探杆1.21从动力设备2的居中圆孔放置于接近地面，第一内柱1.2331从下至上崁入探杆1.21内径、且同探杆1.21一起铅直落于地面；卡盘1.12卡在凹槽1.211上，压力传感器1.11位于卡盘1.12以上、顶面紧密接触压杆器2.1底面，接受动力设备2的压力，将压力传递至压提***1.2上并记录数据变化，该数据为单桩竖向承载力(即采集锥头1.23 处土的端阻力和探杆1.21表面摩阻力累计值之和)；

到达预定深度后，将衔接***1.1翻转置于压杆器2.1顶面，压力传感器1.11紧密接触压杆器2.1顶面，卡盘1.12位于压力传感器 1.11之上，卡盘1.12卡在凹槽1.221，接受动力设备2的上提压力，带动探杆1.21上行，锥头1.23受围土3摩擦力脱离，此时压力传感器收集数据为探杆1.21表面摩擦力随深度的变化；

本发明的压入深度为探杆1.21入土长度和锥头1.23长度之和，本发明压入过程中锥头1.23阻力随地层强度变化而变化，探杆1.21 侧壁摩擦力随深度增加而增大，而压力传感器数据是锥头阻力和探杆侧壁摩擦力之和；提升过程中，锥头1.23受围土3摩擦力脱落不参与受力，压力传感器1.11采集数据为探杆1.21侧壁摩擦力，侧壁摩擦力随深度减少而变小(如图17所示)。

②数据分析使用：由于试验为同一探孔，地层未变，压入和提升产生的侧壁摩擦力在相同深度具有相关性，现假定两者相同，将下压总阻力曲线和上提总摩擦力曲线，绘制深度与两种力的曲线图(如图17所示)。图中，依据两条曲线各拐点深度和两条曲线间距变化宽度划分地层；两条曲线同深度数据相减值，或分层后每层砂土两条曲线的同深度差值的平均值作为该深度或该层砂土锥头1.23阻力，除以锥头1.23表面积可得到该深度极限端阻力；利用提升时的总摩擦力数据，结合分层深度，除以该点段或该地层厚度及探杆1.21周长，计算侧壁极限摩阻力；其中该地层总摩擦力曲线中，某一深度数据减去上一深度数值，为该深度段的摩擦力；该地层底部深度的数据与上一层底部数据差值为该层摩擦力之和；

因压力传感器采集的是探杆1.21侧壁总极限侧阻力和锥头1.23 总极限端阻力之和，采用双桥探头相关公式：Q_uk＝Q_sk+Q_pk＝u∑l_i*β_i*f_si+ α*q_c*A_p

式中Q_uk——单桩竖向极限承载力(下压阶段压力传感器数据，已知)；

Q_sk——总极限侧阻力(上提阶段压力传感器数据，已知)；

Q_pk——总极限端阻力(同深度点下压与上提数据差值或该地层各深度点差值的平均值)；

u—探杆周长(测得数据)；

l_i—桩周第i层土的厚度(利用曲线特征划分)；

β_i—折减系数，按条件选用；

f_si—第i层土的探杆平均侧阻力(计算取得)；

α—锥尖阻力修正系数，按岩性及性状取值；

q_c—锥尖阻力，同一地层锥尖一定深度范围加权平均值(计算取得)；

A_p—锥尖面积(测得)；

其中，Q_uk为压力传感器在下压过程记录数据(见图17右侧曲线)； Q_sk为压力传感器在上提过程记录数据(见图17左侧曲线)，两者相减为相应深度Q_pk(见图17相应深度曲线值的差值)；单层土厚度l_i根据Q_pk变化特征及上提过程曲线折点确定，以此结合锥尖面积和探杆周长进行计算单层f_si和q_c。

当仅采集锥尖阻力数据为主时，操作过程基本同单桩竖向承载力，主要区别在于：①对锥头1.23形状进行调整，扩大锥尖1.231 底座直径超过探杆1.21直径，取消锥柱1.232；②下压阶段曲线各点数据即为该深度Q_pk(需考虑局部存在侧壁对探杆的摩擦力进行修正)，上提阶段不再记录压力数据。

