阅读说明：本技术 一种弹射式t型全流贯入装置 (A kind of ejection type T-type flows perforation device entirely ) 是由 乔欢欢 蔡国军 荣琦 刘东明 武猛 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明是一种弹射式T型全流贯入装置,该装置的由三部分组成：第一部分的弹射装置(1)位于上部,第二部分的导弹式尾翼(2)位于中部,第三部分的T型全流探头(3)位于下部。通过弹射装置提供T型全流贯入仪的初始动能,能够有效提高贯入仪的贯入深度,四页导弹式尾翼能够提高贯入仪的稳定性和贯入点精度,增加加速度传感器、力传感器、倾斜传感器,孔压传感器可以进一步提高T型全流贯入仪水下原位测试精度。该贯入装置用于水下超软土强度特性测试,具有有快捷、经济、易操作、准确率高等优点,是评价水下超软土强度特强有力的原位测试工具。(The present invention is that a kind of ejection type T-type flows perforation device entirely, the device consists of three parts: the catapult-launching gear (1) of first part is located at top, the guided missile formula empennage (2) of second part is located at middle part, and the T-type of Part III flows probe (3) entirely and is located at lower part.The initial kinetic energy that T-type flows penetrometer entirely is provided by catapult-launching gear, the depth of penetration of penetrometer can be effectively improved, the guided missile formula empennages of page four can be improved the stability and injection point precision of penetrometer, increase acceleration transducer, force snesor, inclination sensor, sensor for pore water pressure can be further improved T-type and flow penetrometer underwater in-situ measuring accuracy entirely.The perforation device is tested for underwater ultra-soft soil strength characteristics, there is quick, economic, easy to operate, high accuracy for examination, is the special strong in-situ test tool of the underwater ultra-soft soil intensity of evaluation.)

一种弹射式T型全流贯入装置

技术领域

本发明涉及一种弹射式T型全流贯入装置，是用来评价水下超软土强度特强有力的原位测试工具，属于岩土工程原位测试领域。

背景技术

沿海和湖泊沉积地区广泛存在大量的超软土，这种超软土含水量高(大于100％)，呈流塑状态，具有高压缩性、极低强度和高灵敏度的特点，并具有结构性，该类超软土几乎无法进行取样和室内试验，现有勘察测试技术难以评价其强度和变形特征，只能通过原位测试方法。包括十字板剪切试验，CPTU静力触探测试，球型和T型全流静力触探测试以及自由落体式贯入测试。而十字板剪切试验水下测试软土强度操作不方便且测试值不连续；由于在水下高围压应力条件下，传统CPTU仪器探头测压元件在贯入过程中对于超软土的量测精确性大为减小；同时无法正确地定量描述上覆土压力的作用，所以无法满足工程设计要求。Randolph等采用增大贯入仪投影面积的方式，并基于full-flow理论提出一种新型的全流触探仪(球型和T型全流静力触探)以解决上述问题。全流触探仪通过穿过水下超软土时，在探头周围产生类似于黏性流体状态的土流围绕探头表面，通过探头表面与土流的摩擦获得超软土的不排水抗剪强度。但是静力触探都需要加载装置来进行测量，且在水上现场勘测过程中需要专业的勘测船，费用较高。而自由落体式贯入测试是通过自由落体方式动力贯入到水下进行测量的贯入仪，无需借助其它加载装置。目前主要有自由落体式锥形贯入仪和式球形贯入仪两种形式，但是目前的自由落体式贯入仪贯入深度有限，并且不能很好地模拟水底管线的受力状态。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种弹射式T型全流贯入装置，该装置通过弹射装置提供T型全流贯入仪的初始动能，进行动力贯入，可以很好地模拟水底管线的受力状态，并且能够有效提高贯入仪的贯入深度，四页导弹式尾翼能够提高贯入仪的稳定性和贯入点精度，增加加速度传感器、孔压传感器可以进一步提高T型全流贯入仪水下原位测试精度。该贯入装置用于水下超软土强度特性测试，具有快捷、经济、易操作、准确率高等优点，是评价水下超软土强度特性强有力的原位测试工具。

