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靜力觸探測試法的儀器設備

靜力觸探設備,俗稱靜力觸探儀,壹般由三部分構成,即:

(1)靜力觸探頭:地層阻力傳感;

(2)量測記錄儀表:測量與記錄探頭所受各種阻力;

(3)貫入系統:包括觸探主機與反力裝置,***同負責將探頭壓入土中。

觸探主機借助探桿將裝在其底端的探頭壓入土中;反力裝置則提供主機在貫入探頭過程中所需之反力。

目前,廣泛應用的靜力觸探車集上述三部分為壹整體。靜力觸探車具有貫入深度大(貫入力壹般大於10t)、效率高和勞動強度低的優點。但它僅適用於交通便利、地形較平坦及可開進汽車的勘測場地使用。貫入力等於5t或小於5t者,壹般為輕型靜力觸探儀。使用時,壹般都將上述三部分分開裝運到勘測現場,進行測試時再將三部分有機地連接起來。在交通不便、勘測深度不大或土層較軟的地區,輕型靜力觸探應用很廣。它具有便於搬運、測試成本較低及靈活方便之優點。靜力觸探儀的貫入力壹般為2~20t,最大貫入力為20t,因為細長的探桿受力極限不能太大,太大易彎曲或折斷。貫入力為2~3t者,壹般為手搖鏈式電測十字板-觸探兩用儀。貫入力大於5t者,壹般為液壓式主機。現介紹幾種主要的和常用的觸探儀。

壹、壹些常用的靜力觸探儀介紹

1.輕便觸探機

2Y-5A型觸探機(圖3-11),額定貫入力:50kN;起拔力:80kN;80kN貫入速度:1.2m/min主機質量:350kg;起拔速度:2.5/min動力匹配:5.5千瓦電機或180柴油機。

圖3-11 2Y-5A輕便型觸探機

2.靜力觸探-十字板剪切兩用機

CLD-1型觸探機(圖3-12),貫入力:2t;貫入速度:0.8~1.2m/min,主機質量:200kg。CLD-3型觸探機,貫入力:3t;貫入速度:0.8~1.2m/min,主機質量:210kg。

3.靜力觸探工程車

目前,我國生產靜力觸探工程車的廠家較多,主要有浙江寧波勘215機械廠、江蘇省如臯勘測機械廠、大連拉伸機廠、沈陽探礦機械廠及上海地質儀器廠等。各廠生產的觸探工程車的貫入能力都已達到20t,都有封閉式車廂,可以在不受氣候條件影響下進行野外作業。觸探車的結構形式:客車型,蓬車型;平衡形式:液壓支腿手動調平;外形尺寸:9.8m×2.5m×2.8m;下錨形式:液壓下錨機自動下錨;動力匹配:汽車動力;全車質量:8500kg。

圖3-12 CLD3-型觸探機

圖3-13 靜力觸探工程車

二、探頭

(詳見第二節第二部分)

三、量測記錄儀表

我國的靜力觸探工程幾乎全部采用電阻應變式傳感器。因此,與其配套的記錄儀器主要有以下4種類型:①電阻應變儀;②自動記錄繪圖儀;③數字式測力儀;④數據采集儀(微機)。

1.電阻應變儀

從20世紀60年代起直到70年代中期,壹直是采用電阻應變儀。電阻應變儀具有靈敏度高、測量範圍大、精度高和穩定性好等優點。但其操作是靠手動調節平衡,跟蹤讀數,容易造成誤差。而且不能連續讀數,只能間隔進行(壹般5~10 s,即每貫入10~20cm讀壹次),不能得到連續變化的觸探曲線。經過改進,出現了數字式測力儀,如上海新衛機器廠生產的數字測力儀和新達電訊廠生產的JC-X2靜力觸探測量儀。

2.自動記錄繪圖儀

為了實現自動記錄,就出現了自動記錄儀。我國現在生產的靜力觸探自動記錄儀都是用電子電位差計改裝的。這些電子電位差計都只有壹種量程範圍。為了在阻力大的地層中能測出探頭的額定阻力值,也為了在軟層中能保證測量精度,壹般都采用改變供橋電壓的方法來實現。

早期的儀器為可選式固定橋壓法,壹般分成4~5檔,橋壓分別為2、4、6、8、10V,可根據地層的軟硬程度選擇。這種方式的優點是電壓穩定,可靠性強;但資料整理工作量大。現已有可使供橋電壓連續可調的自動記錄儀。

圖3-14 ZSJ-2型雙筆自動記錄儀工作原理圖

(1)自動記錄儀工作原理:圖3-14所示為ZSJ-2型雙筆自動記錄儀工作原理圖,由傳感器送來的被測直流信號,經測量電路與儀表內補償電壓進行比較後,產生壹不平衡電壓,經放大器放大105~6倍後獲得足夠大的功率驅動可逆電機轉動。可逆電機經過壹套機械傳動裝置,壹面帶動測量電路中的滑線電阻的滾動觸點,使補償電壓與被測信號平衡;壹面帶動指針和記錄筆沿著有分度的標尺左右移動。此時放大器中無信號輸入和輸出,電機停止轉動,指針在分度尺上的指示值即為被測信號的電壓值。如果被測信號發生變化,則新產生的電位差值信號又被送至放大器,使滑線電阻的滾動觸點又移動到壹個新的平衡點,被測信號與補償電壓又達到新的平衡,指針又移到新的位置……。與此同時,自整角機通過壹套傳動機構,以壹定速度卷動記錄紙。這樣,隨著指針移動和記錄紙卷動,記錄筆便在記錄紙上連續地記錄出各深度被測信號的大小,此即靜力觸探曲線。

