一种标准贯入试验触探杆前端量测分析系统及方法

摘要

本发明涉及一种标准贯入试验触探杆前端量测分析系统及方法，该系统包括现场主机以及从上至下依次连接的触探杆、测量记录杆和对开式贯入器，所述的测量记录杆和对开式贯入器伸入钻孔内，所述的触探杆在伸出钻孔外的一端上固定有一锤垫，在锤垫上方76cm设置一能在触探杆上自由活动的穿心锤，所述的现场主机与测量记录杆通信。与现有技术相比，本发明具有无须杆长修正、避免发射干扰、防止计数误操作、实用性高、适用性广等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程原位测试领域，尤其是涉及一种标准贯入试验触探杆前端量测分析系统及方法。

背景技术

标准贯入试验是一种评价地基土物理力学性质的原位测试方法。由于其操作简单、地层适应性广等优点广泛应用于世界各地。该方法在现场用63.5kg的穿心锤，沿导杆自由下落76cm，通过钻杆将一定规格的对开贯入器打入土中，记录贯入30cm对应的锤击数为标准贯入锤击数N，并依此来判断土体的强度、土层的裱画及工程性质。

标准贯入试验的实质是将穿心锤的势能通过钻杆弹性冲击传递给贯入器，贯入器在冲击作用下插入一定深度的土层，整个能量转换和传递过程分为四个阶段：穿心锤落到锤垫、落垫撞击钻杆顶部锤垫、钻杆顶部锤垫传至钻杆底部贯入器和贯入器打入土中。每一阶段均会产生能量的损耗，同时随着杆长的增长，由钻杆传递给贯入器的有效能量逐渐减小，使得锤击数偏大，需要进行钻杆长度的修正。

目前对于标贯试验能量转换和传递的测量主要采用美国材料与试验协会(ASTM)提出的FV法，通过在上部钻杆同时测量钻杆轴向冲击力f(t)和加速度a(t)，再通过f(t)和速度v(t)乘积的积分来计算钻杆的总冲击弹性应变能，用于标贯贯入能量的分析。但是该方法存在以下局限性：

(1)该方法测得的轴向冲击力和加速度为钻杆顶部处所得，并没有考虑到上述能量传递过程的后面2个阶段，而能量在钻杆的损耗随杆长变化，使得所计算的能量与实际贯入土中的能量相差较大。依次测量结果修正的锤击数N仍然需要进行杆长修正。

(2)该方法所测得的钻杆内随时间变化的轴向冲击弹性应变、应力或总轴力是落锤撞击和反弹或反射随时间叠加和消减的总体表现，冲击力f(t)和速度v(t)积分的过程将这些噪声和传感器的余振均考虑了进去，存在较大差异。

(3)落锤锤击锤垫位置的很小改变会造成所测数据较大的变化。

(4)采用人工计数，操作人员在受到干扰时或锤数多时极易产生计数误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无须杆长修正、避免发射干扰、防止计数误操作、实用性高、适用性广的标准贯入试验触探杆前端量测分析系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种标准贯入试验触探杆前端量测分析系统，该系统包括现场主机以及从上至下依次连接的触探杆、测量记录杆和对开式贯入器，所述的测量记录杆和对开式贯入器伸入钻孔内，所述的触探杆在伸出钻孔外的一端上固定有一锤垫，在锤垫上方76cm设置一能在触探杆上自由活动的穿心锤，所述的现场主机与测量记录杆通信。

所述的测量记录杆内设有电源管理模块、测力传感器、第二放大滤波器、第二A/D转换器以及依次连接的加速度传感器、第一放大滤波器、第一A/D转换器、第一CPU处理器和第一USB接口，所述的测力传感器、第二放大器及滤波器、第二A/D转换器与第一CPU处理器依次连接，所述电源管理模块与测量记录杆内每一个模块连接并供电。

所述的现场主机包括系统总线以及分别与系统总线连接的第二CPU处理器、人机交互设备、存储器和第二USB接口，所述的第一USB接口与第二USB接口互相通讯。

所述的加速度传感器和测力传感器安装于测量记录杆内相同的水平高度。

所述的第一CPU处理器和第二CPU处理器的时间记录保持一致。

一种量测分析方法，包括以下步骤：

1)试验前，将测量记录杆与触探杆底端和对开式贯入器顶端连接，打开测量记录杆电源开始采集数据，将对开式贯入器钻至待测土层标高以上15cm处，清孔；

2)利用穿心锤自由落锤将对开式贯入器打入15cm后停止落锤，在现场主机通过人机交互设备设定试验开始，并记录开始时间；

3)采用自动脱钩的自由锤击法进行标准贯入试验，将贯入器垂直打入试验土层中，锤击速率小于30击/min，贯入土中30cm时终止试验，在现场主机上记录终止时间，若贯入不足30cm的锤击数已超过50击，终止试验，在现场主机上记录终止时间和打入深度；

4)提出贯入器，将贯入器中的土样取出进行鉴别描述并输入至现场主机内，将需要保存的土样保存；

5)重复步骤1)～4)，进行下一深度的标准贯入试验，直至所需深度。

6)卸下测量记录杆，通过USB接口和与现场主机相连，导出数据，根据每次标贯试验的起始时间，获取单次测试的加速度曲线和力曲线。

根据单次测试中力曲线的最大值F_max和加速度曲线a(t)在第一个半波长内的积分值A的乘积获得相对贯入能量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、无须杆长修正：本发明将标准贯入能量的量测设备置于触探杆底部，与贯入器紧密相连，实现了实际贯入能量的准确量测，量测的结果不受触探杆长度和不同机具的影响，无须进行杆长修正，减少了不确定性，量测结果与实际贯入能量的对应关系更加贴合。

