阅读说明：本技术 用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置 (For evaluating the free fall type pore pressure dynamic sounding device of sea-bottom shallow soil characteristic ) 是由 荣琦 蔡国军 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置,包括导流罩、设置在所述导流罩上的稳定尾翼、与所述导流罩连接的配重探杆、与所述配重探杆连接的上部探杆、下部探杆；所述上部探杆与所述下部探杆通过中部连接器实现机械连接；所述上部探杆与所述下部探杆之间通过同轴电缆实现信号连接；所述下部探杆上安装静力触探探头,所述上部探杆里面设置有动力触探模块。本发明可适用于海底浅层超软土原位动力测试,能快速、便捷、经济、有效得获取土层工程参数,为海洋岩土工程勘察测试实践提供经济可靠的技术手段。(The present invention provides a kind of for evaluating the free fall type pore pressure dynamic sounding device of sea-bottom shallow soil characteristic, including pod, the rear-fin stabilizer being arranged on the pod, the counterweight feeler lever connecting with the pod, the top feeler lever connecting with the counterweight feeler lever, lower part feeler lever；The top feeler lever and the lower part feeler lever are realized by middle part connector to be mechanically connected；Signal connection is realized by coaxial cable between the top feeler lever and the lower part feeler lever；Static sounding probe is installed on the lower part feeler lever, is provided with dynamic sounding module inside the top feeler lever.It present invention can be suitably applied to sea-bottom shallow ultra-soft soil dynamic test in situ, quick, convenient, economical, effective can must obtain soil layer engineering parameter, provide the technological means of economic and reliable for ocean geotechnical engineering investigation test practice.)

用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置

技术领域

本发明涉及一种用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，属于海洋岩土工程原位测试领域中一种新型触探设备。

背景技术

传统钻孔取样室内试验的方法并不适用于海底浅层超软土，会造成应力释放、试样扰动，其结果很难反映海洋超软土的真实状态，大大降低岩土参数的应用价值。对于海洋超软土的工程特性评价更多的依赖于原位测试方法。静力触探技术(CPT)作为最常见的原位测试方法之一，近年来得到长足发展。孔压静力触探技术(CPTU)在传统静力触探装置的基础上安装有多个传感器，可以同时测试土体的锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力，可以用于估算土的不排水抗剪强度、不排水杨氏模量、渗透系数等力学、变形特性指标。当测试土体为海洋超软土时，孔压静力触探(CPTU)的测试精度会随海水深度的增加而降低，且海底孔压静力触探设备存在设备笨重、操作复杂、测试时间长、成本较高、应用不广泛等缺点。

发明内容

发明目的：针对现有孔压静力触探技术在评价海底浅层超软土工程特性的不足，本发明提出一种用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，操作简便、快速、经济、高效的评价海底浅层超软土工程特性的原位测试设备，为海洋岩土工程勘察实践提供强有力的测试工具。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，包括导流罩、设置在所述导流罩上的稳定尾翼、与所述导流罩连接的配重探杆、与所述配重探杆连接的上部探杆、下部探杆；所述上部探杆与所述下部探杆通过中部连接器实现机械连接；所述上部探杆与所述下部探杆之间通过同轴电缆实现信号连接；所述下部探杆上安装静力触探探头，所述上部探杆里面设置有动力触探模块。

所述的用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，所述静力触探探头包括与所述下部探杆连接的侧壁摩擦套筒，所述侧壁摩擦套筒下部连接锥头，所述锥头与所述侧壁摩擦套筒之间设置有孔压通道，所述孔压通道的入口处设置有孔压过滤环，所述孔压通道连通设置在所述侧壁摩擦筒里面的孔隙水压力传感器，所述的侧壁摩擦筒里面还设置有锥尖压力传感器、锥尖+侧壁压力传感器。

所述的用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，所述的动力触探模块包括三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计，所述的三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS 加速度计都连接微处理器，所述的微处理器还连接蓝牙芯片、Flash存储器、USB数据接口，所述上部探杆里面还设置有蓄电电池，所述通过电路连接防水电源开关和防水充电头。

所述的用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，所述的导流罩通过第一密封垫圈和螺纹与所述的配重探杆相连，所述的导流罩外径与配重杆外径相同，上部固定有挂环，四周固定有稳定尾翼。

所述的用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，所述的稳定尾翼厚度为2mm,数量为4支，以导流罩中轴线为轴对称分布在导流罩的四周。

所述的用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，所述的上部探杆外径大于所述下部探杆的外径。

所述的用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，所述的中部连接器为圆台体，锥角为45°-60°，下部直径与下部探杆外径相同，上部直径与上部探杆外径相同，内设有用于所述同轴电缆穿过的圆柱形导孔。