(2)采集扰动土的抗剪强度：

①数据测试过程：本发明相较于手摇钻取芯造孔，增加了液压传动架2用于提断钻头土体与围土3的联系，增加压力传感器记录数据的内容；

如图13所示：工作时，螺旋钻头1.24可丝扣连接于所述探杆 1.21下端(螺旋钻头为钻进方式工作)，用于采集扰动土的抗剪强度，固定好液压传动架，将螺旋钻头(螺旋钻头包括螺旋钻头钻杆1.241 长度约1m，常用螺旋钻头长度仅20cm左右，后端一般焊接探杆，形成长度100cm的钻具)从压杆器2.1中部居中圆孔放置于地面，上部上通过丝扣连接探杆1.21，依靠人力或拧管机钻入试验深度并清除孔内土体，继续入孔钻深度；衔接***1.1的卡盘1.12卡在凹槽1.211 上，压力传感器1.11位于卡盘1.12之下，底面紧密接触压杆器2.1顶面，卡盘1.12接受压杆器2.1的上提压力，并将上提压力传递至压提***1.2上并记录数据变化；

当螺旋钻头土体剪破后，可提出地表，清除螺旋钻头土体，下至孔底进行入土5cm、10cm等厚度剪破试验；利用不同厚度的剪破压力变化绘制曲线，得到抗剪强度相关数据。

②单纯取芯造孔过程：当不需要收集试验数据仅螺旋钻进取岩芯时，可每次钻入5～50cm(视土体性状)，采用普通卡盘(原因是如螺旋钻头旋转入土过深，上提时卡盘受压力容易超过压力传感器极限，故尽量不用本发明衔接***)衔接压提***1.2，上提一次压提***1.2，剪破土体后压提***1.2继续放置孔底螺旋钻进，重复上提剪破和螺旋钻进步骤，直至上提压力接近液压传动架动力极限时，将压提***1.2提出地表并清理螺旋钻头1.24和探杆1.21附着岩芯，继续下入孔底重复上述步骤至预定孔深；

2)采集渗透性数据

如图12所示，工作步骤如下：

①本发明采集渗透性数据的工作方式与所述采集单桩竖向承载力下压程序相同，不同之处在于：采用锥头1.23的内柱为第二内柱 1.2332；

②在锥头1.23到达需渗透性试验部位时，上提压提***1.2，上提的高度为2cm左右，锥头1.23受摩擦力部分脱离探杆1.21，脱离高度为试验段长度；由地表探杆1.21内径注水至试验段，并记录时间和注水量，直至水量稳定完成注水试验；下压压提***1.2，使探杆1.21与锥头1.23的锥柱1.232衔接，继续压入试验；当探杆 1.21内残留砂土，不易衔接时，可利用与探杆1.21内径相同的活塞通过压杆器2.1压入探杆1.21内，增加杆内压力，排出砂土；

③数据分析使用：注水试验取得稳定单位流量后，计算方法可根据试段长度、试段直径、流量、地下水位等数据利用现有公式计算渗透数据(其中试段位于地下水位以下时，采用常水头相关公式；试段位于地下水位以上时，试段长度不易满足常水头相关公式，可采用降水头计算公式)；其中地下水位数据可通过地质调查或探杆1.21内测量水位获取；

3)改善砂土状况

当本发明应用于恢复及改善砂、土状况时，包括试验探孔封孔和锥探灌浆施工；

勘探封孔是很多有防渗要求的工程强制要求，由于常用的静力触探仪的探头贵重、不能脱离以及探杆1.21内置线缆，无法自行封孔，导致堤防等适合应用静力触探的工程无法使用；本发明锥头1.23易脱离且价格便宜，探杆1.21和探杆接头1.22中空，利于灌浆；本发明锥探孔封孔采用两种方法组合：试验探孔中下部使用泥浆或水泥浆，通过漏斗灌入探杆1.21中空部分，依靠泥浆或水泥浆重力和探杆1.21上提产生的真空吸力达到底部；提升部分长度探杆1.21；重复灌浆及提升探杆1.21步骤；待探杆1.21全部提出地面，采用少量泥球塞进试验探孔孔口，利用动力设备2和底端加有内凹堵头的探杆 1.21压入指定深度，提升探杆1.21，重复前述操作，直至泥球封堵至孔口(如图1、图5所示)。

