一种无缆静力触探设备及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土工程勘察技术领域，具体涉及一种无缆静力触探设备及其使用方法。
【背景技术】
[0002]在岩土工程勘察技术领域，静力触探作为一种能够直接提供地基土综合力学性质指标的原位测试手段，同时也是一种具备分层细致、层位准确的工程地质勘探方法，在岩土工程勘探领域广为使用且深受信赖。
[0003]目前静力触探设备普遍采用的是有电缆式静力触探设备，即将一个内部装有传感器的探头以匀速压入地下，由于地下各种地层的软硬不同，探头所受的贯入阻力自然也不一样。探头传感器将这种大小不同的贯入阻力以电压模拟信号形式传输到地上记录仪中，再由地上记录仪转换成数字信号并形成最终静力触探勘探成果。采用该设备，在探头压入地下过程中，探头始终与设置在地上的记录仪通过近百米的多芯电缆保持连接，其间由该多芯电缆向下为探头提供电源、向上传输探头内传感器惠斯通电桥微小桥压变化的模拟信号，最终由地上的记录仪完成此模拟信号的数字化和数据存贮功能。该方式主要存在以下二大问题:首先，该方式无法测量探头在压入过程中所必然产生的倾斜角度，而且随着勘探深度的增加该倾斜角往往越来越大，最终导致勘测成果与实际情况出入较大；其次，由于近百米的整根多芯电缆为连续贯穿所有探杆的(包括尚未压入的探杆)，因此在探头压入过程中阻碍了套管的设置工作(除非电缆能够根据地压变化情况，在不同位置做到快速中断和安全再连接)，进而显著降低了静力触探的勘探深度，最终大大限制了该勘探方法的使用范围。因此，能够测量探头倾斜角度且便于套管设置的无缆静力触探设备一直是国内外岩土工程勘察界重点研究的方向之一。
[0004]目前，国外已有开发成功案例，如瑞典GEOTECH AB公司的NOVA系列无电缆静力触探系统、荷兰A.P.van den Berg Machinefabriek公司的全自动无电缆静力触探系统等等。但此类设备要么受到信号传输距离限制，无法实现深度勘测；要么无法与国内通用施工设备配套使用且其价格极其昂贵。因此，这类设备目前在国内极少使用。
[0005]国内也有部分成功的研发范例，如申请号为:201110031820.3所公开的《无缆式静力触探仪及数据采集处理方法》、申请号为200910070579.8所公开的《岩土工程的深层静力触探测试方法》等。但其共同的缺憾是不能在静力触探施工过程中作到对测试数据进行实时监控，特别是当探头遇到密实或坚硬地层，致使贯入阻力超过探头承受能力，或者地基条件复杂且均匀性差，导致探头倾斜严重时，由于不能及时发现并终孔，往往容易造成探头因过载而报废或探杆挠度过大而折断的严重事故。因此，该类设备目前在国内尚未得到推广普及。
【发明内容】
[0006]本发明首先所要解决的第一技术问题是针对上述现有技术提供一种能够测量探头倾斜角度且能够实现对勘测数据进行实时监控的无缆静力触探设备。
[0007]本发明进一步所要解决的第二技术问题是提供一种无缆静力触探设备的使用方法。
[0008]本发明解决上述第一技术问题所采用的技术方案为:一种无缆静力触探设备，包括静力触探探头、数据采集控制器、无缆静力触探探杆和数据传输控制器，其特征在于:
[0009]所述数据采集控制器安装于静力触探探头内部尾端的防水密封舱中，该数据采集控制器包括与静力触探探头连接的AD转换器第一控制单元和第一通讯单元；其中AD转换器与第一控制单元相连，将AD转换器转换后的压力数据传给第一控制单元；第一通讯单元与第一控制单元相连，第一控制单元将AD转换器转换后的压力数据传给第一通讯单元；
[0010]所述数据传输控制器包括第二控制单元、第二通讯单元和屏幕显示单元，所述第二通讯单元与数据采集控制器的第一通讯单元相连，用于接收第一通讯单元发来的压力数据；第二通讯单元与第二控制单元连接，将压力数据传给第二控制单元；第二控制单元将压力数据传给屏幕显示单元进行显示；所述数据传输控制器设置于地面，以便施工作业人员实现对压力数据的实时监控；
[0011]其中，数据采集控制器采用无缆静力触探探杆与数据传输控制器连接，数据采集控制器的第一通讯单元和数据传输控制器的第二通讯单元之间采用通信总线供电技术的总线电缆进行连接，该通信总线供电技术的总线电缆设置于无缆静力触探探杆内部。
