[發(fā)明專利]一種用于探測地下磁場強(qiáng)度的孔壓靜力觸探探頭

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210583693.2
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103046524A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉松玉;蔡國軍;鄒海峰
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: E02D1/00
• 分類號: E02D1/00;E02D1/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可用于探測地下磁場強(qiáng)度的孔壓靜力觸探探頭，屬于巖土工程領(lǐng)域中一種能夠直接、連續(xù)地分析測試地下磁場強(qiáng)度分布的靜力觸探裝置。

背景技術(shù)

靜力觸探技術(shù)是指利用壓力裝置將帶有觸探頭的觸探桿壓入試驗(yàn)土層，通過量測系統(tǒng)測試土的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力等，可確定土的某些基本物理力學(xué)特性，如土的變形模量、土的容許承載力等。靜力觸探技術(shù)至今已有80多年的歷史。國際上廣泛應(yīng)用靜力觸探，部分或全部代替了工程勘察中的鉆探和取樣。我國于1965年首先研制成功電測式靜力觸探并應(yīng)用于勘察。近幾年隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的靜力觸探技術(shù)，這些技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地獲得土層的孔隙水壓力、地震波、污染物性狀、溫度、甚至影像。我國在新型靜力觸探傳感器的研究起步比較晚，目前國內(nèi)廣泛使用的單雙橋靜力觸探僅能夠測試的貫入阻力或比貫入阻力，側(cè)壁摩阻力，可確定的土層基本物理力學(xué)特性非常有限。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下土層中往往埋藏有混凝土樁、鋼樁、隔離墻以及高壓電線、軍用光纜、能源管線等地下結(jié)構(gòu)。混凝土樁和鋼樁等堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)物會損壞靜力觸探探頭；高壓線、能源線和管線等結(jié)構(gòu)的損壞會對社會安全造成隱患，同時會產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)的損失。此外，城市地下空間的開發(fā)也需要對地下障礙物埋藏位置和區(qū)域進(jìn)行合理判別。因此地下障礙物分布范圍的鑒別不但有利于保證靜力觸探設(shè)備的耐久性，還可避免對地下設(shè)施造成潛在的損毀，同時也可服務(wù)于地下工程的設(shè)計(jì)。

當(dāng)?shù)叵抡系K物中含有鐵、鋼等金屬或有電流通過時，其附近的磁場會發(fā)生顯著改變，因此對磁場強(qiáng)度的檢測可以準(zhǔn)確確定地下障礙物的存在與否。磁場強(qiáng)度可采用霍爾傳感器進(jìn)行測量。當(dāng)霍爾傳感器垂直置于磁場中時，若兩側(cè)通過恒定電流，則將會在垂直于電流和磁場的另外兩側(cè)方向上產(chǎn)生電勢差。將6個性能接近的霍爾傳感器分別貼在立方體的6個表面，則可以測定三個垂直正交方向的磁場強(qiáng)度，從而得到三維磁場的分布。霍爾傳感器對磁場非常敏感，且結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可在探頭內(nèi)部狹窄間隙中進(jìn)行測量，頻率響應(yīng)寬，輸出電壓變化大，靈敏度高，使用壽命長，還可測量非均勻磁場。本發(fā)明基于常規(guī)的靜力觸探探頭，提出了一種方便、快捷、測試成本低廉的磁場強(qiáng)度原位測試儀器，為巖土工程實(shí)踐和地下空間開發(fā)提供有力的檢測工具。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對國內(nèi)現(xiàn)有單雙橋靜探技術(shù)存在的缺陷，提出一種用于探測地下磁場強(qiáng)度的孔壓靜力觸探探頭。

技術(shù)方案：本發(fā)明的用于探測地下磁場強(qiáng)度的孔壓靜力觸探探頭，采用同軸電纜傳遞信號和數(shù)據(jù)，在探頭的上部設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、前置放大器、采樣電阻、三維磁場測量元件、三分量地震檢波器以及測斜儀；在探頭的下部設(shè)有側(cè)壁摩擦筒，側(cè)壁摩擦筒內(nèi)設(shè)有孔隙水壓力傳感器，在側(cè)壁摩擦筒的下部連接有圓錐探頭，孔壓過濾環(huán)位于側(cè)壁摩擦筒和圓錐探頭之間。

磁場強(qiáng)度量程設(shè)置為0～±20mT、0～±200mT和0～±2000mT三個檔位，分辨率為0.01mT。

三維磁場測量元件尺寸為5mm×5mm×5mm，工作電壓為220V，頻率為50Hz，輸出電壓為0～10V，工作溫度范圍為-40℃～60℃。

圓錐探頭的錐角為60°，錐底截面積為10cm²，摩擦筒表面積150cm²。

孔壓過濾環(huán)厚度5mm，位于錐肩位置，探頭的有效面積比為0.8。

本發(fā)明的可探測地下磁場強(qiáng)度的孔壓靜力觸探探頭，其磁場強(qiáng)度探測部分主要由同軸電纜、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、前置放大器、采樣電阻、三維磁場測量元件及其內(nèi)部的電路系統(tǒng)組成。試驗(yàn)前，根據(jù)測試區(qū)域大致的磁場強(qiáng)度范圍，分別為三個測試方向(豎向和水平向)選擇合適的量程。探頭貫入地下土層時，地表動力系統(tǒng)為三維磁場測量元件提供電源。在電流和地下磁場作用下霍爾元件兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，因此三維磁場測量元件輸出三個測試方向的電信號，電路將這一電信號傳輸至前置放大器進(jìn)行放大，然后傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于霍爾元件的輸入電阻容易受到溫度和電流變化的影響，導(dǎo)致磁場強(qiáng)度不變時輸出電壓也會發(fā)生漂移，使得磁場測量存在精度誤差。因此在電路中設(shè)計(jì)有采樣電阻，利用電壓比測量法來抵消溫度變化的影響，實(shí)現(xiàn)對磁場的精密測量。所有測量和記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，經(jīng)同軸電纜傳輸至地表的微機(jī)采集和存儲系統(tǒng)中保存，繪出實(shí)時連續(xù)的剖面圖。