靜力觸探測試法的儀器設(shè)備

靜力觸探設(shè)備，俗稱靜力觸探儀，一般由三部分構(gòu)成，即：①靜力觸探頭：地層阻力傳感器；②量測記錄儀表：測量與記錄探頭所受各種阻力；③貫入系統(tǒng)：包括觸探主機(jī)與反力裝置，共同負(fù)責(zé)將探頭壓入土中。觸探主機(jī)借助探桿將裝在其底端的探頭壓入土中；反力裝置則提供主機(jī)在貫入探頭過程中所需之反力。目前廣泛應(yīng)用的靜力觸探車集上述三部分為一整體。靜力觸探車具有貫入深度大（貫入力一般大于10t）、效率高和勞動強(qiáng)度低的優(yōu)點。但它僅適用于交通便利、地形較平坦及可開進(jìn)汽車的勘測場地使用。貫入力等于5t或小于5t者，一般為輕型靜力觸探儀。使用時，一般都將上述三部分分開裝運到勘測現(xiàn)場，進(jìn)行測試時再將三部分有機(jī)地聯(lián)接起來。在交通不便、勘測深度不大或土層較軟的地區(qū)，輕型靜力觸探應(yīng)用很廣。它具有便于搬運、測試成本較低及靈活方便之優(yōu)點。靜力觸探儀的貫入力一般為2t—20t，最大貫入力為20t，因為細(xì)長的探桿受力極限不能太大，太大易彎曲或折斷。貫入力為2t—3t者，一般為手搖鏈?zhǔn)诫姕y十字板－觸探兩用儀。貫入力大于5t者，一般為液壓式主機(jī)。現(xiàn)介紹幾種主要的和常用的觸探儀。（一）常用靜力觸探儀介紹1.CLD型靜力觸探－十字板剪切兩用儀由四川省建筑科學(xué)研究所與華東電力設(shè)計院研制，目前由上海市新衛(wèi)機(jī)器廠、浙江南光地質(zhì)儀器廠及江蘇如皋工程勘測機(jī)械廠等生產(chǎn)（參見本書第六章圖6—3）。CLD-1型，最大貫入力為2t，總重（包括工具）0.2t，配用探頭面積為10cm2，配用十字板尺寸為50mm×100mm×2mm，主機(jī)重50kg，最大外形尺寸為100cm×30cm×145cm。本機(jī)輕便，一機(jī)多用，特別適用于軟土地區(qū)。CLD-3型，最大貫入力為3t，主機(jī)重65kg，可兩面手搖，主機(jī)架比CLD-1型堅固，其它規(guī)格同CLD-1型。本機(jī)貫入力比CLD-1型加大，輕便，貫入深度也相應(yīng)提高。2.托掛式靜探儀由鐵道部科學(xué)研究院第三設(shè)計院設(shè)計，由浙江寧波勘測機(jī)械廠（現(xiàn)為鎮(zhèn)海電訊廠勘測機(jī)械分廠）生產(chǎn)，型號為DY-5型。該機(jī)具有小巧輕便、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，屬輕型靜探儀。其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定貫入力為5t，額定起拔力為7.6t，貫入速率為0.5—1.6m/min，起拔速率為3m/min，油缸行程為0.5m。由中國船舶工業(yè)總公司勘察研究院研制，由杭州市富陽科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的MJ-2型拖掛式靜力觸探機(jī)，具有輕便靈活、占地小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，屬中等貫入能力的設(shè)備。其主要性能及技術(shù)規(guī)格如下：總貫入力為10t，貫入速度為1m/min，起拔速度為2m/min，最大行程為1.2m，整機(jī)重430kg，外形尺寸為385cm×135cm×230cm，動力為3.5/4.5kW，電源電壓為380V，有地錨4—8個。3.靜力觸探車目前，我國生產(chǎn)靜力觸探車的廠家較多，主要有浙江寧波勘測機(jī)械廠、江蘇省如皋勘測機(jī)械廠、大連拉伸機(jī)廠、沈陽探礦機(jī)械廠及上海地質(zhì)儀器廠等。各廠生產(chǎn)的觸探車貫入能力都已達(dá)到20t，都有封閉式車箱，可以在不受氣候條件影響下進(jìn)行野外作業(yè)。現(xiàn)將浙江寧波勘測機(jī)械廠的產(chǎn)品規(guī)格列于表2—2中。（二）探頭1.探頭的種類及規(guī)格探頭是靜力觸探儀的關(guān)鍵部件。