有效应力铲.pdf

有效应力铲，它由夹持杆(1)和应力盒(2)组成，夹持杆(1)与应力盒(2)平行，其特征是所述应力盒(2)内部设有封闭空腔(K1)，其封闭空腔(K1)较薄的一面作为感应膜(9)，较厚的另一面作为应力盒的支撑背面(10)，封闭空腔(K1)内充满应力传递介质，封闭空腔(K1)与压力导管(6)连通；在支撑背面(10)几何中心处装有滤水器(11)，滤水器(11)背后的支撑背面(10)设有一小型空腔(K2)，小型空腔(K2)和水压导管(7)连通；夹持杆(1)内安装有与压力导管(6)相连的微型压力传感器(4)和与水压导管(7)相连的微型水压传感器(5)，在夹持杆(1)上安装有测试在应力铲贯入过程中土体的垂直方向的单位贯入阻力的力传感器。本发明能现场同步快速测定土的贯入阻力和水平有效应力及孔隙水压力。

1.  有效应力铲，它由夹持杆(1)和应力盒(2)组成，夹持杆(1)与应力盒(2)平行，其特征是所述应力盒(2)内部设有封闭空腔(K1)，其封闭空腔(K1)较薄的一面作为感应膜(9)，较厚的另一面作为应力盒的支撑背面(10)，封闭空腔(K1)内充满应力传递介质，封闭空腔(K1)与压力导管(6)连通；在支撑背面(10)几何中心处装有滤水器(11)，滤水器(11)背后的支撑背面(10)设有一小型空腔(K2)，小型空腔(K2)和水压导管(7)连通；夹持杆(1)内安装有与压力导管(6)相连的微型压力传感器(4)和与水压导管(7)相连的微型水压传感器(5)，在夹持杆(1)上安装有测试在应力铲贯入过程中土体的垂直方向的单位贯入阻力的力传感器。

2.  根据权利要求1所述的有效应力铲，其特征是所述力传感器位于夹持杆(1)上方，为空心柱形力传感器(3)，它由敏感元件空心弹性体(13)和护筒(14)组成，空心弹性体(13)与轴线与夹持杆轴线平行，空心弹性体(13)内贴有应变计(15)，应变计(15)通过信号线(16)与接收仪表连接。

3.  根据权利要求1所述的有效应力铲，其特征是应力盒(2)采用一块高强度不锈钢板整体成形，制成前部为楔形的矩形铲盒状。

4.  根据权利要求1所述的有效应力铲，其特征是所述应力盒(2)内部封闭空腔(K1)为矩形空腔，其空腔的感应膜(9)厚1mm，支撑背面(10)厚9mm，所述应力传递介质为脱气硅油(8)。

5.  根据权利要求1所述的有效应力铲，其特征是所述滤水器(11)用位于支撑背面(10)上的法兰压盖(12)固定，滤水器的表面与支撑背面(10)表面齐平。

6、  根据权利要求1所述的有效应力铲，其特征是所述滤水器(11)为单孔滤水器，其直径小于14mm，滤水材料的渗透系数为(1～5)×10^-5cm/s，过滤孔径为0.1～0.5μm。

