一種可有效檢測深部土體重金屬元素的環(huán)境孔壓探頭的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于有效檢測深部土體重金屬元素的環(huán)境孔壓探頭，屬于巖土工 程領域中一種能夠直接、連續(xù)地原位檢測土層元素種類及含量的靜力觸探裝置。
【背景技術】
[0002] 靜力觸探技術是指利用動力裝置將帶有觸探頭的觸探桿壓入試驗土層，通過量測 系統(tǒng)測試土的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力等，可確定土的工程特性，如土的變形模量、剛度、土的 容許承載力等。靜力觸探技術至今已有80多年的歷史，國際上廣泛應用靜力觸探，部分或 全部代替了工程勘察中的鉆探和取樣。我國于1965年首先研制成功電測式靜力觸探并應 用于勘察。近幾年隨著傳感器技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的靜力觸探技術，這些技術能 夠快速、準確地獲得土層的孔隙水壓力、地震波、電阻率、溫度、甚至影像。國外已將之大量 應用于環(huán)境巖土工程領域。我國在新型靜力觸探傳感器的研宄起步比較晚，目前國內(nèi)廣泛 使用的單雙橋靜力觸探僅能夠測試的貫入阻力或比貫入阻力、側(cè)壁摩阻力，可確定的土層 力學特性非常有限。重金屬污染導致土體環(huán)境質(zhì)量惡化，嚴重危害了生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán) 和人類的生存環(huán)境。土是一種非常復雜的工程材料，其中元素種類、含量及存在形式對土的 物理、化學及力學性質(zhì)均會產(chǎn)生不同程度的影響。因此，了解土中元素的情況，尤其是重金 屬元素的檢測有十分重要的意義。
[0003] 穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)由原子核及核外電子組成，核外電子以其特有的能量在各自固定 的軌道上運行。當足夠能量的初級X射線照射待測樣品時，原子內(nèi)層電子獲得能量而釋放， 該層產(chǎn)生空位，處于高能量電子層的電子躍迀至該低能量電子層填補相應的空位。由于不 同電子層存在著能量差，這些能量差以X射線的形式釋放出來。各元素的特征X射線的強 度除與激發(fā)源的能量和強度有關外，還與該元素在樣品中的含量有關。根據(jù)不同元素的特 征X射線的強度可以檢測出某種元素存在與否以及含量。根據(jù)這一原理，本發(fā)明基于常規(guī) 的孔壓探頭，發(fā)明了一種可以方便、快捷檢測土體重金屬元素的原位測試儀器，改善了常規(guī) 探頭無法檢測土體元素的不足。同時，利用孔壓探頭的貫入裝置可以檢測到深度80m范圍 內(nèi)土體中的重金屬元素種類及含量，為環(huán)境巖土工程實踐提供了有力的勘察工具。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術問題：本發(fā)明要解決的技術問題是針對國內(nèi)現(xiàn)有孔壓觸探探技術存在的缺 陷，提出一種可以直接原位檢測深部土體重金屬元素種類及含量的環(huán)境孔壓探頭。
[0005] 技術方案：本發(fā)明的可檢測深部土體重金屬元素（種類或含量）的環(huán)境孔壓探頭 采用同軸電纜傳遞信號和數(shù)據(jù)，在探頭的上半段頂部中設有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并與傳遞信號和 數(shù)據(jù)的同軸電纜相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的下部連接有前置放大器，前置放大器的下方連接有元 素檢測部件，在元素檢測部件所對應的探頭側(cè)壁上開設有薄壁不銹鋼窗口；
[0006] 在探頭的下半段設有三分量地震檢波器，在三分量地震檢波器的下部設有測斜 儀，摩擦筒位于測斜儀的下方，在摩擦筒的中部設有孔隙水壓力傳感器，在摩擦筒的下方連 接有圓錐探頭，孔壓過濾環(huán)位于摩擦筒與圓錐探頭的連接處。
[0007] 薄壁不銹鋼窗口的厚度為3. 5mm。
