胡建平，蔡洪波

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

0 引言

在工程地質(zhì)勘探中，要想得到土的物理與力學指標，目前主要依靠鉆探取樣然后通過室內(nèi)土工試驗獲得。但現(xiàn)實是：現(xiàn)場取樣時，取土器內(nèi)土樣與樣筒內(nèi)壁存在摩擦，取樣后土樣經(jīng)過封裝、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)后，進入土工試驗室，又經(jīng)過室內(nèi)開土、切削、環(huán)刀壓入等，土體受到應(yīng)力釋放、再壓縮等擾動過程，造成所獲得的土力學強度指標失真。十字板剪切試驗時，現(xiàn)場通過插入土中的十字板頭施加扭力，使十字板頭在土中等速扭轉(zhuǎn)直至土體剪損，測出旋轉(zhuǎn)時圓筒體表面所形成的最大扭矩，從而得到天然土體不排水抗剪強度值。取樣，力學強度指標部分失真，但能獲取完整的物理數(shù)據(jù)；十字板試驗，能夠得到真實的力學指標，但無法得到土的物理數(shù)據(jù)。我國技術(shù)人員進行了不斷嘗試，如：“一種勘測用十字板剪力儀”[1]提出主軸外側(cè)套裝密封的保護套管，將保護套管下端固接在十字板上，扭轉(zhuǎn)時主軸不與泥土摩擦，從而提高測試精度；又“一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗裝置及試驗方法”[2]利用鉆機鉆孔后將該裝置放入孔底，施加氣壓使土體固結(jié)，液壓帶動剪切土體，使土體剪切破壞，通過計算得到土體抗剪強度指標。實際上，處于地面或平臺上的十字板剪切儀，對鉆桿一端施加扭矩傳遞到遠端十字板頭上，會產(chǎn)生彎曲或扭曲等彈性變形，孔越深，鉆桿越長，彈性變形越大，所獲得的測試數(shù)據(jù)可靠性隨之下降。如何沿襲現(xiàn)有的作業(yè)模式，在待測場地鉆孔，然后從孔內(nèi)放入一個集成裝置，既能取到原狀土樣（物理數(shù)據(jù)），又能完成十字板剪切試驗（力學數(shù)據(jù)），這一難題始終困擾著我國巖土工程勘察行業(yè)。

1 中、美歐VST規(guī)范差異性

十字板剪切試驗（Vane Shear Test，簡稱VST）最先由瑞典在1919年提出，到20世紀40年代取得了進展。1950年，Cading和 Odenstad將理論變?yōu)楝F(xiàn)實，研制出現(xiàn)在使用的VST測試設(shè)備，并將室內(nèi)試驗結(jié)果與測試結(jié)果聯(lián)系起來。

VST原位試驗由于成本低、使用方便故被廣泛應(yīng)用于巖土工程軟土體勘察。十字板剪切試驗除了在設(shè)備上存在細微差距外，中、美歐規(guī)范上的規(guī)定基本一致?？紤]到VST確定不排水強度的計算原理一致，設(shè)備上的細小差異對所得參數(shù)影響很小，所以其試驗結(jié)果在中、美歐規(guī)范中是通用的，具體差異可見表1。

表1 中、美歐十字板剪切試驗差異Table 1 Differencesof vane shear tests from China,America and Europe

2 VST與取樣一體化設(shè)計

現(xiàn)實中，處于地面或勘探平臺上的十字板剪切儀，通過鉆桿對十字板頭扭矩，會產(chǎn)生彈性變形，鉆桿與孔壁之間存在摩擦，鉆桿摩擦和彈性變形隨著孔越深（傳遞距離越長）的幾何積累，這一無法逾越的難題造成VST的應(yīng)用受到了限制[6]。本設(shè)計采用單片機控制步進電機的正反轉(zhuǎn)、無級調(diào)速等方式，提供一種用于VST與取樣機電一體化器裝置，可在孔內(nèi)任意深度范圍內(nèi)同步完成VST原位測試和原狀取樣，得到該層天然土體完整的力學和物理指標，為確定持力層、地基基礎(chǔ)設(shè)計評價，提供準確翔實的數(shù)據(jù)。

