CN113802536A - 一种大深度标准贯入试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大深度标准贯入试验装置，包括脐带缆、护套、空气锤和贯入器，所述护套的顶端开口、底端封闭，护套上设有至少一个排气孔，所述排气孔内安装有单向阀，护套内设有定位杆，空气锤安装在护套内且套接在所述定位杆上，空气锤沿定位杆上下运动，脐带缆为中空结构，脐带缆的一端套接在定位杆上并与空气锤气路相通，脐带缆的另一端延伸出护套的顶端与外置的供气设备和数据采集仪连接；护套的底端连接所述贯入器，贯入器与护套之间设有压力传感器和计数器，贯入器的外部设有深度传感器；本发明还公开了一种大深度标准贯入试验方法；本发明可有效消除探杆的能量损失，提高标准贯入试验的试验效率，增加适用试验深度，测量结果精确。

Description

一种大深度标准贯入试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及标准贯入试验技术领域，尤其涉及一种大深度标准贯入试验装置及试验方法。

背景技术

标准贯入试验是动力触探的一种，目的是用测得的标准贯入锤击数N判断砂土的密实程度或粘性土的稠度以确定地基土的容许承载力，评定砂土的振动液化势和估计单桩的承载力，并可确定土层剖面和取扰动土样进行一般物理性试验，这一方法已被列入中国国家《工业与民用建筑地基基础设计规范》中。

现有的技术中，在20米以内的小深度标准贯入实验技术成熟，并得到广泛的使用，但是对于超过20米的大深度标准贯入试验，由于现有的试验装置的探杆过长，并且在井筒口进行锤击，导致能量损失过大，试验效率低，不能满足大深度标准贯入试验的需求。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种大深度标准贯入试验装置，该试验装置能够有效消除探杆的能量损失，适用于大深度的标准贯入试验，试验效率高。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种大深度标准贯入试验方法，该试验方法步骤简单，试验效率高，具有广阔的推广应用前景。

为解决上述第一个技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种大深度标准贯入试验装置，其特征在于，包括脐带缆、护套、空气锤和贯入器，其中，

所述护套的顶端开口、底端封闭，护套上设有至少一个排气孔，所述排气孔内安装有单向阀，护套内设有定位杆；

所述空气锤安装在护套内且套接在所述定位杆上，空气锤沿定位杆上下运动，所述空气锤包括圆筒和活塞，所述圆筒的顶端封闭、底端开口，圆筒套接在所述定位杆上，所述活塞安装在圆筒内且套接在定位杆上，活塞沿圆筒内腔上下活动，圆筒内设有用于驱动活塞向上活动的主气室和驱动活塞向下活动的激发气室；所述圆筒的顶端内侧设有台阶部，使所述活塞的顶端与圆筒的顶端之间形成所述激发气室，激发气室与开设在所述定位杆上部的第一进气孔连通；位于所述活塞的顶端与底端之间的圆筒内腔为所述主气室，主气室与开设在活塞中部上的第二进气孔以及开设在定位杆上的第三进气孔连通；

所述脐带缆为中空结构，所述脐带缆的一端套接在定位杆上并与空气锤气路相通，脐带缆的另一端延伸出护套的顶端与外置的供气设备和数据采集仪连接；

所述护套的底端连接所述贯入器，贯入器与护套之间设有压力传感器和计数器，贯入器的外部设有深度传感器。

在上述技术方案的基础上，本发明可以做如下改进：

进一步地，所述定位杆上设有第一通气道、第二通气道和电缆通道，第一通气道的端口安装有电磁阀，电磁阀与脐带缆中的电缆连接，第一通气道与第一进气孔连通，第二通气道与第三进气孔连通，脐带缆中的电缆穿过电缆通道，所述圆筒的底端内侧设有止动块，圆筒的顶端开有透气孔，透气孔内安装有空气锤单向阀。

进一步地，所述活塞包括顶板、底板和连接管，所述顶板连接在所述连接管的顶端，底板连接在所述连接管的底端，形成“工”字形结构；顶板的底侧设有用于与所述止动块挡止配合的挡止部，底板与所述圆筒的底端内侧的止动块相配合。

进一步地，所述顶板、所述底板和所述连接管为一体成型结构或组装式结构。

进一步地，所述供气设备为空压机和储气瓶。

进一步地，所述脐带缆包括由外向内依次设置的外壳、抗拉钢丝层、信号线层和气管，抗拉钢丝层和信号线层之间及信号线层和气管之间设有绝缘层。

进一步地，所述气管的上端与空压机连接，气管的下端套接在定位杆上，信号线层的上下两端延伸出外壳，各信号线的上端与数据采集仪连接，各信号线的下端分别与压力传感器、计数器以及深度传感器连接，抗拉钢丝下端固定在定位杆或护套上。

