[發(fā)明專利]一種基于光纖光柵的孔壓靜力觸探探頭及其靜力觸探試驗(yàn)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010814665.1
• 申請(qǐng)日: 2020-08-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111809596A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫義杰;任存;徐洪鐘;施斌;張丹;朱鴻鵠;高建勇;竺秉坤;劉濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): E02D1/00
• 分類號(hào): E02D1/00
• 代理公司: 南京業(yè)騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 32321
• 代理人: 董存壁

1.一種基于光纖光柵的孔壓靜力觸探探頭，包括錐頭、摩擦筒、壓力感應(yīng)梁、導(dǎo)接桿、傳力柱和孔壓檢測(cè)腔，其特征在于：所述壓力感應(yīng)梁的數(shù)量為兩個(gè)，且分別設(shè)為上部壓力感應(yīng)梁和下部壓力感應(yīng)梁，所述傳力柱的數(shù)量為兩個(gè)，且分別設(shè)為第一傳力柱和第二傳力柱，所述導(dǎo)接桿、上部壓力感應(yīng)梁、第一傳力柱、下部壓力感應(yīng)梁和第二傳力柱從上至下依次設(shè)在摩擦筒內(nèi)，所述上部壓力感應(yīng)梁的上下兩端分別與導(dǎo)接桿、第一傳力柱螺紋連接，所述下部壓力感應(yīng)梁的上下兩端分別與第一傳力柱、第二傳力柱螺紋連接，在上部壓力感應(yīng)梁、下部壓力感應(yīng)梁上設(shè)有光纖光柵，在導(dǎo)接桿、上部壓力感應(yīng)梁、下部壓力感應(yīng)梁、第一傳力柱上設(shè)有相互導(dǎo)通的通孔，所述孔壓檢測(cè)腔設(shè)在第二傳力柱和錐頭之間，在孔壓檢測(cè)腔內(nèi)設(shè)有變形膜，變形膜上設(shè)有光纖光柵，所述光纖光柵連接有通信光纖，所述通信光纖從導(dǎo)接桿的通孔處伸出。

2.按權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵孔壓靜力觸探探頭，其特征在于：所述壓力感應(yīng)梁為門(mén)字梁，所述門(mén)字梁包括與導(dǎo)接桿軸心平行的兩根豎梁，各豎梁兩側(cè)面分別粘貼有光纖光柵。

3.按權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的孔壓靜力觸探探頭，其特征在于：在導(dǎo)接桿與摩擦筒的內(nèi)壁面配合處設(shè)有止水橡膠圈，在傳力柱與摩擦筒的內(nèi)壁面配合處設(shè)有止水橡膠圈。

4.按權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的孔壓靜力觸探探頭，其特征在于：在錐頭與摩擦筒的連接處設(shè)有止水橡膠圈和透水石。

5.按權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的孔壓靜力觸探探頭，其特征在于：所述光纖光柵為光纖布拉格光柵。

6.一種按權(quán)利要求1所述的靜力觸探試驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、將孔壓靜力觸探探頭壓入土中，分析所受土層的阻力包括：錐尖阻力q_c、側(cè)壁摩阻力f_s；

S2、對(duì)于下部壓力感應(yīng)梁：

p₁＝k₀₁ε₀₁，(1)；

上式中，p₁為貫入阻力，對(duì)于下部壓力感應(yīng)梁，只有錐尖阻力，k₀₁為比例系數(shù)，ε₀₁為下部門(mén)字梁受壓下軸向應(yīng)變；

對(duì)于光纖光柵，波長(zhǎng)變化率與應(yīng)變溫度變化存在如下關(guān)系：

上式中，Δλ為光纖光柵波長(zhǎng)變化，λ為初始波長(zhǎng)，k₁為應(yīng)變比例系數(shù)，ε為光纖光柵應(yīng)變，k₂為溫度比例系數(shù)，ΔT為溫度變化；

S3、在下部壓力感應(yīng)梁從左到右對(duì)稱粘貼四支光纖光柵F₁，F(xiàn)₂，F(xiàn)₃，F(xiàn)₄，光纖光柵的應(yīng)變分別為ε₁，ε₂，ε₃，ε₄波長(zhǎng)分別記為λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，不同壓力下的波長(zhǎng)變化分別為Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，則：

上式中，k為光纖光柵的應(yīng)變系數(shù)，當(dāng)選取的光柵波長(zhǎng)相近時(shí)，應(yīng)變系數(shù)近似相等，計(jì)算中溫度項(xiàng)被約掉，將式(3)帶入式(1)，化簡(jiǎn)得：

p₁＝ζ₁ω₁，(4)；

上式中，

S4、對(duì)于上部壓力感應(yīng)梁，受錐尖阻力和摩擦阻力共同作用；標(biāo)定過(guò)程中摩擦阻力為0；錐尖阻力通過(guò)傳力柱傳入上部光纖光柵：

p₂＝k₀₂ε₀₂，(7)；

上式中，p₂為錐尖阻力和摩擦阻力共同作用的合阻力，k₀₂為比例系數(shù)，ε₀₂為上部門(mén)字梁受壓下軸向應(yīng)變；

在上部壓力感應(yīng)梁從左到右對(duì)稱粘貼四支光纖光柵F₅，F(xiàn)₆，F(xiàn)₇，F(xiàn)₈，光纖光柵的應(yīng)變?yōu)棣?Sub>5，ε₆，ε₇，ε₈，波長(zhǎng)分別記為λ₅，λ₆，λ₇，λ₈，不同壓力下的波長(zhǎng)變化分別為Δλ₅，Δλ₆，Δλ₇，Δλ₈，則：

計(jì)算中溫度項(xiàng)被約掉，其中k為光纖光柵的應(yīng)變系數(shù)，當(dāng)選取的光柵波長(zhǎng)相近時(shí)，應(yīng)變系數(shù)近似相等，將式(8)帶入式(7)，化簡(jiǎn)得：

p₂＝ζ₂ω₂，(9)；

上式中，

S5、標(biāo)定過(guò)程可同時(shí)測(cè)出比例系數(shù)ζ₁、ζ₂，在室內(nèi)試驗(yàn)與原位測(cè)試中，錐尖阻力q_c：

上式中，A₁為靜力觸探頭橫截面積；

側(cè)壁摩阻力f_s：

上式中，A₂為摩擦筒表面積；

S6、對(duì)孔壓檢測(cè)腔進(jìn)行標(biāo)定：

u＝k₀₃ε₀₃ (14)；

上式中，u為作用于變形膜上的孔隙水壓，k₀₃為比例系數(shù)，ε₀₃為變形膜軸向應(yīng)變；

S7、在變形膜粘貼有光纖光柵F₉，光纖光柵的應(yīng)變?yōu)棣?Sub>9，波長(zhǎng)記為λ₉，波長(zhǎng)變化為Δλ₉，則：

其中，k為光纖光柵的應(yīng)變系數(shù)，當(dāng)選取的光柵波長(zhǎng)相近時(shí)，應(yīng)變系數(shù)近似相等，將式(15)帶入式(14)，化簡(jiǎn)得：

u＝ζ₃ω₃，(16)；

上式中，