它包括摩擦筒和錐頭兩部分，有嚴(yán)格的規(guī)格與質(zhì)量要求。目前，國內(nèi)外使用的探頭可分為三種類型（見圖2—22）。（1）單用（橋）探頭：是我國所特有的一種探頭類型。它是將錐頭與外套筒連在一起，因而只能測量一個參數(shù)。這種深頭結(jié)構(gòu)簡單，造價低，堅固耐用，是我國使用最多的一種探頭。它對推動我國靜力觸探測試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起到了積極的作用，自60年代初開始應(yīng)用以來，積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗，已建立了關(guān)于測試成果和土的工程性質(zhì)之間眾多的經(jīng)驗關(guān)系式。由于測試成本低，被勘測單位廣泛采用。但應(yīng)指出，這種探頭功能少，其規(guī)格與國際標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，不便于開展國際交流，其應(yīng)用受到限制。（2）雙用（橋）探頭：它是一種將錐頭與摩擦筒分開，可同時測錐頭阻力和側(cè)壁摩擦力兩個參數(shù)的探頭。國內(nèi)外普遍采用，用途很廣。表2—2　寧波勘測機(jī)械廠生產(chǎn)的觸探儀（3）多用（孔壓）探頭：它一般是在雙用探頭基礎(chǔ)上再安裝一種可測觸探時產(chǎn)生的超孔隙水壓力裝置的探頭。70年代末，國外開始應(yīng)用。國內(nèi)已引進(jìn)多種，如中國地質(zhì)大學(xué)等引進(jìn)的Fugro孔壓靜探儀。國內(nèi)已研制成功，如上海同濟(jì)大學(xué)研制的孔壓探頭，已由浙江溫嶺南光地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)。還有鐵道部科學(xué)研究院研制的孔壓探頭?？讐禾筋^最少可測三種參數(shù)，即錐尖阻力、側(cè)壁摩擦力及孔隙水壓力，功能多，用途廣，在國外已得到普遍應(yīng)用。在我國，也會得到越來越多的應(yīng)用。此外，還有可測波速、孔斜、溫度及密度等的多功能探頭，不再一一介紹。常用探頭規(guī)格見表2—3。探頭的功能越多，測試成果也越多，用途也越廣；但相應(yīng)的測試成本及維修費用也越高。因而，應(yīng)根據(jù)測試目的和條件，選用合適的探頭。表2—3中所列探頭的底面積不同，主要是為了適應(yīng)不同的土層強(qiáng)度。探頭底面積越大，能承受的抗壓強(qiáng)度越高；另一個原因是可有更多的空間安裝附加傳感器。但在一般土層中，應(yīng)優(yōu)先選用具國際標(biāo)準(zhǔn)的探頭，即探頭頂角為60°，底面積為10cm2，側(cè)壁摩擦筒表面積為150cm2的探頭，以便開展技術(shù)交流，便于應(yīng)用和集思廣益。圖2—22　靜力觸探探頭類型a.單用探頭；b.雙用探頭；c.多用探頭1—錐頭；2—頂柱；3—電阻應(yīng)變片；4—傳感器；5—外套筒；6—單用探頭的探頭管或雙用探頭側(cè)壁傳感器；7—單用探頭的探桿接頭或雙用探頭的摩擦筒；8—探桿接頭；L—單用探頭有效側(cè)壁長度；D—錐頭直徑；a—錐角表2—3　常用探頭規(guī)格2.有關(guān)探頭設(shè)計的問題對此問題可扼要說明幾點：①探頭空心柱與其頂柱應(yīng)有良好接觸，采用頂珠接觸最好，可使傳感器受力均勻，也容易加工。②加工空心柱（彈性元件）的鋼材應(yīng)具有強(qiáng)度高、彈性好、性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小及耐腐蝕等特征。國內(nèi)一般選用60Si2Mn（彈簧鋼）和40CrMn鋼制作空心柱。其它部件可采用40Cr或45號鋼，需作好熱處理。③由式（2—41）可知，空心柱應(yīng)變量的大小和地層阻力及空心柱環(huán)形截面積有關(guān)。在相同地層阻力的情況下，應(yīng)變量越大（也就是越靈敏），它能承受的最大荷載也就會愈小。要兼顧這兩者，如前所述，可以選擇好的鋼材。