基本信息
- 项目名称：
- 孔压静力触探探头的设计与优化
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 静力触探技术广泛用于水利、民用建筑、公路铁路、桥梁隧道等工程。我国静力触探主要使用单双桥探头，孔压静力触探探头应用较少。本作品在20t大载荷下保持良好的静态特性，能用于深孔及较硬土层的触探；能够独立测量锥尖阻力和侧壁摩檫力，消除了锥尖阻力和侧壁摩檫力的相互干扰。检测数据实现无线传输方式，实现了连续贯入。避免了探头上电缆带来的问题，连续贯入不会丢失薄层信息，提高工程勘察精度，缩短工程勘察周期。
- 详细介绍：
- 静力触探技术广泛用于水利工程，工业与民用建筑工程，公路铁路，桥梁隧道等工程。探头是静力触探设备的核心部件，探头质量的好坏直接影响着静力触探实验数据的准确度和可靠性。我国静力触探主要使用单双桥探头，孔压静力触探探头应用较少。国外孔压静力触探技术比较成熟，开始使用无电缆孔压探头。该孔压静力触探探头结构强度大，能够在20t大载荷下保持良好的静态特性，适用于深孔及较硬土层的触探；变形柱结构采用双变形柱，能够独立测量锥尖阻力和侧壁摩檫力，消除了锥尖阻力和侧壁摩檫力的相互干扰。检测数据实现无线传输方式，实现了连续贯入。避免了探头上电缆带来的问题，特别是连续贯入不会丢失薄层信息，提高工程勘察精度，缩短工程勘察周期。希望最终能够提高我国静力触探技术水平，推动孔压静力触探工艺在工程勘察中的普及。
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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
- 目的和意义： 静力触探是用压力装置将探头匀速压入地层，测试土的物理、力学指标的一种原位测试方法，广泛用于水利工程，工业与民用建筑工程，公路铁路，桥梁隧道等工程，我国静力触探主要使用单双桥探头，孔压静力触探探头应用较少。本作品可进行土体原位的力学性能测试，消除了钻探取样分析中由于扰动引起的误差。该探头测量的力学参数可以用来划分土层；评定地基土的物理、力学、渗透性质的相关参数；确定单桩极限承载力；判断地基土液化的可能性。该设计采用无线传输方式，实现连续贯入，避免丢失软弱薄夹层信息，提高工程勘察精度，缩短工程勘察周期，提高我国静力触探技术水平，最终实现孔压静力触探工艺在工程勘察中的普及。 基本思路： 1.研究分析国内外已有孔压静力触探探头的结构及其载荷传递特性，设计新型孔压静力触探探头结构。 2.用计算机软件建立实体模型，并做优化设计。 3.对探头作受力分析，应用有限元方法分析变形柱贴片区域的应力分布规律，确定最佳贴片位置。 4.通过结构及密封方式改进，提高探头密封性能。 5.信号采用无线传输方式，设计硬件系统，编写软件程序。 6.探头进行标定试验，验证其可行性。 创新点： 1.该探头为双变形柱结构，能够独立测量锥尖阻力和侧壁摩擦力，测量数据互不干扰，更加准确、可靠。 2.信号采用无线传输方式，实现连续贯入，避免了连接探杆停顿而丢失软弱薄夹层信息。 技术关键： 1.探头变形柱结构的设计及仿真分析。 2.复杂环境下，检测数据的无线传输。
科学性、先进性
- 孔压静力触探探头不仅可以与单双桥探头一样测量锥尖阻力qc和侧壁摩擦力fs，还可以测量孔隙水压力u。在我国，单双桥探头仍占统治地位，孔压静力触探探头应用较少。国外孔压静力触探技术比较成熟，开始使用无电缆孔压探头。该申报作品与国内外同类探头相比，探头双变形柱结构能够独立的测量锥尖阻力和侧壁摩擦力，避免了锥尖阻力和侧壁摩擦力的相互影响，提高了测量数据的准确度和可靠性。检测数据采用无线传输的方式，为实现连续贯入提供了保障，很好的解决了在工程勘察过程中有缆探头存在的问题（处理钻杆时耗费时间，电缆和连接头容易损坏，添加探杆造成的探入停顿常常丢失软弱薄夹层的信息等）。该探头结构强度大，能够在20t大载荷下保持良好的静态特性，适用于深孔及较硬土层的触探。 该探头结构中，土层孔隙水压力透过透水层（10）传递给孔隙水压力传感器(7)，探头内部电路将变形柱1(6)和变形柱2(4)的形变转换成电压信号，并通过无线传输方式将测量信号传送到地面进行分析。
