一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201210457223.1

申请日:

2012.11.14

公开号:

CN102953363A

公开日:

2013.03.06

当前法律状态:

驳回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):E02D 1/00申请公布日:20130306|||实质审查的生效IPC(主分类):E02D 1/00申请日:20121114|||公开

IPC分类号:

E02D1/00

主分类号:

E02D1/00

申请人:

东南大学

发明人:

蔡国军; 刘松玉; 张涛; 邹海峰

地址:

211189 江苏省南京市江宁开发区东南大学路2号

优先权:

专利代理机构:

南京苏高专利商标事务所(普通合伙) 32204

代理人:

柏尚春

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内容摘要

本发明公布了一种可连续定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,该探测器探头的的上半部采用绝缘PVC材料(1)与不锈钢环形电极(2)组成电阻传感器;在结构上该探头的上半部自上往下顺序相间排列设有绝缘PVC材料(1)和不锈钢环形电极(2);探头的下半部设有侧壁摩擦筒(3),侧壁摩擦筒(3)中间设有孔隙水压力传感器(4),在侧壁摩擦筒(3)的下方连接有圆锥探头(5),在侧壁摩擦筒(3)与圆锥探头(5)之间设有孔压过滤环(6)。该探测器具有原位、快速、准确、经济等特点,为模型试验土体扰动评估、土木工程地基处理实践提供有力的检测工具。

权利要求书

权利要求书

一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,其特征在于该探测器探头的上半部采用绝缘PVC材料(1)与不锈钢环形电极(2)组成电阻传感器;在结构上该探头的上半部自上往下顺序相间排列设有绝缘PVC材料(1)和不锈钢环形电极(2);探头的下半部设有侧壁摩擦筒(3),侧壁摩擦筒(3)中间设有孔隙水压力传感器(4),在侧壁摩擦筒(3)的下方连接有圆锥探头(5),在侧壁摩擦筒(3)与圆锥探头(5)之间设有孔压过滤环(6)。
根据权利要求1所述的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,其特征在于孔压过滤环(6)厚度为5mm,侧壁摩擦筒(3)表面积150cm2
根据权利要求1所述的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,其特征在于圆锥探头(5)的锥角为60°,锥底截面积为10cm2,不等端面积比为0.8。
根据权利要求1所述的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,其特征在于不锈钢环形电极(2)的数量为4个,厚度为1.5mm,宽度为5mm,排列间距均为10mm,分布于探头的总长度为50mm。

