一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置及方法

1.本发明涉及基质吸力传感器技术领域，尤其是一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置及方法。


背景技术：

2.非饱和土的基质吸力不但影响土体的强度，而且影响了土体的变形规律。基质吸力和净应力构成非饱和土力学中的双应力变量，已经用于非饱和土模型构建、计算和理论分析。实验室测量基质吸力的方法有轴平移法、滤纸法和露点法等；野外现场则通过安装张力计、热传导吸力传感器等来监测测点位置的基质吸力。近年来，最常用于现场基质吸力测量的是热传导基质吸力传感器。
3.热传导基质吸力传感器由多孔陶瓷探头和温敏元件两部分构成，当使用热传导基质吸力传感器时，需要将饱和的探头首先埋入土中，使低进气值的陶瓷探头能够与周围土体交换水分，以达到与周围土体基质吸力平衡的状态。一旦平衡状态达成，传感器内部的发热器会产生热能，并通过陶瓷头扩散到周围。通过精确测量间隔一段时间的温度差，可以获得陶瓷头的热扩散性能，而热扩散性能与陶瓷头中的水分含量存在确定的关系，同时水分含量与其中的基质吸力也存在对应关系。因此，通过测量每次散热的温度差，就可以间接测量探头周围的基质吸力。
4.现阶段安装热传导基质吸力传感器的主要方法是先用钻机钻孔至监测位置，形成一个钻孔，然后将基质吸力传感器送入孔底，最后将吸力传感器连接到数据采集仪读取数据，在安装基质吸力传感器的过程中常采用钢筋等将其推至孔底监测位置。
5.发明人发现，上述安装基质吸力传感器的方案存在着以下几点不足：1.当基质吸力传感器的安装深度较深时，操作较为困难，不易使得基质吸力传感器和周围土体充分接触，从而导致测量数据不准确，存在较大误差。
6.2.如果需要在多个深度安装吸力传感器，在一个钻孔孔底只安装一个吸力传感器的情况下，埋设效率低，工程量大。
7.3.若在同一钻孔多深度安装吸力传感器，如何将多个吸力传感器固定至不同深度，仍是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置及方法，使得基质吸力传感器和原状土体能够充分接触，陶瓷探头和周围土体交换水分，加快达到与周围土体的吸力平衡状态；同时可以实现同一钻孔多深度安装基质吸力传感器，最大程度的节省工作量，达到省时省力的效果。
9.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：第一方面，一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，包括可延长杆，可延长杆底部连接底座，底座内顶部设有伸缩电机，伸缩电机输出端连接伸缩杆，伸缩杆端部转动连接
第一支撑杆的第一端，底座内底部转动连接第二支撑杆的第一端，第一支撑杆、第二支撑杆的第二端与取土钻安装座转动连接；取土钻安装座侧面设置取土钻，并且取土钻安装座和取土钻上对应设有通孔，通孔与气泵软管连接，伸缩电机通过伸缩杆推动第一支撑杆，以实现取土钻进入或退出孔壁。
10.作为进一步的实现方式，还包括若干设定长度的接长杆，所述可延长杆顶部设有外螺纹，接长杆外侧面设有刻度，接长杆一端设有外螺纹，另一端内螺纹，以实现接长杆和可延长杆、相邻两接长杆的拼接。
11.作为进一步的实现方式，所述取土钻为空心套筒结构，刀口为直刃形状，通孔设于取土钻底部中心处。
12.作为进一步的实现方式，所述底座为空心柱状结构，底座侧面开口，用于取土钻伸出。
13.作为进一步的实现方式，所述底座底部设有卡槽，卡槽内安装照明摄像头。
14.作为进一步的实现方式，所述底座内轴向设有滑轨，所述伸缩杆端部设有滑块，滑块与滑轨配合，伸缩杆端部通过滑块与第一支撑杆转动连接。
