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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 孔壓靜力觸探探頭的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 靜力觸探技術(shù)廣泛用于水利、民用建筑、公路鐵路、橋梁隧道等工程。我國(guó)靜力觸探主要使用單雙橋探頭，孔壓靜力觸探探頭應(yīng)用較少。本作品在20t大載荷下保持良好的靜態(tài)特性，能用于深孔及較硬土層的觸探；能夠獨(dú)立測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩檫力，消除了錐尖阻力和側(cè)壁摩檫力的相互干擾。檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)貫入。避免了探頭上電纜帶來(lái)的問(wèn)題，連續(xù)貫入不會(huì)丟失薄層信息，提高工程勘察精度，縮短工程勘察周期。
- 詳細(xì)介紹：
- 靜力觸探技術(shù)廣泛用于水利工程，工業(yè)與民用建筑工程，公路鐵路，橋梁隧道等工程。探頭是靜力觸探設(shè)備的核心部件，探頭質(zhì)量的好壞直接影響著靜力觸探實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可靠性。我國(guó)靜力觸探主要使用單雙橋探頭，孔壓靜力觸探探頭應(yīng)用較少。國(guó)外孔壓靜力觸探技術(shù)比較成熟，開(kāi)始使用無(wú)電纜孔壓探頭。該孔壓靜力觸探探頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，能夠在20t大載荷下保持良好的靜態(tài)特性，適用于深孔及較硬土層的觸探；變形柱結(jié)構(gòu)采用雙變形柱，能夠獨(dú)立測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩檫力，消除了錐尖阻力和側(cè)壁摩檫力的相互干擾。檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)貫入。避免了探頭上電纜帶來(lái)的問(wèn)題，特別是連續(xù)貫入不會(huì)丟失薄層信息，提高工程勘察精度，縮短工程勘察周期。希望最終能夠提高我國(guó)靜力觸探技術(shù)水平，推動(dòng)孔壓靜力觸探工藝在工程勘察中的普及。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的和意義： 靜力觸探是用壓力裝置將探頭勻速壓入地層，測(cè)試土的物理、力學(xué)指標(biāo)的一種原位測(cè)試方法，廣泛用于水利工程，工業(yè)與民用建筑工程，公路鐵路，橋梁隧道等工程，我國(guó)靜力觸探主要使用單雙橋探頭，孔壓靜力觸探探頭應(yīng)用較少。本作品可進(jìn)行土體原位的力學(xué)性能測(cè)試，消除了鉆探取樣分析中由于擾動(dòng)引起的誤差。該探頭測(cè)量的力學(xué)參數(shù)可以用來(lái)劃分土層；評(píng)定地基土的物理、力學(xué)、滲透性質(zhì)的相關(guān)參數(shù)；確定單樁極限承載力；判斷地基土液化的可能性。該設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)貫入，避免丟失軟弱薄夾層信息，提高工程勘察精度，縮短工程勘察周期，提高我國(guó)靜力觸探技術(shù)水平，最終實(shí)現(xiàn)孔壓靜力觸探工藝在工程勘察中的普及。 基本思路： 1.研究分析國(guó)內(nèi)外已有孔壓靜力觸探探頭的結(jié)構(gòu)及其載荷傳遞特性，設(shè)計(jì)新型孔壓靜力觸探探頭結(jié)構(gòu)。 2.用計(jì)算機(jī)軟件建立實(shí)體模型，并做優(yōu)化設(shè)計(jì)。 3.對(duì)探頭作受力分析，應(yīng)用有限元方法分析變形柱貼片區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律，確定最佳貼片位置。 4.通過(guò)結(jié)構(gòu)及密封方式改進(jìn)，提高探頭密封性能。 5.信號(hào)采用無(wú)線傳輸方式，設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，編寫軟件程序。 6.探頭進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，驗(yàn)證其可行性。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.該探頭為雙變形柱結(jié)構(gòu)，能夠獨(dú)立測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力，測(cè)量數(shù)據(jù)互不干擾，更加準(zhǔn)確、可靠。 2.信號(hào)采用無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)貫入，避免了連接探桿停頓而丟失軟弱薄夾層信息。 技術(shù)關(guān)鍵： 1.探頭變形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及仿真分析。 2.復(fù)雜環(huán)境下，檢測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 孔壓靜力觸探探頭不僅可以與單雙橋探頭一樣測(cè)量錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦力fs，還可以測(cè)量孔隙水壓力u。在我國(guó)，單雙橋探頭仍占統(tǒng)治地位，孔壓靜力觸探探頭應(yīng)用較少。國(guó)外孔壓靜力觸探技術(shù)比較成熟，開(kāi)始使用無(wú)電纜孔壓探頭。該申報(bào)作品與國(guó)內(nèi)外同類探頭相比，探頭雙變形柱結(jié)構(gòu)能夠獨(dú)立的測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力，避免了錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力的相互影響，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可靠性。檢測(cè)數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，為?shí)現(xiàn)連續(xù)貫入提供了保障，很好的解決了在工程勘察過(guò)程中有纜探頭存在的問(wèn)題（處理鉆桿時(shí)耗費(fèi)時(shí)間，電纜和連接頭容易損壞，添加探桿造成的探入停頓常常丟失軟弱薄夾層的信息等）。該探頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，能夠在20t大載荷下保持良好的靜態(tài)特性，適用于深孔及較硬土層的觸探。 