说明书

一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器
技术领域
本发明涉及一种电阻率探测器,属于岩土工程领域中一种能够连续、定量地测试土层原位孔隙率变化的静力触探装置。
背景技术
静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层,通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等,可确定土的某些基本物理力学特性,如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探,部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展,出现了很多新的静力触探技术,这些技术能够快速、准确地获得土层的孔隙水压力、地震波、污染物性状、温度、甚至影像。目前定量评价土体孔隙率改变的方法主要有光学法和阻力法。常见的光学法测试技术包括立体摄影量测技术、数字成像技术、透明土试验技术、X射线测试技术以及其他图像处理技术。除X射线测试和透明土技术外,光学法只适用于边界透明的模型容器中,这就限制了破坏模式的量测。阻力法一般有热阻法和电阻法两种。虽然电阻法仍可能会阻碍土颗粒破坏模式,但是允许探头附近发生一定范围的变形,并运用一个与土颗粒形状无关、与土体密度成线性的相关关系,得到更为精确的土体孔隙率特征。
本发明基于常规的静力触探探头,提供了一种可以连续、定量、准确、快捷的原位测试仪器,为模型试验和岩土工程地基处理提供准确有效的定量评价方法。
发明内容
技术问题:本发明要解决的技术问题是针对国内无法土体孔隙率改变的原位定量评价,提出一种可用于岩土工程领域的可定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器。利用该探测器能够有效地定量评价受扰动土体的孔隙率改变大小。
技术方案:本发明的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器的上半部采用绝缘PVC材料与不锈钢环形电极组成电阻传感器;在结构上该探头的上半部自上往下顺序相间排列设有绝缘PVC材料和不锈钢环形电极;探头的下半部设有侧壁摩擦筒,侧壁摩擦筒中间设有孔隙水压力传感器,在侧壁摩擦筒的下方连接有圆锥探头,在侧壁摩擦筒与圆锥探头之间设有孔压过滤环。
孔压过滤环厚度为5mm,侧壁摩擦筒表面积150cm2
圆锥探头的锥角为60°,锥底截面积为10cm2,不等端面积比为0.8。
不锈钢环形电极的数量为4个,厚度为1.5mm,宽度为5mm,排列间距均为10mm,分布于探头的总长度为50mm。
通过探测器内部的电路系统及四个电极同步、连续地量测中间两电极间的电压变化,并根据欧姆定律原理编制计算程序计算电极周围土体的电阻率大小。根据欧姆定律,电阻率探测器所测土体原位电阻率ρ为:
<mrow><MI>ρ</MI> <MO>=</MO> <MFRAC><MI>AV</MI> <MI>IL</MI> </MFRAC></MROW>]]&gt;</MATH><IMG inline="no" orientation="portrait" img-format="tif" img-content="drawing" he="11" wi="16" file="BDA00002403186800021.TIF"></MATHS> <BR>式中,A为所测土体横截面积(m<SUP>2</SUP>),L为土体长度(m),V为内部电源电压(v);I为电流(A)。 <BR>由于测试土体的几何特性A、L难以确定,根据欧姆定律得到土体电阻R的理论方程: <BR><MATHS num="0002"><MATH><![CDATA[ <mrow><MI>R</MI> <MO>=</MO> <MFRAC><MI>V</MI> <MI>I</MI> </MFRAC></MROW>]]&gt;</MATH><IMG inline="no" orientation="portrait" img-format="tif" img-content="drawing" he="10" wi="12" file="BDA00002403186800022.TIF"></MATHS> <BR>土体孔隙率变化量△n可以表示为: <BR>△n=c[(R<SUB>soil;i</SUB>‑R<SUB>soil;0</SUB>)‑(R<SUB>ref;i</SUB>‑R<SUB>ref;0</SUB>)] <BR>式中,c为相关系数,可以由电阻率与孔隙率线性相关关系室内标定确定,R<SUB>soil;i</SUB>、R<SUB>ref;i</SUB>分别为第i时刻的土体电阻和参考电阻(Ω),R<SUB>soil;0</SUB>、R<SUB>ref;0</SUB>分别为初始时刻的土体电阻和参考电阻(Ω)。 <BR>有益效果:现场地基处理或室内模型试验均会对原有土体产生不同程度的扰动,直接或间接地影响地基处理的效果和模型试验的精确度。目前连续定量评价土体孔隙率改变的方法通常采用光学法。然而光学法只适用于室内试验且对试验的要求较高,如边界透明的模型容器,专业的图像处理技术等,同时测试过程中可能会阻碍土颗粒的破坏机理的量测,造成实验结果可靠度降低、试验成本较高等缺点。 <BR>本发明解决了国内现有光学法测试技术不能较好、连续、准确地检测土体扰动过程中孔隙率变化量的缺陷,能够连续、准确、有效的定量评价土体孔隙率的改变。使得电阻率探测器能够更全面地服务于岩土工程领域。该项技术具有连续性、定量性和可靠性的特点。 <BR><SPAN style="COLOR: blue">附图说明</SPAN> <BR>图1是本发明的元件装置图; <BR>其中有:绝缘PVC材料1,不锈钢环形电极2,侧壁摩擦筒3,孔隙水压力传感器4,圆锥探头5,孔压过滤环6。 <BR><SPAN style="COLOR: blue">具体实施方式</SPAN> <BR>本发明的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器探头的上半部采用绝缘PVC材料1与不锈钢环形电极2组成电阻传感器;在结构上该探头的上半部自上往下顺序相间排列设有绝缘PVC材料1和不锈钢环形电极2;探头的下半部设有侧壁摩擦筒3,侧壁摩擦筒3中间设有孔隙水压力传感器4,在侧壁摩擦筒3的下方连接有圆锥探头5,在侧壁摩擦筒3与圆锥探头5之间设有孔压过滤环6。 <BR>如图1所示为测量的原理图。所述的不锈钢环形电极2在探测器竖直方向的总长度为50mm。 <BR>所述的四个不锈钢环形电极2的厚度均为1.5mm,宽度均为5mm,间距均为10mm。 <BR>由于电极导体与土体之间的接触条件较为复杂,为方便起见,假设土体与导体电极间的接触电阻均相等。恒定电流下测试中间两导体电极间的电压降为V<SUB>s</SUB>,并将测试值通过40Hz的贝塞耳(Besse1)低通道过滤器进行过滤,用以减少不同频率电源等的干扰。根据欧姆定律计算出土体的电阻R<SUB>soil</SUB>,测试土体的电阻R<SUB>soil</SUB>可表示为: <BR><MATHS num="0003"><MATH><![CDATA[ <mrow><MSUB><MI>R</MI> <MI>soil</MI> </MSUB><MO>=</MO> <MFRAC><MROW><MSUB><MI>V</MI> <MI>s</MI> </MSUB><MSUB><MI>R</MI> <MI>ref</MI> </MSUB></MROW><MSUB><MI>V</MI> <MI>c</MI> </MSUB></MFRAC></MROW>]]&gt;</MATH><IMG inline="no" orientation="portrait" img-format="tif" img-content="drawing" he="12" wi="26" file="BDA00002403186800023.TIF"></MATHS> <BR>式中,V<SUB>c</SUB>为电源电压(v),R<SUB>ref</SUB>为探测器的参考电阻(Ω)。 <BR>传感器类型、绝缘材料和边界条件等的不同,使得电极导体与土体间的接触电阻变得极为复杂,通过欧姆定律及模型试验得到土体孔隙率变化Δn的线性表达式: <BR>△n=c[(R<SUB>soil;i</SUB>‑R<SUB>soil;0</SUB>)‑(R<SUB>ref;i</SUB>‑R<SUB>ref;0</SUB>)] <BR>式中,c为相关系数,可以由电阻率与孔隙率线性相关关系室内标定确定,R<SUB>soil;i</SUB>、R<SUB>ref;i</SUB>分别为第i时刻的土体电阻和参考电阻(Ω),R<SUB>soil;0</SUB>、R<SUB>ref;0</SUB>分别为初始时刻的土体电阻和参考电阻(Ω)。</p></div> </div> </div> </div> <div class="tempdiv cssnone" style="line-height:0px;height:0px; overflow:hidden;"> </div> <div id="page"> <div class="page"><img src='https://img.zhuanlichaxun.net/fileroot1/2018-1/29/93aff7d8-7419-414f-86c5-64858e853f05/93aff7d8-7419-414f-86c5-64858e853f051.gif' alt="一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器.pdf_第1页" width='100%'/></div><div class="pageSize">第1页 / 共6页</div> <div class="page"><img src='https://img.zhuanlichaxun.net/fileroot1/2018-1/29/93aff7d8-7419-414f-86c5-64858e853f05/93aff7d8-7419-414f-86c5-64858e853f052.gif' alt="一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器.pdf_第2页" width='100%'/></div><div class="pageSize">第2页 / 共6页</div> <div class="page"><img src='https://img.zhuanlichaxun.net/fileroot1/2018-1/29/93aff7d8-7419-414f-86c5-64858e853f05/93aff7d8-7419-414f-86c5-64858e853f053.gif' alt="一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器.pdf_第3页" width='100%'/></div><div class="pageSize">第3页 / 共6页</div> </div> <div