②锥探灌浆是堤防常用的施工方法，常规是采用钻机或静压设备造孔至设计深度，成孔后设备提出地面，将注浆管深入孔内0.5m以上，并采用水泥封堵孔口，进行一个深度点的注浆工作(压力0.05～ 0.08Mpa)；本发明采用压提***1.2造孔，再提起部分探杆1.21，使锥头1.23脱落，再按设计压力注浆；该段达到设计要求后，再提一段探杆，再注浆；重复前述步骤，直至完成孔口锥探灌浆；(如图 1、图5所示)。与现有锥探灌浆工作方法相比，本发明压入无需使用泥浆或清水(避免封闭孔壁)；可分段注浆；可保障注浆压力注浆量均匀；无需封闭孔口；不存在灌浆孔缩孔垮孔和灌浆孔缩孔垮孔导致的影响施工质量；必要时可根据压入过程收集的地层数据，施加不同压力和灌浆量。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims

1.勘探压注仪，其特征在于：包括受力设备(1)和动力设备(2)，所述受力设备(1)包括衔接***(1.1)和压提***(1.2)，所述衔接***(1.1)包括压力传感器(1.11)和卡盘(1.12)，所述压力传感器(1.11)固定于所述卡盘(1.12)上、且位于所述卡盘1.12与所述动力设备(2)之间；所述压提***(1.2)包括探杆(1.21)，探杆接头(1.22)，和锥头(1.23)或螺旋钻头(1.24)；所述卡盘(1.12)卡于所述探杆(1.21)或探杆接头(1.22)上，所述探杆(1.21)顶端向上伸出所述动力设备(2)、底端与所述锥头(1.23)插拔连接；所述探杆(1.21)和所述探杆接头(1.22)均为中空结构。

2.根据权利要求1所述的勘探压注仪，其特征在于：所述探杆(1.21)中部和探杆接头(1.22)中部均设有凹槽(1.211)，所述卡盘(1.12)卡设在所述凹槽(1.211)中；所述探杆(1.21)和探杆接头(1.22)通过丝扣连接。

3.根据权利要求1或2所述的勘探压注仪，其特征在于：所述锥头(1.23)包括锥尖(1.231)、锥柱(1.232)和内柱(1.233)，所述锥柱(1.232)下端与所述锥尖(1.231)同心连接、上端与所述内柱(1.233)同心相连；所述锥柱(1.232)直径大于所述内柱(1.233)直径；所述锥柱(1.232)直径与所述锥尖(1.231)底座直径相等、且与所述探杆(1.21)外径相等。

4.根据权利要求3所述的勘探压注仪，其特征在于：所述内柱(1.233)包括第一内柱(1.2331)和第二内柱(1.2332)；所述第一内柱(1.2331)呈圆柱形，所述第二内柱(1.2332)呈底部逐渐扩大的变径柱体结构。

5.根据权利要求4所述的勘探压注仪，其特征在于：所述锥尖(1.231)的锥角为60°；所述锥头(1.23)为钢质锥头。

6.根据权利要求5所述的勘探压注仪，其特征在于：所述卡盘(1.12)上布置有上下通透的卡盘插槽(1.121)，所述卡盘插槽(1.121)宽度大于所述凹槽(1.211)宽度、且小于所述探杆(1.21)直径；所述压力传感器(1.11)呈圆盘结构，所述压力传感器(1.11)中部布置有上下通透的压力传感器凹槽(1.111)，所述压力传感器凹槽(1.111)宽度大于所述探杆(1.21)直径；所述压力传感器(1.11)与所述卡盘(1.12)同心接触，且通过螺栓与所述卡盘(1.12)固定连接；所述卡盘插槽(1.121)宽度小于所述压力传感器凹槽(1.111)宽度，且两者对应接触。

7.权利要求1-6中任一权利要求所述的勘探压注仪的应用，其特征在于：用于采集砂、土层力学数据，采集砂、土层渗透数据，恢复及改善砂、土状况。

8.根据权利要求7所述的勘探压注仪的应用，其特征在于：当应用于采集砂、土层力学数据时，包括采集单桩竖向承载力或单独采集其中锥尖阻力，和采集扰动土的抗剪强度；

1)采集单桩竖向承载力或锥尖阻力包括如下步骤：

工作时，固定动力设备(2)，将探杆(1.21)从动力设备(2)的居中圆孔放置于接近地面，第一内柱(1.2331)从下至上嵌入探杆(1.21)内径、且同探杆(1.21)一起铅直落于地面；卡盘(1.12)卡在凹槽(1.211)中，压力传感器(1.11)位于卡盘(1.12)上方、顶面紧密接触动力设备(2)底面，接受动力设备(2)的压力，将压力传递至压提***(1.2)上并记录数据变化，该数据为单桩竖向承载力；

