一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头及其静力触探试验方法技术

本发明专利技术公开一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头及其静力触探试验方法，设有孔压检测腔，当水进入孔压检测腔，受到水压力作用，压力膜会产生变形，光纤光栅波长会产生变化。摩擦筒与锥头连接处设有透水石，以保证水能进入孔压检测腔。与外侧连接处均用橡胶圈连接，以保持探头良好的防水性能。基于光纤光栅的孔压静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。本次发明专利技术引入的压力感测梁结构，在后续数据处理中能将温度项自动抵消，实现温度自补偿，具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将光纤光栅静力触探技术广泛应用于实际工程奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头及其静力触探试验方法
本专利技术涉及岩土工程勘察
中的原位测试技术，具体涉及一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头及其静力触探试验方法。
技术介绍
静力触探是一种重要的原位测试方法，但传统静力触探探头多采用电测式探头，其原理是利用传感器将探头所受阻力转换为电信号，然后借助电缆传送到记录仪并记录下来，孔压探头具有双桥探头的所有部件，另外还有孔隙水压传感器，可在测得侧壁摩擦阻力和锥尖阻力的同时还能测得孔隙水压力。进而实现土类定名、土层界面划分、评定地基土物理与力学性质、提供浅基承载力和预估单桩承载力等岩土工程勘察的目的。因此传统孔压探头和双桥探头一样存在防水性能不足，易受电磁干扰，零漂、温漂、勘测深度较浅等问题。这些问题限制了静力触探在诸多方面的应用。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头。技术方案：本专利技术所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆、传力柱和孔压检测腔，所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、传力柱和孔压检测腔上设有相互导通的通孔，所述孔压检测腔设在第二传力柱和锥头之间，在孔压检测腔内设有变形膜，变形膜上设有光纤光栅，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。作为本专利技术的进一步改进，所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅。作为本专利技术的进一步改进，在导接杆与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈，在传力柱与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈。作为本专利技术的进一步改进，在锥头与摩擦筒的连接处设有止水橡胶圈和透水石。作为本专利技术的进一步改进，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。本专利技术还包括一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头的静力触探试验方法，包括以下步骤：S1、将孔压静力触探探头压入土中，分析所受土层的阻力包括：锥尖阻力qc、侧壁摩阻力fs；S2、对于下部压力感应梁：p1＝k01ε01，(1)；上式中，p1为贯入阻力，对于下部压力感应梁，只有锥尖阻力，k01为比例系数，ε01为下部门字梁受压下轴向应变；对于光纤光栅，波长变化率与应变温度变化存在如下关系：上式中，Δλ为光纤光栅波长变化，λ为初始波长，k1为应变比例系数，ε为光纤光栅应变，k2为温度比例系数，ΔT为温度变化；S3、在下部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F1，F2，F3，F4，光纤光栅的应变分别为ε1，ε2，ε3，ε4，波长分别记为λ1，λ2，λ3，λ4，不同压力下的波长变化分别为Δλ1，Δλ2，Δλ3，Δλ4，则：上式中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，计算中温度项被约掉。将式(3)带入式(1)，化简得：p1＝ζ1ω1，(4)；上式中，S4、对于上部压力感应梁，受锥尖阻力和摩擦阻力共同作用；标定过程中摩擦阻力为0；锥尖阻力通过传力柱传入上部光纤光栅：p2＝k02ε02，(7)；上式中，p2为锥尖阻力和摩擦阻力共同作用的合阻力，k02为比例系数，ε02为上部门字梁受压下轴向应变；在上部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F5，F6，F7，F8，光纤光栅的应变为ε5，ε6，ε7，ε8波长分别记为λ5，λ6，λ7，λ8，不同压力下的波长变化分别为Δλ5，Δλ6，Δλ7，Δλ8，则：计算中温度项被约掉，其中k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(8)带入式(7)，化简得：p2＝ζ2ω2，(9)；上式中，S5、标定过程可同时测出比例系数ζ1、ζ2，在室内试验与原位测试中，锥尖阻力qc：上式中，A1为锥头截面积；侧壁摩阻力fs：上式中，A2为摩擦筒表面积；S6、对孔压检测腔进行标定：u＝k03ε03，(14)；上式中，u为作用于变形膜上的水压，k03为比例系数，ε03为变形膜轴向应变；S7、在变形膜粘贴有光纤光栅F9，光纤光栅的应变为ε9，波长记为λ9，波长变化为λ9，则：其中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(15)带入式(14)，化简得：u＝ζ3ω3，(16)；上式中，ζ3可通过室内标定试验确定；有益效果：当水进入孔压检测腔，受到水压力作用，压力膜会产生变形，光纤光栅内部波长会长生变化。