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申请/专利权人：中交第三航务工程勘察设计院有限公司

摘要：本发明公开了一种用于十字板试验与取样的一体化装置及使用方法，该装置包括以下组件：筒体，其上端可与钻杆相连接；升降电机，固定安装在筒体内；丝杆，与所述升降电机相连接，并与一固定在所述筒体内的螺母相配合；扭转电机，连接在所述丝杆的下端；十字板头，通过轴杆与扭转电机相连接；取样筒，可拆卸地安装在所述筒体的下端。本发明既能获取原状土试样，又能完成现场十字板试验，甚至进一步地还可以同时测得天然土体的孔隙水压力，达到一钻多能，实现降低勘探成本之目的。本发明在钻杆下端的筒体内设置升降电机和扭转电机，就近连接十字板头，可以获得更真实的天然土体抗剪强度值。

主权项：1.一种用于十字板试验与取样的一体化装置，其特征在于，包括以下组件：筒体，其上端可与钻杆相连接；升降电机，固定安装在筒体内；丝杆，与所述升降电机相连接，并与一固定在所述筒体内的螺母相配合；扭转电机，连接在所述丝杆的下端；十字板头，通过轴杆与扭转电机相连接，所述轴杆上安装有扭矩传感器；取样筒，可拆卸地安装在所述筒体的下端；控制装置，所述升降电机、扭转电机、扭矩传感器均与控制装置相连接；所述丝杆、轴杆和十字板头的中心均设有供电缆穿过的通孔；所述筒体的内部具有横隔板，所述升降电机固定在横隔板上，横隔板上设有供丝杆穿过的通孔，所述横隔板将筒体的内腔分为上腔室和下腔室，所述横隔板上还设有连通上腔室和下腔室的下水孔，所述扭转电机的上端固定有可以封堵所述下水孔的密封垫。

全文数据：用于十字板试验与取样的一体化装置及使用方法技术领域[0001]本发明涉及岩土工程勘查技术领域，具体涉及一种用于十字板试验与取样的一体化装置，该装置既能取得原状土样，又能测得天然土体十字板试验强度值和孔隙水压力值。背景技术[0002]在工程地质勘探中，要想得到土的物理与力学指标，目前主要依靠钻探取样室内试验获得。但在取样时，土样与取样筒内壁存在摩擦;室内试验时，推土过程将再次造成土样与取样筒间摩擦，以致应力松弛后再压缩，造成所获得的力学强度指标失真。十字板剪切试验是现场通过插入土中的十字板头施加扭力，使十字板头在土中等速扭转直至土体剪损，测出旋转时圆筒体表面所形成的最大扭矩，从而计算出土的不排水抗剪强度^值。前者，能够获取较为真实的物理数据;后者，能够得到真实的力学强度指标。现有的作业模式，先在待测场地钻孔，然后从孔内放入取土器取样或放入十字板头实施原位试验，如何一次钻孔，既能取到原状土样，又能完成十字板剪切试验，这一难题长期困扰岩土工程界。[0003]现有技术中公开了部分类似解决方案，如申请号为2〇l110132843.3的中国发明专利公开了一种“一种勘测用十字板剪力仪”，提出主轴外侧套装密封的保护套管，使保护套管下端固接在十字板上，扭转时工作主轴不与泥土摩擦，从而提高十字板试验测量精度。[0004]另，中国发明专利CN104458445A公开了“一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法”，利用钻机钻孔后将试验装置放入孔底，施加气压带动剪切筒鼓胀，使土体固结;施加液压带动剪切刀剪切土体，使土体剪切破坏，通过计算得到原位土体的抗剪强度指标。[0005]上述技术中，前者十字板剪切试验针对钻杆施压，将传感器代替传统试验方法，使测得的土体抵抗扭矩读数精度提高。现实中，处于地面或平台上的十字板剪切仪，对钻杆一端施加扭矩传递到远端十字板头上，会产生弯曲或扭曲等弹性变形，以及钻杆与孔壁的部分摩擦，？L越深则钻杆越长弹性变形越大，造成所获得的十字板试验数据失真。后者充分利用钻孔，采用原位土体孔内剪切方法获得土的天然强度指标，但无法同步获取土的含水量、孔隙比等物理指标及孔隙水压力。[0006]随着岩土工程建筑、桥梁、码头、人工岛隧等基础深度不断延伸，人们越来越期待一种低成本、高质量同步完成取样、十字板试验、测得孔隙水压力的综合装置。发明内容[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种用于十字板试验与取样的一体化器装置，既能取样，又能进行十字板剪切试验，实现一钻多能，以克服现有技术的缺陷。[0008]为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:一种用于十字板试验与取样的一体化装置，包括以下组件:筒体，其上端可与钻杆相连接;升降电机，固定安装在筒体内；丝杆，与所述升降电机相连接，并与一固定在所述筒体内的螺母相配合;扭转电机，连接在所述丝杆的下端;十字板头，通过轴杆与扭转电机相连接;取样筒，可拆卸地安装在所述筒体的下端。