所述的用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，所述的配重探杆与所述上部探杆之间通过第二密封垫圈和螺纹连接。

所述的用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，所述的下部探杆与所述侧壁摩擦套筒之间设置有第三密封垫圈。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

本发明提出的用于评价海底浅层超软土工程特性的自由落体式孔压静力触探装置，解决了国内现有用于海洋原位测试装置不能高效、快速、准确、经济、简便地评价海洋超软土工程特性的缺陷，通过自由下落状态装置，动力贯入土中，可进行实时、自动的数据采集、处理、存储，可准确、经济、快速地评价海洋超软土工程特性，为海洋岩土工程勘察实践提供强有力的测试工具。

附图说明

图1是本发明采用的一种用于评价海底浅层超软土工程特性的自由落体式孔压静力触探装置示意图。

图中有：挂环1、稳定尾翼2、导流罩3、第一密封垫圈4.1、第一螺纹5.1、配重探杆6、第二密封垫圈4.2、第二螺纹5.2、防水电源开关7、USB数据接口8、防水充电头9、无线蓝牙芯片10、Flash存储器11、微处理器12、三轴MEMS陀螺仪13、三轴MEMS加速度计14、蓄电电池15、上部探杆16、同轴电缆17、中部连接器18、下部探杆19、侧壁摩擦套筒20、第三螺纹5.3、第三密封垫圈4.3、锥尖+侧壁压力传感器21、锥尖压力传感器22、孔隙水压力传感器23、孔压通道24、孔压过滤环25、锥头26、第四螺纹5.4。

图2是本发明采用的一种用于评价海底浅层超软土工程特性的自由落体式孔压静力触探装置A-A剖面图。

图中有：防水电源开关7、USB数据接口8、防水充电头9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明的用于评价海底浅层土特性的自由落体式孔压动力触探装置，包括导流罩3、挂环1、稳定尾翼2、密封垫圈4、螺纹5、配重探杆6、防水电源开关7、USB数据接口8、防水充电头9、蓝牙芯片10、Flash存储器11、微处理器12、三轴MEMS陀螺仪 13、三轴MEMS加速度计14、蓄电电池15、上部探杆16、同轴电缆17、中部连接器18、下部探杆19、侧壁摩擦套筒20、锥尖+侧壁压力传感器21、锥尖压力传感器22、孔隙水压力传感器23、孔压通道24、孔压过滤环25、锥头26。导流罩上端固定有挂环，可将绳与整个装置连接，通过绳将设备悬挂在试验架上，在装置释放后，绳和装备一起运动。导流罩四周对称固定有4支的稳定尾翼，稳定尾翼用来保障该装置在自由落体时的空间稳定性。导流罩下部为配重探杆，用来增加整个装置的质量，保证装置在与海底接触时有足够的势能贯入。配重探杆下部为上部探杆，上部探杆的上部为中空柱体，内设防水电源开关、USB数据接口、防水充电头、蓝牙芯片、Flash存储器、微处理器、三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、蓄电电池与下部探杆中的锥尖+侧壁压力传感器、锥尖压力传感器、孔隙水压力传感器共同构成了采集处理存储单元。其中，防水电源开关具有防水功能，保证整个装置在水下正常工作；USB数据接口为测试结束后的数据导出接口，通过USB数据线与外部PC设备相连，将获取的测试数据导入PC设备，供后续计算处理；防水充电头具有防水功能，可通过充电适配器对蓄电电池进行充电；蓝牙芯片可将采集的数据通过非接触式传输给另一外部蓝牙设备；三轴MEMS陀螺仪可获取装置在测试过程中x,y,z三轴的倾角数据；三轴MEMS加速度计可获取装置在测试过程中x,y,z三轴的加速度；锥尖+侧壁压力传感器可获取探头在下落过程锥尖阻力与侧壁摩阻力的总压力值；锥尖压力传感器可获取探头在下落过程锥尖阻力值；贯入过程中，孔隙水透过孔压过滤环，通过孔压通道，由孔隙水压力传感器获取探头在下落过程孔隙水压力值；微处理器可将锥尖+侧壁压力传感器获取的锥尖阻力与侧壁摩阻力的总压力值减去锥尖压力传感器获取的锥尖阻力值得到侧壁摩阻力值，并将x,y,z三轴的倾角数据、 x,y,z三轴的加速度、侧壁摩阻力值、锥尖阻力值、孔隙水压力值实时写入Flash存储器进行数据存储。

