CN203034433U - 地基压实度分层联合测定和长期监测的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种地基压实度分层联合测定和长期监测的装置，电阻率及波速集成并行传感器设于联合测定导向装置上，联合测定导向装置在联合测定永久性保护装置内上下滑动，电阻率及波速集成并行传感器从联合测定永久性保护装置的通孔内伸出；联合测定导向装置与电缆的一端相连，电缆的另一端通过联合测定传动装置分别与电阻率采集处理装置、波速采集处理装置相连，且电阻率及波速集成并行传感器输出的信号通过电缆与联合测定导向装置的电缆相连，控制器控制液压伸缩装置的伸缩，以及控制联合测定传动装置的传动方向。可实现对地基不同位置的分层测量，可实现服役期间地基压实度的长期监测。

Description

地基压实度分层联合测定和长期监测的装置

技术领域

本实用新型涉及一种地基压实度分层联合测定装置，特别涉及一种基于弹性波速与电阻率法的地基压实度分层联合测定装置。 

背景技术

在公路和市政道路路基、地基等各类工程中，土壤的压实质量是关系路基、地基等工程安全的关键因素之一。压实使路基、地基等土的强度大大提高，使土基的塑性变形明显减小，使土的透水性降低，毛细上升高度减少。压实是改善土体工程性质的一种经济合理措施。相同的土基材料在不均匀的压实作用下可形成不同的物理力学指标，同时，由于蠕变作用在工程结构工作寿命期间地基的力学状态和指标往往发生动态变化，易导致各类病害现象。由于在实际工程中，多采用多层碾压的方式进行土壤的压实，对其压实质量进行分层测试和长期监测对于评价地基的安全状态具有很重要的作用。 

然而目前普遍使用的土壤压实质量检测方法相对原始和陈旧，已经不能满足飞速发展的各类工程的需要。压实度被用来表示土壤的压实质量，目前我国普遍采用的压实度检测方法主要是环刀法和灌砂法。环刀法要求在路基（或地基）上选择一些检测点，通过选取的检测点推断整个范围的土壤压实度。由于碾压土层的密度一般是从上到下减小的，用环刀法测得的密度是环刀内土样所在深度范围内的平均密度，它不能代表整个碾压层的平均密度；同时，环刀法仅适用于不含骨料的细粒土，受土质限制，不能适用各类实际工程的需要，其适应性受到限制。灌砂法也是常用的压实度试验方法，但是该方法需要携带较多量的砂，测试过程中称量次数较多，而且实际操作时常常不好掌握，并会引起较大误差。 

近几年，出现了一些基于地球物理探测方法的新型无损压实度检测方法，主要有核子密度仪法、瑞雷波检测法等。核子密度仪法测量速度快，但该方法的放射性物质对人体有害，其抗干扰能力弱，测试结果的精度往往受到工程现场复杂干扰环境的影响，且还有没看到利用核子密度法分层检测地基压实度的有关报道。瑞雷波检测法是弹性波波速法的一种，适用于现场检测的快速无损原位测试法。目前，詹金林、黄理兴等对瑞利波法评价路基等的压实度进行了初步研究，但是仅通过该方法对压实质量进行定性的分析评价，未为波速与压实度的关系进行定量研究，还未进入实用阶段。 

综上所述，现有的土壤压实度测定方法存在如下问题：①传统的土壤压实度测定方法(环刀法和灌砂法)均是有损测试方法，测试结果具有局限性，仅能反映测点处的压实质量，而且 在实际检测中需要在选取大量的测点，效率较低，且不能进行长期监测；②对于基于地球物理探测方法的新型无损压实度检测方法(如核子密度仪法、瑞雷波检测法等)，均是利用地球物理特性参数与压实度之间的定量关系来表征地基的压实质量，但由于地球物理特性参数(如电阻率、弹性波速等)受到土壤密度、含水率等多个因素的影响，导致地球物理特性参数与压实度之间的定量关系不明确，单一测试方法的测试精度不理想，容易受到干扰而降低，难以进入实用阶段，且目前没有看到利用上述方法进行土壤压实质量长期监测和评价的方法及装置。 

