一种可有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于有效检测深部土体重金属元素的环境孔压探头，属于岩土工 程领域中一种能够直接、连续地原位检测土层元素种类及含量的静力触探装置。
【背景技术】
[0002] 静力触探技术是指利用动力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测 系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的工程特性，如土的变形模量、刚度、土的 容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的历史，国际上广泛应用静力触探，部分或 全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应 用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能 够快速、准确地获得土层的孔隙水压力、地震波、电阻率、温度、甚至影像。国外已将之大量 应用于环境岩土工程领域。我国在新型静力触探传感器的研宄起步比较晚，目前国内广泛 使用的单双桥静力触探仅能够测试的贯入阻力或比贯入阻力、侧壁摩阻力，可确定的土层 力学特性非常有限。重金属污染导致土体环境质量恶化，严重危害了生态系统的良性循环 和人类的生存环境。土是一种非常复杂的工程材料，其中元素种类、含量及存在形式对土的 物理、化学及力学性质均会产生不同程度的影响。因此，了解土中元素的情况，尤其是重金 属元素的检测有十分重要的意义。
[0003] 稳定的原子结构由原子核及核外电子组成，核外电子以其特有的能量在各自固定 的轨道上运行。当足够能量的初级X射线照射待测样品时，原子内层电子获得能量而释放， 该层产生空位，处于高能量电子层的电子跃迀至该低能量电子层填补相应的空位。由于不 同电子层存在着能量差，这些能量差以X射线的形式释放出来。各元素的特征X射线的强 度除与激发源的能量和强度有关外，还与该元素在样品中的含量有关。根据不同元素的特 征X射线的强度可以检测出某种元素存在与否以及含量。根据这一原理，本发明基于常规 的孔压探头，发明了一种可以方便、快捷检测土体重金属元素的原位测试仪器，改善了常规 探头无法检测土体元素的不足。同时，利用孔压探头的贯入装置可以检测到深度80m范围 内土体中的重金属元素种类及含量，为环境岩土工程实践提供了有力的勘察工具。
【发明内容】
[0004] 技术问题：本发明要解决的技术问题是针对国内现有孔压触探探技术存在的缺 陷，提出一种可以直接原位检测深部土体重金属元素种类及含量的环境孔压探头。
[0005] 技术方案：本发明的可检测深部土体重金属元素（种类或含量）的环境孔压探头 采用同轴电缆传递信号和数据，在探头的上半段顶部中设有模数转换器，并与传递信号和 数据的同轴电缆相连，模数转换器的下部连接有前置放大器，前置放大器的下方连接有元 素检测部件，在元素检测部件所对应的探头侧壁上开设有薄壁不锈钢窗口；
[0006] 在探头的下半段设有三分量地震检波器，在三分量地震检波器的下部设有测斜 仪，摩擦筒位于测斜仪的下方，在摩擦筒的中部设有孔隙水压力传感器，在摩擦筒的下方连 接有圆锥探头，孔压过滤环位于摩擦筒与圆锥探头的连接处。
[0007] 薄壁不锈钢窗口的厚度为3. 5mm。
[0008] 元素检测部件由三部分组成，分别是探测器、铅遮板和X射线放射源；探测器为高 度为30mm，直径为IOmm的圆柱体；铅遮板为厚度为3. 0mm，直径为15mm的薄圆柱体。
[0009] 圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为10cm2,摩擦筒表面积150cm 2。
[0010] 孔压过滤环厚度5_，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0. 8。
[0011] 本发明的用于深部土体重金属元素检测的环境孔压探头，其元素检测部分主要由 同轴电缆、模数转换器、前置放大器、元素检测部件、薄壁不锈钢窗口以及其内部的电路系 统所组成。X射线放射源接收来自地表的信息之后，由阴极发射出高速的电子撞击到阳极金 属材料（可根据所需检测元素不同而更换）后产生X射线。X射线照射到探头外周围土颗 粒时，土颗粒中待测定元素的原子受到X射线照射后其内层电子得到能量，脱离原子束缚 而释放；处于高能级电子层的电子跃迀到低能级电子来填补该层的空位。高低能级电子层 之间的能量差以特征X射线的形式释放出来。元素检测部件中的探测器探测到透过薄壁不 锈钢窗口的特征X射线，进而产生电信号。所产生的电信号经前置放大器的放大后传递给 模数转换器，再转为数字信号后经同轴电缆传输至地表的微机采集和存储系统中保存，绘 出实时连续的剖面图。根据所测得的信号强度，经过室内试验的标定之后，即可建立信号强 度与周围土层元素种类及含量之间的关系式。铅遮板阻止X射线放射源所激发的X射线直 接照射在探测器上，进而产生错误的接收信号。薄壁不锈钢窗口减少了特征X射线在传递 过程中通过探头时产生的损失，最大程度的提高测量的准确性。模数转换器的作用在于将 模拟信号转换为数字信号，然后经同轴电缆传输保存，以提高信号的准确性和精度，避免传 输过程中产生数据包的丢失。其中，X射线放射源可以通过调节阴阳两极之间的电压可以 调节电子的速度，调节阴极电压可以调节产生电子的数量，从而可以控制所产生的X射线 的硬度进而改变其穿透能力。
[0012] 有益效果：土中所含的元素对土的性质有很大程度的影响。当土中含有重金属元 素时会导致环境恶化，严重危害了生态系统的良性循环和人类的生存环境。因此，在土木工 程和岩土工程领域中进行勘察时对土中重金属元素进行检测是一项意义重大的工作。目前 土体重金属元素检测的传统做法需要收集试样运输到实验室进行检测，在这一过程中存储 条件和运输条件都会对试验的精度和准确度造成影响，成本较高，需花费较长时间。同时， 在取样过程中重金属可能对操作者的身体健康产生不好的影响。
[0013] 本发明解决了现有的孔压探头不能直接检测土中元素的缺陷，能方便、快捷、连续 检测锥头深度处土中的重金属元素的含量，使得孔压静力触探技术能更准确、全面地服务 于环境岩土工程领域。该项技术具有分析速度快、检测元素种类多、深度范围光、安全无污 染、成本低廉以及无损检测等优点，非常适合于污染场地的检测。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的元件装置图；
[0015] 图2是本发明元素检测部件示意图。
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