[发明专利]一种微型室内静力触探测试系统及方法

权利要求书

1.一种微型室内静力触探测试系统，其特征在于，该测试系统包括探头、中空探杆(16)、孔隙可调式移动滑块(17)、滑块定位螺栓(18)、光纤光栅波长解调仪(19)、试验土样(20)、直线模组(21)、步进式电机(22)、环境温度箱(23)和温度传感器(24)；所述的探头包括变形柱(1)、光纤光栅测斜传感器底座(2)、摩擦套筒(3)、锥尖(4)、光纤光栅应变片(5)、探杆接头(6)、光纤光栅测斜传感器(7)、孔隙水阀芯(8)、柔性滤网一(9)、密封头(10)、光缆(11)、密封圈一(12)、密封圈二(13)、密封圈三(14)和柔性滤网二(15)；

所述变形柱(1)中间开有通孔，便于光缆(11)穿过；变形柱(1)的上部直径小，中下部直径大；中部的柱身上设有两对凹槽，两对凹槽上下分布，每对凹槽对称设置于变形柱(1)的径向方向，变形柱(1)的下部轴向开设空腔，为光纤光栅测斜传感器(7)提供安放空间；

所述变形柱(1)的中下部外侧套设摩擦套筒(3)，摩擦套筒(3)上端延伸至变形柱(1)小直径部分，下端超过变形柱(1)下端；变形柱(1)与摩擦套筒(3)之间螺纹连接，且凹槽中设有光纤光栅应变片(5)，位于上方的一对光纤光栅应变片(5)能够得到锥尖阻力加侧壁摩阻力共同作用的应变值；位于下方的一对光纤光栅应变片(5)能够得到锥尖阻力作用的应变值；

所述变形柱(1)的上部套设探杆接头(6)，所述的探杆接头(6)为三级阶梯轴状，两端的阶梯轴直径小，中间阶梯轴的直径大，且外径与摩擦套筒(3)的外径一致；探杆接头(6)下端的阶梯轴插入变形柱(1)与摩擦套筒(3)上端之间的空隙中，实现固连，并且，探杆接头(6)轴肩与摩擦套筒(3)上端面之间设置柔性滤网二(15)，允许孔隙水进入，为变形柱(1)产生一定程度的变形提供空间；变形柱(1)上端与探杆接头(6)上端通过密封头(10)密封，用于防止水进入影响变形柱的性质；

所述变形柱(1)的下端与光纤光栅测斜传感器底座(2)相连；光纤光栅测斜传感器底座(2)为凸形圆柱，下半部圆柱直径小，上半部圆柱直径大，且与变形柱(1)中下部直径一致；光纤光栅测斜传感器底座(2)的上端固定光纤光栅测斜传感器(7)，光纤光栅测斜传感器(7)位于变形柱(1)下部的空腔中，用于测量探头的倾斜角度；光纤光栅测斜传感器底座(2)的下端与孔隙水阀芯(8)相连，用于阻挡外界孔隙水进入，并将锥尖阻力传递给变形柱(1)；

所述摩擦套筒(3)的下端设置锥尖(4)，锥尖(4)包覆于光纤光栅测斜传感器底座(2)下半部圆柱的外侧，且与孔隙水阀芯(8)螺纹连接，能确保锥尖阻力最终传递到变形柱(1)上；锥尖(4)与摩擦套筒(3)之间设置柔性滤网一(9)，允许孔隙水进入，为变形柱(1)产生一定程度的变形提供空间；

所述光纤光栅测斜传感器底座(2)的上半部圆柱上套有密封圈一(12)，用于防止柔性滤网一(9)处的水继续进入影响变形柱(1)的性质；变形柱(1)、摩擦套筒(3)和探杆接头(6)的交接处设置密封圈二(13)，用于防止水进入影响变形柱(1)的性质；变形柱(1)、探杆接头(6)和密封头(10)交界处设置密封圈三(14)；

所述光缆(11)中包含传递光纤光栅测斜传感器(7)倾斜角度信息的光纤，以及传递光纤光栅应变片(5)变形信息的光纤，用于将探头所测得的信息传递到光纤光栅波长解调仪(19)；