摩擦筒与锥头连接处设有透水石，以保证水能进入孔压检测腔。与外侧连接处均用橡胶圈连接，以保持探头良好的防水性能。基于光纤光栅的孔压静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将光纤光栅静力触探技术广泛应用于实际工程奠定基础。附图说明图1为本专利技术的光纤光栅孔压静力触探探头的结构图。图2为本专利技术的基于光纤光栅的孔压静力触探探头研究技术路线图。图3为本专利技术的室内探头标定示意图。图4为本专利技术的室内试验示意图。具体实施方式下面通过附图对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例1：一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头，包括锥头1、摩擦筒2、压力感应梁、导接杆3、传力柱和孔压检测腔4，所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁5和下部压力感应梁6，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱7和第二传力柱8，所述导接杆3、上部压力感应梁5、第一传力柱7、下部压力感应梁6和第二传力柱8从上至下依次设在摩擦筒2内，所述上部压力感应梁5的上下两端分别与导接杆3、第一传力柱7螺纹连接，所述下部压力感应梁6的上下两端分别与第一传力柱7、第二传力柱8螺纹连接，所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆3轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅9，在导接杆3、上部压力感应梁5、下部压力感应梁6、第一传力柱7、第二传力柱8和孔压检测腔4上设有相互导通的通孔，所述孔压检测腔4设在第二传力柱8和锥头1之间，在孔压检测腔4内设有变形膜10，变形膜10上设有光纤光栅9，所述光纤光栅9连接有通信光纤11，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆、传力柱和孔压检测腔，其特征在于：所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、第一传力柱上设有相互导通的通孔，所述孔压检测腔设在第二传力柱和锥头之间，在孔压检测腔内设有变形膜，变形膜上设有光纤光栅，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆、传力柱和孔压检测腔，其特征在于：所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、第一传力柱上设有相互导通的通孔，所述孔压检测腔设在第二传力柱和锥头之间，在孔压检测腔内设有变形膜，变形膜上设有光纤光栅，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。


2.按权利要求1所述的基于光纤光栅孔压静力触探探头，其特征在于：所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅。


3.按权利要求1所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，其特征在于：在导接杆与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈，在传力柱与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈。


4.按权利要求1所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，其特征在于：在锥头与摩擦筒的连接处设有止水橡胶圈和透水石。


5.按权利要求1所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，其特征在于：所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。


6.一种按权利要求1所述的静力触探试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将孔压静力触探探头压入土中，分析所受土层的阻力包括：锥尖阻力qc、侧壁摩阻力fs；
S2、对于下部压力感应梁：
p1＝k01ε01，(1)；
上式中，p1为贯入阻力，对于下部压力感应梁，只有锥尖阻力，k01为比例系数，ε01为下部门字梁受压下轴向应变；
对于光纤光栅，波长变化率与应变温度变化存在如下关系：



上式中，Δλ为光纤光栅波长变化，λ为初始波长，k1为应变比例系数，ε为光...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙义杰，任存，徐洪钟，施斌，张丹，朱鸿鹄，高建勇，竺秉坤，刘涛，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32