該探頭結(jié)構(gòu)中，土層孔隙水壓力透過(guò)透水層（10）傳遞給孔隙水壓力傳感器(7)，探頭內(nèi)部電路將變形柱1(6)和變形柱2(4)的形變轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線傳輸方式將測(cè)量信號(hào)傳送到地面進(jìn)行分析。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1.2009年國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目。 2.一項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利已受理（受理號(hào)：201110043703.9）。 3.在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得二等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- ■實(shí)物、產(chǎn)品 ■圖紙 ■圖片 ■樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明： 孔壓靜力觸探探頭主要由錐頭、摩擦筒、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)四部分組成。探頭在被壓入土層中時(shí)，錐尖受到土的阻力，摩擦筒受到土的摩擦力，同時(shí)土層中的水受到孔隙壓力作用通過(guò)透水層傳遞到探頭內(nèi)部，且具有一定的壓力，這些力通過(guò)探頭內(nèi)部的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸?shù)降孛妗＜夹g(shù)人員分析得到的數(shù)據(jù)，最終可以方便的得到土的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1.探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙變形柱，消除了錐尖阻力和側(cè)壁摩檫力的相互影響，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、可靠。 2.該作品采用無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)貫入。 適用范圍： 該作品主要適用于粘性土、粉性土、砂性土。就各類水利工程、工業(yè)與民用建筑工程、公路橋梁工程等。 推廣應(yīng)用前景的技術(shù)性說(shuō)明： 單雙橋靜力觸探測(cè)量參數(shù)單一,應(yīng)用分辨率低,探頭規(guī)格與國(guó)際通用也不盡相同，這給測(cè)試成果比較和國(guó)際學(xué)術(shù)交流造成了較大的困難。孔壓靜力觸探具備輕便、快速、分辨率高、功能多等優(yōu)點(diǎn)，縮短工程勘察周期，節(jié)省大量勘察費(fèi)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度看，孔壓靜力觸探必將取代單雙橋探頭。
同類課題研究水平概述
- 靜力觸探作為一種輕便、快速、效率高的原位測(cè)試技術(shù),在土體工程勘察和巖土工程監(jiān)測(cè)、檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用[2]。它是將探頭用準(zhǔn)靜力壓入土中，測(cè)試土的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)。其測(cè)試成果可用來(lái)劃分土層和土類，求取土的各種工程性質(zhì)指標(biāo)，確定地基承載力，確定單樁極限承載力，判斷地基土液化的可能性[5]。在工程勘查現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行靜力觸探測(cè)試時(shí)，不用取樣，其結(jié)果的可靠性與再現(xiàn)性均好，且采用電測(cè)技術(shù)，便于實(shí)現(xiàn)測(cè)試與結(jié)果處理的微機(jī)化和自動(dòng)化，這些都是許多其他原位測(cè)試技術(shù)所不具備的。所以靜力觸探技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景。 國(guó)外在1932年荷蘭工程師進(jìn)行了世界上第一次靜力觸探試驗(yàn)，1935年荷蘭Delft土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室第一主任T.K.Huizinga設(shè)計(jì)并使用了10t的荷蘭錐貫入裝置，并開(kāi)始用于樁承載力試驗(yàn)的研究[5]。隨后幾年國(guó)外的觸探探頭經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，1948年，荷蘭市政工程師Bakker研制出世界上第一個(gè)電測(cè)式的探頭。挪威土工研究所(NGI) 的Janbu 和Senneset在1974年最早研制成功電測(cè)式孔壓靜力觸探探頭。隨著靜力觸探技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外在標(biāo)準(zhǔn)靜力觸探技術(shù)的基礎(chǔ)上，在探頭上加各種傳感器，從而形成了新的靜力觸探技術(shù)。這些技術(shù)有的已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?，有的尚在研究改進(jìn)階段。國(guó)外從上世紀(jì)40年代靜力觸探技術(shù)的出現(xiàn)開(kāi)始到現(xiàn)在一直沒(méi)有放棄對(duì)靜力觸探技術(shù)的改進(jìn)工作, 無(wú)論從探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是在探頭的制造工藝方面都取得了很大的進(jìn)步。孔壓靜力觸探技術(shù)在國(guó)外發(fā)展已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用也十分廣泛。 目前國(guó)外靜力觸探技術(shù)已經(jīng)朝著多功能方向發(fā)展，研制出了適用于不同場(chǎng)合、不同測(cè)試要求的探頭.孔壓靜力觸探探頭、電阻率靜力觸探探頭、視頻成像靜力觸探技術(shù)(GeoV IS)等。上述探頭在國(guó)外被主要用于地球表層及海底土層的勘察和數(shù)據(jù)分析以及橋梁、房屋等建筑物、公路、鐵路、水文、石油、機(jī)場(chǎng)、堤壩、隧道、環(huán)境考察等項(xiàng)目的地質(zhì)勘測(cè)。國(guó)外除對(duì)探頭技術(shù)不斷改進(jìn)外，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸和解決了貫入系統(tǒng)的連續(xù)貫入問(wèn)題。 我國(guó)靜力觸探試驗(yàn)開(kāi)始于1954年，60年代研制出了電阻應(yīng)變式探頭（比荷蘭早4～5年），并通過(guò)近百組對(duì)比試驗(yàn)建立了貫入阻力與天然地基載力的統(tǒng)計(jì)公式。但自80年代以后我國(guó)對(duì)探頭傳感器技術(shù)改進(jìn)很少,現(xiàn)主要使用的是單橋和雙橋探頭。