id="pageMore" class="btnmore" onclick="ShowSvg();">点击查看更多>></div> <div style="margin-top:20px; line-height:0px; height:0px; overflow:hidden;"> <div style=" font-size: 16px; background-color:#e5f0f7; font-weight: bold; text-indent:10px; line-height: 40px; height:40px; padding-bottom: 0px; margin-bottom:10px;">资源描述</div> <div class="detail-article prolistshowimg"> <p>《一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器.pdf(6页珍藏版)》请在专利查询网上搜索。</p> <p >1、10申请公布号CN102953363A43申请公布日20130306CN102953363ACN102953363A21申请号201210457223122申请日20121114E02D1/0020060171申请人东南大学地址211189江苏省南京市江宁开发区东南大学路2号72发明人蔡国军刘松玉张涛邹海峰74专利代理机构南京苏高专利商标事务所普通合伙32204代理人柏尚春54发明名称一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器57摘要本发明公布了一种可连续定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,该探测器探头的的上半部采用绝缘PVC材料(1)与不锈钢环形电极(2)组成电阻传感器;在结构上该探头的上半。</p> <p >2、部自上往下顺序相间排列设有绝缘PVC材料(1)和不锈钢环形电极(2);探头的下半部设有侧壁摩擦筒(3),侧壁摩擦筒(3)中间设有孔隙水压力传感器(4),在侧壁摩擦筒(3)的下方连接有圆锥探头(5),在侧壁摩擦筒(3)与圆锥探头(5)之间设有孔压过滤环(6)。该探测器具有原位、快速、准确、经济等特点,为模型试验土体扰动评估、土木工程地基处理实践提供有力的检测工具。51INTCL权利要求书1页说明书3页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书3页附图1页1/1页21一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,其特征在于该探测器探头的上半部采用绝缘PVC材料(1)与。</p> <p >3、不锈钢环形电极(2)组成电阻传感器;在结构上该探头的上半部自上往下顺序相间排列设有绝缘PVC材料(1)和不锈钢环形电极(2);探头的下半部设有侧壁摩擦筒(3),侧壁摩擦筒(3)中间设有孔隙水压力传感器(4),在侧壁摩擦筒(3)的下方连接有圆锥探头(5),在侧壁摩擦筒(3)与圆锥探头(5)之间设有孔压过滤环(6)。2根据权利要求1所述的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,其特征在于孔压过滤环(6)厚度为5MM,侧壁摩擦筒(3)表面积150CM2。3根据权利要求1所述的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,其特征在于圆锥探头(5)的锥角为60,锥底截面积为10CM2,不等端面积比为08。4根据权。</p> <p >4、利要求1所述的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器,其特征在于不锈钢环形电极(2)的数量为4个,厚度为15MM,宽度为5MM,排列间距均为10MM,分布于探头的总长度为50MM。权利要求书CN102953363A1/3页3一种定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器技术领域0001本发明涉及一种电阻率探测器,属于岩土工程领域中一种能够连续、定量地测试土层原位孔隙率变化的静力触探装置。背景技术0002静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层,通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等,可确定土的某些基本物理力学特性,如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的。</p> <p >5、历史。国际上广泛应用静力触探,部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展,出现了很多新的静力触探技术,这些技术能够快速、准确地获得土层的孔隙水压力、地震波、污染物性状、温度、甚至影像。目前定量评价土体孔隙率改变的方法主要有光学法和阻力法。常见的光学法测试技术包括立体摄影量测技术、数字成像技术、透明土试验技术、X射线测试技术以及其他图像处理技术。除X射线测试和透明土技术外,光学法只适用于边界透明的模型容器中,这就限制了破坏模式的量测。阻力法一般有热阻法和电阻法两种。虽然电阻法仍可能会阻碍土颗粒破坏模式,但是允许探。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>6、头附近发生一定范围的变形,并运用一个与土颗粒形状无关、与土体密度成线性的相关关系,得到更为精确的土体孔隙率特征。