有效应力铲
技术领域
本发明涉及土木和建筑工程勘察测试工具，尤其涉及一种用于现场同步快速测定土的贯入阻力和水平有效应力及孔隙水压力的有效应力铲。
背景技术
基础工程设计中，土的有效应力是较为重要的技术指标。有效应力是总应力与孔隙水压力的差值。有效应力分垂直向和水平向应力。静止侧压力系数K₀为水平有效应力与垂直有效应力之比。它们都是基础工程设计中一个重要的参数。目前，在国内岩土工程领域，现场同时测试有效应力是一个技术空白。一般垂直向应力可采用静力触探试验获得，而现场准确快速直接测定水平有效应力的方法不多且困难，都是分别测试水平总应力和孔隙水压力。而国内现场直接测试水平总应力的方法是应力铲试验(申请人先前公开的一种应力铲专利技术，专利申请号：02279590.1)。现场直接测试孔隙水压力的是孔压静力触探试验。应力铲试验无法直接得到水平孔隙水压力，它是通过水平总应力长时间的衰减消散达到相对稳定，使孔隙水压力的影响减少到最小程度，而水平总应力衰减后的相对稳定值扣除静水压力后，被认为是水平有效应力值。这种方法由于无法准确确定水平总应力衰减的时间及应力稳定值的标准，使获得的水平有效应力是一个近似值，其准确性和效率都非常低。若同时采用现有两种方法平行试验，即在现场同时进行应力铲试验和孔压静力触探试验，则存在如下问题：
1.试验点的问题。为防止对土的扰动，影响测试数据的准确性，两种试验不能在同一个坐标点进行，必须相距1m以上；
2.应力铲试验和孔压静力触探试验理论解释的边界条件不同。应力铲外形是扁平铲盒状，对土的扰动较小，水平应力垂直作用于铲面，铲面沿水平应力方向的变形很小，可以归结为平面应力问题进行解释；而孔压静力触探试验的探头是圆柱圆锥形，对土的扰动较大，其理论解释是运用轴对称或球对称的数学模型，是二维和三维问题；
3.由于土是沉积而成的，存在各向异性。因此，土颗粒中的孔隙水压力也存在各向异性。
上述情况说明，不能简单地将两种试验功能进行组合或叠加，也不能用平行试验方法替代。将导致其理论解释很复杂并产生多解，也影响测试的准确性。
综上所述，目前国内现有的现场测试方法均不能准确获得水平有效应力，只是近似值和推估值，且费工费时，效率低下。
中国专利CN101089566公开了一种名称为“复合压阻式土应力传感器”发明专利，该专利设置了一个模块壳体，模块壳体一面外侧焊有感受土应力的弹性体，模块壳体另一面为矩形保护衬板，是三层结构，其应力敏感组件和水压敏感组件均是安装在模块壳体内，没有测试垂直向贯入阻力功能。透水石为多片状排列成圆环形，模块壳体几何中心点没有透水石，其透水石的高度低于模块外体，产生凹陷现象，这样测得的数据很难用平面应力进行解释。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的不足，提出一种能在现场同步快速测定土的贯入阻力和水平有效应力及孔隙水压力的有效应力铲，使其具有准确、快速、经济的特点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：有效应力铲，它由夹持杆1和应力盒2组成，夹持杆1与应力盒2平行，其特征是所述应力盒2内部设有封闭空腔K1，其封闭空腔K1较薄的一面作为感应膜9，较厚的另一面作为应力盒的支撑背面10，封闭空腔K1内充满应力传递介质，封闭空腔K1与压力导管6连通；在支撑背面10几何中心处装有滤水器11，滤水器11背后的支撑背面10设有一小型空腔K2，小型空腔K2和水压导管7连通；夹持杆1内安装有与压力导管6相连的微型压力传感器4和与水压导管7相连的微型水压传感器5，在夹持杆1上安装有测试在应力铲贯入过程中土体的垂直方向的单位贯入阻力的力传感器。
