[發明專利]一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置及方法

在審

• 申請號: 201710983777.8
• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN107727483A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 朱鴻鵠;周谷宇;朱寶;施斌
• 申請（專利權）人: 南京大學（蘇州）高新技術研究院
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 馮慧

1.一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置，其特征在于，包括多功能探頭、迥轉鉆進裝置、光纖光柵無線解調儀、機箱外殼和底座，多功能探頭穿過底座貫入地基土體中，另一頭連接迥轉鉆進裝置再經由信號傳輸光纖與光纖光柵無線解調儀連接，迥轉鉆進裝置外設機箱外殼，機箱外殼和底座連接；所述的多功能探頭包括Y字形板頭和錐尖測頭，錐尖測頭安裝在Y字形板頭的底端；所述的迥轉鉆進裝置包括探桿、卡盤、步進電機、安裝平臺、壓入主機和固定裝置，所述的探桿自下而上貫穿整個迥轉鉆進裝置，依次穿過卡盤、步進電機、安裝平臺和壓入主機，探桿底部與多功能探頭連接；迥轉鉆進裝置通過固定裝置安裝在機箱外殼內壁；所述的底座下部設置滾輪和支座。

2.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置，其特征在于，所述的Y字形板頭由三塊夾角互為120°的三角形金屬側板組成，各金屬側板上都安裝側板光纖光柵應變傳感器，側板光纖光柵應變傳感器通過信號傳輸光纖互相串聯。

3.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置，其特征在于，所述的Y字形板頭的側板上刻有細槽，側板光纖光柵應變傳感器緊緊黏貼在細槽中間，表面覆蓋一層環氧樹脂。

4.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置，其特征在于，所述的錐尖測頭由下往上依次設置錐尖頭、傳力柱、彈性金屬膜片、錐尖頭光纖光柵應變傳感器和光纖光柵溫度傳感器；錐尖頭光纖光柵應變傳感器緊貼在彈性金屬膜片上，通過信號傳輸光纖與光纖光柵溫度傳感器串聯。

5.根據權利要求4所述的一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置，其特征在于，所述的彈性金屬膜片為四周固定的等厚度圓形薄板。

6.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置，其特征在于，所述的探桿為單個或多個串聯，探桿側邊開有細縫，剛好允許信號傳輸光纖穿過細縫，并放置在探桿中空部分。

7.使用權利要求1～6任一所述的一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置的方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)清場、就位：清理并平整待測場地，裝置底座固定在待測地基上方，將信號傳輸光纖連接至光纖光柵無線解調儀；

2)貫入：壓入主機提供推力，將多功能探頭垂直貫入到所要測試的地基深度，測量多功能探頭的錐尖阻力和溫度變化；

3)剪切：用卡盤將探桿卡住，靜置數分鐘，多功能探頭在步進電機作用下，以預先設置好的剪切速率在土層中緩慢旋轉，直至將周圍土體完全剪破，測量地基土抗剪強度；

4)再貫入：完成一次測試后，靜置數分鐘，將多功能探頭下壓到要測試的各個深度，重復步驟2和步驟3的操作；

5)取出：測試完成后將探桿緩慢從土中拔出，清理多功能探頭，測試中所有數據均用光纖光柵無線解調儀實時采集、記錄保存在本地和/或上傳至云端。

8.根據權利要求7所述的使用基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置的方法，其特征在于，步驟(2)所述的多功能探頭溫度由錐尖測頭中的光纖光柵溫度傳感器測得，并用作光纖光柵應變傳感器的溫度補償。

9.根據權利要求7所述的使用基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置的方法，其特征在于，步驟(2)所述的多功能探頭的錐尖阻力經過理論公式推導得出：式中p_s為錐尖阻力；ε為彈性金屬膜片的切向應變，由貼在上面的錐尖頭光纖光柵應變傳感器測得；E、h、v分別為彈性金屬膜片的彈性模量、厚度和泊松比。

10.根據權利要求7所述的使用基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置的方法，其特征在于，步驟(3)所述的地基土抗剪強度經過理論公式推導得出：式中：τ_f為地基土抗剪強度，E為Y字形板頭側板的彈性模量；α為剪切時側板的軸向應變與徑向應變的比值，通過標定試驗確定；ε₁、ε₂、ε₃分別為Y字形板頭各個側板上的徑向應變，由貼在側板上的側板光纖光柵應變傳感器測得；R、H分別為Y字形板頭半徑和高度。