[0012]作为改进，所述数据采集控制器还包括用于采集静力触探探头倾斜角度的角度测量单元，该角度测量单元与第一控制单元相连用于将采集的倾斜角度数据传给第一控制单元，第一控制单元还能将倾斜角度数据传给第一通讯单元，第一通讯单元还能将倾斜角度数据传给第二通讯单元，第二通讯单元还能将接收的倾斜角度数据传给第二控制单元，第二控制单元还能将倾斜角度数据传给屏幕显示单元进行显示。
[0013]较好的，所述AD转换器、角度测量单元、第一控制单元和第一通讯单元均集成在一块印刷电路板；所述第二控制单元、第二通讯单元和屏幕显示单元也集成在一块印刷电路板上。
[0014]作为改进，本发明还包括与数据传输控制器无线连接的控制终端(PC机)和有线连接的深度记录仪；所述数据传输控制器还包括第三无线通讯单元；所述控制终端包括安装有上位机控制软件的PC机、以及与第三无线通讯单元配合的第四无线通讯单元。
[0015]再改进，所述无缆静力触探探杆包括中空管状探杆和专门与之配合的电缆连接器；所述中空管状探杆的两端内壁分别设置用于安装固定电缆连接器公头连接端和母头连接端的内螺纹；所述电缆连接器包括能插接在一起的公头连接端和母头连接端；电缆连接器的公头连接端通过螺纹安装固定在中空管状探杆的第一端内部适当深度；电缆连接器的母头连接端通过螺纹安装固定在中空管状探杆的第二端内部适当位置；连接公头连接端和母头连接端的总线电缆则安放在中空管状探杆内部；中空管状探杆相互连接过程中，电缆连接器的公头连接端和母头连接端自动完成插接。
[0016]较好的，电缆连接器的公头连接端包括:
[0017]第一中空外壳，第一中空外壳外壁设置有外螺纹，第一中空外壳第一端内壁设有第一外壳台阶，第一中空外壳第二端内部设有弹簧顶圈；
[0018]第一绝缘基座，该第一绝缘基座活动设置在第一中空外壳内，第一绝缘基座的第一端外部设有基座凸台，该基座凸台与第一外壳台阶相抵；
[0019]弹簧，套设在第一绝缘基座外，弹簧的两端分别与基座凸台和弹簧顶圈相抵；
[0020]第一接触件，第一接触件的第二端固定在第一绝缘基座第一端，第一接触件的第一端向外延伸出第一绝缘基座的第一端；
[0021]第一绝缘体，与第一接触件同轴且固定在第一接触件的内部；
[0022]第二接触件，与第一绝缘体同轴且固定在第一绝缘体内部；
[0023]总线电缆端部伸入第一绝缘基座内部，且总线电缆端部的第一芯线与第一接触件电连接，总线电缆的第二芯线与第二接触件电连接；
[0024]电缆连接器的母头连接端包括:
[0025]第二中空外壳，该第二中空外壳外壁设置有外螺纹，第二中空外壳的第一端内壁设置有第二外壳台阶；
[0026]第二绝缘基座，该第二绝缘基座活动设置在第二中空外壳内，前端与第二中空外壳第一端内壁的第二台阶相抵；
[0027]第三接触件，该第三接触件同轴设置在第二绝缘基座内壁；
[0028]第四接触件，该第四接触件轴向设置在第二绝缘基座的中心位置；
[0029]总线电缆端部伸入第二中空外壳内部，且总线电缆端部的第一芯线与第三接触件电连接，总线电缆的第二芯线与第四接触件电连接；
[0030]前述公头连接端与母头连接端插接后，第四接触件与第二接触件接触，第一接触件与第三接触件接触。
[0031]为了使电缆连接器能适用于水下环境，所述第一绝缘基座的第一端部外设置有第一防水垫圈，第一绝缘基座的第二端部外设置有第二防水垫圈，第一绝缘基座的第二端外壁设置有外螺纹；所述公头连接端还包括第一止水压盖，该第一止水压盖封闭端设用于穿设总线电缆的第一贯孔，该第一止水压盖内壁设置有与第一绝缘基座的第二端外壁的外螺纹配合的内螺纹；前述第二防水垫圈压入第一止水压盖后通过螺纹与第一绝缘基座建立连接，使得第一绝缘基座与总线电缆、第二防水垫圈、第一止水压盖组成整体并活动设置于第一中空外壳内；所述弹簧则在套设在第一绝缘基座第二端及第一止水压盖外部；所述第二中空外壳的第二端外壁也设置有外螺纹；所述母头连接端还包括第二止水压盖，该第二止水压盖封闭端设有用于穿设总线电缆的第二贯孔，且该第二止水压盖内壁设置内螺纹，第二中空外壳的第二端与第二止水压盖通过螺纹连接；母头连接端的总线电缆外壁与第二止水压盖或/和第二中空外壳内壁之间设置第三防水垫圈。通过上述结构，使电缆连接器具备有效防水功能，即使在深水环境中使用，也不会出现因电缆连接器进水而造成的短路情况。
[0032]再改进，所述第一中空外壳第二端内部弹簧顶圈的内径大于第一止水压盖的外径；同时，第二中空外壳