[发明专利]一种改进型动力锥及路基强度评价指标计算方法

权利要求书

1.一种改进型动力锥，包括扶手(1)、导向杆(2)、落锤(3)、砧板(4)、贯入杆(5)和锥头(6)，扶手固定于导向杆的上端，导向杆的下端固定于砧板上，落锤的中央开设有通孔，导向杆穿入落锤的中央通孔中；贯入杆的上端与砧板相固定，锥头以尖端朝下的形式固定于贯入杆的下端；其特征在于：所述贯入杆(5)的下端与锥头(6)的连接处设置有柱形腔(7)，柱形腔的内壁上贴有对贯入杆竖向受力测量的应变片(8)，柱形腔下方的锥头上固定有对锥头的速度和加速度进行测量的加速度传感器(9)。

2.根据权利要求1所述的改进型动力锥，其特征在于：包括应变信号线(10)和加速度信号线(11)，贯入杆(5)的中央沿其长度方向开设有走线通道(12)，贯入杆的上端开设有与走线通道相连通的出线孔(13)；应变信号线、加速度信号线的下端分别与应变片(8)和加速度传感器(9)相连接，应变信号线和加速度信号线经走线通道和出线孔穿出；应变信号线和加速度信号线的末端设置有线缆插头(14)。

3.根据权利要求1或2所述的改进型动力锥，其特征在于：所示贯入杆(5)的上部和下部分别为上套筒(15)和下套筒(16)，出线孔(13)开设于上套筒上，柱形腔(7)形成于下套筒(16)中。

4.根据权利要求2所述的改进型动力锥，其特征在于：包括运算放大电路(18)、应变片电桥电路(19)、信号采集电路(20)和计算机(21)，应变片(8)的数量为四个，应变片电桥电路的输入端经应变信号线(10)与应变片相连接，运算放大电路的输入端经加速度信号线(11)与加速度传感器相连接，应变片电桥电路和运算放大电路的输出端均与信号采集电路的输入端相连接，信号采集电路的输出端与计算机经通讯线相连接。

5.一种基于权利要求4所述的改进型动力锥的路基强度评价指标计算方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).线缆连接，利用信号线缆将加速度信号线与运算放大电路的输入端相连接，利用信号线缆将应变信号线与应变片电桥电路的输入端相连接，利用通讯线缆将信号采集电路的输入端与计算机的通讯接口相连接；并保证信号线缆的长度足够长，以保证信号线缆不影响贯入杆的贯入试验；

b).贯入试验，在路基上选取待试验位置，保持贯入杆成竖直方向，一人手扶扶手，一人手握手柄将落锤抬升至最高点并释放，以使落锤经自由落体实现对砧板进行锤击，以实现锥头的贯入；

c).信号采集，在落锤对砧板的每次锤击过程中，计算机采集每次贯入试验过程中的应变片输出的作用力F(t)和加速度传感器输出的加速度V(t)，t为单次贯入的持续时间；

d).计算锤击传递到锥头的能量，在动力锥贯入时间过程中，利用应变片和加速度传感器分别测量每次锤击过程中作用于锥头上的力F(t)和锥头的速度V(t)，力F(t)和速度V(t)均是时间的函数，利用力-速度积分法来计算每次锤击传递到锥头的能量E，如公式(1)所示：

式中，t0为单次锤击过程中纵波首次传播到锥头的时间，t1为单次锤击过程中加速度传感器所采集的速度由非零值变为零值的时间，[t0,t1]构成了公式(1)的积分区间；

根据能量守恒原理，锤击贯入过程中传递到锥头的能量E完全转化为对土壤阻力做的功W；假设锤击过程中的平衡力F_e，位移量为d_e，则每次锤击土阻力所做的功通过公式(2)进行求取：

W＝F_ed_e＝q_dAd_e(2)

式中，A为锥头底部的截面积，q_d为锥头所受阻力；

e).计算锥头阻力，根据E＝W的能量守恒原理以及公式(1)、公式(2)计算出锥头所受阻力q_d，如公式(3)所示：

始终，位移量d_e为锥头在其运动时间段内的积分，F(t)、V(t)为由应变片和加速度传感器分别测量的力和锥头的速度；

f).计算单次贯入深度，第n次锤击的贯入深度DCP_n经公式(4)进行求取：

DCP_n＝P_n-P_n-1(4)

公式中，P_n和P_n-1分别为第n次锤击和第n-1次锤击的贯入深度，P₀＝0；其中第n次锤击的贯入深度通过公式(5)进行求取：

其中，d_e(n)为第n次锤击过程中锥头的位移量，V_n(t)为第n次锤击过程中锥头的速度；

则前n次锤击总的贯入深度通过公式(6)进行求取：

g).贯入深度曲线制作，以锤击次数为横坐标、贯入深度为纵坐标制作出锤击次数随贯入深度的变化曲线；

h).贯入阻力曲线制作，以贯入深度为横坐标、锥头所受阻力q_d为纵坐标制作出锥头所受阻力随贯入深度的变化曲线。