进一步地，所述护套的底端设有螺孔，所述贯入器的顶端设有螺柱，所述螺孔与所述螺柱相互螺纹连接。

为解决上述第二个技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种大深度标准贯入试验方法，其特征在于，所述试验方法基于上述的大深度标准贯入试验装置，包括以下步骤：

S1：预钻探测孔，组装大深度标准贯入试验装置；

S2：将大深度标准贯入试验装置放置探测孔的孔底，同时保持脐带缆处于松弛状态；

S3：启动空压机分别向储气瓶和空气锤充入压缩气体；

S4：数据采集仪上显示储气瓶和空气锤达到设定压力值后，发出激发信号，激发空气锤***产生冲击力；

S5：大深度标准贯入试验装置上的各传感器将采集到冲击力、贯入深度、冲击次数的数据传输至数据采集仪；

S6：数据采集仪对采集到的数据进行处理，计算出地基承载力。

本发明的工作原理是：

将压缩空气充入到空气锤内部，对其进行激发后，空气锤内的压缩空气瞬间释放形成空气***，产生冲击力，其中，向下的冲击力将贯入器贯入到土体中，反向的冲击力使空气锤沿护套的内腔向上冲高，克服空气锤的重力，而向四周扩散的冲击力被护套抵消；空气锤冲高至最高处后，在其自身重力作用下回落至护套底部，空气锤与护套底部由于容积减小产生的压缩空气从单向阀流出，再次向主气室充气时，压缩空气推动活塞向上运动复位，激发气室中的空气从空气锤单向阀流出，恢复待激发状态；空气锤循环上述运作过程，实现多次空气***，反复对贯入器进行冲击；通过对压缩空气压力和体积的控制及试验，使空气***产生的冲击力和空气锤自由下落时的锤击力与标准贯入试验的锤击力建立对应关系，从而按照现有贯入试验规范进行测试。

与现有技术相比，本发明技术具有以下优点：

(1)本发明试验装置通过采用特殊结构的空气锤，空气锤产生的作用力替换掉现有技术中锤体自由落体的锤击力，能够在井筒的底部进行锤击，有效消除探杆的能量损失，提高了标准贯入试验的试验效率；

(2)本发明试验装置可以控制锤击力作用点与贯入器的距离始终保持在合理范围之内，增加了适用试验深度，测量结果精确，整体结构简单，制造成本低，有利于推广使用；

(3)本发明试验装置采用的空气锤整体结构简单，质量轻，相对于传统的***气锤，安全性高，而且冲击力大；

(4)本发明试验方法步骤简单，试验效率高，具有广阔的推广应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明

图1为本发明的大深度标准贯入试验装置的结构示意图；

图2为本发明的脐带缆的结构示意图；

图3为本发明的空气锤的结构示意图。

附图上的标记：1-护套、2-空气锤、2a-圆筒、2b-活塞、2c-激发气室、2d- 主气室、2e-第二进气孔、3-贯入器、4-排气孔、5-单向阀、6-定位杆、6a-第一进气孔、6b-第三进气孔、6e-第一通气道、6f-第二通气道、6g-电缆通道、 7-脐带缆、7a-外壳、7b-抗拉钢丝层、7c-信号线层、7d-气管、7e-绝缘层、8- 数据采集仪、9-空压机、10-储气瓶、11-螺柱、12-压力传感器、13-计数器、 14-深度传感器、15-止动块、16-空气锤单向阀、17-电磁阀。

具体实施方式

参见图1，本实施例的一种大深度标准贯入试验装置，包括护套1、空气锤 2、贯入器3和脐带缆7，护套1的顶端开口、底端封闭，护套1上设有两个对称设置的排气孔4，排气孔4内安装有单向阀5，单向阀5朝护套1的外侧单向开合；护套1内设有定位杆6，空气锤2安装在护套1内且套接在定位杆6上，空气锤2沿定位杆6上下运动，脐带缆7为中空结构，脐带缆7的一端套接在定位杆6上并与空气锤2气路相通，脐带缆7的另一端延伸出护套1的顶端与外置的供气设备和数据采集仪8连接，本实施例中的供气设备为空压机9和储气瓶10；护套1的底端设有螺孔，贯入器3的顶端设有螺柱11，螺孔与螺柱11 相互螺纹连接，使护套1和贯入器3相互连接，贯入器3与护套1之间设有压力传感器12和计数器13，贯入器3的外部设有深度传感器14。