0003本发明基于常规的静力触探探头,提供了一种可以连续、定量、准确、快捷的原位测试仪器,为模型试验和岩土工程地基处理提供准确有效的定量评价方法。发明内容0004技术问题本发明要解决的技术问题是针对国内无法土体孔隙率改变的原位定量评价,提出一种可用于岩土工程领域的可定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器。利用该探测器能够有效地定量评价受扰动土体的孔隙率改变大小。0005技术方案本发明的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器的上半部采用绝缘PVC材料与不锈钢环形电极组成电阻传感器;在结构上。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>7、该探头的上半部自上往下顺序相间排列设有绝缘PVC材料和不锈钢环形电极;探头的下半部设有侧壁摩擦筒,侧壁摩擦筒中间设有孔隙水压力传感器,在侧壁摩擦筒的下方连接有圆锥探头,在侧壁摩擦筒与圆锥探头之间设有孔压过滤环。0006孔压过滤环厚度为5MM,侧壁摩擦筒表面积150CM2。0007圆锥探头的锥角为60,锥底截面积为10CM2,不等端面积比为08。0008不锈钢环形电极的数量为4个,厚度为15MM,宽度为5MM,排列间距均为10MM,分布于探头的总长度为50MM。0009通过探测器内部的电路系统及四个电极同步、连续地量测中间两电极间的电压变化,并根据欧姆定律原理编制计算程序计算电极周围土体的电阻率。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>8、大小。根据欧姆定律,电阻率探测器所测土体原位电阻率为说明书CN102953363A2/3页400100011式中,A为所测土体横截面积(M2),L为土体长度(M),V为内部电源电压(V);I为电流(A)。0012由于测试土体的几何特性A、L难以确定,根据欧姆定律得到土体电阻R的理论方程00130014土体孔隙率变化量N可以表示为0015NCRSOIL;IRSOIL0RREFIRREF;00016式中,C为相关系数,可以由电阻率与孔隙率线性相关关系室内标定确定,RSOIL;I、RREF;I分别为第I时刻的土体电阻和参考电阻(),RSOIL0、RREF;0分别为初始时刻的土体电阻和参考电阻()。0。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>9、017有益效果现场地基处理或室内模型试验均会对原有土体产生不同程度的扰动,直接或间接地影响地基处理的效果和模型试验的精确度。目前连续定量评价土体孔隙率改变的方法通常采用光学法。然而光学法只适用于室内试验且对试验的要求较高,如边界透明的模型容器,专业的图像处理技术等,同时测试过程中可能会阻碍土颗粒的破坏机理的量测,造成实验结果可靠度降低、试验成本较高等缺点。0018本发明解决了国内现有光学法测试技术不能较好、连续、准确地检测土体扰动过程中孔隙率变化量的缺陷,能够连续、准确、有效的定量评价土体孔隙率的改变。使得电阻率探测器能够更全面地服务于岩土工程领域。该项技术具有连续性、定量性和可靠性的特点。附。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>10、图说明0019图1是本发明的元件装置图;0020其中有绝缘PVC材料1,不锈钢环形电极2,侧壁摩擦筒3,孔隙水压力传感器4,圆锥探头5,孔压过滤环6。具体实施方式0021本发明的定量评价土体孔隙率改变的电阻率探测器探头的上半部采用绝缘PVC材料1与不锈钢环形电极2组成电阻传感器;在结构上该探头的上半部自上往下顺序相间排列设有绝缘PVC材料1和不锈钢环形电极2;探头的下半部设有侧壁摩擦筒3,侧壁摩擦筒3中间设有孔隙水压力传感器4,在侧壁摩擦筒3的下方连接有圆锥探头5,在侧壁摩擦筒3与圆锥探头5之间设有孔压过滤环6。0022如图1所示为测量的原理图。所述的不锈钢环形电极2在探测器竖直方向的总长度为。</p> <p style='height:0px;padding:0;margin:0;overflow:hidden'>11、50MM。0023所述的四个不锈钢环形电极2的厚度均为15MM,宽度均为5MM,间距均为10MM。0024由于电极导体与土体之间的接触条件较为复杂,为方便起见,假设土体与导体电极间的接触电阻均相等。恒定电流下测试中间两导体电极间的电压降为VS,并将测试值通说明书CN102953363A3/3页5过40HZ的贝塞耳BESSE1低通道过滤器进行过滤,用以减少不同频率电源等的干扰。根据欧姆定律计算出土体的电阻RSOIL,测试土体的电阻RSOIL可表示为00250026式中,VC为电源电压(V),RREF为探测器的参考电阻()。0027传感器类型、绝缘材料和边界条件等的不同,使得电极导体与土体间的接触电阻变得极为复杂,通过欧姆定律及模型试验得到土体孔隙率变化N的线性表达式0028NCRSOILIRSOIL0RREFIRREF00029式中,C为相关系数,可以由电阻率与孔隙率线性相关关系室内标定确定,RSOILI、RREF;I分别为第I时刻的土体电阻和参考电阻(),RSOIL0、RREF;0分别为初始时刻的土体电阻和参考电阻()。说明书CN102953363A1/1页6图1说明书附图CN102953363A。</p> </div> <div class="readmore" onclick="showmore()" style="background-color:transparent; 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