一种适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统

1.本发明涉及一种岩土工程原位测试用的贯入系统，具体涉及一种适用于冻土等硬质土场地的静力触探贯入系统。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，城市化和工业化进程不断加快，城市圈面积和体量越来越大，冻土、风化岩以及固化土等特殊硬质土场地频繁出现在常规的工程建设环节中。因此，有效、准确获取冻土等硬质土场地地质勘察资料及工程性质参数对于相关区域基础设计及处理具有重要意义。
3.硬质土场地通常采用钻探取样和室内试验进行工程性质参数获取和分析，而取样室内试验存在样品扰动大、数据不连续以及耗时耗力等问题。现代静力触探技术是一种场地工程特性原位测试技术，具有精度高、数据丰富以及操作方便等优势，被广泛应用与岩土工程原位测试中。因此，采用静力触探技术进行冻土等硬质土场地工程特性原为探测可有效克服现有的硬质土场地参数获取和分析难题。
4.需要注意到的是，现代静力触探技术通常应用于粘性土、粉性土、砂性土等场地中，而该装置在冻土、风化岩以及固化土等硬质土层应用时就表现出一定的局限性，常出现探头歪斜、贯入困难、贯入速率不稳定、以及反力不足等问题，难以稳定获得硬质土层的物理力学性质的准确数据，难以达到标准要求的定速、匀速静力触探测试，也不能避免应变率对硬质土强度参数的影响。
5.静力触探试验的贯入速率是影响冻土等硬质土场地原位强度参数测量数据准确性的重要原因，快速贯入和慢速贯入均会对测量出的原位强度参数有着不同程度的影响。硬质土抗压强度具有率敏感性，其大小与应变率和介质类型有关，表现在动态抗压强度与静态抗压强度之比值λ不同，基于统计分析结果，以风化岩石为例，其静态加载的应变率范围为ε'＜5
×
10-4
s-1
；中应变率加载的应变率范围为5
×
10-4
s-1
＜ε'＜102s-1
。通过对静态和准动态区域的数据进行回归拟合发现：静态加载时，λ均保持在1.00附近，近于常数；中应变率加载条件下λ与应变率符合以下幂函数分布规律：
6.λ为动态抗压强度与静态抗压强度之比值；ε’为应变率。根据抗压强度对应变速率的敏感程度可以划分三个范围：ε'＜10-4
s-1
时，敏感性较差；ε'＞10-3
s-1
时，敏感度最高；10-4
s-1
＜ε'＜10-3
s-1
时，比较敏感。
7.综上所述，为了实现采用静力触探测试系统在冻土等硬质土场地中进行连续高精度原位测试，需要解决足够的反力条件以及有效贯入速率实时控制系统。因此，亟待提出一种适用冻土等硬质土场地高锚固力变速率静力触探贯入系统。