当进行大深度标准贯入试验时，将试验装置放入井筒内，保持脐带缆7处于松弛状态，启动空压机9分别向储气瓶10和空气锤2充入压缩空气，数据采集仪8上显示充气到达设定值后，向空气锤2发出激发信号，空气锤2瞬间在护套1内释放出大量的压缩空气，活塞2b快速向下运动，产生冲击力向下使贯入器3贯入土体中，冲击力的反力向上使空气锤2向上运动，还有一部分气体的冲击力向四周扩散且被护套1阻隔抵消，避免造成井筒塌方；压力传感器12 采集冲击力，计数器13记录冲击次数，深度传感器14采集贯入器3的贯入深度，获得的各项数据反馈至数据采集仪8，数据采集仪8对数据进行处理，从而获得地基承载力；实施例中的空气锤2能够在井筒的底部进行锤击，锤击力作用点与贯入器3的距离始终保持在合理范围之内，因此，本实施例中的大深度标准贯入试验装置有效消除探杆的能量损失，提高了标准贯入试验的试验效率，增加了适用试验深度，测量结果精确，整体结构简单，制造成本低，有利于推广使用。

参见图2，本实施例中的脐带缆7包括由外向内依次设置的外壳7a、抗拉钢丝层7b、信号线层7c和气管7d，抗拉钢丝层7b和信号线层7c之间及信号线层7c和气管7d之间设有绝缘层7e，信号线层7c由多条信号线组成，气管 7d的上端与空压机9连接，气管7d的下端套接在定位杆6上，信号线层7c的上下两端延伸出外壳7a，各信号线的上端与数据采集仪8连接，各信号线的下端分别与压力传感器12、计数器13以及深度传感器14连接，抗拉钢丝下端固定在定位杆6或护套1上。

参见图3，本实施例中的空气锤包括圆筒2a和活塞2b，圆筒2a的顶端封闭、底端开口，圆筒2a套接在定位杆6上，活塞2b安装在圆筒2a内且套接在定位杆6上，活塞2b沿圆筒2a上下活动，圆筒2a的顶端内侧设有台阶部，使活塞2b的顶端与圆筒2a的顶端之间形成激发气室2c，激发气室2c与开设在定位杆6上部的第一进气孔6a连通，位于活塞2b的顶端与底端之间的圆筒内腔形成主气室2d，主气室2d与开设在活塞2b中部上的第二进气孔2e以及开设在定位杆6上的第三进气孔6b连通，定位杆6上设有第一通气道6e、第二通气道 6f和电缆通道6g，第一通气道6e的端口安装电磁阀17，电磁阀17与脐带缆7 中的电缆连接，第一通气道6e与第一进气孔6a连通，第二通气道6f与第三进气孔6b连通，脐带缆7中的电缆穿过电缆通道6g，圆筒2a的底端内侧设有止动块15以防止脱离圆筒2a，圆筒2a的顶端开有透气孔，透气孔内安装有空气锤单向阀16，其中，本实施例中的活塞2b包括顶板、底板和连接管，顶板连接在连接管的顶端，底板连接在连接管的底端，一体成型形成“工”字形结构，根据实际需要，也可以通过组装形成“工”字形结构；顶板的底侧设有用于与止动块15挡止配合的挡止部，底板与圆筒的底端内侧的止动块15相配合；本实施例中的空气锤整体结构简单，质量轻，相对于传统的***气锤，安全性高，而且冲击力大。

压缩空气沿第二通气道6f依次经过第三进气孔6b、第二进气孔2e后进入主气室2d，压缩空气推动活塞2b向上运动，使得活塞2b的顶端顶压圆筒2a的台阶部，活塞2b的底端密闭圆筒2a的底端；激发时，电磁阀17开启，压缩空气沿第一通气道6e经过第一进气孔6a进入激发气室2c，压缩空气推动活塞2b 向下运动，圆筒2a的底端开启，主气室2d中的压缩空气瞬间向圆筒2a外释放，形成膨胀***，活塞2b在***的冲击力作用下向下运动，运动至活塞2b的顶板上挡止部与止动块15挡止配合时停止；根据实际情况，也可以采用其他结构的空气锤2，该空气锤2也能够形成膨胀***推动贯入器3即可。

空气锤2被反力冲高至最高处后，在其自身重力作用下回落至护套1底部，空气锤2与护套1底部由于容积减小产生的压缩空气从单向阀5流出，再次向主气室2d充气时，压缩空气推动活塞2b向上运动复位，激发气室2c中的空气从空气锤单向阀16流出，恢复待激发状态；空气锤2循环上述运作过程，实现多次空气***，反复对贯入器3进行冲击；通过对压缩空气压力和体积的控制及试验，使空气***产生的冲击力和空气锤自由下落时的锤击力与标准贯入试验的锤击力建立对应关系，从而按照现有贯入试验规范进行测试。

