基本信息
- 项目名称：
- 孔内动探与标贯仪的研制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 目前的重型动力触探和标贯仪的冲击锤都在钻孔口以上，试验深度超过20米，由于钻杆能耗，试验结果的实际意义不大。为了克服这一缺陷，本作品将现有动探锤自孔口移至孔内，设计为以铅配重的长柱形，为了消除地下水的阻力，将冲击锤密封在钢管内，由此消除了钻杆和地下水对落锤冲击能的消耗，无须杆长和地下水位校正，可在任一深度进行试验，该设备可用于测定砂土和碎石土的承载力，判定砂土的密实度和砂土液化。填补了20米深度以下无法确定砂类土力学参数的空白，在岩土工程勘察中应用前景广阔。
- 详细介绍：
- 本产品主要革新的是对现有重型动探和标贯的冲击锤加以改进，而探头仍采用现有设备。改进的思路是将该类试验采用的冲击锤放在孔内，与探头保持恒定的距离，以消除钻杆长度对试验结果的影响。 目前的重型动力触探仪的冲击锤都在钻孔口以上，试验深度一旦超过20米，由于钻杆能耗，试验结果的实际意义不大。针对现有仪器存在的上述缺陷，我们研制了一种新型重型动探设备的冲击锤，主要革新有以下方面： ①现有冲击锤在孔外作业，重量63.5kg。孔内锤的直径要减小，采用127mm钻孔孔径，孔内锤的直径不宜超过120mm，其长度相应增大，重量保持63.5kg不变。为了避免其长度过长，锤体内采用铅配重。由于重心有所变化，通过理论计算，确定其合理的落距，约束条件是现有孔口锤的冲击能与孔内锤的冲击能相等，以保证两种试验结果有可比性。锤落下时砸在密封导管底部设定的锤击底座，从而将重锤的锤击力传至动探探头。 ②孔内锤存在的技术难点是在水下试验时，应排除地下水的阻力，为此将动探锤密封起来。下部冲击锤活动段采用无缝钢管，上部提升段采用可伸缩的弹性密封套加封，密封套的伸缩量不小于锤的落距76cm。 ③锤和连杆间采用自动挂钩和拖钩装置，该装置有三个爪，使用灵活。 动探试验需与钻探配合，以钻机设备为基础。先用钻具钻至试验土层标高以上15cm处，清除残土。将重型动力触探头或标贯器通过螺纹连接钻杆并放入孔内，在孔口的钻杆上作标记，以便记录击入深度。试验初始冲击锤通过自动三爪与拉杆连接，并位于密封导管底部，开始试验时，冲击锤通过与钻杆连接的拉杆被提升，此处钻杆与拉杆通过螺纹连接。当提升至76cm的高度时，自动三爪上部与密封导管顶部接触并被压向内侧，从而使自动三爪下端向外侧运动，此时冲击锤脱落实现自动落锤运动。一次落锤后，拉杆随钻杆向下，此处自动三爪装置利用其重力作用，通过偏心设计，使其自动恢复平衡状态，这个过程中三爪上端偏离三爪体，下端靠近三爪体，由此动探锤被再一次提起，并进行下一次的自动落锤运动。如此往复，根据孔口钻杆上的标记，动探记录击入10cm的击数，标贯记录30cm击数（每10cm记一次。待试验完成后，提升钻杆，提出动探头。 本孔内重型动力触探将现有动探锤自孔口移至孔内，消除了钻杆对落锤冲击能的消耗，无须杆长和地下水位校正，可在任一深度进行试验。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.发明目的：弥补目前动力触探和标贯仪试验深度不足的缺点，可获取深层（20米以下）砂砾石土力学参数。 2.基本思路：围绕消除钻杆长度过大对试验结果的影响，使动探冲击锤与动探头保持恒定距离，即考虑使冲击锤作用于孔内，再进一步考虑如何消除孔内作业对冲击锤带来的地下水、作用空间等问题的影响。 3.创新点： ①把动探仪的冲击锤移至孔内，消除了杆长的影响； ②动探锤采用铅配重，在重量不变的前提下减小了体积； ③将动探锤密封，消除了地下水的影响； ④采用三爪型拖挂钩装置，增强了其灵活性。 4.技术关键：在孔内环境下满足动探锤的锤重和落距（即保证冲击锤的冲击能不变），并消除地下水对试验的影响，保证试验的连续性和可操作性。 5.主要技术指标： 设备外径120mm，长度2500mm，重量80kg； 冲击锤质量：63.5kg； 冲击锤落：76cm； 试验深度：不受限制。
科学性、先进性