2.1 總體結(jié)構(gòu)及原理

本裝置設(shè)計構(gòu)思是以機電一體化為基礎(chǔ)的，采用現(xiàn)有技術(shù)將傳感器與步進電機等集成化，使裝置輕量化、可靠性大幅增加，并將實時測試數(shù)據(jù)處理后通過電纜繩傳回地面控制系統(tǒng)，提高測試效率和數(shù)據(jù)可靠性。

本發(fā)明采用以下設(shè)計方案：一種用于VST與取樣的機電一體化裝置，包括：筒體上端與鉆桿相連接，下端與升降電機固定；絲桿與升降電機相連接，并與固定在筒體內(nèi)的螺母相配合；扭轉(zhuǎn)電機連接在絲桿下端；十字板頭通過軸桿與扭轉(zhuǎn)電機相連接；取樣筒安裝在筒體下端內(nèi)腔中；控制裝置，內(nèi)有升降電機、扭轉(zhuǎn)電機等。十字板頭下端安裝有孔隙水壓力傳感器，軸桿上裝有扭矩傳感器，二者均與控制裝置相連接。絲桿、軸桿和十字板頭的中心均設(shè)有供電纜穿過的通孔。筒體的內(nèi)部具有橫隔板，升降電機固定在橫隔板上，橫隔板上設(shè)有供絲桿穿過的通孔。橫隔板將筒體的內(nèi)腔分為上腔室和下腔室，橫隔板上還設(shè)有連通上腔室和下腔室的下水孔。扭轉(zhuǎn)電機的上端固定有可以封堵所述下水孔的密封墊?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝置總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Deviceoverall structure

2.1.1 裝置裝配

一種用于VST與取樣機電一體化裝置，包括一個筒體，其上端設(shè)有接頭，可通過接箍與鉆桿螺紋旋緊連接；筒體的內(nèi)腔中固定安裝1個升降電機，筒體的內(nèi)部設(shè)置橫隔板，將升降電機固定在橫隔板的上方。升降電機與1根絲桿相連接，絲桿穿過橫隔板上的通孔，其下端通過法蘭與1個扭轉(zhuǎn)電機相連接，另外絲桿還與一螺母相配合，固定在筒體內(nèi)，螺母可以通過螺釘固定在升降電機的上端或下端；當升降電機帶動絲桿正向或反向轉(zhuǎn)動時，絲桿同時帶動扭轉(zhuǎn)電機向下或向上直線運動。

2.1.2 電機安裝

扭轉(zhuǎn)電機的下端再通過軸桿與十字板頭相連接，用于進行十字板試驗。在筒體下端的內(nèi)腔中可拆卸地安裝一個取樣筒，用于進行原狀土取樣。上述升降電機、扭轉(zhuǎn)電機均采用步進電機，統(tǒng)一由控制裝置進行管理。為了便于筒內(nèi)組件的安裝，筒體分為上、中、下3段構(gòu)成，相鄰兩段之間通過內(nèi)螺紋和外螺紋相連接。橫隔板設(shè)置在中段靠近上端的位置，以便于從上端開口處固定安裝升降電機。升降電機安裝好后，絲桿的下端可以從筒體中段的下端露出，以便于連接扭轉(zhuǎn)電機。

2.1.3 十字板安裝

十字板頭下端安裝有孔隙水裝置，孔隙水裝置中的孔隙水壓力傳感器也與控制裝置相連接，在進行VST之前，可以利用孔隙水壓力傳感器測出天然土體的孔隙水壓力?？紫端b置結(jié)構(gòu)包括螺紋適配器和透水環(huán)，透水環(huán)通過螺紋適配器安裝在十字板頭的下端中心部位，孔隙水壓力傳感器位于透水環(huán)內(nèi)，透水環(huán)的下端設(shè)有錐尖，使十字板頭下方的錐尖最先接觸到原始土體，可以確保流入透水環(huán)內(nèi)的孔隙水壓力最為真實；十字板頭的中心設(shè)有通孔，孔隙水壓力傳感器的信號線可以從十字板頭中心的通孔中穿過并與控制裝置相連接。

為了便于測量十字板試驗中的扭轉(zhuǎn)力矩，可以在軸桿上安裝扭矩傳感器，扭矩傳感器也與控制裝置相連接。在絲桿和軸桿的中心也設(shè)有通孔，孔隙水壓力傳感器、扭矩傳感器的信號線，以及連接升降電機、扭轉(zhuǎn)電機的控制線、電源線共同組成的電纜繩可以穿設(shè)在上述通孔中。