15.作为进一步的实现方式，所述伸缩电机通过遥控器无线控制，遥控器上设有前进和后退按钮。
16.作为进一步的实现方式，所述取土钻安装座的尺寸大于滑轨的宽度。
17.作为进一步的实现方式，所述底座内设有伸缩杆固定件，用于对伸缩杆进行限位。
18.第二方面，一种便于深孔安装基质吸力传感器的方法，采用如上任一所述的便于深孔安装基质吸力传感器的装置，包括如下步骤：装置放入钻孔内，拼接接长杆至设定长度；控制伸缩电机带动伸缩杆伸出，实现取土钻钻入孔壁取土，之后伸缩杆复位以带动取土钻退出孔壁；利用气泵通过气泵软管将土块顶出取土钻，将基质吸力传感器塞入土块中；待基质吸力传感器的陶瓷探头与周围土体达到吸力平衡状态后，将装有基质吸力传感器的土块放回取土钻中，重复下放过程，将土块放回原位；重复上述步骤，实现在同一钻孔内安装不同深度位置的基质吸力传感器。
19.上述本发明的有益效果如下：1.本发明通过伸缩杆推动第一支撑杆，以实现取土钻进入孔壁取土，并将基质吸力传感器塞入土块后，将土块放回原位，使得在深孔安装基质吸力传感器时，基质吸力传感器和原状土体能够充分接触，陶瓷探头和周围土体交换水分，加快达到与周围土体的吸力平衡状态。
20.2.本发明通过接长杆和可延长杆的拼接，可以实现同一钻孔多深度安装基质吸力传感器，最大程度的节省工作量，达到省时省力的效果。
21.3.本发明使得基质吸力传感器的安装过程变得可视化，提高了基质吸力传感器安装的准确性和稳定性。
附图说明
22.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
23.图1是本发明实施例中便于深孔安装基质吸力传感器的装置的主视图；图2是本发明实施例中便于深孔安装基质吸力传感器的装置的侧视图。
24.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
25.其中：1、接长杆，2、可延长杆，3、伸缩电机，4、伸缩杆，5、伸缩杆固定件，6、滑块，7、第一支撑杆，8、取土钻安装座，9、第二支撑杆，10、取土钻，11、通孔，12、照明摄像头，13、气泵软管，14、滑轨，15、底座。
具体实施方式
26.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.实施例一本发明的一种典型的实施方式中，参考图1-图2所示，一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，包括可延长杆2，可延长杆2的底部与底座15通过螺栓固定连接，底座15为铝合金材质的空心柱状结构，并且底座15侧面开口。
28.以图1和图2的视图方向进行说明，底座15内顶部设有伸缩电机3，伸缩电机3的输出端连接伸缩杆4，伸缩杆4输出端向下，底座15内的伸缩杆4顶部周侧设置伸缩杆固定件5，用于对伸缩杆4进行导向和限位，伸缩杆4通过伸缩杆固定件5固定，伸缩杆固定件5为环状结构，其中心处开口，用于伸缩杆4穿过，以保证伸缩杆4能够在底座15内做直线运动，不会发生歪斜。
29.伸缩杆4底端端部设有滑块6，底座15内沿轴向固定设有一道滑轨14，滑块6与滑轨14配合，滑块6与第一支撑杆7的上端铰接，实现伸缩杆4端部通过滑块6与第一支撑杆7的转动连接。滑轨14和伸缩杆4均位于底座15的轴线方向上。
30.底座15内的底部与第二支撑杆9的下端铰接，第一支撑杆7的下端和第二支撑杆9的上端之间连接取土钻安装座8。并且取土钻安装座8与第一支撑杆7的下端和第二支撑杆9的上端均是铰接关系。
31.取土钻安装座8外侧面上固定取土钻10，并且取土钻安装座8和取土钻10中心位置处对应设有通孔11。通孔11用于与气泵软管13连接，气泵软管13另一端用于连接地面的气泵。气泵软管13由钢丝橡胶制成，具有耐高压、高温和缓冲减震效果，通过气泵可以将取土钻10内的土块顶出。