- 该作品在保证冲击锤冲击能不变的前提下将动探锤移至孔内，使其与探头保持恒定的距离，在符合规范要求的前提下拓展了动力触探原位试验的试验深度，消除了钻杆过长对落锤冲击能的消耗，无须杆长和地下水位校正，可在任一深度进行试验，可获取任一深度砂砾石土层的力学参数。该设备的探头和钻杆均为现有的标准通用配件，试验方法也与目前的试验方法相同，符合实际应用的要求，利于作品的推广应用。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年6月，陕西省第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获得特等奖。
作品所处阶段
- 已完成作品研制和样品生产，已在部分勘察单位应用，效果良好。目前正在进行与现有设备的详细对比试验。
技术转让方式
作品可展示的形式
- 图片、动画演示或实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明及特点和优势：先用钻具钻至试验土层标高以上 15cm处，清除残土。将孔内动探仪放入孔内，然后采用自动落锤法进行试验，记录击入10cm的动探击数，即终止试验，提升钻杆，提出孔内动探仪。该产品的技术特点是冲击锤在孔内；优势是试验深度不受限制，无须杆长和地下水位校正。 2.适用范围：岩土工程勘察，岩土工程、工程地质试验教学及科学研究。 3.推广前景及市场分析：该作品主要应用于岩土工程勘察，随着国家大规模的基础设施建设和业内对原位测试的大力推广，动力触探和标贯将会越来越广泛的应用在工程实践中，该作品在不改变试验方法的前提下扩大了试验深度，提高了试验精度，且操作简便。生产成本与现有同类设备相近，但比现有设备使用范围广，随着国家基础建设投入加大，其市场需求量会很大，若将现有设备用该产品更替，将产生巨大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 重型动力触探和标贯仪是岩土工程勘察中最常用的原位测试备，其实验结果可用于评价地基土的物理性质、强度和变形参数，计算天然地基的承载力，估算单桩承载力等。岩土工程勘察中 ，由于砂、砾石土取样困难，只能通过动力触探试验或标贯获取岩土层的力学参数。目前国内外对该类课题的研究主要集中在仪器的探头改进、仪器的轻便化和动力性能改进方面，以及相关副产品的研发上，作者检索了相关的专利文献，摘录如下： 文献1是涉及一种新型轻便动力触探器的专利文献，由导杆、锤体、锤击垫、探杆、探头和传动机构组成。其工作原理是由电机转动或手工摇动经过传动机构使锤体按工作要求运动，从而达到机械化操作的目的，代替以往的手工操作。 文献2是关于自动标准贯入试验监控器的专利文献，介绍了一种与撞击锤贯入组件如岩土工程中的标准贯入试验(SPT)一起使用的设备。所述撞击锤贯入组件包括贯入样品、一系列联接在一起的杆和撞击锤设备，锤自恒定高度下落并顺序地撞击所述联接的杆和采样器且使所述采样器受力以更深入土地。 文献3是关于新型标准贯入器的专利文献，该实用新型专利涉及一种土体工程勘探标准贯入试验用取样装置。它包括贯入器靴和贯入器身，贯入器身分为可组合成一体的贯入器上身和下身，上身和下身上均有铰合部，相铰合处为不规则状。平时取样不必拧下贯入器靴，拉或向外轻推贯入器上身就可打开贯入器。 文献4是关于安全自动型标准贯入锤的专利文献，该实用新型属于工程地质勘察机械的一种贯入锤。它由下打垫、触探杆、标贯器、伸缩杆、导正杆、安全花管外罩、抓体、穿心锤组成。整机用安全花管外罩罩着，外罩上标有刻度，锤工作时可全部进入转盘内，用机械扶正，通过调整机械速度，定准落距。 文献5是关于一种标准贯入仪的专利文献，该专利包括抓脱提引机构，重锤机构，导向机构，锤垫机构。 综上所述， 在检索到的文献中，未见有其他文献关注动力触探设备的试验深度不足和对动探锤展开研究。由于钻杆的能量损耗，动力触探和标贯试验的试验深度仅为20米。对于20米以下的砂砾石土，国外通常采用旁压试验来获取岩土力学参数。而由于旁压试验耗时费力且费用较高，国内很少采用，因此，对于 20米以下的砂砾石土国内实际上没有获取力学参数的测试方法，工程上通常采用经验值作为岩土层的力学参数。