技术方案：为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种弹射式T型全流贯入装置，该装置的由三部分组成：

第一部分为弹射装置，包括弹射架，弹力环，弹射底座，弹射滑管和弹力传感器；其中，弹力环位于弹射底座的上部，弹射滑管和弹力传感器位于弹射装置的中轴线上；

第二部分为稳定贯入仪贯入方向的导弹式尾翼，尾部为四页式尾翼，内部设有同轴电缆传递信号和数据，同轴电缆连接内部数模转换器，下底部为螺纹接头；

第三部分为T型全流探头，包括连接导弹式尾翼的连接杆，连接杆底部布有倾斜角传感器，加速度传感器和孔压传感器；

第一部分的弹射装置位于上部，第二部分的导弹式尾翼位于中部，第三部分的T型全流探头位于下部。

弹射装置根据初始动能需求，配置不同数量的弹力环。

所述的弹力环与弹射底座采用勾环式连接。

所述的弹射滑管与导弹式尾翼的尾部采用可弹出的嵌入式连接。

所述的导弹式尾翼的尾部采用四页式尾翼，单个尾翼为直角三角形。

所述的第二部分导弹式尾翼用螺纹接头与第三部分T型全流探头的连接杆连接。

所述的T型全流探头，长100-500mm，直径10-80mm，投影面积10-400cm²。

弹射式T型全流贯入装置的速度v可由加速度传感器测得的加速度a积分得到：

贯入深度z可由速度v积分得到：

已有研究表明由于T型全流贯入探头在加速(或减速)运动过程中，会带动周边土体加速(或减速)运动，因此需要考虑附加质量m*的作用，其由下式(进行计算：

m^*＝C_mm_soil (3)

其中，C_m为附加质量系数；m_soil为T型全流贯入探头排开土体的质量，按照式(4)进行计算

m_soil＝V_T-barρ_soil (4)

其中，V_T-bar为T型全流贯入探头排开土体的体积，ρ_soil为土体的密度。

所以T型全流贯入探头的有效质量m可由下式计算：

m＝m^*+m_soil (5)

贯入阻力q_t,,d可以根据T型全流贯入探头的有效质量m乘以测量的加速度a获得：

其中，v为弹射式T型全流贯入装置的速度；z为贯入深度；W_b为弹射式T型全流贯入装置在水中的浮重；m为T型全流贯入探头的有效质量；F_D为拖曳阻力(因土体惯性产生)；F_b为浮力等于排开土的有效重量；R_f,ip贯入阻力的应变速率系数；N_k,T-bar为T型全流贯入探头承载能力系数；As为弹射式T型全流贯入装置T型全流探头的投影面积。

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。

其中，ρ_s为土体饱和密度；C_d为拖曳系数。

贯入阻力的应变速率系数R_f,tip,由下式计算：

其中，γ&为应变率、为不排水抗剪强度的参考应变率、β为应变率参数。

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，可以下式计算：

其中，q_c,d为测量的贯入阻力；u₂为测量或估计锥肩处的孔隙压力；α_cone：不相等的面积率；σ_v0为上覆应力；q_D为拖曳阻力(等于F_D/As)；R_f，tip为贯入阻力的应变速率系数；N_k,T-bar为T型全流贯入探头承载力系数；q_net,d为弹射式T型全流贯入装置产生的动力净贯入阻力；q_net,s为T型全流静力贯入的净贯入阻力。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明提供的一种弹射式T型全流贯入装置为岩土工程勘测实践中评价水下超软土强度特性提供强有力的原位测试工具。通过弹射装置提供T型全流贯入仪的初始动能，能够有效提高贯入仪的贯入深度，四页导弹式尾翼能够提高贯入仪的稳定性和贯入点精度，增加加速度传感器、力传感器、倾斜传感器，孔压传感器可以进一步提高T型全流贯入仪水下原位测试精度，是用来评价水下超软土强度特强有力的原位测试工具。