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种用孔中电阻率和波速两种方法联合测定并长期评价土壤压实度的装置。 

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案： 

地基压实度分层联合测定和长期监测的装置，包括电阻率及波速集成并行传感器、电阻率采集处理装置、波速采集处理装置、联合测定永久性保护装置、联合测定传动装置、联合测定导向装置和控制器。所述的电阻率及波速集成并行传感器设于联合测定导向装置上，联合测定导向装置在联合测定永久性保护装置内上下滑动，电阻率及波速集成并行传感器从联合测定永久性保护装置的通孔内伸出，与地基土体良好接触；所述的联合测定导向装置与电缆的一端相连，电缆的另一端通过联合测定传动装置分别与电阻率采集处理装置、波速采集处理装置相连，且电阻率及波速集成并行传感器输出的信号通过电缆与联合测定导向装置的电缆相连，所述的控制器控制液压伸缩装置的伸缩，以及控制联合测定传动装置的传动方向。 

所述的电阻率及波速集成并行传感器是将电阻率探测元件和波速探测元件集成在一起构成的，两个探测元件的信号是并行传输的，互不影响。 

所述的联合测定导向装置包括柱筒，在柱筒上的侧壁上对称设有一对导向轮和一个液压伸缩装置，所述的液压伸缩装置驱动发射探头或接收探头，且液压伸缩装置由控制器控制。 

所述电阻率及波速集成并行传感器包括发射探头，所述发射探头包括供电电极、电极套管、声波发射换能器、壳体和电缆，所述的供电电极套装在电极套管内，且供电电极和声波发射换能器分别引入电缆的不同导线中，且声波发射换能器和电极套管设于壳体内，所述的壳体与液压伸缩装置配合，所述的电缆与联合测定导向装置的电缆相连。 

所述电阻率及波速集成并行传感器还包括接收探头，所述的接收探头包括接收电极、电极套管、声波接收换能器、壳体、导线和电缆，所述的接收电极套装在电极套管内，且接收电极和声波发射换能器分别引入电缆的不同导线中，且声波接收换能器和电极套管设于壳体 内，所述的壳体与液压伸缩装置配合，所述的电缆与联合测定导向装置的电缆相连。 

所述的电阻率采集处理装置包括电阻率采集装置和电阻率处理装置两部分，所述的电阻率采集装置和电阻处理装置相连，所述的波速采集处理装置包括波速采集装置和波速处理装置两部分，所述的波速采集装置和波速处理装置相连。 

所述的联合测定永久性保护装置包括一个套管，在套管上对称设有一对导向槽，在套管臂上等距设有若干通孔，所述的通孔与发射探头的供电电极配合或与接收探头的接收电极配合。 

所述的套管材料为高强PVC，在套管顶部设有套丝和封盖，在平时不测量时用封盖来保护通孔和套管。 

所述的联合测定永久性保护装置包括支架、传动杆、传动轮、电机、驱动齿轮和从动齿轮，所述的传动杆设于支架上，在传动杆中间设有传动轮，两端各设有一个从动齿轮，从动齿轮与驱动齿轮啮合，电机驱动驱动齿轮，所述的电机由控制器控制，所述的传动轮与电缆配合。 

利用上面的装置进行长期监测的方法，包括如下步骤： 

（1）根据工程实际在地面上打两个钻孔，在两个钻孔中各放入一个联合测定永久性保护装置，并调整好角度； 

（2）在一套联合测定导向装置上安装发射探头，在另一套联合测定导向装置上安装接收探头； 

（3）在钻孔位置上安装好联合测定传动装置； 

（4）在地面上安装电阻率采集处理装置、波速采集处理装置和控制器，并将控制器分别与联合测定传动装置的电机、液压伸缩装置相连； 

（5）用电缆一端连接联合测定导向装置，电缆的另一端通过联合测定传动装置分别与电阻率采集处理装置、波速采集处理装置相连，并将联合测定导向装置放入钻孔内； 

（6）检查各装置之间通信，在电阻率采集处理装置、波速采集处理装置内设置发射电流、接收探头和发射探头的深度参数； 

（7）设定好参数后，利用控制器启动联合测定传动装置和联合测定导向装置，将两个探头自动递送至指定深度，并控制液压伸缩装置将电极自动递送出与土体接触好； 

（8）开启电阻率采集处理装置和波速采集处理装置的电阻率采集装置和波速采集装置，分别依照设置的参数采集电阻率和波速，并通过电缆传送给电阻率处理装置和波速处理装置，所述的处理装置给出联合测定的土壤压实度。 