在上述方案中，所述力传感器位于夹持杆1上方，为空心柱形力传感器3，它由敏感元件空心弹性体13和护筒14组成，空心弹性体13与轴线与夹持杆轴线平行，空心弹性体13内贴有应变计15，应变计15通过信号线16与接收仪表连接。
在上述方案中，应力盒2可以采用一块高强度不锈钢板整体成形，制成前部为楔形的矩形铲盒状。
在上述方案中，所述应力盒2内部封闭空腔K1为矩形空腔，其空腔的感应膜9厚1mm，支撑背面10厚9mm，所述应力传递介质为脱气硅油8。
在上述方案中，所述滤水器11用位于支撑背面10上的法兰压盖12固定，滤水器的表面与支撑背面10表面齐平。
在上述方案中，所述滤水器11为单孔滤水器，其直径小于14mm，滤水材料的渗透系数为(1～5)×10^-5cm/s，过滤孔径为0.1～0.5μm。
本发明实现了集中同步测试三个重要参数，即现场快速同时测试土的贯入阻力、水平总应力和孔隙水压力，三个参数理论解释的边界条件相同，解决了国内目前无法现场测试水平有效应力和静止侧压力系数K₀值的难题，促进了原位测试技术的发展和进步，具有准确、快速、经济的特点。
本发明与CN101089566“复合压阻式土应力传感器”专利存在如下不同之处：
1.外形结构：本发明是在申请人先前公开的一种应力铲专利技术(专利申请号：02279590.1)的基础上改进而成，采用一块不锈钢板整体加工成形。铲的一面测试水平总应力方式和结构与应力铲专利技术相同，改进的是增加背面的厚度，由原应力铲的双面变形测试水平总应力，改变为单面，背面成为支撑骨架，是单层整体结构。而“复合压阻式土应力传感器”中设置了一个模块壳体，模块壳体一面外侧焊有感受土应力的弹性体；模块壳体另一面为矩形保护衬板，是三层结构；
2.传感器的安装方式：本发明测试水平总应力和孔隙水压力的传感器是安装在夹持杆内的，测试垂直向贯入阻力的传感器安装在夹持杆的上方。而“复合压阻式土应力传感器”中，应力敏感组件和水压敏感组件均是安装在模块壳体内，它也没有测试垂直向贯入阻力功能；
3.滤水器的外形及位置：本发明滤水器的形状为单孔圆形，且滤水器的直径为φ10mm，必须安装在背面几何中心处，高度与背面必须齐平，其原因前面已在技术背景中进行了分析解释。而“复合压阻式土应力传感器”中透水石为多片状排列成圆环形，几何中心点没有透水石，圆环直径φ＞14mm，其透水石的高度低于模块外体，产生凹陷现象，这样测得的数据很难用平面应力进行解释，而且滤水器的位置该专利没有具体指出。
4.选用传感器：本发明测试水平总应力和孔隙水压力的传感器是直接选用批量生产的定型产品-微型压力传感器，采用螺纹安装方式。而“复合压阻式土应力传感器”中，是该申请人自行制作的敏感组件。另外，本发明中，水平孔隙水压力测试点的位置，即单孔滤水器(8)在应力盒(2)的安装位置是唯一的，它必须放置在应力盒背面几何中心处，并且其外形尺寸不宜过大，其直径应小于14mm，同时它的高度必须与背面齐平，才可解释为一维平面问题，若安放在其他点或外形尺寸过大或高度不与背面齐平有凹陷现象，由于边界条件的改变，将导致其理论解释很复杂并产生多解，影响测试的准确性。
因此，有效应力铲的发明，解决了长期困扰岩土工程领域无法现场快速直接测试水平有效应力和水平孔隙水压力以及准确计算静止侧压力系数K₀值的难题。另外，有效应力铲在贯入过程中同时获得的三个动态参数，即贯入水平总应力、贯入水平孔隙水压力和垂直向单位贯入阻力，通过应力衰减试验后的测试数据，可计算出土的静止侧压力系数K₀值和固结系数C_v值等重要参数，利用这三个动态参数，不仅精确划分土层界面、土类定名，还可藉助土工试验数据，测定土的其他物理力学指标(包括某些动力学指标)，相比其他方法，大大提高了效率和准确性。
本发明特点：
1.功能特点：现场同时快速直接测定土的三种应力，即同时测试土的水平总应力、孔隙水压力和垂直贯入阻力；