2.1.4 腔內(nèi)安裝

橫隔板將筒體的內(nèi)腔分為上腔室和下腔室，升降電機位于上腔室內(nèi)，而扭轉(zhuǎn)電機位于下腔室內(nèi)，為了便于利用沖洗液進行清孔作業(yè)，在橫隔板上設(shè)有連通上腔室和下腔室的下水孔。而在扭轉(zhuǎn)電機的上端固定有可以封堵下水孔的密封墊，密封墊可以固定在法蘭的上表面，當扭轉(zhuǎn)電機隨絲桿上升，將密封墊與橫隔板的底面壓緊接觸時，橫隔板上的所有通孔均被封堵，可阻止沖洗液流入下腔室。安裝過程如圖2所示。

圖2 裝置裝配圖Fig.2 Device assembly drawing

2.2 主要部件介紹

2.2.1 步進電機

步進電機式一體化裝置控制簡單，利用絲杠與法蘭之間的配合，使得測試內(nèi)腔上下移動；利用絲杠與十字板之間的配合，驅(qū)使十字板頭旋轉(zhuǎn)，其特點是摩擦損失小、驅(qū)動性能好、傳動效率高，能夠保證VST與取樣的準確性與可靠性。由于筒體內(nèi)腔機構(gòu)尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，具有模塊化的設(shè)計特性，符合機電一體化裝置的設(shè)計要求。

步進電機控制整體上由主機、信號轉(zhuǎn)換、微控制器、驅(qū)動電路和步進電機構(gòu)成。在控制過程中，由主機發(fā)出控制命令，通過和下位微控制器通信，按照主機的命令產(chǎn)生脈沖控制信號，驅(qū)動步進電機進行運轉(zhuǎn)。按照主機發(fā)出的命令不同，步進電機可以分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、慢速運轉(zhuǎn)、快速運轉(zhuǎn)和停止等動作，還可以按照上位機命令循環(huán)執(zhí)行一個系列的動作。

2.2.2 加載處理

加載系統(tǒng)主要采用2個步進電機驅(qū)動方式，垂直加載包括升降步進電機、螺母、絲杠、位移傳感器等；旋轉(zhuǎn)加載包括扭轉(zhuǎn)步進電機、軸桿、十字板頭、孔隙水裝置等。垂直加載系統(tǒng)負責扭轉(zhuǎn)電機升降，上升時，筒體下腔留出空間，為取樣做好準備；下降時，將十字板頭插入土體，為VST原位測試做好準備。旋轉(zhuǎn)加載系統(tǒng)負責扭轉(zhuǎn)電機正或反轉(zhuǎn)，帶動十字板頭正轉(zhuǎn)，測出VST原狀土體力學指標；旋轉(zhuǎn)后，使天然土體充分擾動，然后帶動十字板頭正轉(zhuǎn)，測出VST擾動土體力學指標。垂直加載升降位移量電機脈沖結(jié)合活塞與絲杠的移動位置決定，旋轉(zhuǎn)加載由電機脈沖頻率數(shù)決定。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

一體化裝置的所有物理量均有傳感器采集。傳感器把測量出來的非電量信號轉(zhuǎn)換成電信號，并通過電纜繩內(nèi)數(shù)據(jù)線傳到地面。傳感器傳輸?shù)男盘枮槟M信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，之后數(shù)字信號傳入控制器后，再由控制器傳輸?shù)接嬎銠C中。

2.3 取土器結(jié)構(gòu)設(shè)計

取土器設(shè)計在筒體內(nèi)，筒體下段由2個半圓筒拼合而成，如圖3所示。2個半圓筒的內(nèi)壁上設(shè)置環(huán)形凹槽，取樣筒正好可以嵌在環(huán)形凹槽內(nèi)，當2個半圓筒拼合后，取樣筒在徑向和軸向被完全限制在筒體內(nèi)，無法移動或脫出。筒體下段的下端還可以通過螺紋連接1個圓筒形的管靴。當內(nèi)部組件都連接好后，將筒體的上、中、下3段通過相互配合的內(nèi)外螺紋旋緊在一起即可。