电阻率的测量采用二极法测量，其中供电电极正极A位于电阻率及波速联合测定发射探头中，供电电极负极B位于无穷远处（实际测量中，无穷远取20米远处即可），接收电极为两个，一个接收电极M位于电阻率及波速联合测定接收探头中，另一个接收电极N位于无穷远处（实际测量中，无穷远取20米远处即可）。测量时供电电极正极A、供电电极负极B供电形成回路供电；电阻率采集装置采集接收电极M、接收电极N之间的信号，信号由导线导出；同时，声波发射换能器25发射声波，声波接收换能器27接收声波；电缆负责将接收电极M、接收电极N之间的信号和声波接收换能器27的信号分别导出，传送给后续的电阻率采集处理装置8和波速采集处理装置9。 

所述电阻率采集装置负责采集整个测试过程中接收电极M、接收电极N之间的电压U与流经的电流I，再将数据传输到电阻率处理装置。***按照如下公式计算电阻率值： 

$\mathrm{\ρ}=K\frac{U}{I}---\left(1\right)$

其中，ρ为所采集的电阻率，K为装置系数，K=4πAM，AM为供电正极电极A与接收电极M之间的距离，也即两个探头之间的距离。 

所述波速采集装置负责采集整个测试过程中声波信号，再将数据传输到波速处理装置。波速采集装置负责采集弹性波从发射探头到接收探头的时间t，按照如下公式计算波速值： 

V＝AM/t    （2） 

其中，V为所采集的波速。 

所述的电阻率处理装置将采集的数据处理得到所测土壤的电阻率，波速处理装置将采集的数据处理得到所测土壤的波速。本实用新型在查阅大量的文献和进行大量的试验之后，分别得到土壤压实度与土壤电阻率、土壤压实度与土壤波速之间的关系。分别如下： 

D＝aρ^-b   （3） 

D＝cV+d    （4） 

式中，D为土壤压实度；V为土壤弹性波波速；ρ为土壤电阻率；a、b、c、d为相关系数。 

不同种类以及含水率的土壤压实度与电阻率、土壤压实度与波速关系的公式中，a、b、c、d值是有差别的，需要取土样在室内通过实验确定。 

所述的处理装置分别将采集的电阻率和波速带式（1）、式（2），得到通过电阻率和波速分别测出的土壤压实度D₁、D₂，然后计算误差△=2*|D₁-D₂|/（D₁+D₂）。若△>5％，说明测量 出现问题，需重新测定；若△<5％，则实度联合测定的土壤压实度为，D₁、D₂的平均值。 

本实用新型的有益效果是： 

本实用新型提出了一种土壤压实度联合测定与长期监测方法及装置，具有以下特色： 

（1）本实用新型提出了一种基于电阻率和波速法的土壤压实度联合测定与长期监测方法及装置，两种测试方法相互验证和补充，测试结果可信性大大提高，同时可分层测量地基的压实度，并可在地基服役期间对其压实度进行长期监测，以评价其安全性，解决了单一方法测试精度低、适应性差、无法分层测试和无法长期监测的问题。 

（2）本实用新型提出了一种电阻率与波速集成并行传感器，将弹性波发射和接收及电阻率测量功能集成在一起，实现了声发射和电阻率的并行测量，效率较高，同时其体积较小，可用于小孔径通孔内的快速测量。 