但這還不夠，為適應(yīng)不同地區(qū)、不同軟硬土層貫入的需要，目前廠家一般均生產(chǎn)幾種不同額定荷載（當(dāng)空心柱材料一定時，就相當(dāng)于不同截面積）的探頭選用。一般在軟土地區(qū)可選用額定荷載小一些的比較靈敏的探頭；反之，則選用額定荷載大一些的探頭。④鐵道部“靜力觸探技術(shù)規(guī)則（TBJ37-93）”規(guī)定：探頭規(guī)格、各部加工公差和更新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合表2—4、表2—5和圖2—23、圖2—24的要求，⑤探頭的絕緣性能，應(yīng)附合下列規(guī)定：探頭出廠時的絕緣電阻應(yīng)大于500MΩ，并且在500kPa水壓下恒壓2h后，其絕緣電阻仍不小于500MΩ。用于現(xiàn)場測試的探頭，其絕緣電阻不得小于20MΩ。⑥對于各種探頭，自錐底起算，在1000mm長度范圍內(nèi)，任何與其連接的桿件直徑不得大于探頭直徑；為降低探桿與土的摩擦阻力而需加設(shè)減摩阻器時，亦只能在此規(guī)定范圍以上的位置設(shè)置。⑦探頭貯存應(yīng)配備防潮、防震的專用探頭箱（盒），并存放于干燥、陰涼的處所。表2—4　單橋探頭規(guī)格表2—5　雙橋探頭及孔壓探頭規(guī)格續(xù)表注：①a=FA/A,FA=1/4πd2，對孔壓探頭a值不受限制。②e1、e2為工作狀態(tài)下的間距。圖2—23　單橋探頭外形圖圖2—24　雙橋探頭（上）及孔壓探頭（下）形狀圖（三）量測記錄儀表我國的靜力觸探幾乎全部采用電阻應(yīng)變式傳感器。因此，與其配套的記錄儀器主要有以下4種類型：①電阻應(yīng)變儀；②自動記錄繪圖儀；③數(shù)字式測力儀；④數(shù)據(jù)采集儀（微機(jī)）。1.電阻應(yīng)變儀從60年代起直到70年代中期，一直是采用電阻應(yīng)變儀。電阻應(yīng)變儀具有靈敏度高、測量范圍大、精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但其操作是靠手動調(diào)節(jié)平衡，跟蹤讀數(shù)，容易造成誤差；而且不能連續(xù)讀數(shù)，只能間隔進(jìn)行（一般5—10s，即每貫入10—20cm），不能得到連續(xù)變化的觸探曲線。經(jīng)過改進(jìn)，出現(xiàn)了數(shù)字式測力儀，如上海新衛(wèi)機(jī)器廠生產(chǎn)的數(shù)字測力儀和新達(dá)電訊廠生產(chǎn)的JC-X2靜力觸探測量儀。數(shù)字式測力儀與過去使用的應(yīng)變儀比較，其優(yōu)點是：體積小、重量輕，不用手動跟蹤，用數(shù)字顯示不容易看錯，還可以把率定系數(shù)輸入儀器內(nèi)直接讀取阻力值。由武漢市勘測院設(shè)計，由武漢無線電廠生產(chǎn)的數(shù)字式測力儀即具有上述功能。上述兩種儀表的主要缺點是需人工記錄。2.自動記錄儀為了實現(xiàn)自動記錄，于是就出現(xiàn)了自動記錄儀。我國現(xiàn)在生產(chǎn)的靜力觸探自動記錄儀都是用電子電位差計改裝的。這些電子電位差計都只有一種量程范圍。為了在阻力大的地層中能測出探頭的額定阻力值，也為了在軟層中能保證測量精度，一般都采用改變供橋電壓的方法來實現(xiàn)。早期的儀器為可選式固定橋壓法，一般分成4—5檔，橋壓分別為2、4、6、8、10V，可根據(jù)地層的軟硬程度選擇。這種方式的優(yōu)點是電壓穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)；但資料整理工作量大?，F(xiàn)在已有可使供橋電壓連續(xù)可調(diào)的自動記錄儀。圖2—25是ZSJ-2型雙筆自動記錄儀工作原理圖。（1）自動記錄儀工作原理：如圖2—25所示，由傳感器送來的被測直流信號，經(jīng)測量電路與儀表內(nèi)補(bǔ)償電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生一不平衡電壓，經(jīng)放大器放大105—6倍后獲得足夠大的功率驅(qū)動可逆電機(jī)轉(zhuǎn)動?？