[0009]优选地，还包括控制装置，所述升降电机、扭转电机均与控制装置相连接。[0010]更优地，所述十字板头的下端安装有孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器也与控制装置相连接。[0011]更优地，所述轴杆上安装有扭矩传感器，所述扭矩传感器也与控制装置相连接。[0012]优选地，所述丝杆、轴杆和十字板头的中心均设有供电缆穿过的通孔。[0013]优选地，所述筒体的内部具有横隔板，所述升降电机固定在横隔板上，横隔板上设有供丝杆穿过的通孔。[0014]更优地，所述横隔板将筒体的内腔分为上腔室和下腔室，所述横隔板上还设有连通上腔室和下腔室的下水孔。[0015]更优地，所述扭转电机的上端固定有可以封堵所述下水孔的密封垫。[0016]本发明同时还提供一种上述用于十字板试验与取样的一体化装置的使用方法，包括以下步骤：[0017]A、首先在勘探点用钻机钻孔至设计深度，然后将本发明的一体化装置连接在钻杆下端，放入孔底；[0018]B、接着启动升降电机带动丝杆旋转，使扭转电机与十字板头一起向下移动，直至十字板头插入到设定深度;然后进行十字板试验，启动扭转电机带动十字板头旋转，由设置在轴杆上的扭矩传感器测出十字板头在原状土体中的扭转力矩;再测出十字板头在扰动土体中的扭转力矩；[0019]C、十字板试验完成后，启动升降电机反向转动，使扭转电机与十字板头一起向上移动，回到取样筒的上方;将冲洗液沿钻杆注入筒体内腔至孔底，并从筒体外部与孔壁之间流出，孔底的土颗粒逐渐随冲洗液流到孔的外部，冲洗液伴随着钻杆反复升降冲击，将上述十字板试验后形成的扰动区土体清洗掉，直至孔底位于原始土体上；[0020]D、钻机采用压入法或击入法将筒体下端的取样筒贯入土中，完成原状土取样，最后钻机提升钻杆，直至本发明的一体化装置提升到地面，取下取样筒，并封装处理。[0021]优选地，所述十字板头的下端还安装有孔隙水压力传感器，在步骤B中，当十字板头插入到设定深度后，先测出孔隙水压力值，再进行十字板试验。[0022]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：[0023]1本发明将十字板试验装置与取样装置巧妙地集成为一体，既能获取原状土试样，又能完成现场十字板试验，甚至进一步地还可以同时测得天然土体的孔隙水压力，达到一钻多能，实现降低勘探成本之目的。[0024]2本发明在钻杆下端的筒体内设置升降电机和扭转电机，并由扭转电机就近连接十字板头，消除了现有技术通过钻杆进行扭矩传递产生扭曲弹性变形而造成数据失真之缺陷，从而可以获得更真实的天然土体抗剪强度值。[0025]⑶本发明在控制装置的控制下，可以大幅提升测试精度;不但满足现有的中国岩土工程勘察类规范，同时也适用于欧美常用勘察规范要求。附图说明[0026]图1为本发明一种用于十字板试验与取样的一体化装置的整体结构示意图。[0027]图2为本发明一种用于十字板试验与取样的一体化装置的结构分解示意图。LUUZ0J乃本友明一体化装置进行十字板试验时的状态示意图。[0029]图4为本发明一体化装置的取样筒拆卸示意图。[0030]图5为本发明一体化装置中孔隙水装置的结构分解示意图。[0031]图6为本发明一体化装置使用方法的作业流程示意图。[0032]图中标号说明：[0033]10电缆绳；11筒体；12丝杆；13升降电机；[0034]14横隔板；I5扭转电机；I6十字板头；17接头；[0035]18螺钉；19下水孔；21螺母；22内螺纹；[0036]23外螺纹；24法兰；25密封垫；26轴杆；[0037]27半圆筒；28孔隙水装置；29管靴；40螺纹适配器；_8]41透水环；42锥尖；50取样筒；51水龙头；[0039]52钻杆；53接箍；54筒盖；55试样。具体实施方式[0040]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。[0041]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装，’、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0042]如图1、图2所示，本发明一种用于十字板试验与取样的一体化装置，包括一个筒体11，其上端设有接头17，可通过接箍53与钻杆52参见图6螺纹旋紧连接;筒体11的内腔中固定安装一个升降电机13，一种优选结构是在筒体11的内部设置横隔板M，将升降电机13固定在横隔板14的上方。