（3）本实用新型提出了一种集成并行传感器的自动联合测定传动和导向装置以及联合测定永久性保护装置，可在地基施工过程中和地基服役期间通过小孔径通孔自动测量不同深度和层位的土壤压实度，大大提高了数据采集过程的便捷性和稳定性，有利于长期监测和提高测试质量。 

（4）本实用新型分别提出了电阻率、弹性波速与地基压实度的定量关系，并通过这种关系得到了地基压实度，有效的提高了不同层位土壤压实度的测试精度和可信性，可用于各种工况和土质，弥补了现有单一方法适应性差、测试精度不理想的问题。 

附图说明

图1是本实用新型联合测定-分析方法流程图。 

图2是本实用新型现场工作示意图。 

图3是本实用新型永久性保护装置示意图。 

图4是本实用新型联合测定导向装置示意图。 

图5是本实用新型联合测定传动装置示意图。 

图6是本实用新型电阻率及波速集成并行传感器（发射探头）示意图。 

图7是本实用新型电阻率与波速集成并行传感器（接收探头）示意图。 

图中，1.地基，2.联合测定传动装置，3.电缆，4.联合测定永久性保护装置，5.联合测定导向装置，6.发射探头，7.接收探头，8，电阻率采集处理装置，9.波速采集处理装置，10.导向槽，11.通孔，12.导向轮，13.液压伸缩装置，14.支架，15.传动杆，16.传动轮，17.驱动齿轮，18.从动齿轮，19.电机，20.控制器，21.壳体，22.电极套管，23.供电电极，24.导线，25.声波发射换能器，26.接收电极，27.声波接收换能器，28套管，29.柱筒。 

具体实施方式

下面结合附图与实施对本实用新型做进一步说明。 

本实用新型的装置包括电阻率及波速集成并行传感器、电阻率采集处理装置8、波速采集处理装置9、联合测定永久性保护装置4、联合测定传动装置2、联合测定导向装置5和控制器20，所述的电阻率及波速集成并行传感器设于联合测定导向装置5上，联合测定导向装置5在联合测定永久性保护装置4内上下滑动，电阻率及波速集成并行传感器从联合测定永久性保护装置4内伸出，所述的联合测定导向装置5与电缆3的一端相连，所述的电缆3的另一端通过联合测定永久性保护装置分别与电阻率采集处理装置8、波速采集处理装置9相连，所述的控制器20控制电阻率及波速集成并行传感器的伸缩和联合测定传动装置2的传动方向。 

所述电阻率及波速集成并行传感器包括发射探头6和接收探头7，所述发射探头6包括供电电极23、电极套管22、声波发射换能器25、壳体21、导线24和电缆3，所述的供电电极23套装在电极套管22内，且供电电极23与声波发射换能器25分别通过导线24与联合测定导向装置5的电缆3相连，且两根导线24集成在一根电缆3，声波发射换能器25和电极套管22设于壳体21内； 

所述的接收探头7包括接收电极26、电极套管22、声波接收换能器27、壳体21、导线24和电缆3，所述的接收电极26套装在电极套管22内，且供电电极26与声波接收换能器27分别通过导线24与联合测定导向装置5的电缆3相连，且两根导线24集成在一根电缆3，且声波接收换能器27和电极套管22设于壳体21内。 

所述的壳体21是金属制成的，一方面可以增加探头强度，另一方面还可以对外界高频信号起到屏蔽作用，避免声波发射信号或接收信号受到干扰。波速的测定是通过声波发射换能器25和声波接收换能器27实现的。声波发射换能器25产生的声波通过试件被声波接收换能器27接收。电极套管22由绝缘材料制作而成，可以用来防止供电电极23或接收电极26中的电流对声波发射换能器25和声波接收换能器27造成干扰。 

所述的电阻率采集处理装置8包括电阻率采集装置和电阻率处理装置两部分，所述的电阻率采集装置和电阻处理装置相连，所述的波速采集处理装置9包括波速采集装置和波速处理装置两部分，所述的波速采集装置和波速处理装置相连。 

所述的联合测定永久性保护装置4包括一个套管28，在套管28上对称设有一对导向槽10，在套管28臂上等距设有若干通孔11，所述的通孔11与发射探头6的供电电极23配合或与接收探头7的接收电极26配合。 

