静力触探深度与垂直度实时智能监测系统的应用研究

吴早生 胡春东 白浩东 沙 鹏 黄 曼 王天佐

（1．华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴 312000；2．绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000）

0 引言

静力触探是目前岩土工程勘察的一种常用手段，是通过测定试验过程中贯入阻力、侧阻力以及孔隙水压力等来划分土层、判别土体液化以及某些基本物理力学特性的原位测试方法[1]。由于大多数静力触探理论研究均以阻力值为基础，因此，保证探头在贯入过程中阻力值有较高的准确度，有助于对静力触探理论研究。刘松玉、蔡国军老师基于静力触探参数对江苏地区土质特性进行多方面研究，包括软土分层、判断砂土液化及黏土的固结与渗透等[2-5]，很大程度上解决了江苏地区由于土质特性导致的工程问题。Almeida 提出一个对锥尖阻力进行修正计算单桩侧摩阻力和单桩端阻力的方法。Takesue 和Powell 分别剔除不同的新办法，通过净锥尖阻力得到单桩端阻力。综上所述，能够看出静力触探参数对理论研究的重要性，但是通过查阅文献并没有发现能够确保静力触探参数具有高准确度的措施。因此，作者通过设计在静力触探贯入过程中深度与垂直度实时智能监测系统，能够实时掌握探头的偏离角度和贯入的真实深度，提高静力触探的成果质量，对岩土工程勘察的发展具有重要的促进意义。

1 实时智能监测系统

1.1 设计原理

1.1.1 深度实时监测

笔者对目前在静力触探试验中深度记录中所存在的不足进行分析，主要为无法保证深度记录是否具有有效性和准确性，因此笔者设计一种深度实时监测方法，该监测方法主要采用拉线式位移传感器和油压传感器，其原理为探头在贯入过程中，地面贯入设备通过进行上下循环运动将探杆压入土中，采用拉线式测距传感器实时记录贯入设备的位移且只需要采集向下运动的数据，经过计算即可得出探头的贯入深度。同时再采用油压传感器用来监测拉线式测距传感器和原有机械深度记录器的工作，其原理为不同土层的软硬程度不同，即探头所受到阻力值不同，由于静力触探试验在贯入过程中是保持匀速运动的，因此提供动力设备所需的油压也就不用，因此只需要进行试验采集不同土层的油压数据，总结不同土层的油压范围，就可以达到监测深度数据的目的。

1.1.2 垂直度实时监测

由于无法对贯入过程中发生倾斜时进行纠正，因此只能采取对探杆的垂直度进行实时监测，实时掌握到探杆的倾斜动态。作者设计了一种垂直度实时监测方法，该监测方法是通过含有陀螺仪的倾角传感器对探杆倾角角度进行实时监测，其原理为将带有倾角传感器的监测模块安装在探头与探杆之间的位置，其中倾角传感器能够持续监测倾角角度并通过电信号传至地面，形成时间-角度曲线，不仅能够实时掌握到倾斜角度，还能设置预警值（由贯入深度和地质条件决定，通常为8°或者10°），当倾斜角度达到预警值时，能发出报警信号，及时停止静力触探试验。

1.2 配置方案

深度监测配置方案如下：所选用的油压传感器和拉线式测距传感器如图1 所示。其中油压传感器采用了高性能的硅压阻式压力充油芯体，保证测取油压更加准确可靠。拉线式测距传感器能够将拉线的机械运动转换为电信号，即可获得绳端的位移。确定传感器安装位置时，首先需要确定控制贯入系统油管位置，通过观察发现，油管与上部油压表相连，因此设计油压传感器安装在油压表位置。选用拉线式测距传感器的原因是其测量方式符合贯入系统中控制探杆上下位移的升降台部位，因此该传感器安装在升降台较为合适。

图1 深度监测传感器安装

垂直度监测配置方案如下：由于静力触探探杆和探头尺寸非常小且内部可安装倾角传感器的空间更狭小，因此对倾角传感器的尺寸要求极高。选用的倾角传感器为九轴加速度计电子陀螺仪，其中裸板边长仅为15 mm，厚度为2 mm。其中该模块主要由连接钢管和倾角传感器模块组成，如图2 所示。

图2 垂直度监测配置方案

1.3 系统组成

上述深度和垂直度监测内容均为硬件方面，在该静力触探实时智能监测系统中，同时还需要监测软件与其互相配合，达到智慧勘察的目的，该系统组成如图3 所示，其中，数据收集和传输系统主要是由无纸记录仪和DTU 组成的，无纸记录仪的工作为收集和记录传感器数据，DTU 内含4G 传输模块，能够进行无线数据收发。