升降电机I3与一根丝杆12相连接，丝杆12穿过横隔板14上的通孔，其下端通过法兰24与一个扭转电机15相连接，另外丝杆12还与一螺母21相配合，螺母21固定在筒体12内，优选地，螺母21可以通过螺钉18固定在升降电机13的上端或下端;这样，当升降电机13带动丝杆12正向或反向转动时，丝杆12同时带动扭转电机15向下或向上直线运动。[0043]扭转电机15的下端再通过轴杆26与十字板头16相连接，用于进行十字板试验。在筒体11下端的内腔中可拆卸地安装一个取样筒50，用于进行原状土取样。[0044]上述升降电机13、扭转电机15都统一由控制装置进行控制，因此，本发明的优选方案还包括控制装置，升降电机13、扭转电机15均与控制装置相连接，升降电机13和扭转电机15优选地都采用步进电机。[0045]进一步地，还可以在十字板头16的下端安装孔隙水装置28,孔隙水装置28中的孔隙水压力传感器也与控制装置相连接，在进行十字板试验之前，可以利用孔隙水压力传感器测出天然土体的孔隙水压力。如图5所示，孔隙水装置28的一种较优结构是包括螺纹适配器40和透水环41，透水环41通过螺纹适配器40安装在十字板头16的下端中心部位，孔隙水压力传感器位于透水环41内，透水环41的下端设有锥尖42,十字板头下方的锥尖最先接触到原始土体，可以确保流入透水环41内的孔隙水压力最为真实；十字板头16的中心设有通孔，孔隙水压力传感器的信号线可以从十字板头16中心的通孔中穿过并与控制装置相连接。[0046]为了便于测量十字板试验中的扭转力矩，可以在轴杆上安装扭矩传感器，扭矩传感器也与控制装置相连接。在丝杆和轴杆的中心也设有通孔，孔隙水压力传感器、扭矩传感器的信号线，以及连接升降电机13、扭转电机15的控制线、电源线共同组成的电缆绳10可以穿设在上述通孔中。[0047]如图1、图2所示，横隔板14将筒体11的内腔分为上腔室和下腔室，升降电机13位于上腔室内，而扭转电机15位于下腔室内，为了便于利用冲洗液进行清孔作业，在横隔板14上设有连通上腔室和下腔室的下水孔19。而在扭转电机15的上端固定有可以封堵下水孔19的密封垫25,密封垫25可以固定在法兰24的上表面，当扭转电机15随丝杆12上升，将密封垫25与横隔板14的底面压紧接触时，横隔板14上的所有通孔均被封堵，可阻止冲洗液流入下腔室。[0048]如图2所示，为了便于内部组件的安装，筒体11由上、中、下三段构成，相邻两段之间通过内螺纹22和外螺纹23相连接。横隔板14设置在中段靠近上端的位置，以便于从上端开口处固定安装升降电机13。升降电机13安装好后，丝杆12的下端可以从筒体中段的下端露出，以便于连接扭转电机I5。筒体下段由两个半圆筒27拼合而成，如图4所示，两个半圆筒27的内壁上设置环形凹槽，取样筒50正好可以嵌在环形凹槽内，当两个半圆筒27拼合后，取样筒50在径向和轴向被完全限制在筒体内，无法移动或脱出。筒体下段的下端还可以通过螺纹连接一个圆筒形的管靴29。当内部组件都连接好后，将筒体11的上、中、下三段通过相互配合的内外螺纹旋紧在一起即可。[0049]为了进一步理解本发明，下面参照图6按作业步骤介绍本发明一体化装置的使用方法。概括说来，该方法包括:A钻孔放装置—B十字板试验—C清孔—D取样，这样一个完整的作业流程。具体说明如下：[0050]A、钻孔放装置:参照图6中的状态A，首先在勘探点用钻机钻孔至设计深度，然后将本发明的一体化装置连接在钻杆52下端，通过钻杆52逐节加长后放入孔底;若未达到指定深度，则采用冲洗液冲洗钻孔参照以下步骤C，将孔底土颗粒携带出钻孔内，确保装置到达指定深度D[0051]B、十字板试验:接着，启动升降电机I3带动丝杆12旋转，使扭转电机15与十字板头16—起向下移动，直至十字板头16从筒体丨丨下端露出，并插入到孔底土体的设定深度，参照图6中的状态B;如果十字板头16的下端安装有孔隙水压力传感器，先用孔隙水压力传感^测出土体的孔隙水压力值;然后进行十字板试验，启动扭转电机丨5带动十字板头丨6按初始设定的速率扭转，由设置在轴杆26上的扭矩传感器测出十字板头16在原状土体中的扭转力矩，直到获得十字板头在原状土体中的扭矩峰值或稳定值Cu;然后扭转电机15带动十字板头16继续旋转，使十字板头周围的土体充分扰动，再测出十字板头在扰动土体中的扭矩峰值或稳定值Cu’；根据最大扭矩值可以算出土体不排水抗剪强度。