本發(fā)明屬于測(cè)量地面力學(xué)特性領(lǐng)域，具體涉及一種地面力學(xué)參數(shù)測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

地面力學(xué)中圓錐指數(shù)用以描述土壤強(qiáng)度，指當(dāng)錐體以恒定速率插入土壤過程中單位面積上瞬時(shí)所受的土壤阻力。圓錐指數(shù)儀源于美國工程兵水道試驗(yàn)站（wes），最早用于表征車輛的可通行性。圓錐指數(shù)儀相對(duì)于其他土壤力學(xué)特性測(cè)試工具，突出特點(diǎn)是簡(jiǎn)單高效，借助加載機(jī)構(gòu)與測(cè)量系統(tǒng)即可快速獲取錐頭貫入阻力曲線。

現(xiàn)有的圓錐指數(shù)儀分有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種形式。對(duì)需要進(jìn)行垂向變形地面強(qiáng)度采集的地域，以往根據(jù)具體情況利用便攜式圓錐采集儀在該地域的代表性測(cè)量位置進(jìn)行圓錐指數(shù)試驗(yàn)。實(shí)際野外測(cè)試中，依靠人力的靜態(tài)形式測(cè)試精度雖然可以保證，但量程一般較小。而土木測(cè)試中，也有利用動(dòng)態(tài)形式，依靠錘擊數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行土力學(xué)性質(zhì)研究，或根據(jù)能量原理由貫入深度解算土壤阻力，但這是一種較為粗糙的測(cè)試方法，精準(zhǔn)度難以保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上不足，本發(fā)明旨在提供一種地面力學(xué)參數(shù)測(cè)試裝置，通過動(dòng)態(tài)貫入的方式，利用傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)圓錐指數(shù)的精準(zhǔn)解算，測(cè)試過程簡(jiǎn)單、操作方便且不需要額外動(dòng)力源。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種地面力學(xué)參數(shù)測(cè)試裝置，它包括施力部件、與施力部件連接的貫入部件、與貫入部件電連接的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；

所述施力部件包括滑桿、安裝于滑桿上可上下滑動(dòng)的滑錘，以及安裝于滑桿上且位于滑錘下方的托盤；

所述貫入部件包括錐桿、設(shè)置于錐桿底端的錐頭、安裝于錐桿上的傳感器安裝殼，以及位于傳感器安裝殼內(nèi)部的壓力傳感器與加速度傳感器；

所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括分別與壓力傳感器、加速度傳感器電連接的電荷放大器，以及與電荷放大器電連接的計(jì)算機(jī)采集儀；

所述滑桿經(jīng)貫入桿與傳感器安裝殼相連。

作為對(duì)本發(fā)明的限定，所述滑錘、托盤均為上下貫通的圓柱體結(jié)構(gòu)，所述滑桿穿過滑錘穿進(jìn)托盤，滑桿底端與貫入桿頂端固定連接于托盤內(nèi)部；所述滑桿、貫入桿、滑錘、托盤四者的軸線共線。。

作為對(duì)上述方式的限定，所述滑錘內(nèi)裝有滑動(dòng)軸承。

作為進(jìn)一步限定，所述滑桿上于滑錘與托盤之間裝有橡膠彈簧。

作為對(duì)本發(fā)明的另一種限定，所述傳感器安裝殼包括上殼、下殼，以及分別與上殼、下殼固定連接的固定盤；

所述壓力傳感器、加速度傳感器分別固定在固定盤的頂面中心、底面中心部位處。

作為對(duì)上述方式的限定，所述上殼、下殼均為帶有空腔的t字型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)；所述固定盤為圓盤結(jié)構(gòu)；

所述貫入桿的底端固定連接于上殼內(nèi)部；

所述錐桿的頂端固定連接于下殼內(nèi)部；

所述上殼、下殼、固定盤、貫入桿、錐桿五者的軸線共線。

作為進(jìn)一步限定：

所述壓力傳感器經(jīng)螺母連接于固定盤的頂面。

所述加速度傳感器經(jīng)螺栓連接于固定盤的底面。

所述壓力傳感器的頂部設(shè)有與貫入桿連接的直線軸承。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，所取得的技術(shù)進(jìn)步在于：

本發(fā)明利用滑錘錘擊貫入部件，錘擊能量大且能量大小可以視土質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，以更好地適應(yīng)不同的土壤的測(cè)試環(huán)境，滑錘內(nèi)部設(shè)置滑動(dòng)軸承，可減小滑錘滑動(dòng)過程中因摩擦產(chǎn)生的能量消耗；利用貫入桿沖擊貫入部件，貫入桿底端連接直線軸承，貫入過程中可減少能量損失，使沖擊更為平順；利用壓力傳感器及加速度傳感器接收貫入部件所受的實(shí)時(shí)壓力及加速度信號(hào)，利用數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)處理信號(hào)，結(jié)合力學(xué)原理分析完成靜態(tài)土壤阻力的解算；本發(fā)明結(jié)合硬質(zhì)地面強(qiáng)度要求，綜合了現(xiàn)有技術(shù)中的靜態(tài)圓錐指數(shù)儀的精準(zhǔn)測(cè)試和動(dòng)態(tài)圓錐指數(shù)儀的便捷高效的特點(diǎn)。