本发明提供的可评价水下超软土强度特性强有力的原位测试工具，该装置结构简单、质量控制良好，使用方便，测试速度快，测试效率高，测试结果准确可靠，重复性好。

附图说明

图1是本发明提供的一种弹射式T型全流贯入装置元件装置的构造示意图；

图中有：弹射装置1，弹射架1a，弹力环1b，弹射底座1c，弹射滑管1d和弹力传感器1e；导弹式尾翼2，四页式尾翼2a，同轴电缆2b，数模转换器2c和螺纹接头2d；T型全流探头3，包括连接杆3a，倾斜角传感器3b，加速度传感器3c和孔压传感器3d。

具体实施方式

实施例1

本发明提供了一种弹射式T型全流贯入装置，该装置的由三部分组成：第一部分为弹射装置1，包括弹射架1a，弹力环1b，弹射底座1c，弹射滑管1d和弹力传感器1e；第二部分为稳定贯入仪贯入方向的导弹式尾翼2，尾部为四页式尾翼2a，内部设有同轴电缆2b传递信号和数据，同轴电缆2b连接内部数模转换器2c，下顶部为螺纹接头2d；第三部分为T型全流探头3，包括连接导弹式尾翼2的连接杆3a，连接杆底部布有倾斜角传感器3b，加速度传感器3c和孔压传感器3d。

其中：

所述的一种弹射式T型全流贯入装置，其特征在于：弹射装置1根据初始动能需求，配置8个弹力环1b。

所述的弹力环1b与弹射底座1c采用勾环式连接。

所述的一种弹射式T型全流贯入装置，其特征在于：所述的弹射滑管1d与导弹式尾翼2的尾部采用可弹出的嵌入式连接。

所述的导弹式尾翼2的尾部采用四页式尾翼2a，单个尾翼为直角三角形。

所述的第二部分导弹式尾翼2用螺纹接头2d与第三部分T型全流探头3的连接杆3a连接。

所述的T型全流探头3，长250mm，直径40mm，投影面积100cm²。

弹射式T型全流贯入装置的速度v可由加速度传感器3c测得的加速度a积分得到：

贯入深度z可由加速度二次积分得到：

已有研究表明由于T型全流贯入探头3在加速(或减速)运动过程中，会带动周边土体加速(或减速)运动，因此需要考虑附加质量m*的作用，其由下式(进行计算：

m^*＝C_mm_soil (3)

其中，C_m为附加质量系数；m_soil为T型全流贯入探头3排开土体的质量，按照式(4)进行计算

m_soil＝V_T-barρ_soil (4)

其中，V_T-bar为T型全流贯入探头3排开土体的体积，ρ_soil为土体的密度。

所以T型全流贯入探头3的有效质量m可由下式计算：

m＝m^*+m_soil (5)

贯入阻力q_t,,d可以根据T型全流贯入探头3的有效质量m乘以测量的加速度a获得：

其中，v为弹射式T型全流贯入装置的速度；z为贯入深度；W_b为弹射式T型全流贯入装置在水中的浮重；m为T型全流贯入探头3的有效质量；F_D为拖曳阻力(因土体惯性产生)；F_b为浮力等于排开土的有效重量；R_f,ip贯入阻力的应变速率系数；N_k,T-bar为T型全流贯入探头3承载能力系数；As为弹射式T型全流贯入装置T型全流探头的投影面积。

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。

其中，ρ_s为土体饱和密度；C_d为拖曳系数。

贯入阻力的应变速率系数R_f,tip,由下式计算：

其中，γ&为应变率、为不排水抗剪强度的参考应变率、β为应变率参数。

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，可以下式计算：

其中，q_c,d为测量的贯入阻力；u₂为测量或估计锥肩处的孔隙压力；α_cone：不相等的面积率；σ_v0为上覆应力；q_D为拖曳阻力(等于F_D/As)；R_f，tip为贯入阻力的应变速率系数；N_k,T-bar为T型全流贯入探头3承载力系数；q_net,d为弹射式T型全流贯入装置产生的动力净贯入阻力；q_net,s为T型全流静力贯入的净贯入阻力。