所述的联合测定传动装置2包括支架14、传动杆15、传动轮16、电机19、驱动齿轮17和从动齿轮18，所述的传动杆15设于支架14上，在传动杆15中间设有传动轮16，两端各设有一个从动齿轮18，从动齿轮18与驱动齿轮19啮合，电机19驱动驱动齿轮17，所述的电机19由控制器20控制。电缆3固定在传动轮16凹形卡槽上，控制器20控制电机19驱动驱动齿轮17转动，带动传动杆15和传动轮16转动，实现电缆3逐级等距向下递送，将电阻率及波速集成并行传感器自动递送至指定位置。 

所述的联合测定导向装置5包括柱筒29，在柱筒29上的侧壁上对称设有一对导向轮12和一个液压收缩装置13，所述的液压收缩装置13驱动发射探头6或接收探头7，且液压收缩装置13由控制器20控制。导向轮12可以在联合测定永久性保护装置4的导向槽10内滑动，通过导向槽10的限制作用，实现电阻率及波速集成并行传感器的发射探头6和接收探头7的定向。液压递送收缩装置13用来控制发射探头6和接收探头7的收放，通过控制器20控制实现。 

监测方法，包括如下步骤： 

（1）根据工程实际在地面上打两个钻孔，在两个钻孔中各放入一个联合测定永久性保护装置4，并调整好角度； 

（2）在一套联合测定导向装置5上安装发射探头6，在另一套联合测定导向装置5上安装接收探头7；为保证测量效果，可以在所述的探头前涂抹一层黄油或者凡士林，以便电极与测试土体充分耦合，提高测试精度； 

（3）在钻孔位置上安装好联合测定永久性保护装置4； 

（4）在地面上安装电阻率采集处理装置8、波速采集处理装置9和控制器20，并将控制器20分别与联合测定传动装置2的电机、液压递送收缩装置13相连； 

（5）用电缆3一端连接联合测定导向装置5，电缆的另一端通过联合测定传动装置2分别与电阻率采集处理装置8、波速采集处理装置9相连，并将联合测定导向装置5放入钻孔内； 

（6）检查各装置之间通信，在电阻率采集处理装置8、波速采集处理装置9内设置发射电流、接收探头7和发射探头6的深度参数； 

（7）设定好参数后，利用控制器20启动联合测定传动装置2和联合测定导向装置5，将两个探头自动递送至通孔指定深度，并控制液压递送收缩装置13将所述探头的电极自动递送出与土体接触好； 

（8）开启电阻率采集处理装置8和波速采集处理装置9的电阻率采集装置和波速采集装 置，分别依照设置的参数采集电阻率和波速，并通过电缆传送给电阻率处理装置和波速处理装置，所述的处理装置给出联合测定的土壤压实度。 

电阻率的测量采用二极法测量，其中供电电极正极A位于发射探头6中，供电电极负极B位于无穷远处（实际测量中，无穷远取20米远处即可），接收电极为两个，一个接收电极M位于接收探头7中，另一个接收电极N位于无穷远处（实际测量中，无穷远取20米远处即可）。测量时供电电极正极A、供电电极负极B供电形成回路供电；电阻率采集装置采集接收电极M、接收电极N之间的信号，信号由导线导出；同时，声波发射换能器25发射声波，声波接收换能器27接收声波；电缆负责将接收电极M、接收电极N之间的信号和声波接收换能器27的信号分别导出，传送给后续的电阻率采集处理装置8和波速采集处理装置9。 