技术实现要素：

8.发明目的：针对现有静力触探贯入技术由于反力条件和有效贯入速率实时控制的缺陷无法在冻土等硬质土场地进行有效测试的不足，提供一种适用于冻土等硬质土场地高
锚固力变速率静力触探贯入系统，以提高硬质土场地工程特性测试探测水平。
9.技术方案：一种适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，包括强力冻结锚固系统、液压式速率适配贯入系统以及安装有静力触探探头的探杆；
10.强力冻结锚固系统包括精钢螺旋地锚、低温循环制冷系统以及反力钢架；精钢螺旋地锚的下部螺旋叶片上分布有低温循环液管道，所述低温循环液管道通过所述精钢螺旋地锚上部的空心杆连通低温循环制冷系统，反力钢架连接在所述精钢螺旋地锚上部的空心杆上；
11.液压式速率适配贯入系统包括智能压力速率感应调配系统、液压式速率适配器、贯入推进器、探杆稳固装置以及刚性支架；液压式速率适配器和贯入推进器通过联轴杆相连，并固定在刚性支架上；探杆稳固装置固定在所述刚性支架底部，安装有静力触探探头的探杆穿过所述探杆稳固装置，所述贯入推进器与所述探杆连接；所述液压式速率适配器通过电缆与智能压力速率感应调配系统相连；
12.所述低温循环制冷系统用于在所述精钢螺旋地锚旋转贯入土中后采用液氨冷冻系统进行制冷，在所述精钢螺旋地锚下部螺旋叶片周围土层中形成强力冻结锚固区，提供硬质土场地的贯入反力；
13.所述智能压力速率感应调配系统用于实时收集所述静力触探探头贯入土层过程中的锥尖阻力、侧壁摩阻力和贯入速度判别是否进入硬质土层，并在进入硬质土层后控制所述液压式速率适配器使所述静力触探探头贯入速率在10-4
～10-6
cm/s，从而实现低应变率贯入。
14.进一步的，所述精钢螺旋地锚的上部空心杆外径50mm，杆壁厚5mm，下部螺旋叶片外径300～500mm，叶片厚30mm。
15.进一步的，所述低温循环液管道呈等间距螺旋状分布在所述精钢螺旋地锚的下部螺旋叶片表面，管间距50mm。
16.进一步的，所述下部螺旋叶片的材料为耐低温不锈钢材料。
17.进一步的，所述探杆稳固装置的材料为聚甲醛橡胶材料。
18.进一步的，所述智能压力速率感应调配系统根据预先标定模型，根据实时收集所述静力触探探头贯入土层过程中的锥尖阻力、侧壁摩阻力和贯入速度判别是否进入硬质土层。
19.进一步的，所述反力钢架通过卡扣式锁头连接在所述精钢螺旋地锚上部的空心杆上。
20.有益效果：本发明采用强力冻结锚固技术将螺旋锚杆和液氨循环冻结技术相结合，使得螺旋叶片周边的土体进行冻结，提高锚固区域和锚固强度，进而增加了静力触探贯入技术的反力范围。
21.本发明通过液压式智能速率适配贯入系统实时调节静力触探探头在冻土等硬质土场地中的贯入速率，使贯入速率控制在10-4
～10-6
cm/s，显著消除了静力触探贯入过程中应变率引发影响因素，实现低应变率贯入。通过精确控制探头贯入速率，并获取更精确、更符合规范要求的硬质土地层参数。
22.本发明为岩土工程勘测实践中评价冻土等硬质土场地工程特性提供强有力的原位测试工具，快捷经济，易于操作，准确率高，具有重要的工程意义。
附图说明
23.图1是本发明系统的结构示意图；
24.图2是本发明系统中强力冻结锚固系统结构示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
26.如图1所示，一种适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，通过强力冻结锚固系统1提供超高反力支持，配套以液压式速率适配贯入系统2实现静力触探探头在冻土等硬质土场地的低应变率贯入能力。
27.强力冻结锚固系统1包括精钢螺旋地锚3、低温循环制冷系统4以及反力钢架8。精钢螺旋地锚3的下部螺旋叶片5上分布有低温循环液管道6，低温循环液管道6通过精钢螺旋地锚3上部的空心杆7连通低温循环制冷系统4，反力钢架8通过卡扣式锁头9连接在精钢螺旋地锚3上部的空心杆7上。
28.液压式速率适配贯入系统2包括智能压力速率感应调配系统10、液压式速率适配器11、贯入推进器12、探杆稳固装置13以及刚性支架14。液压式速率适配器11和贯入推进器12通过联轴杆15相连，并固定在刚性支架14上。探杆稳固装置13固定在刚性支架14底部，安装有静力触探探头的探杆穿过探杆稳固装置13，贯入推进器12与探杆连接。液压式速率适配器11通过电缆与智能压力速率感应调配系统10相连，智能压力速率感应调配系统10包括贯入压力及速率数据采集仪16、数据处理分析仪17以及速率调配软件18，共同控制系统贯入过程。
29.其中，安装有静力触探探头的探杆依次穿过贯入推进器12和探杆稳固装置13，贯入推进器12锁定探杆后提供贯入力，探杆稳固装置13调整探杆贯入倾斜度。开始静力触探测试后，根据探头上传输的实时测试土层数据，通过贯入压力及速率数据采集仪16、数据处理分析仪17以及速率调配软件18计算出所需贯入力，并调控液压式速率适配器11中的液压传动功率，以此控制跟联轴杆15相锁定的贯入推进器12，为静力触探探杆提供稳定推进力，以达到目标贯入速率。当速率过慢时通过探杆稳固装置13的固定作用，保证探杆贯入过程中的倾斜度不超过限定范围。
30.低温循环制冷系统4用于在精钢螺旋地锚3旋转贯入土中后采用液氨冷冻系统进行制冷，快速在精钢螺旋地锚3下部螺旋叶片5周围土层中形成强力冻结锚固区，提供硬质土场地的贯入反力。
31.智能压力速率感应调配系统10用于实时收集静力触探探头贯入土层过程中的锥尖阻力、侧壁摩阻力和贯入速度判别是否进入硬质土层，并在进入硬质土层后通过控制液压式速率适配器11在10-4
～10-6
cm/s范围内实时调节静力触探探头贯入速率，从而实现低应变率贯入。