到达预定深度后，将卡盘器(1.1)翻转置于动力设备(2)顶面，压力传感器(1.11)紧密接触动力设备(2)顶面，卡盘(1.12)位于压力传感器(1.11)上方，卡盘(1.12)卡在凹槽(1.221)上，接受动力设备(2)的上提压力，带动探杆(1.21)上行，锥头(1.23)受围土(3)摩擦力脱离，此时压力传感器收集数据为探杆(1.21)表面摩擦力的变化；

当单独采集锥尖阻力时，压入步骤同单桩竖向承载力，区别在于锥头(1.23)无锥柱(1.232)，锥尖(1.231)底座直径大于探杆(1.21)直径；达到试验孔深后，上提阶段不记录压力数据；

2)采集扰动土的抗剪强度包括如下步骤：

工作时，固定动力设备(2)，螺旋钻头(1.24)通过丝扣连接于所述探杆(1.21)下端，将螺旋钻头从动力设备(2)的居中圆孔放置于地面、上部连接探杆(1.21)，旋转钻入一定深度，通过动力设备(2)和衔接***(1.1)上提螺旋钻头至地表，清除钻头和探杆(1.21)岩芯；

再将螺旋钻头放至孔底，利用人力或设备，钻进2cm～5cm深度；卡盘(1.12)卡在凹槽(1.211)上；压力传感器(1.11)位于卡盘(1.12)下方、且顶面紧密接触压杆器(2.1)顶面，接受动力设备(2)的上提压力，并将上提压力传递至压提***(1.2)上并记录数据变化；

再钻进10cm～20cm深度，继续前述上提、记录、清除岩芯步骤，以此类推；利用剪破不同厚度扰动土数据和记录仪压力数据变化，计算抗剪强度相关指标；

当不需要收集试验数据仅螺旋钻进取岩芯时，压提***(1.2)钻进5cm～50cm深度时，上提一次压提***(1.2)，剪破土体后将压提***(1.2)放至孔底螺旋钻进5cm～50cm，再次上提剪破土体及下入孔底，直至上提压力接近动力设备(2)动力极限时，将压提***(1.2)提出地表并清理螺旋钻头和探杆(1.21)附着岩芯；继续放入孔底钻进至预定孔深。

9.根据权利要求8所述的勘探压注仪的应用，其特征在于：当应用于采集砂、土层渗透数据时，包括如下步骤，

步骤一：采集渗透性数据时的压入方法与所述采集单桩竖向承载力压入步骤相同，不同之处在于：采用锥头(1.23)的内柱为第二内柱(1.2332)；

步骤二：在锥头(1.23)到达需注水试验部位时，上提压提***(1.2)，上提的高度为2～5cm，锥头(1.23)在围土(3)摩擦力作用下部分脱离探杆(1.21)；由地表探杆(1.21)内径注水至试验段并按时间记录注水量，直至水量稳定完成注水试验；下压压提***(1.2)，使探杆(1.21)与锥柱(1.232)衔接，继续压入试验；

10.根据权利要求9所述的勘探压注仪的应用，其特征在于：当应用于恢复及改善砂、土状况时，包括试验探孔封孔和锥探灌浆施工；

1)试验探孔封孔包括如下步骤：

探孔中下部使用泥浆或水泥浆，通过漏斗灌入探杆(1.21)中空部分，依靠泥浆或水泥浆重力和探杆上提时的真空吸力达到孔底；提升部分探杆(1.21)；

重复前述灌浆及提升探杆(1.21)步骤；待探杆(1.21)全部提出地面，采用少量泥球塞进试验探孔孔口，利用动力设备(2)和底端设有内凹堵头的探杆(1.21)压入指定深度，提升探杆(1.21)；

重复前述操作，直至泥球封堵至孔口；

2)锥探灌浆施工步骤：

压提***(1.2)达到设计深度后，提起部分探杆(1.21)，使锥头脱离，按设计压力注浆；

该段达到设计要求后，再提一段探杆(1.21)，再注浆；

重复前述步骤，直至完成孔口锥探灌浆，并用泥球封堵孔口。