32.本实施例的取土钻安装座8的尺寸大于滑轨14的宽度，因此伸缩杆4收回时，取土钻安装座8紧贴滑轨14。
33.伸缩杆4伸出时，即伸缩电机3通过伸缩杆4可以推动第一支撑杆7和第二支撑杆9转动，第一支撑杆7和第二支撑杆9沿着底座15的侧面开口伸出，推动取土钻安装座8上的取土钻10向远离底座15一侧的方向运动，以实现取土钻10进入或退出孔壁。
34.伸缩电机3通过遥控器无线遥控控制，遥控器上设有前进、后退和停止按钮。前进按钮控制伸缩电机3正向转动，后退按钮控制伸缩电机3反向转动，伸缩电机3正向转动为推出伸缩杆4，反向转动为收回伸缩杆4，停止按钮控制伸缩杆4停止运动。
35.可以理解的是，取土钻10为空心套筒结构，刀口为直刃形状，取土钻10用于钻取孔壁的土块。
36.为了便于实现整个工作过程的可视化，底座15底部设有卡槽，卡槽内安装照明摄像头12，照明摄像头12可360
°
自由转动。照明摄像头12自带电池和无线通信模块，通过无线通信实时向终端设备（手机、显示器）传输画面。
37.为了安装不同深度的基质吸力传感器，需要对装置进行加长，采用不同数量的接长杆1依次拼接在可延长杆2上可以实现，本实施例的可延长杆表示其可以通过连接多根接长杆1进而实现长度的调节。
38.如图1所示，可延长杆2顶部设有外螺纹，接长杆1外侧面设有刻度，接长杆1为空心管，接长杆1的一端设有外螺纹，另一端设有内螺纹，用于旋拧连接可延长杆2。接长杆1外侧面还设有粗糙纹理，便于安装。
39.本实施例的接长杆1和可延长杆2的长度均为1m，由不锈钢材料制成，表面都有长度标记刻度，便于调节装置的整体长度，满足安装不同深度的基质吸力传感器要求。
40.实施例二一种便于深孔安装基质吸力传感器的方法，其特征在于，采用实施例一所述的便于深孔安装基质吸力传感器的装置，包括如下步骤：将便于深孔安装基质吸力传感器的装置放入已成型的钻孔内，在可延长杆2的基础上增减接长杆1数量，根据接长杆1的数量和其表面的长度刻度，确定下放深度，使底座15下放至预定安装深度。
41.遥控启动伸缩电机3，伸缩电机3正向转动，推出伸缩杆4，伸缩杆4带动滑块6沿着滑轨14向下移动，滑块6推动第一支撑杆7，第一支撑杆7发生转动，第二支撑杆9也发生转动，使得取土钻安装座8向孔壁移动，取土钻10逐渐钻入孔壁。
42.通过照明摄像头12观察，当观察到钻头完全进入孔壁时，伸缩电机3反向转动，伸缩杆4向上移动，带动滑块6沿着滑轨14向上移动，滑块6带动第一支撑杆7，第一支撑杆7转动归位，使得取土钻安装座8向远离孔壁方向移动，取土钻10退出孔壁。
43.待完全回位后，转动最上端接长杆1，逐步卸下多级接长杆1，将装置整体提出钻孔，启动气泵，通过气泵软管13和通孔11，利用气压将土块完整顶出取土钻10。
44.用适量水软化原状土块，将事先饱和完的基质吸力传感器塞入土块中，保证基质吸力传感器的陶瓷探头无破损且在与周围土体充分接触，待基质吸力传感器的陶瓷探头与周围土体达到吸力平衡状态后，将装有基质吸力传感器的土块放回取土钻10中。
45.重复上述下放过程，将取土钻10伸入原土块位置，启动气泵同时回退取土钻10，将土块放回原位，即该深度基质吸力传感器安装完毕。
46.不断重复上述操作，即可在同一钻孔内安装其他深度位置的基质吸力传感器。待所有基质吸力传感器安装完成后，将钻出土加适量水搅拌成泥浆，回填至钻孔中。