圖3 取土器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structureof soil sampler

2.4 十字板頭設(shè)計

中外有關(guān)VST規(guī)范，相互設(shè)備之間存在著部分微小差異（見表1）。本設(shè)計十字板頭創(chuàng)新采用集成孔隙水壓力裝置模塊（圖4），該裝置將錐尖、透水環(huán)、螺紋適配器集成，透水環(huán)內(nèi)裝有孔隙水壓力傳感器，傳感器采集的孔隙壓力值，通過螺紋適配器、十字板、軸桿、絲桿通孔內(nèi)數(shù)據(jù)線傳送到地面。

圖4 十字板孔隙水壓力裝置Fig.4 Vane pore water pressure device

2.5 軟硬件控制

VST參數(shù)設(shè)計依據(jù)現(xiàn)行國標GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》[3]中的方法設(shè)置。

2.5.1 硬件設(shè)計

本發(fā)明裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，本裝置控制模式由上位機與下位機組成，上位機有PC機、軟件處理及圖形顯示、用戶鍵盤輸入等構(gòu)成，通過RS通訊接口向下位機發(fā)出控制信號，如：步進距離、扭剪速率、扭轉(zhuǎn)方向等，接收扭矩傳感器、孔隙水壓力傳感器測試數(shù)據(jù)，進行計算處理與顯示。下位機有單片機、電機驅(qū)動、直流供電模塊、LCD電機狀態(tài)顯示、傳感器等組成，單片機通過電機驅(qū)動模塊對升降電機、扭轉(zhuǎn)電機進行控制，根據(jù)上位機賦值的脈沖數(shù)控制升降電機上下移動；并根據(jù)上位機賦值脈沖頻率得到轉(zhuǎn)速，使扭轉(zhuǎn)電機按此轉(zhuǎn)速扭剪，將采集的土體力學值傳回上位機軟件計算處理。

圖5 裝置硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Devicehardware structure

2.5.2 軟件程序設(shè)計

本發(fā)明裝置軟件處理流程如圖6所示。操作上位機用戶模式，運行測試處理系統(tǒng)。作業(yè)人員操作PC機用戶模式完成試驗參數(shù)賦值，初始化中斷服務(wù)、計數(shù)器、寄存器復(fù)位等工作方式；按照賦值（默認）的距離，下位機自動執(zhí)行步進電機下移，將十字板頭插入土中；軟件開始讀取孔隙水裝置中水滲入透水環(huán)的壓力值，測出孔隙水壓力；間隔T時間后，測試處理系統(tǒng)控制步進電機按照賦值V速率旋轉(zhuǎn)，按照D間隔采集扭矩值并計時，直至測出原狀土體的扭矩峰值或計時范圍內(nèi)的扭矩峰值；測試處理系統(tǒng)控制步進電機按照賦值N的圈數(shù)旋轉(zhuǎn)，使十字板頭周圍土體充分擾動；測試處理系統(tǒng)控制步進電機按照賦值V速率旋轉(zhuǎn)，按照D間隔采集扭矩并計時，直至測出擾動土體的扭矩峰值或計時范圍內(nèi)的扭矩峰值。下位機實時向上位機反饋采集的數(shù)據(jù)，上位機自動計算并顯示試驗曲線，直至試驗結(jié)束。

圖6 軟件處理流程Fig.6 Software processing flow chart

3 VST裝置操作實例

一個完整的VST原位測試及原狀取樣作業(yè)流程如圖7所示。

第一步：鉆孔。首先在勘探點用鉆機鉆孔至設(shè)計深度，然后將本發(fā)明機電一體化裝置連接在鉆桿下端，逐節(jié)旋緊鉆桿（加長），徐徐放入孔底，如圖7中A所示。

圖7 VST作業(yè)示意圖Fig.7 VST operation diagram

第二步：VST原狀測試。接著啟動升降電機帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，使扭轉(zhuǎn)電機與十字板頭一起向下移動，直至十字板頭插入到設(shè)定深度（鉆孔孔底）；然后進行十字板試驗，啟動扭轉(zhuǎn)電機帶動十字板頭旋轉(zhuǎn)，由設(shè)置在軸桿上的扭矩傳感器測出十字板頭在原狀土體中的扭轉(zhuǎn)力矩；再測出十字板頭在擾動土體中的扭轉(zhuǎn)力矩，如圖7中B所示。