赡骐姍C(jī)經(jīng)過一套機(jī)械傳動裝置，一面帶動測量電路中的滑線電阻的滾動觸點，使補(bǔ)償電壓與被測信號平衡；一面帶動指針和記錄筆沿著有分度的標(biāo)尺左右移動。此時放大器中無信號輸入和輸出，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，指針在分度尺上的指示值即為被測信號的電壓值。如果被測信號發(fā)生變化，則新產(chǎn)生的電位差值信號又被送至放大器，使滑線電阻的滾動觸點又移動到一個新的平衡點，被測信號與補(bǔ)償電壓又達(dá)到新的平衡，指針又移到新的位置……。與此同時，自整角機(jī)通過一套傳動機(jī)構(gòu)，以一定速度卷動記錄紙。這樣，隨著指針移動和記錄紙卷動，記錄筆便在記錄紙上連續(xù)地記錄出各深度被測信號的大小——靜力觸探曲線。（2）儀器主要組成部分：除走紙機(jī)構(gòu)外，雙筆記錄儀各部分都由兩套組成。圖2—25　ZSJ-2型雙筆自動記錄儀工作原理圖①測量電路：和應(yīng)變儀一樣，也是采用雙電橋電路，所不同的是自動記錄儀采用的是直流內(nèi)橋，傳輸?shù)氖侵绷餍盘枴閷ν鈽蚵诽峁┓€(wěn)定的直流電壓，自動記錄儀專門增設(shè)了橋路穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓范圍一般為0—20V，連續(xù)可調(diào)，以適應(yīng)標(biāo)定探頭和貫入不同軟硬地層的需要。②晶體管放大器：在記錄儀中，放大器的作用是把測量電路送來的直流信號△U放大成足以驅(qū)動可逆電機(jī)轉(zhuǎn)動的交流信號，并且當(dāng)直流信號△U的極性改變時，輸出交流信號的相位也隨之改變，從而能帶動可逆電機(jī)正反轉(zhuǎn)動，使測量系統(tǒng)達(dá)到自動平衡。③可逆電機(jī)：其作用前文已述及。④儀表的走紙機(jī)構(gòu)：靜力觸探自動記錄儀除了要把被測信號顯示出來外，還必須將信號隨深度變化的情況記錄在紙帶上，才能及時準(zhǔn)確地記錄出地層各位置的阻力值。為此，記錄儀用一對自整角機(jī)取代了原電位差計走紙系統(tǒng)中的同步電機(jī)。發(fā)訊角機(jī)和摩擦輪通過齒輪組聯(lián)在一起，并安裝在觸探主機(jī)的底盤上，使摩擦輪緊貼觸探桿。當(dāng)觸探桿下壓時，摩擦輪便隨著轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)訊機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。接收機(jī)固定在儀器內(nèi)，并和走紙機(jī)構(gòu)的齒輪組相聯(lián)接，當(dāng)發(fā)訊機(jī)旋轉(zhuǎn)時它也跟隨旋轉(zhuǎn)，帶動記錄紙按1:100（或其它）比例移動，這樣就把觸探深度記錄下來了。（3）優(yōu)缺點：自動記錄儀與應(yīng)變儀相比，靈敏度不如應(yīng)變儀，它的量程小。但是，自動記錄儀有深度控制裝置，可以連續(xù)自動地記錄土層的貫入阻力曲線，提高了野外工作效率和質(zhì)量，因而目前使用最廣。3.數(shù)字式測力儀數(shù)字式測力儀是一種精密的測試儀表。這種儀器能顯示多位數(shù)，具有體積小、重量輕、精度高、穩(wěn)定可靠、使用方便、能直讀貫入總阻力和計算貫入指標(biāo)簡單等優(yōu)點，是輕便鏈?zhǔn)绞职澹o力觸探兩用機(jī)的配套量測儀表，國內(nèi)已有多家生產(chǎn)。這種儀器的缺點是間隔讀數(shù)，手工記錄。4.微機(jī)在靜探中的應(yīng)用以上介紹的量測記錄儀表的功能均不夠完善，有的只能人工間隔讀數(shù)，不能畫圖；有的只能畫圖，不能顯示打印數(shù)據(jù)。這些儀器雖還能滿足一般生產(chǎn)的需要，但資料整理時工作量大，效率低。用微型計算機(jī)采集和處理數(shù)據(jù)已在靜力觸探測試中得到了廣泛應(yīng)用。如上海地質(zhì)儀器廠和長春地質(zhì)學(xué)院共同研制成功的GCJW-1型靜力觸探微機(jī)實時處理系統(tǒng)，全部操作采用漢字人機(jī)對話方式，便于一般人員掌握和操作。