本發(fā)明適用于各種圓錐指數(shù)儀。

附圖說明

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的施力部件與貫入部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中的爆炸圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的信號(hào)傳輸示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的力學(xué)原理示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的求解土壤阻力示意圖。

圖中：1、滑桿；2、滑錘；3、托盤；4、貫入桿；5、上殼；6、直線軸承；7、壓力傳感器；8、固定盤；10、加速度傳感器；11、下殼；12、錐桿；13、錐頭；14、螺栓；15、螺母；16、橡膠彈簧；17、電荷放大器；18、計(jì)算機(jī)采集儀；m、貫入體重；f、土壤阻力；f、壓力；a、沖擊加速度；g、重力加速度。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種地面力學(xué)參數(shù)測(cè)試裝置，用于測(cè)量圓錐指數(shù)，結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，包括施力部件、貫入部件以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

（一）施力部件

施力部件包括滑桿1、滑錘2、托盤3。

滑錘2及托盤3均為上下貫通的圓柱體結(jié)構(gòu)，滑錘2的內(nèi)部裝有滑動(dòng)軸承?；N2與托盤3之間設(shè)有橡膠彈簧16?；瑮U1的底端依次穿過滑錘2、橡膠彈簧16穿進(jìn)托盤3，橡膠彈簧16、滑錘2均可相對(duì)于滑桿1上下滑動(dòng)，滑桿1的底端連接貫入桿4，且二者固定在托盤3內(nèi)部?；瑮U1、貫入桿4、滑錘2、托盤3、橡膠彈簧16五者的軸線共線。。

（二）貫入部件

貫入部件包括傳感器安裝殼、錐桿12、錐頭13、壓力傳感器7、加速度傳感器10。

傳感器安裝殼包括上殼5、下殼11、固定盤8。上殼5、下殼11均為帶有空腔的t字型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。固定盤8為圓盤結(jié)構(gòu)，固定盤8固定連接于上殼5下殼11之間，使上殼5、固定盤8、下殼11成為一體。貫入桿4的底端位于上殼5內(nèi)部，且與直線軸承6連接。錐桿12的頂端固定連接于下殼11內(nèi)部，錐頭13設(shè)置于錐桿12的底端。上殼5、下殼11、固定盤8、貫入桿4、錐桿12五者的軸線共線。

壓力傳感器7的型號(hào)為zmhbm，其用于采集貫入過程中貫入部件實(shí)時(shí)受到的壓力。壓力傳感器7經(jīng)螺母15連接于固定盤8的頂面中心處，直線軸承6位于壓力傳感器7的頂部。

加速度傳感器10的型號(hào)為yd-126d，其用于采集貫入過程中貫入部件實(shí)時(shí)受到的加速度，加速度傳感器10經(jīng)螺栓14連接于固定盤8的底面中心處。

（三）數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括分別與壓力傳感器7及加速度傳感器10電連接的電荷放大器17、與電荷放大器17電連接的計(jì)算機(jī)采集儀18。

電荷放大器17的型號(hào)為ts5863d，通過信號(hào)線纜將電荷量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)采集儀中18。計(jì)算機(jī)采集儀18內(nèi)裝采集卡，配合軟件實(shí)時(shí)采集沖擊信號(hào)。

本實(shí)施例設(shè)計(jì)滑桿1長(zhǎng)1.5m，滑錘2重5.6kg，貫入部件總重10kg，錐桿12錐頭13參考標(biāo)準(zhǔn)的wes圓錐，錐桿12直徑15mm，錐頭13底面直徑22.27mm，錐頭13的錐角30°。

本實(shí)施例的測(cè)試過程如下：

豎直放置滑桿1與錐桿12，提升滑錘2，滑錘2借助滑動(dòng)軸承沿滑桿1滑落，砸向托盤3，托盤3帶動(dòng)貫入桿4沖擊貫入部件，進(jìn)而帶動(dòng)錐桿12貫入土體，完成一次貫入過程，如圖4所示。

設(shè)貫入體重m，沖擊過程中的土壤阻力f，貫入部件所受的壓力f（即壓力傳感器7的測(cè)試值），沖擊加速度a（即加速度傳感器10的測(cè)試值），對(duì)貫入部件進(jìn)行受力分析，根據(jù)圖4，則有關(guān)系式：

對(duì)得到的信號(hào)進(jìn)行綜合處理，在一次沖擊過程中，將壓力傳感器7實(shí)測(cè)的壓力信號(hào)與針對(duì)加速度和壓力運(yùn)算后的數(shù)值曲線共同繪制如圖5所示的土壤阻力f圖解示意圖。圖5中，在1.285s-1.295s期間，利用牛頓第二定律取均值求解，可得該段土壤平均阻力f=1068.7n。