获奖情况及鉴定结果
- 1.2009年国家大学生创新性实验计划项目。 2.一项国家实用新型专利已受理（受理号：201110043703.9）。 3.在中国地质大学（武汉）第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获得二等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■图纸 ■图片 ■样品
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
- 使用说明： 孔压静力触探探头主要由锥头、摩擦筒、传感器、数据传输系统四部分组成。探头在被压入土层中时，锥尖受到土的阻力，摩擦筒受到土的摩擦力，同时土层中的水受到孔隙压力作用通过透水层传递到探头内部，且具有一定的压力，这些力通过探头内部的传感器转换成电信号，传输到地面。技术人员分析得到的数据，最终可以方便的得到土的各项性能指标。 技术特点和优势： 1.探头结构设计为双变形柱，消除了锥尖阻力和侧壁摩檫力的相互影响，数据更准确、可靠。 2.该作品采用无线传输方式，实现了连续贯入。 适用范围： 该作品主要适用于粘性土、粉性土、砂性土。就各类水利工程、工业与民用建筑工程、公路桥梁工程等。 推广应用前景的技术性说明： 单双桥静力触探测量参数单一,应用分辨率低,探头规格与国际通用也不尽相同，这给测试成果比较和国际学术交流造成了较大的困难。孔压静力触探具备轻便、快速、分辨率高、功能多等优点，缩短工程勘察周期，节省大量勘察费用，从长远发展角度看，孔压静力触探必将取代单双桥探头。
同类课题研究水平概述
- 静力触探作为一种轻便、快速、效率高的原位测试技术,在土体工程勘察和岩土工程监测、检测方面得到了广泛应用[2]。它是将探头用准静力压入土中，测试土的各项力学性质。其测试成果可用来划分土层和土类，求取土的各种工程性质指标，确定地基承载力，确定单桩极限承载力，判断地基土液化的可能性[5]。在工程勘查现场进行静力触探测试时，不用取样，其结果的可靠性与再现性均好，且采用电测技术，便于实现测试与结果处理的微机化和自动化，这些都是许多其他原位测试技术所不具备的。所以静力触探技术有着非常广阔的发展前景。 国外在1932年荷兰工程师进行了世界上第一次静力触探试验，1935年荷兰Delft土力学实验室第一主任T.K.Huizinga设计并使用了10t的荷兰锥贯入装置，并开始用于桩承载力试验的研究[5]。随后几年国外的触探探头经过不断的改进，1948年，荷兰市政工程师Bakker研制出世界上第一个电测式的探头。挪威土工研究所(NGI) 的Janbu 和Senneset在1974年最早研制成功电测式孔压静力触探探头。随着静力触探技术和传感器技术的发展，国外在标准静力触探技术的基础上，在探头上加各种传感器，从而形成了新的静力触探技术。这些技术有的已经相当的成熟，有的尚在研究改进阶段。国外从上世纪40年代静力触探技术的出现开始到现在一直没有放弃对静力触探技术的改进工作, 无论从探头的结构设计还是在探头的制造工艺方面都取得了很大的进步。孔压静力触探技术在国外发展已经比较成熟，应用也十分广泛。 目前国外静力触探技术已经朝着多功能方向发展，研制出了适用于不同场合、不同测试要求的探头.孔压静力触探探头、电阻率静力触探探头、视频成像静力触探技术(GeoV IS)等。上述探头在国外被主要用于地球表层及海底土层的勘察和数据分析以及桥梁、房屋等建筑物、公路、铁路、水文、石油、机场、堤坝、隧道、环境考察等项目的地质勘测。国外除对探头技术不断改进外，还实现了数据无线传输和解决了贯入系统的连续贯入问题。 我国静力触探试验开始于1954年，60年代研制出了电阻应变式探头（比荷兰早4～5年），并通过近百组对比试验建立了贯入阻力与天然地基载力的统计公式。但自80年代以后我国对探头传感器技术改进很少,现主要使用的是单桥和双桥探头。