二、避免发射干扰：本发明计算相对贯入能量时取力的最大值和加速度前半波长的积分值，这样避免了应力波能量在不同界面多次反射叠加造成的影响，回避了反射叠加在积分时间段的噪声干扰，简化了计算过程，保证了计算的准确性和可操作性。

三、防止计数误操作：本发明通过记录测力曲线和加速度曲线，自动对锤击数进行了测定，避免了操作人员在受到干扰或锤数多时产生的计数误差。

四、实用性高：本发明量测记录杆和现场主机分离，采用时间同步采集的方法，实现无线的量测和存储，便于在复杂试验现场的操作，提高了实用性。

五、适用性广：本发明可以直接安装于传统的标准贯入仪上使用，具有普遍的适应性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明测量记录杆的结构框图。

图3为本发明现场主机的结构框图。

图4为本发明测力信号的分析示意图。

图5为本发明加速度信号的分析示意图。

图中标记说明：

1、测量记录杆，1.1、加速度传感器，1.2、第一放大滤波器，1.3、第一A/D转换器，1.4、测力传感器，1.5、第二放大滤波器，1.6、第二A/D转换器，1.7、第一CPU处理器，1.8、第一USB接口，1.9、电源管理模块，2、现场主机，2.1、系统总线，2.2、第二CPU处理器，2.3、人机交互设备，2.4、存储器，2.5、第二USB接口，3、触探杆，4、贯入器，5、锤垫，6、穿心锤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例标准贯入试验触探杆前端量测分析系统包括设置在钻孔内的测量记录杆1、设置在钻孔外的现场主机2、触探杆3、对开式贯入器4、锤垫5和穿心锤6。测量记录杆1上端与触探杆3螺纹连接，下端与对开式贯入器4螺纹连接。触探杆通常使用直径为42mm的工程地质钻杆。触探杆3上端穿过锤垫5并与之固定，重为63.5kg的穿心锤6穿过触探杆3在锤垫5上方76cm范围内可自由活动。现场主机2单独置于钻孔外，与测量记录杆不需要通讯电缆连接。

如图2所示，测量记录杆包括加速度传感器1.1、1号放大器及滤波器1.2、1号A/D转换器1.3、测力传感器1.4、2号放大器及滤波器1.5、2号A/D转换器1.6、CPU处理器及存储器1.7、USB接口1.8、电源管理模块1.9。加速度传感器1.1与1号放大器及滤波器连接1.2，1号A/D转换器1.3与1号放大器及滤波器连接1.2，测力传感器1.4与2号放大器及滤波器1.5连接，2号A/D转换器1.6与2号放大器及滤波器连接1.5，A/D转换器1.5和1.6均与CPU处理器及存储器1.7相连，CPU处理器及存储器1.7与USB接口(通用串行总线)1.8相连，电源管理模块1.8与测量记录杆内每一个模块连接并为其供电。

如图3所示，现场主机2包括系统总线2.1、CPU处理器2.2、人机交互设备2.3、存储器2.4和USB接口(通用串行总线)2.5，CPU处理器2.2、人机交互设备2.3、存储器2.4、USB接口2.5均与系统总线2.1连接，USB通信接口1.5用于实现现场主机2与测量记录杆1之间的数据通信。人机交互设备2.3包括触摸屏、显示屏和光电旋钮(相当于电脑鼠标)。

测量记录杆1长度50cm，直径42mm，为避免能量损耗，测量记录杆1外壳采用与普通工程地质钻杆相近的材质。测量记录杆1内的加速度传感器1.1与测力传感器1.4在测量记录杆1内竖直安装，保持传感器1.1和1.4测得的是平行于触探杆3方向的加速度和力。测量记录杆1内的CPU处理器1.7与现场主机内的CPU处理器2.2的时间记录保持严格一致，由于测量记录杆1无线安装于钻孔内，需要通过时间同步在现场主机2记录试验时间，以提取每一次标贯试验测量记录杆1测量的信号。

利用上述标准贯入试验触探杆前端量测分析系统的试验方法，包括如下步骤：

步骤1：试验时，将测量记录杆1与触探杆3底端和对开式贯入器4顶端连接好后，打开测量记录杆电源开始采集数据，将对开式贯入器4钻至待测土层标高以上15cm处，清除残土同时避免试验土收到扰动。

步骤2：利用穿心锤6自由落锤将对开式贯入器4打入15cm后停止落锤，在现场主机2通过人机交互设备2.3设定试验开始，并记录开始时间。

步骤3：采用自动脱钩的自由锤击法进行标准贯入试验，将贯入器4垂直打入试验土层中，锤击速率小于30击/min，贯入土中30cm时终止试验，在现场主机上记录终止时间。如贯入不足30cm的锤击数已超过50击，终止试验，在现场主机2上记录终止时间和打入深度。

步骤4：提出贯入器4，将贯入器4中的土样取出进行鉴别描述并输入至现场主机内，将需要保存的土样保存。

步骤5：重复步骤1～4，进行下一深度的标准贯入试验，直至所需深度。

步骤6：卸下测量记录杆1，通过USB接口1.8和2.3与现场主机2相连，导出数据。根据每次标贯试验的起始时间，提取单次测试的加速度曲线和力曲线。现场主机完成自动分析每次锤击的相对贯入能量，并自计算实际锤击数。

如图4和图5所示，步骤6中现场主机识别单次落锤的力曲线的最大值f(t₁)和加速度曲线的第一个半波长内(t₀至t₂)的积分值A相乘得到相对贯入能量，通过综合分析比对不同深度计算的相对贯入能量，对实际锤击数进行修正。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。