47.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，其特征在于，包括可延长杆，可延长杆底部连接底座，底座内顶部设有伸缩电机，伸缩电机输出端连接伸缩杆，伸缩杆端部转动连接第一支撑杆的第一端，底座内底部转动连接第二支撑杆的第一端，第一支撑杆、第二支撑杆的第二端均与取土钻安装座转动连接；取土钻安装座侧面设置取土钻，并且取土钻安装座和取土钻上对应设有通孔，通孔与气泵软管连接，伸缩电机通过伸缩杆推动第一支撑杆，以实现取土钻进入或退出孔壁。2.根据权利要求1所述的一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，其特征在于，还包括若干设定长度的接长杆，所述可延长杆顶部设有外螺纹，接长杆外侧面设有刻度，接长杆一端设有外螺纹，另一端设有内螺纹，以实现接长杆和可延长杆、相邻两接长杆的拼接。3.根据权利要求1所述的一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，其特征在于，所述取土钻为空心套筒结构，刀口为直刃形状，通孔设于取土钻底部中心处。4.根据权利要求1所述的一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，其特征在于，所述底座为空心柱状结构，底座侧面开口，用于取土钻伸出。5.根据权利要求4所述的一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，其特征在于，所述底座底部设有卡槽，卡槽内安装照明摄像头。6.根据权利要求5所述的一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，其特征在于，所述底座内轴向设有滑轨，所述伸缩杆端部设有滑块，滑块与滑轨配合，伸缩杆端部通过滑块与第一支撑杆转动连接。7.根据权利要求1所述的一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，其特征在于，所述伸缩电机通过遥控器无线控制，遥控器上设有前进和后退按钮。8.根据权利要求6所述的一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，其特征在于，所述取土钻安装座的尺寸大于滑轨的宽度。9.根据权利要求4所述的一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置，其特征在于，所述底座内设有伸缩杆固定件，用于对伸缩杆进行限位。10.一种便于深孔安装基质吸力传感器的方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的便于深孔安装基质吸力传感器的装置，包括如下步骤：装置放入钻孔内，拼接接长杆至设定长度；控制伸缩电机带动伸缩杆伸出，实现取土钻钻入孔壁取土，之后伸缩杆复位以带动取土钻退出孔壁；利用气泵通过气泵软管将土块顶出取土钻，将基质吸力传感器塞入土块中；待基质吸力传感器的陶瓷探头与周围土体达到吸力平衡状态后，将装有基质吸力传感器的土块放回取土钻中，重复下放过程，将土块放回原位；重复上述步骤，实现在同一钻孔内安装不同深度位置的基质吸力传感器。

技术总结
本发明涉及基质吸力传感器技术领域，具体涉及一种便于深孔安装基质吸力传感器的装置及方法，包括可延长杆，可延长杆底部连接底座，底座内顶部设有伸缩电机，伸缩电机输出端连接伸缩杆，伸缩杆端部转动连接第一支撑杆的第一端，底座内底部转动连接第二支撑杆的第一端，第一支撑杆、第二支撑杆的第二端与取土钻安装座转动连接；取土钻安装座侧面设置取土钻，并且取土钻安装座和取土钻上对应设有通孔，通孔与气泵软管连接，伸缩电机通过伸缩杆推动第一支撑杆，以实现取土钻进入或退出孔壁；在深孔安装基质吸力传感器时，基质吸力传感器和原状土体能够充分接触，加快达到与周围土体的吸力平衡状态；同时可以实现传感器的同一钻孔多深度安装。度安装。度安装。


技术研发人员：王冀鹏 马永健 高旭光 邱焕翔 苏帅康 张金安
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.08.11
技术公布日：2023/9/14