所述电阻率采集装置负责采集整个测试过程中接收电极M、接收电极N之间的电压U与流经的电流I，再将数据传输到电阻率处理装置。***按照如下公式计算电阻率值： 

$\mathrm{\&rho;}=K\frac{U}{I}---\left(1\right)$

其中，ρ为所采集的电阻率，K为装置系数，K=4πAM，AM为供电正极电极A与接收电极M之间的距离，也即两个探头之间的距离。 

所述波速采集装置负责采集整个测试过程中声波信号，再将数据传输到波速处理装置。波速采集装置负责采集弹性波从发射探头到接收探头的时间t，按照如下公式计算波速值： 

V＝AM/t    （2） 

其中，V为所采集的波速。 

所述的电阻率处理装置将采集的数据处理得到所测土壤的电阻率，波速处理装置将采集的数据处理得到所测土壤的波速。本实用新型在查阅大量的文献和进行大量的试验之后，分别得到土壤压实度与土壤电阻率、土壤压实度与土壤波速之间的关系。分别如下： 

D＝aρ^-b    （3） 

D＝cV+d    （4） 

式中，D为土壤压实度；V为土壤弹性波波速；ρ为土壤电阻率；a、b、c、d为相关系数。 

不同种类以及含水率的土壤压实度与电阻率、土壤压实度与波速关系的公式中，a、b、c、d值是有差别的，需要取土样在室内通过实验确定。 

所述的处理装置分别将采集的电阻率和波速带式（1）、式（2），得到通过电阻率和波速 分别测出的土壤压实度D₁、D₂，然后计算误差△=2*|D₁-D₂|/（D₁+D₂）。若△>5％，说明测量出现问题，需重新测定；若△<5％，则实度联合测定的土壤压实度为，D₁、D₂的平均值。 

Claims (7)

1.地基压实度分层联合测定和长期监测的装置，其特征在于：包括电阻率及波速集成并行传感器、电阻率采集处理装置、波速采集处理装置、联合测定永久性保护装置、联合测定传动装置、联合测定导向装置和控制器；所述的电阻率及波速集成并行传感器设于联合测定导向装置上，联合测定导向装置在联合测定永久性保护装置内上下滑动，电阻率及波速集成并行传感器从联合测定永久性保护装置的通孔内伸出，与地基土体良好接触；所述的联合测定导向装置与电缆的一端相连，电缆的另一端通过联合测定传动装置分别与电阻率采集处理装置、波速采集处理装置相连，且电阻率及波速集成并行传感器输出的信号通过电缆与联合测定导向装置的电缆相连，所述的控制器控制液压伸缩装置的伸缩，以及控制联合测定传动装置的传动方向。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电阻率及波速集成并行传感器包括发射探头，所述发射探头包括供电电极、电极套管、声波发射换能器、壳体和电缆，所述的供电电极套装在电极套管内，且供电电极和声波发射换能器分别引入电缆的不同导线中，且声波发射换能器和电极套管设于壳体内，所述的壳体与液压伸缩装置配合，所述的电缆与联合测定导向装置的电缆相连。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述电阻率及波速集成并行传感器还包括接收探头，所述的接收探头包括接收电极、电极套管、声波接收换能器、壳体、导线和电缆，所述的接收电极套装在电极套管内，且接收电极和声波发射换能器分别引入电缆的不同导线中，且声波接收换能器和电极套管设于壳体内，所述的壳体与液压伸缩装置配合，所述的电缆与联合测定导向装置的电缆相连。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电阻率采集处理装置包括电阻率采集装置和电阻率处理装置两部分，所述的电阻率采集装置和电阻处理装置相连，所述的波速采集处理装置包括波速采集装置和波速处理装置两部分，所述的波速采集装置和波速处理装置相连。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的联合测定永久性保护装置包括一个套管，在套管上对称设有一对导向槽，在套管臂上等距设有若干通孔，所述的通孔与发射探头的供电电极配合或与接收探头的接收电极配合。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的联合测定传动装置包括支架、传动杆、传动轮、电机、驱动齿轮和从动齿轮，所述的传动杆设于支架上，在传动杆中间设有传动轮，两端各设有一个从动齿轮，从动齿轮与驱动齿轮啮合，电机驱动驱动齿轮，所述的电机由控制器控制。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的联合测定导向装置包括柱筒，在柱筒上的侧壁上对称设有一对导向轮和一个液压收缩装置，所述的液压收缩装置驱动发射探头或接收探头，且液压收缩装置由控制器控制。

Images