(2)儀器主要組成部分:除走紙機構外,雙筆記錄儀各部分都由兩(雙)套組成:它包括①測量電路;和應變儀壹樣,也是采用雙電橋電路,所不同的是自動記錄儀采用的是直流內橋,傳輸的是直流信號;為對外橋路提供穩定的直流電壓,自動記錄儀專門增設了橋路穩壓電源:穩壓範圍壹般為0~20V,連續可調,以適應標定探頭和貫入不同軟硬地層的需要;②晶體管放大器:在記錄儀中,放大器的作用是把測量電路送來的直流信號ΔU放大成足以驅動可逆電機轉動的交流信號,並且當直流信號ΔU的極性改變時,輸出交流信號的相位也隨之改變,從而能帶動可逆電機正反轉動,使測量系統達到自動平衡;③可逆電機;④儀表的走紙機構:靜力觸探自動記錄儀除了要把被測信號顯示出來外,還必須將信號隨深度變化的情況記錄在紙帶上,才能及時準確地記錄出地層各位置的阻力值。為此,記錄儀用壹對自整角機取代了原電位差計走紙系統中的同步電機。同時發訊角機和摩擦輪通過齒輪組連在壹起,並安裝在觸探主機的底盤上,使摩擦輪緊貼觸探桿。當觸探桿下壓時,摩擦輪便隨著轉動。帶動發訊機的轉子旋轉。接收機固定在儀器內,並和走紙機構的齒輪組相連接。當發訊機旋轉時它也跟隨旋轉,帶動記錄紙按1:100(或其他)比例移動,這樣就把觸探深度記錄下來。

3.數字式測力儀

數字式測力儀是壹種精密的測試儀表。這種儀器能顯示多位數,具有體積小、重量輕、精度高、穩定可靠、使用方便、能直讀貫入總阻力和計算貫入指標簡單等優點,是輕便的鏈式十字板-靜力觸探兩用機的配套量測儀表,國內已有眾多廠家生產。這種儀器的缺點是間隔讀數,手工記錄。

數字式測力儀與過去使用的應變儀比較,其優點是:體積小、重量輕,不用手動跟蹤,而用數字顯示不容易看錯,還可以把率定系數輸入儀器內直接讀取阻力值。由武漢市勘測院設計、由武漢無線電廠生產的數字式測力儀即具有上述功能。

此外,自動記錄儀與應變儀相比,靈敏度不如應變儀,它的量程小。但是,自動記錄儀有深度控制裝置,可以連續自動地記錄土層的貫入阻力曲線,從而提高了野外工作效率和質量,因而目前使用最廣。

4.數據采集儀(微機)在靜探中的應用

以上介紹的量測記錄儀表的功能均不夠完善,有的只能人工間隔讀數,不能畫圖;有的只能畫圖,但不能顯示打印數據。這些儀器雖還能滿足壹般生產的需要,但資料整理時工作量大,效率低。故用微型計算機采集和處理數據,已在靜力觸探測試中得到了廣泛應用。

四、貫入系統

靜力觸探貫入系統由觸探主機(貫入裝置)和反力裝置兩大部分組成。

觸探主機的作用是將底端裝有探頭的探桿壹根壹根地壓入土中。觸探主機按其貫入方式不同,可以分為間歇貫入式和連續貫入式;按其傳動方式的不同,可分為機械式和液壓式;按其裝配方式不同可分為車裝式、拖鬥式和落地式等。

反力裝置的作用是平衡貫入阻力對貫入裝置的反作用。從設備角度來說,靜力觸探貫入深度的大小主要取決於三方面因素:①貫入設備能力的大小;②觸探頭截面的大小及其與探桿的配合;③反力大小。反力不夠,整個貫入設備的能力就得不到充分發揮,可見反力裝置是很重要的。反力的取得,壹般有下地錨和利用汽車自重兩種。現在的觸探車都綜合利用這兩種方法,效果良好。

擰錨機有液壓、電動、手搖三種類型。

五、探桿

探桿有壹定的規格和要求。探桿應有足夠的強度,應采用高強度無縫管材,其屈服強度不宜小於600MPa。

探桿與接頭的連接要有良好的互換性。用錐形螺紋連接的探桿,連接後不得有晃動現象;用圓柱形螺紋連接的探桿,絲扣之間、皆應能擰緊密貼。

探桿應平直,不得有裂紋和損傷。每根探桿的長度壹般為1m,其直徑應和探頭直徑相同;但單用探頭探桿直徑應比探頭直徑小。

六、電纜

電纜的作用是連接探頭和量測記錄儀表。由於探頭功能不同,相應電纜的芯數也不同,最少的為配單橋探頭的四芯電纜,多則幾十芯,各芯之間應互相屏蔽,在場出訊號時不能互相幹擾。電線應有良好的防水性和絕緣性,接頭處應密封。其直徑應比探桿內徑小,以便能將其順利穿過探桿,連接探頭和儀表。