本实施例的大深度标准贯入试验方法，包括以下步骤：

(1)预钻探测孔，组装大深度标准贯入试验装置；

(2)将大深度标准贯入试验装置放置探测孔的孔底，同时保持脐带缆处于松弛状态；

(3)启动空压机9分别向储气瓶10和空气锤2充入压缩气体；

(4)数据采集仪8上显示储气瓶10和空气锤2达到设定压力值后，发出激发信号，激发空气锤2***产生冲击力；

(5)大深度标准贯入试验装置上的各传感器将采集到冲击力、贯入深度、冲击次数的数据传输至数据采集仪8；

(6)数据采集仪8对采集到的数据进行处理，计算出地基承载力。

本实施例中的标准贯入装置通过现有的密封防水措施进行密封后，还可以应用于水下的测试工作，在水下工作时，需要将获得的数据结合水体的影响因素进行修正校准。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大深度标准贯入试验装置，其特征在于，包括脐带缆、护套、空气锤和贯入器，其中，

所述护套的顶端开口、底端封闭，护套上设有至少一个排气孔，所述排气孔内安装有单向阀，护套内设有定位杆；

所述空气锤安装在护套内且套接在所述定位杆上，空气锤沿定位杆上下运动，所述空气锤包括圆筒和活塞，所述圆筒的顶端封闭、底端开口，圆筒套接在所述定位杆上，所述活塞安装在圆筒内且套接在定位杆上，活塞沿圆筒内腔上下活动，圆筒内设有用于驱动活塞向上活动的主气室和驱动活塞向下活动的激发气室；所述圆筒的顶端内侧设有台阶部，使所述活塞的顶端与圆筒的顶端之间形成所述激发气室，激发气室与开设在所述定位杆上部的第一进气孔连通；位于所述活塞的顶端与底端之间的圆筒内腔为所述主气室，主气室与开设在活塞中部上的第二进气孔以及开设在定位杆上的第三进气孔连通；

所述脐带缆为中空结构，所述脐带缆的一端套接在定位杆上并与空气锤气路相通，脐带缆的另一端延伸出护套的顶端与外置的供气设备和数据采集仪连接；

所述护套的底端连接所述贯入器，贯入器与护套之间设有压力传感器和计数器，贯入器的外部设有深度传感器。

2.根据权利要求1所述的大深度标准贯入试验装置，其特征在于，所述定位杆上设有第一通气道、第二通气道和电缆通道，第一通气道的端口安装有电磁阀，电磁阀与脐带缆中的电缆连接，第一通气道与第一进气孔连通，第二通气道与第三进气孔连通，脐带缆中的电缆穿过电缆通道，所述圆筒的底端内侧设有止动块，圆筒的顶端开有透气孔，透气孔内安装有空气锤单向阀。

3.根据权利要求2所述的大深度标准贯入试验装置，其特征在于，所述活塞包括顶板、底板和连接管，所述顶板连接在所述连接管的顶端，底板连接在所述连接管的底端，形成“工”字形结构；顶板的底侧设有用于与所述止动块挡止配合的挡止部，底板与所述圆筒的底端内侧的止动块相配合。

4.根据权利要求3所述的大深度标准贯入试验装置，其特征在于，所述顶板、所述底板和所述连接管为一体成型结构或组装式结构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的大深度标准贯入试验装置，其特征在于，所述供气设备为空压机和储气瓶。

6.根据权利要求5所述的大深度标准贯入试验装置，其特征在于，所述脐带缆包括由外向内依次设置的外壳、抗拉钢丝层、信号线层和气管，抗拉钢丝层和信号线层之间及信号线层和气管之间设有绝缘层。

7.根据权利要求6所述的大深度标准贯入试验装置，其特征在于，所述气管的上端与空压机连接，气管的下端套接在定位杆上，信号线层的上下两端延伸出外壳，各信号线的上端与数据采集仪连接，各信号线的下端分别与压力传感器、计数器以及深度传感器连接，抗拉钢丝下端固定在定位杆或护套上。

8.根据权利要求7所述的大深度标准贯入试验装置，其特征在于，所述护套的底端设有螺孔，所述贯入器的顶端设有螺柱，所述螺孔与所述螺柱相互螺纹连接。

9.一种基于权利要求8所述的大深度标准贯入试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：预钻探测孔，组装大深度标准贯入试验装置；

S2：将大深度标准贯入试验装置放置探测孔的孔底，同时保持脐带缆处于松弛状态；

S3：启动空压机分别向储气瓶和空气锤充入压缩气体；

S4：数据采集仪上显示储气瓶和空气锤达到设定压力值后，发出激发信号，激发空气锤***产生冲击力；

S5：大深度标准贯入试验装置上的各传感器将采集到冲击力、贯入深度、冲击次数的数据传输至数据采集仪；

S6：数据采集仪对采集到的数据进行处理，计算出地基承载力。

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