第三步：VST擾動測試。十字板試驗后，啟動升降電機反向轉(zhuǎn)動，反向圈數(shù)初始賦值數(shù)執(zhí)行，使土體充分擾動。啟動扭轉(zhuǎn)電機與十字板頭一起向上移動，回到取樣筒的上方。啟動液壓泵，將沖洗液壓入鉆桿、筒體、內(nèi)腔至孔底，漿液從筒體外部與孔壁之間返回，孔底的土顆粒逐漸隨沖洗液流到孔的外部，沖洗液伴隨鉆桿反復(fù)升降沖擊，將上述十字板試驗后形成的擾動區(qū)土體清洗掉，直至孔底位于原始土體上，如圖7中C所示。

第四步：原狀取樣。鉆機采用壓入法或擊入法將筒體下端的取樣筒貫入土中，完成原狀土取樣，最后鉆機提升鉆桿，并逐節(jié)卸掉鉆桿，直至本發(fā)明一體化裝置隨之提升到地面，然后取下取樣筒，并封裝處理，如圖7中D所示。

另外，十字板頭的下端還安裝有孔隙水壓力傳感器，當設(shè)計需要孔隙水壓力值，則在第二步執(zhí)行前，先測出孔隙水壓力值，然后執(zhí)行第二步VST測試。整個步驟按鉆孔寅測孔隙水壓力寅測VST原始強度值寅測VST擾動強度值寅原狀取樣，周而復(fù)始直至整個鉆孔達到設(shè)計深度。

4 結(jié)語

隨著巖土工程建筑、橋梁、碼頭、人工島隧等基礎(chǔ)深度不斷延伸，人們越來越期待一種低成本、高質(zhì)量同步完成取樣、十字板試驗及測得孔隙水壓力的綜合裝置，從而實現(xiàn)降低工程建設(shè)成本、確保工程勘察可靠性，滿足巖土工程分析和巖土工程評價新需求。

1）本發(fā)明采用機電一體化將十字板試驗裝置與取樣裝置巧妙地集成為一體，既能獲取原狀土試樣，又能完成現(xiàn)場十字板試驗，甚至進一步地還可以同時測得天然土體的孔隙水壓力，達到一鉆多能，實現(xiàn)降低勘探成本之目的。

2）本發(fā)明在鉆桿下端的筒體內(nèi)設(shè)置升降電機和扭轉(zhuǎn)電機，并由扭轉(zhuǎn)電機就近連接十字板頭，消除了現(xiàn)有技術(shù)通過鉆桿進行扭矩傳遞產(chǎn)生扭曲彈性變形而造成數(shù)據(jù)失真之缺陷，從而可以獲得更真實的天然土體抗剪強度值。

3）本發(fā)明在控制裝置的控制下，可以大幅提升測試精度；通過軟件人機對話參數(shù)賦值方式，不但滿足現(xiàn)有的中國巖土工程勘察類規(guī)范，同時也適用于歐美常用勘察規(guī)范要求。

本發(fā)明創(chuàng)新對勘察現(xiàn)場進行十字板試驗與取土器一體化方案設(shè)計、部件選用、電機控制等進行研究與探索，對今后我國勘察一體化集成裝備的開發(fā)提供有益參考。

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[2] 李銳鐸，夏英志，王志剛，等.一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗裝置及試驗方法：中國，ZL201410743287.7[P].2015-03-25.LIRui-duo,XIA Ying-zhi,WANGZhi-gang,et al.An in-situ hole shear test apparatus and method:China,ZL201410743287.7[P].2015-03-25.

[3]GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].GB 50021—2001,Code for investigation of geotechnical engineer原ing[S].

[4] ASTM D2573-08,Standard test method for field vane shear test in cohesivesoil[S].

[5] EN ISO 22476-9,Ground investigation and testing-Field testing-Part 9:Field vanetest[S].

[6] 劉松玉，蔡正銀.土工測試技術(shù)發(fā)展綜述[J].土木工程學報，2012，45（3）：151-165.LIU Song-yu,CAI Zheng-yin.Review of the geotechnical testing[J].China Civil Engineering Journal,2012,45(3):151-165.