所述中空探杆(16)下端与探头的探杆接头(6)上端螺纹连接，中空探杆(16)上端与孔隙可调式移动滑块(17)螺纹连接，用于带动中空探杆(16)沿横杆移动，以实现不同点的静力触探；

所述孔隙可调式移动滑块(17)内设有孔，可用于通过孔将光缆(11)引出至光纤光栅波长解调仪(19)，孔隙可调式移动滑块(17)上部通过滑块定位螺栓(18)固定于直线模组(21)的横杆上；

所述步进式电机(22)与直线模组(21)相连，能带动直线模组(21)在竖直方向运动；进而使探头进入顶端有一开口的环境温度箱(23)中，并最终贯入试验土样(20)中；

所述环境温度箱(23)中的温度可调，内设温度传感器(24)，用于测量试验土样(20)内的温度。

2.根据权利要求1所述的一种微型室内静力触探测试系统，其特征在于，所述的探头按尺寸大小顺序以螺旋线分布于圆盘上。

3.采用权利要求1或2任一所述系统的微型室内静力触探测试方法，其特征在于，步骤如下：

(1)在探头向下贯入时，通过下端的光纤光栅应变片(5)的应变读数计算锥尖阻力，并由锥尖阻力值求得不排水抗剪强度：

式中：q_c为锥尖阻力；A为变形柱(1)下端的截面积；E为变形柱(1)的弹性模量；ε₁为下端光纤光栅应变片(5)的读数；A₁为锥尖(4)的底面积；k_q为锥尖阻力标定系数；

进而计算不排水抗剪强度S_u；

式中：S_u为海洋软土的不排水抗剪强度；σ_vo为总的上覆应力；N_k为经验系数，其取值在11～20之间，平均取16；

(2)建立光纤光栅应变值和软土不排水抗剪强度算法公式：

(3)在探头向下贯入时，通过上端光纤光栅应变片(5)的应变读数计算侧壁摩阻力并由此确定土的类型：

式中：f_s为侧壁摩阻力标准值；A′为变形柱(1)上端的截面积；E为变形柱(1)弹性模量；ε₂为上端光纤光栅应变片(5)的读数；A₂为摩擦套筒(3)的侧壁面积；k_f为侧壁摩阻力标定系数；

由侧壁摩阻力f_s和锥尖阻力q_c，求得摩阻比依据规范内摩阻比的值，对土的类型进行确定；

(4)探头内部的光纤光栅测斜传感器(7)量测中空探杆相对铅垂线的偏斜角，用于修正贯入量，以此得到真实深度处土的性质；修正贯入量的公式为：

式中：Δh_i为第i段贯入深度修正量，θ_i、θ_i-1为第i次和第i-1次实测的偏斜角；通过该公式修正每一段的贯入深度，得到贯入深度的真实值；

(5)需要考虑光纤光栅测斜传感器(7)的特有误差，即由于光纤光栅应变片(5)和变形柱(1)之间粘结层和保护层中的应变传递损失所造成的误差；应用材料力学方法推导出变形柱(1)的真实应变值和光纤光栅应变片(5)所产生的应变误差之间的关系式：

式中：Δε为光纤光栅的应变误差，ε为变形柱(1)的真实应变，h为应变传递层厚度，d为光纤与应变传递层的接触宽度，l为光纤粘结段初始长度，G为应变传递层的剪切模量，E′为光纤的弹性模量，A₀为光纤的横截面积；

利用此关系式绘制光纤光栅的应变误差Δε与应变传递层厚度h以及光纤粘结段长度l的关系曲线；

(5)由于探头的尺寸将影响它的精度和量程，因此需要对探头尺寸进行优选试验：将多个尺寸、不同精度和量程的探头，按尺寸从大到小的顺序，以螺旋线从内向外固定于圆盘上同时贯入，求得每个探头所测得的不排水抗剪强度，将精度和量程最适用于海洋软土试验的探头尺寸作为优选，进而得到海洋软土的不排水抗剪强度的优选方法。