[0052]C、清孔:十字板试验完成后，启动升降电机13反向转动，使扭转电机15与十字板头16—起向上移动，回到取样筒的上方，参照图6中的状态c;启动冲洗泵将冲洗液从水龙头“处压入钻杆52,冲洗液沿钻杆注入筒体内腔直至孔底，并从筒体外部与孔壁之间流出，流回循环池未画出）。孔底的土颗粒逐渐随冲洗液流到孔的外部，随着钻杆52反复升降及冲洗液冲击，上述十字板试验后形成的扰动区土体被清洗掉，直至孔底位于原始土体上。[0053]D、取样:钻机采用压入法或击入法将筒体下端的取样筒贯入土中，完成原状土取样。此时，可以启动升降电机13带动扭转电机15及十字板头16继续上移，使扭转电机15上方的密封垫25与横隔板I4的底面紧密接触，参照图6中的状态D，阻止冲洗液流入筒体下腔室，同时使土样上方的下腔室形成密闭空间，如果土样因自重下滑的话，在上部就会形成真空，从而阻止土样进一步下滑，确保土样不会脱落。最后钻机提升钻杆52,直至本发明的一体化装置提升到地面。参照图4，将筒体下段与中段分开，并旋下管靴29，分开两个半圆筒27，取出内部的取样筒5〇筒内为原状土样55，在取样筒5〇的两端加上筒盖54,在取样筒50与筒盖54之间的缝隙黏上封条，涂腊后储存，最后送土工试验室。[00M]完成上述试验步骤后，将装置重新组装好，可以再钻孔至下一深度，重复执行上述步骤A放装置—B十字板试验—C清孔—D取样，直至整个钻孔达到设计深度。[0055]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种用于十字板试验与取样的一体化装置，其特征在于，包括以下组件：筒体，其上端可与钻杆相连接；升降电机，固定安装在筒体内；丝杆，与所述升降电机相连接，并与一固定在所述筒体内的螺母相配合；扭转电机，连接在所述丝杆的下端；十字板头，通过轴杆与扭转电机相连接；取样筒，可拆卸地安装在所述筒体的下端。2.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，还包括控制装置，所述升降电机、扭转电机均与控制装置相连接。3.根据权利要求2所述的一体化装置，其特征在于，所述十字板头的下端安装有孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器也与控制装置相连接。4.根据权利要求2所述的一体化装置，其特征在于，所述轴杆上安装有扭矩传感器，所述扭矩传感器也与控制装置相连接。5.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述丝杆、轴杆和十字板头的中心均设有供电缆穿过的通孔。6.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述筒体的内部具有横隔板，所述升降电机固定在横隔板上，横隔板上设有供丝杆穿过的通孔。7.根据权利要求6所述的一体化装置，其特征在于，所述横隔板将筒体的内腔分为上腔室和下腔室，所述横隔板上还设有连通上腔室和下腔室的下水孔。8.根据权利要求7所述的一体化装置，其特征在于，所述扭转电机的上端固定有可以封堵所述下水孔的密封垫。9.一种权利要求1所述的一体化装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：A、首先在勘探点用钻机钻孔至设计深度，然后将本发明的一体化装置连接在钻杆下端，放入孔底；B、接着启动升降电机带动丝杆旋转，使扭转电机与十字板头一起向下移动，直至十字板头插入到设定深度;然后进行十字板试验，启动扭转电机带动十字板头旋转，由设置在轴杆上的扭矩传感器测出十字板头在原状土体中的扭转力矩;再测出十字板头在扰动土体中的扭转力矩；C、十字板试验完成后，启动升降电机反向转动，使扭转电机与十字板头一起向上移动，回到取样筒的上方;将冲洗液沿钻杆注入筒体内腔至孔底，并从筒体外部与孔壁之间流出，孔底的土颗粒逐渐随冲洗液流到孔的外部，冲洗液伴随着钻杆反复升降冲击，将上述十字板试验后形成的扰动区土体清洗掉，直至孔底位于原始土体上；D、钻机采用压入法或击入法将筒体下端的取样筒贯入土中，完成原状土取样，最后钻机提升钻杆，直至本发明的一体化装置提升到地面，取下取样筒，并封装处理。10.根据权利要求9所述的一体化装置的使用方法，其特征在于，所述十字板头的下端还安装有孔隙水压力传感器，在步骤B中，当十字板头插入到设定深度后，先测出孔隙水压力值，再进行十字板试验。

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