觸探時，可同時繪制錐尖阻力與深度關(guān)系曲線、側(cè)壁摩阻力與深度關(guān)系曲線；終孔時，可自動繪制摩阻比與深度關(guān)系曲線。通過人機(jī)對話能進(jìn)行分層，并自動繪制出分層柱狀圖，打印出各層層號、層面高程、層厚、標(biāo)高以及觸探參數(shù)值。該系統(tǒng)在工作參數(shù)選擇、參數(shù)處理、公式選擇及漢字繪制表頭、圖表等方面都比較靈活新穎，可與多種靜力觸探機(jī)配套使用。又如中國地質(zhì)大學(xué)從荷蘭引進(jìn)的孔壓觸探儀，同時可測4個參數(shù)，即錐尖阻力、側(cè)壁摩擦力、孔隙水壓力及孔斜，可同時繪制各種曲線，進(jìn)行數(shù)字顯示、磁帶記錄和打印。其數(shù)據(jù)采集和處理完全由微機(jī)完成（見圖2—26）。（四）貫入系統(tǒng)靜力觸探貫入系統(tǒng)由觸探主機(jī)（貫入裝置）和反力裝置兩大部分組成。觸探主機(jī)的作用是將底端裝有探頭的探桿一根一根地壓入土中。觸探主機(jī)按其貫入方式不同，可以分為間歇貫入式和連續(xù)貫入式；按其傳動方式的不同，可分為機(jī)械式和液壓式（見圖2—27）；按其裝配方式不同可分為車裝式、拖斗式和落地式等。反力裝置的作用是平衡貫入阻力對貫入裝置的反作用。從設(shè)備角度來說，靜力觸探貫入深度的大小主要取決于三方面因素：①貫入設(shè)備能力的大小；②觸探頭截面的大小及其與探桿的配合；③反力大小。反力不夠，整個貫入設(shè)備的能力就得不到充分發(fā)揮，可見反力裝置是很重要的。反力的取得，一般有下地錨和利用汽車自重兩種。現(xiàn)在的觸探車都綜合利用這兩種方法，效果良好。擰錨機(jī)有液壓、電動、手搖三種類型。有關(guān)地錨錨片，目前多趨向單翼片式的，這樣的地錨對土的擾動較小，下錨也容易些。葉片直徑有φ200、φ250、φ300及φ400mm等幾種，應(yīng)根據(jù)所需反力大小和土層軟硬選用不同直徑的地錨。下錨深度為1.0—1.5m左右。在一般地層中每個錨可提供10—20kN的反力。一般下錨2—4個，多則6—8個。當(dāng)估算地錨反力不能滿足觸探深度要求，而采用增加地錨數(shù)量或改用其它反力方案又有困難時，可考慮在探桿上加設(shè)減摩器。減摩器外徑要較探桿大，加在離探頭摩擦筒上方1m靠外處。它可削弱土對探桿的摩阻力，達(dá)到在同樣設(shè)備條件下增大觸探深度的效果。（五）探桿它也有一定的規(guī)格和要求，探桿應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)采用高強(qiáng)度無縫管材，其屈服強(qiáng)度不宜小于600MPa。探桿與接頭的連接要有良好的互換性。用錐形螺紋連接的探桿，連接后不得有晃動現(xiàn)象；用圓柱形螺紋連接的探桿，絲扣之間、肩應(yīng)能擰緊密貼。探桿應(yīng)平直，不得有裂紋和損傷。每根探桿的長度一般為1m，其直徑應(yīng)和探頭直徑相同；但單用探頭探桿直徑應(yīng)比探頭直徑小。（六）電纜電纜的作用是連接探頭和量測記錄儀表。由于探頭功能不同，相應(yīng)電纜的蕊數(shù)也不同，最少的為配單橋探頭的四蕊電纜，多則幾十蕊，各蕊之間應(yīng)互相屏蔽，在輸出訊號時不能互相干擾。電纜應(yīng)有良好的防水性和絕緣性，接頭處應(yīng)密封。其直徑應(yīng)比探桿內(nèi)徑小，以便能將其順利穿過探桿，連接探頭和儀表。圖2—26　孔壓觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖2—27　常用觸探主機(jī)類型1—油缸；2—活塞桿；3—支架；4—探桿；5—底座；6—高壓油管；7—墊木；8—防塵罩；9—探頭；10—絲桿；11—螺母；12—變速箱；13—導(dǎo)向器；14—電動機(jī)；15—電纜線；16—搖把；17—鏈輪；18—齒輪皮帶輪；19—加壓鏈條；20—長軸銷；21—山形壓板；22—墊壓塊
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。