2.结构特点：应力盒采用高强度不锈钢板整体制成，感应矩形空腔加工成形后，其空腔对应厚度薄的一面，正好利用不锈钢的高弹性作为土应力的感应膜，使整个应力盒单一结构，强度大大提高，且便于密封，优于焊接或粘接方法等多层结构；
3.孔压测试特点：滤水器设计成单片直径φ10mm，且高度与接触土层的背面齐平；
4.贯入阻力测试：增加一个测试垂直向土的阻力传感器，它设计成空心柱形应变式力传感器，便于贯入土中圆滑的外形小巧坚固，密封性能好。
附图说明
图1本实施例整体结构示意图
图2为应力盒2的侧视剖面图
图3为图2中A处局部放大图
图4为图1中空心力传感器放大图
在图中，1-夹持杆，2-应力盒，3-力传感器，4-微型压力传感器，5-微型水压传感器，6-压力导管，7-水压导管，8-脱气硅油，9-感应膜，10-支撑背面，11-滤水器，12-法兰压盖，13-空心弹性体，14-护筒，15-应变计，16-应变计信号线。
具体实施方式
参照图1至图4，本发明所述实施例是现场同步快速测定土的贯入阻力和水平有效应力及孔隙水压力的土工测试仪器——有效应力铲，它由夹持杆1和应力盒2组成，夹持杆1与应力盒2平行。应力盒2设计成矩形铲状和前部楔形，以减少压入土中的阻力和对土的扰动。采用316即0Cr17Ni12Mo2不锈钢板整体加工成形，盒的中部加工成一个矩形空腔K1，空腔的一面厚1mm，利用不锈钢的高弹性作为感应膜9，另一面，厚9mm作为盒的支撑背面10，在压入过程中背面承受土体中的阻力，使盒体不发生变形。矩形空腔内充满脱气硅油8作为传导介质，通过压力导管6与微型压力传感器4连接。应力盒2上的感应膜9受到土的水平向挤压应力时产生微小的变形，通过矩形空腔内脱气硅油传递到夹持杆1内的微型压力传感器4上，获得水平总应力。
在应力盒2的支撑背面10不锈钢板几何中心处，设计一个φ14深5mm的圆槽，用于安装滤水器11，用法兰压盖12固定，滤水器的表面与支撑背面10表面齐平，滤水材料的渗透率为(1～5)×10^-5cm/s，过滤精度为0.1～0.5μm，以不锈钢或陶瓷材料为主，起到阻隔土颗粒而土中孔隙水则无碍流通的作用，滤水器背后加工成一个φ10深3mm小型空腔K2，腔内充满脱气硅油并通过水压导管与微型水压力传感器5连通，从而测定土的水平孔隙水压力；
在夹持杆1上方可以安装有测试在应力铲贯入过程中土体的垂直方向的单位贯入阻力的空心柱形力传感器3，它由敏感元件空心弹性体13和护筒14组成，空心弹性体13与轴线与夹持杆轴线平行，空心弹性体13内贴有应变计15，应变计15通过信号线16与接收仪表连接。在应力铲贯入过程中土体的阻力使空心弹性体13产生微小变形，经应变计15变换成电信号，通过信号线16传递给接收仪表，以测试在贯入过程中土体的垂直方向的单位贯入阻力；
本实施例的微型压力传感器4和微型水压传感器5选择商业化定型产品——微型压力传感器测试水平总应力和孔隙水压力，选择空心力传感器测试贯入阻力。其技术指标为：压力传感器量程为0～2MPa，空心力传感器量程为0～3t，非线性误差：0.5％FS，重复性误差：0.5％FS，稳定性误差0.5％FS，采用螺纹安装方式；
本实施例利用一个力传感器和两个微型压力传感器分别将垂直贯入阻力、水平总应力和孔隙水压力转换成直流电压信号，其信号输出灵敏度为10mv/v，通过电缆传给地面上的接收仪表；接收仪表采用单片机技术，对接收的直流电压信号进行采集、处理和运算，最后显示水平有效应力、孔隙水压力值和单位贯入阻力以及通过计算得到土的静止侧压力系数K₀值和固结系数C_v值。
水平有效应力＝水平总应力-孔隙水压力；
垂直有效应力＝垂直总应力-孔隙水压力；
静止侧压力系数K₀＝水平有效应力/垂直有效应力；
固结系数C_v＝T₅₀×r₀²/t₅₀。