32.本实施例中，精钢螺旋地锚3的上部空心杆7外径50mm，杆壁厚5mm，下部螺旋叶片5外径300～500mm，叶片厚30mm。下部螺旋叶片5的材料为耐低温不锈钢材料，低温循环液管道6呈等间距螺旋状分布在精钢螺旋地锚3的下部螺旋叶片5表面，管间距50mm。探杆稳固装置13的材料为聚甲醛橡胶材料。
33.本系统应用于冻土等硬质土场地的静力触探方法包括如下步骤：
34.步骤1：整平场地，架设系统装备，调试各配套系统运行状态。
35.步骤2：精至少两个钢螺旋地锚3旋转贯入土中，启动低温循环制冷系统4在下部螺旋叶片5表面的低温循环液管道6中循环制冷液氨，将下部螺旋叶片5周边的土体变成冻结区，增强地锚锚固区域和锚固强度；然后连接反力钢架8并通过卡扣式锁头9锁紧。
36.步骤3：将液压式速率适配器11连接至智能压力速率感应调配系统10。
37.步骤4：安装静力触探探头，将探杆从探杆稳固装置13中穿过，维持探杆垂直状态，探杆与贯入推进器12连接。
38.步骤5：液压式速率适配器11和贯入推进器12开启驱动探杆贯入土层，并同时启动智能压力速率感应调配系统10，实时监测静力触探贯入过程中静力触探探头的锥尖阻力、侧壁摩阻力以及贯入速率，根据预先标定的模型来判别是否进入冻土等硬质土地层。
39.步骤6：进入冻土等硬质土地层后，通过液压式速率适配器11实时调节贯入速率降低至10-4-10-6
cm/s之间，以降低硬质土场地应变率。
40.步骤7：结束静力触探试验，将数据传输至计算机，对数据进行修正和校验，经过专业静力触探软件处理后得出冻土等硬质土地层的工程性质，并绘制出场区地质拟剖面图。
41.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，其特征在于，包括强力冻结锚固系统(1)、液压式速率适配贯入系统(2)以及安装有静力触探探头的探杆；强力冻结锚固系统(1)包括精钢螺旋地锚(3)、低温循环制冷系统(4)以及反力钢架(8)；精钢螺旋地锚(3)的下部螺旋叶片(5)上分布有低温循环液管道(6)，所述低温循环液管道(6)通过所述精钢螺旋地锚(3)上部的空心杆(7)连通低温循环制冷系统(4)，反力钢架(8)连接在所述精钢螺旋地锚(3)上部的空心杆(7)上；液压式速率适配贯入系统(2)包括智能压力速率感应调配系统(10)、液压式速率适配器(11)、贯入推进器(12)、探杆稳固装置(13)以及刚性支架(14)；液压式速率适配器(11)和贯入推进器(12)通过联轴杆(15)相连，并固定在刚性支架(14)上；探杆稳固装置(13)固定在所述刚性支架(14)底部，安装有静力触探探头的探杆穿过所述探杆稳固装置(13)，所述贯入推进器(12)与所述探杆连接；所述液压式速率适配器(11)通过电缆与智能压力速率感应调配系统(10)相连；所述低温循环制冷系统(4)用于在所述精钢螺旋地锚(3)旋转贯入土中后采用液氨冷冻系统进行制冷，在所述精钢螺旋地锚(3)下部螺旋叶片(5)周围土层中形成强力冻结锚固区，提供硬质土场地的贯入反力；所述智能压力速率感应调配系统(10)用于实时收集所述静力触探探头贯入土层过程中的锥尖阻力、侧壁摩阻力和贯入速度判别是否进入硬质土层，并在进入硬质土层后控制所述液压式速率适配器(11)使所述静力触探探头贯入速率在10-4
～10-6
cm/s，从而实现低应变率贯入。2.根据权利要求1所述的适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，其特征在于，所述精钢螺旋地锚(3)的上部空心杆(7)外径50mm，杆壁厚5mm，下部螺旋叶片(5)外径300～500mm，叶片厚30mm。3.根据权利要求2所述的适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，其特征在于，所述低温循环液管道(6)呈等间距螺旋状分布在所述精钢螺旋地锚(3)的下部螺旋叶片(5)表面，管间距50mm。4.根据权利要求3所述的适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，其特征在于，所述下部螺旋叶片(5)的材料为耐低温不锈钢材料。5.根据权利要求1所述的适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，其特征在于，所述探杆稳固装置(13)的材料为聚甲醛橡胶材料。6.根据权利要求1所述的适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，其特征在于，所述智能压力速率感应调配系统(10)根据预先标定模型，根据实时收集所述静力触探探头贯入土层过程中的锥尖阻力、侧壁摩阻力和贯入速度判别是否进入硬质土层。7.根据权利要求1所述的适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，其特征在于，所述反力钢架(8)通过卡扣式锁头(9)连接在所述精钢螺旋地锚(3)上部的空心杆(7)上。

技术总结
本发明公开了一种适用于硬质土的高锚固力变速率静力触探贯入系统，其强力冻结锚固系统中，螺旋地锚的叶片上分布有低温循环液管道，并连通低温循环制冷系统，反力钢架连接在螺旋地锚上部；低温循环制冷系统采用液氨冷冻系统进行制冷，在螺旋叶片周围土层中形成强力冻结锚固区，提供硬质土场地的贯入反力。其液压式速率适配贯入系统中，液压式速率适配器和贯入推进器通过联轴杆相连，驱动安装有静力触探探头的探杆；智能压力速率感应调配系统根据实时收集静力触探探头贯入土层过程中的锥尖阻力、侧壁摩阻力和贯入速度判别进入硬质土层后，通过控制液压式速率适配器使触探探头贯入速率在10-4


技术研发人员：储亚 陈熠坤 蔡国军 刘松玉 韩爱民
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/9