[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及岩土工程勘察技术领域中的原位测试技术，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。

背景技术

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。

发明内容

发明目的：本发明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：本发明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。

作为本发明的进一步改进，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。

作为本发明的进一步改进，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。

作为本发明的进一步改进，在锥头与摩擦筒的连接处设有止水橡胶圈和透水石。

作为本发明的进一步改进，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。

本发明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q_c、侧壁摩阻力f_s；

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：