[0008] 元素檢測部件由三部分組成，分別是探測器、鉛遮板和X射線放射源；探測器為高 度為30mm，直徑為IOmm的圓柱體；鉛遮板為厚度為3. 0mm，直徑為15mm的薄圓柱體。
[0009] 圓錐探頭的錐角為60°，錐底截面積為10cm2,摩擦筒表面積150cm 2。
[0010] 孔壓過濾環(huán)厚度5_，位于錐肩位置，探頭的有效面積比為0. 8。
[0011] 本發(fā)明的用于深部土體重金屬元素檢測的環(huán)境孔壓探頭，其元素檢測部分主要由 同軸電纜、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、前置放大器、元素檢測部件、薄壁不銹鋼窗口以及其內(nèi)部的電路系 統(tǒng)所組成。X射線放射源接收來自地表的信息之后，由陰極發(fā)射出高速的電子撞擊到陽極金 屬材料（可根據(jù)所需檢測元素不同而更換）后產(chǎn)生X射線。X射線照射到探頭外周圍土顆 粒時，土顆粒中待測定元素的原子受到X射線照射后其內(nèi)層電子得到能量，脫離原子束縛 而釋放；處于高能級電子層的電子躍迀到低能級電子來填補該層的空位。高低能級電子層 之間的能量差以特征X射線的形式釋放出來。元素檢測部件中的探測器探測到透過薄壁不 銹鋼窗口的特征X射線，進而產(chǎn)生電信號。所產(chǎn)生的電信號經(jīng)前置放大器的放大后傳遞給 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后經(jīng)同軸電纜傳輸至地表的微機采集和存儲系統(tǒng)中保存，繪 出實時連續(xù)的剖面圖。根據(jù)所測得的信號強度，經(jīng)過室內(nèi)試驗的標定之后，即可建立信號強 度與周圍土層元素種類及含量之間的關系式。鉛遮板阻止X射線放射源所激發(fā)的X射線直 接照射在探測器上，進而產(chǎn)生錯誤的接收信號。薄壁不銹鋼窗口減少了特征X射線在傳遞 過程中通過探頭時產(chǎn)生的損失，最大程度的提高測量的準確性。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用在于將 模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后經(jīng)同軸電纜傳輸保存，以提高信號的準確性和精度，避免傳 輸過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的丟失。其中，X射線放射源可以通過調(diào)節(jié)陰陽兩極之間的電壓可以 調(diào)節(jié)電子的速度，調(diào)節(jié)陰極電壓可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生電子的數(shù)量，從而可以控制所產(chǎn)生的X射線 的硬度進而改變其穿透能力。
[0012] 有益效果：土中所含的元素對土的性質(zhì)有很大程度的影響。當土中含有重金屬元 素時會導致環(huán)境惡化，嚴重危害了生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和人類的生存環(huán)境。因此，在土木工 程和巖土工程領域中進行勘察時對土中重金屬元素進行檢測是一項意義重大的工作。目前 土體重金屬元素檢測的傳統(tǒng)做法需要收集試樣運輸?shù)綄嶒炇疫M行檢測，在這一過程中存儲 條件和運輸條件都會對試驗的精度和準確度造成影響，成本較高，需花費較長時間。同時， 在取樣過程中重金屬可能對操作者的身體健康產(chǎn)生不好的影響。
[0013] 本發(fā)明解決了現(xiàn)有的孔壓探頭不能直接檢測土中元素的缺陷，能方便、快捷、連續(xù) 檢測錐頭深度處土中的重金屬元素的含量，使得孔壓靜力觸探技術能更準確、全面地服務 于環(huán)境巖土工程領域。該項技術具有分析速度快、檢測元素種類多、深度范圍光、安全無污 染、成本低廉以及無損檢測等優(yōu)點，非常適合于污染場地的檢測。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的元件裝置圖；
[0015] 圖2是本發(fā)明元素檢測部件示意圖。
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