图3 实时智能监测系统

图4 静力触探试验场地

2 试验应用案例

2.1 工程背景

静力触探深度与垂直度实时监测系统首先被应用于浙江省绍兴市平原地区，其平原地区位于绍兴市偏北部，主要分布在越城区、上虞区和柯桥区大部。该文中应用案例为该地区内天圣齐贤工业园区岩土勘察项目，其中静力触探孔为26 个。

2.2 试验结果

在所设计的实时监测系统中，探头垂直度是需要在试验过程中实时监测的，既能防止探头扭断，又能保证静探数据的准确性，图5 为该试验场地14 号孔探头倾角的变化情况。

图5 探头实时倾斜角度

深度监测模块的功能是保证深度的有效性和精确划分土层的准确性，既可以在试验过程中实时监测数据，也可以在试验后对获得的数据进行分析判断有效性，同样以14 号孔为例，其油压在贯入过程中的变化如图6（b）所示并且与静力触探在没有阻力状态下油压变化的进行对比。

图6 油压变化对比

由图6（a）可知，整体曲线变化规律可以看作是循环运动，取一个完整的运动过程进行分析，其无阻力状态下油压变化分为4 个阶段，下压阶段Ⅰ对应的为贯入设备由上向下位移的过程，油压为1.6MPa~1.8MPa，空档阶段II 对应的为贯入设备静止状态的过程，油压为0.7MPa~0.8MPa，上升阶段III 为贯入设备由下往上位移的过程，油压为8.9MPa~9.1MPa，到达顶部和底部时阶段IV 油压为10.3MPa~10.4MPa。对比图6（b）能够看出，阶段Ⅰ杂填土、阶段Ⅱ黏质粉土、阶段Ⅲ淤泥质粉质黏土、阶段Ⅳ粉质黏土、阶段Ⅴ黏土和阶段Ⅵ粉细砂和中细砂层的油压不同，其中在杂填土贯入过程中，油压范围为2.5MPa~2.7MPa，在黏质粉土中油压范围为2.7MPa~3.3MPa，淤泥质粉质黏土中油压范围为2.55MPa~2.8MPa，粉质黏土中油压范围为3.6MPa~3.9MPa，黏土中油压范围为3.3MPa~3.7MPa，砂层的油压范围为4MPa~6MPa，明显看出不同土层的油压范围不同且跟土层的软硬程度存在一定的相似关系，能够达到监测深度有效性的目的。

通过上述对油压进行分析，可得出静力触探探头在没有阻力状态下，贯入油压范围为1.6 MPa~1.8 MPa，在真实贯入土层状态下油压一般大于2.5 MPa，因此在对拉线式测距传感器进行深度计算时，对贯入状态下油压小于2.2 MPa的位移阶段视作无效位移，不做深度计算，相反贯入状态下油压大于2.2 MPa的位移阶段视作为有效位移，其有效位移阶段中可近似看作为由多个上下移动的循环运动组成，在每个循环运动中最大位移记作si，最小位移记作si'，其中i为第i次循环运动，深度用d表示，贯入状态时的油压记作o，则静探孔深度如公式（1）所示。

同样以14 号孔为例，该孔拉线式测距传感器位移图如图7（a）所示，图7（b）为（a）的局部放大图。

图7 拉线式测距传感器位移监测

由上述公式计算可得，该孔深度为46.39 m，已知原有的机械深度记录器测量深度为46.30 m并且对试验中所有静探孔深进行计算和对比，得到拉线式测距位移传感器与机械深度记录器之间的误差仅为0.02 %，因此，证明由油压和拉线位移组成的深度监测系统可行且能够达到监测深度有效性的目的。

3 结论

该文设计一套静力触探深度与垂直度实时智能监测系统，并对现有的工程地质勘察项目进行应用分析，对其总结主要分为以下2 个结论：1）根据当前无法保证获取静力触探参数具有高准确度的问题，设计了一套由倾角传感器、油压传感器和位移传感器组成的数据采集系统，无纸记录仪和DTU 组成的数据集成和传输系统和远端实时监测数据软件的深度与垂直度实时智能监测系统。2）将这套系统进行静力触探现场应用可知，传感器能够实时显示探头两个方向的倾斜角度并且能够设置预警值，很好地达到了垂直度监测的目的。将静力触探贯入设备在无阻力状态下运动和实际阻力状态下的油压变化进行对比，可知只有当油压o＞2.2 MPa 时，拉线式测距传感器的位移记录才能视为有效位移，并列出深度计算公式，通过数据整理对比分析深度误差只有0.02 %，即能达到对深度实时监测的目的。