[發明專利]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方法

在審

• 申請號: 202010814665.1
• 申請日: 2020-08-13
• 公開（公告）號: CN111809596A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）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（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: E02D1/00
• 分類號: E02D1/00
• 代理公司: 南京業騰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32321
• 代理人: 董存壁

本發明公開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方法，設有孔壓檢測腔，當水進入孔壓檢測腔，受到水壓力作用，壓力膜會產生變形，光纖光柵波長會產生變化。摩擦筒與錐頭連接處設有透水石，以保證水能進入孔壓檢測腔。與外側連接處均用橡膠圈連接，以保持探頭良好的防水性能。基于光纖光柵的孔壓靜力觸探探頭，拓寬了靜力觸探試驗的技術手段。本次發明引入的壓力感測梁結構，在后續數據處理中能將溫度項自動抵消，實現溫度自補償，具有靈敏度高、穩定性好、絕緣、防水、耐腐蝕，容易實現遠距離信號傳輸和測量控制等優點，并且可在惡劣環境下工作，為后續將光纖光柵靜力觸探技術廣泛應用于實際工程奠定基礎。

技術領域

本發明涉及巖土工程勘察技術領域中的原位測試技術，具體涉及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方法。

背景技術

靜力觸探是一種重要的原位測試方法，但傳統靜力觸探探頭多采用電測式探頭，其原理是利用傳感器將探頭所受阻力轉換為電信號，然后借助電纜傳送到記錄儀并記錄下來，孔壓探頭具有雙橋探頭的所有部件，另外還有孔隙水壓傳感器，可在測得側壁摩擦阻力和錐尖阻力的同時還能測得孔隙水壓力。進而實現土類定名、土層界面劃分、評定地基土物理與力學性質、提供淺基承載力和預估單樁承載力等巖土工程勘察的目的。因此傳統孔壓探頭和雙橋探頭一樣存在防水性能不足，易受電磁干擾，零漂、溫漂、勘測深度較淺等問題。這些問題限制了靜力觸探在諸多方面的應用。

發明內容

發明目的：本發明目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于光纖光柵的孔壓靜力觸探探頭。

技術方案：本發明所述的基于光纖光柵的孔壓靜力觸探探頭，包括錐頭、摩擦筒、壓力感應梁、導接桿、傳力柱和孔壓檢測腔，所述壓力感應梁的數量為兩個，且分別設為上部壓力感應梁和下部壓力感應梁，所述傳力柱的數量為兩個，且分別設為第一傳力柱和第二傳力柱，所述導接桿、上部壓力感應梁、第一傳力柱、下部壓力感應梁和第二傳力柱從上至下依次設在摩擦筒內，所述上部壓力感應梁的上下兩端分別與導接桿、第一傳力柱螺紋連接，所述下部壓力感應梁的上下兩端分別與第一傳力柱、第二傳力柱螺紋連接，在上部壓力感應梁、下部壓力感應梁上設有光纖光柵，在導接桿、上部壓力感應梁、下部壓力感應梁、傳力柱和孔壓檢測腔上設有相互導通的通孔，所述孔壓檢測腔設在第二傳力柱和錐頭之間，在孔壓檢測腔內設有變形膜，變形膜上設有光纖光柵，所述光纖光柵連接有通信光纖，所述通信光纖從導接桿的通孔處伸出。

作為本發明的進一步改進，所述壓力感應梁為門字梁，所述門字梁包括與導接桿軸心平行的兩根豎梁，各豎梁兩側面分別粘貼有光纖光柵。

作為本發明的進一步改進，在導接桿與摩擦筒的內壁面配合處設有止水橡膠圈，在傳力柱與摩擦筒的內壁面配合處設有止水橡膠圈。

作為本發明的進一步改進，在錐頭與摩擦筒的連接處設有止水橡膠圈和透水石。

作為本發明的進一步改進，所述光纖光柵為光纖布拉格光柵。

本發明還包括一種基于光纖光柵的孔壓靜力觸探探頭的靜力觸探試驗方法，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、側壁摩阻力f_s；

S2、對于下部壓力感應梁：

p₁＝k₀₁ε₀₁， (1)；

上式中，p₁為貫入阻力，對于下部壓力感應梁，只有錐尖阻力，k₀₁為比例系數，ε₀₁為下部門字梁受壓下軸向應變；

對于光纖光柵，波長變化率與應變溫度變化存在如下關系：