所述的导流罩为不锈钢材质，通过密封垫圈和螺纹与配重杆相连，外径与配重杆外径相同，上部固定有钢制挂环，四周固定有稳定尾翼。

所述的稳定尾翼为铝制不规则多边形薄板，厚度为2mm,数量为4支，以导流罩中轴线为轴对称分布在四周。

所述的配重探杆为黄铜或不锈钢制作的实心圆柱形探杆，其外径与上部探杆相同，长度为20-100cm。

所述的上部探杆为不锈钢制作，外径大于下部探杆外径，上部中空，设有防水电源开关、 USB数据接口、防水充电头、无线蓝牙芯片、Flash存储器、微处理器、三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、蓄电电池，内有圆柱形导孔。

所述微处理器工作频率为400-2000HZ。

所述Flash存储器容量为2G。

所述孔隙水压力传感器最大量程为5MPa，精度0.5％。

所述三轴MEMS加速度计，分辨率为0.04m/s²，测试范围为：±16g。

所述三轴MEMS陀螺仪：测量范围为±2000°/s；分辨率为0.07°。

所述侧壁摩阻力的获取方式为锥尖+侧壁压力传感器数值减去锥尖压力传感器数值。

所述蓄电电池为轻型可拆卸可充电锂电池组，为各传感器提供满足要求的电压输出，并可保证设备正常工作的续航时间为8-12小时。

所述蓝牙芯片可将采集的数据通过非接触式传输给另一外部蓝牙设备。

所述中部连接器为圆台体，锥角为45°-60°，下部直径与下部探杆外径相同，上部直径与上部探杆外径相同，内有圆柱形导孔。

所述下部探杆为不锈钢制作，外径为35.7mm，内设锥尖+侧壁压力传感器、锥尖压力传感器、孔隙水压力传感器，内有圆柱形导孔。

所述孔压过滤环为多孔特殊树脂材料，外径为35.7mm，厚度为5mm。

所诉锥头直径为35.7mm，锥角为60°，内有直径为2mm的圆柱形孔压通道。

当到达预定勘察地点后，将自由落体式孔压动力触探装置的下部探杆完全浸没在中，时间大于10分钟，使孔压过滤环及孔压通道达到饱和状态，然后将绳系于挂环处，试验架通过缆绳与自由落体式孔压动力触探装置相连，并将该装置提升到指定高度，打开防水电源开关，使自由落体式孔压动力触探装置处于正常工作状态。在指定高度，释放自由落体式孔压动力触探装置，该装置与缆绳一起做自由落体运动，先与水面接触，然后穿过上层海水，速度不断增加，自由坠入海底，最后与海底沉积层接触，利用积蓄的势能，装置贯入到海底超软土中若干深度。在自由落体式孔压动力触探装置贯入海底土体过程中，可测得锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力、加速度、倾斜度。当设备停止贯入时，可进行孔压消散试验，记录孔隙水压随时间的变化，测得孔压消散时间T₅₀。孔压消散试验结束后，试验架牵引缆绳将自由落体式孔压动力触探装置提出土体，进行回收。用USB数据线将PC设备与自由落体式孔压动力触探装置连接，或通过蓝牙设备与该装置连接，进行数据传输，获取加速度、倾角、锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力。

自由落体式孔压动力触探装置的速度可由加速度一次积分得到：v＝∫adt，贯入深度可由加速度二次积分得到：z＝∫∫adt。

锥尖阻力q_t,FFP可以根据自由落体式孔压动力触探装置的质量(m)乘以测量的加速度a获得。

其中：v:自由落体式孔压动力触探装置的速度；z:贯入深度；W_b:自由落体式孔压动力触探装置在水中的浮重；Q_s:侧壁摩阻力；F_D:拖曳阻力(因土体惯性产生)；F_b:浮力等于排开土的有效重量；A_tip:锥尖的横截面积。

土体拖曳阻力的计算方法与流体拖曳阻力的计算方法相同。

F_D＝0.5C_dρ_sA_tipv²

其中：ρ_s:土体饱和密度；C_d:拖曳系数。

锥尖阻力的应变速率系数R_f,tip,由下式计算

其中，应变率；不排水抗剪强度的参考应变率；β：应变率参数。

土体的不排水抗剪强度s_u需要扣除拖曳阻力和因应变率效应对土体强度产生的折减。

其中：q_c,FFP：测量的锥尖阻力；u₂：测量或估计锥肩处的孔隙压力；α_cone：不相等的面积率；σ_v0：上覆应力；q_D：拖曳阻力(等于F_D/A_tip)；R_f,tip：锥尖阻力的应变速率系数；N_kt：圆锥系数；q_net,d：产生的动力净锥尖阻力；q_net,s：传统CPT中净锥尖阻力。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。