[發明專利]一種基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試方法及裝置

在審

• 申請號: 201810770673.3
• 申請日: 2018-07-13
• 公開（公告）號: CN108801357A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 朱鴻鵠;李豪杰;程剛;施斌;吳海穎
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 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的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置，包括底座(2)和機箱外殼(1)，其特征在于，底座(2)上設置機箱外殼(1)，機箱外殼(1)內相對的兩側內壁設置一對表面設有限位裝置的豎軌(3)，豎軌(3)之間設置承臺(4)，承臺(4)能夠沿豎軌(3)上下滑動，并能夠通過豎軌(3)表面的限位裝置固定在豎軌(3)上的任意位置，承臺(4)上設置步進電機(5)，探桿自上而下貫穿過機箱外殼(1)頂部、步進電機(5)、承臺(4)和底座(2)，貫入地基土或土樣中；所述的探桿包括貫入探桿(8)、傳動探桿(7)和可替換鉆頭(10)，所述的探桿底部與可替換鉆頭連接，所述的傳動探桿(7)與步進電機(5)的主動齒輪咬合，底部與貫入探桿(8)固定連接；通過信號傳輸光纖串聯光纖光柵傳感器，信號傳輸光纖從貫入探桿(8)中穿過與機箱外殼外的手持式FBG解調模塊(12)連接。

2.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置，其特征在于，所述的可替換鉆頭包括不同尺寸、材料的十字形鉆頭、“Y”形鉆頭和錐形鉆頭。

3.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置，其特征在于，所述的貫入探桿(8)為表面刻有V型槽的金屬探桿，光纖光柵傳感器固定于V型槽里面，表面用環氧樹脂封裝。

4.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置，其特征在于，所述的傳動探桿為截面呈方形的金屬齒桿，為一根或多根串聯。

5.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置，其特征在于，所述的機箱外殼(1)頂部設有載荷臺與水準氣泡(13)。

6.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置，其特征在于，所述的步進電機(5)上設有搖動手輪(6)，所述的步進電機具有三種檔位的傳動速度，在不供電的情況下能夠通過搖動手輪繼續推動傳動探桿。

7.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置，其特征在于，所述的光纖光柵傳感器包括光纖光柵應變傳感器和溫度傳感器。

8.權利要求1～7任一所述的基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置的使用方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)清場、就位：當在野外工作時，首先清理待測場地，將裝置底座固定在待測土體上方，載荷臺上放置適當重量的砝碼，水準氣泡居中；室內土樣測試時，先將水準氣泡居中，土樣置于底座上表面中心；然后將信號傳輸光纖連接至手持式FBG解調模塊；

2)貫入：步進電機通過轉動，帶動傳動探桿向下豎直運動，傳動探桿推動貫入探桿與可替換鉆頭垂直貫入待測的地基土或土樣中；令探桿和鉆頭依次下壓到不同深度的待測土層中；在此過程中貫入探桿上的光纖光柵傳感器實時記錄應變與溫度數據，并將這些數據通過信號傳輸光纖反饋至手持式FBG解調模塊，解調模塊實時進行記錄并自動儲存數據，從而獲知地基土的分類與分層及其工程性質指標；

3)取出：測試完成后通過步進電機將探桿緩慢從土中拔出，清理可替換鉆頭并將承臺沿豎軌向上移動至最高處，結束本次測試。

9.根據權利要求8所述的基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置的使用方法，其特征在于，步驟2)所述的待測土體和探桿溫度由貫入探桿V型槽中埋置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；所述的貫入探桿的軸向應變由V型槽中埋置的光纖光柵應變傳感器測得。

10.根據權利要求9所述的基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置的使用方法，其特征在于，步驟2)所述的地基土的分類與分層及其工程性質指標包括地基土體的強度、變形參數與分類分層信息，是通過貫入過程中所讀取的鉆頭阻力q_c、側壁阻力f_s數據確定，其中，分層信息由整個貫入過程中所讀取的鉆頭阻力q_c、側壁阻力f_s、摩阻比R_f分布信息共同確定，摩阻比R_f由公式計算；場地土類別劃分由對應貫入深度的鉆頭阻力q_c和摩阻比R_f的值確定；地基土的強度參數由對應貫入深度的鉆頭阻力q_c確定，具體如下：不排水抗剪強度C_u＝0.039q_c+2.7(鐵道部)；砂土的內摩擦角通過查閱鐵道部《靜力觸探技術規則》提供的表格確定；土體的變形參數主要包括黏土、砂土的壓縮、變形模量，這些參數均由經驗公式以及查表獲得；各土層承載力的平均值f₀由經驗公式f₀＝a+bq_c得出，式中：a、b為常數，其值由側壁阻力f_s決定；q_c為鉆頭阻力，其值由貫入探桿V型槽底部的光纖光柵應變傳感器和溫度傳感器測得的數據以及貫入探桿的相關參數確定，具體為q_c＝ε₁EA，式中：ε₁為貫入探桿底部光纖光柵測得的應變，E為貫入探桿的彈性模量，A為貫入探桿截面面積；側壁阻力f_s由地基土對應高度處的兩根光纖光柵應變傳感器和溫度傳感器測得數據和貫入探桿的相關參數確定，具體為f_s＝(ε_n-ε_n-1)EA，式中：ε_n為嵌在貫入探桿對應測試深度的光纖光柵測得的應變數據，ε_n-1為貫入探桿對應測試深度下方光纖光柵測得的應變數據，E為貫入探桿的彈性模量，A為貫入探桿截面面積。