CN105507225B - 一种可停靠式球柱形孔压探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种能够用于评价水下浅层土体工程特性的可停靠式球柱形孔压探头，该可停靠式探头(1)中间部分为圆柱形状，上下两端为等直径的半球形，在探头下半球设置有孔压过滤环(4)，与三个孔隙水压力传感器(7)相连；探头(1)上部与绞绳(5)连接处配置有测压元件(3)，电压与传感器信号经由设置在钢制绞绳(5)内的同轴信号传输电缆(8)进行传输；在探头(1)的两侧分别设置了两个支撑圆环(2)，圆环(2)通过螺纹法兰(9)和三根钢支架(10)，与衍生出来的钢制悬臂梁(6)相连接，接入到整个装置中。整个装置通过钢制绞绳(5)下放到水下指定测试地点，利用自身重力和支撑圆环(2)的作用，能够对测试水域下的浅层海床处淤泥质软土的性质参数进行评价，尤其针对浅层指定深度的土体可获得真实可靠的有效数据。

Description

一种可停靠式球柱形孔压探头
技术领域
本发明涉及一种可评价水下浅层土体工程特性的可停靠式球柱形孔压探头，属于岩土工程和海底管线工程领域中一种能够获取水下浅层土体强度及固结性质的特殊形态的可停靠式原位测试装置。
背景技术
伴随着我国国土资源的进一步开发和利用，陆地资源已经不能满足现有的发展需要，海上尤其是近海区域的工程建设在近十年间取得了全世界有目共睹的成绩。工程建设勘察先行，在此大环境下，对于海上施工环境和地质条件的勘察技术手段都需要做进一步的改良和创新。传统的原位测试技术如堆载预压、旁压试验等都因条件的限制而无法在海上展开，不仅如此，考虑到海上风浪、洋流和水压等自然因素的影响，很多原位测试技术的运营成本较陆地更为昂贵。同样的，海上工程面临诸如地层复杂、土体机构松散、天然含水量高等不利条件，钻孔获取土样不可避免的受到扰动而无法精确反映水下土体的物理力学性质。海底原位测试技术能够有效的解决上述问题。
海底静力触探技术是一种方便快捷、精确可靠、数据连续、集勘察与测试双重作用、高效可重复的勘察手段。其结合分离式波浪补偿海上钻探技术、十字板剪切试验和室内土工试验，便能够在工程实践中获得精细化的土体物理力学性质指标。海上静力触探技术是近几年从国外引进研究的一项技术，目前在国内的应用历史短、经验少，在将其普遍化、规范化的道路上仍然面临不小的挑战。
在海底管线工程设计中，需要详细考证水下浅层地表土体的强度及固结特性，然而水下浅层土体多为淤泥质软土，具有结构松软、含水量大、强度低等不良特性，传统的原位测试技术和常规的静力触探试验很难获取到真实的土体性质参数，进而使得管线在设计过程中缺乏可靠的数据支撑，各项设计参数偏于保守，增加铺设成本。
本发明基于上述研究现状和工程问题，提出了一种能够获得精确可靠的水下浅层淤泥质土的物理力学性质指标的可停靠式球柱形孔压探头，为海底静力触探技术和解决水下浅层地表土体的参数获取问题提出了新的尝试。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是针对近海工程实践中，水下浅层近海床土体物理力学性质指标难以精确获取的问题，提出了一种可停靠式的球柱形孔压探头。利用探头特殊的形状和两侧的悬臂持力环，在探头的自重作用下到达指定的测试深度进行土体相关参数的测量。
技术方案：本发明是一种可用于评价水下浅层土体工程特性的可停靠式球柱形孔压探头，包括球柱形探头下端设置有三个孔隙水压力传感器和孔压过滤环；上部与钢制绞绳连接处设置有测压元件，信号经由同轴信号传输电缆进行传输；同时探头左右两侧分别配置有支撑圆环，圆环通过三根钢支架和螺纹连接法兰与从探头顶部衍生出的悬臂梁进行连接。整个装置由钢制绞绳从测量船只中下放至指点测试海域，在自重以及支撑圆环的作用下到达指点深度，对海床浅层土体进行测量。
本发明的一种可停靠式球柱形孔压探头，球柱形探头下端设置有三个孔隙水压力传感器和孔压过滤环；上部与钢制绞绳连接处设置有测压元件，信号经由同轴信号传输电缆进行传输；同时探头左右两侧分别配置有支撑圆环，支撑圆环通过三根钢支架和螺纹连接法兰与从球柱形探头顶部衍生出的悬臂梁进行连接。整个装置由钢制绞绳从测量船只中下放至指点海域，在自重以及支撑圆环的作用下到达指点深度进行测量。
所述的球柱形探头，中间的圆柱形为探头的重力加成部分，两端为直径250mm的半球形，球柱形探头总高度为375mm，整个球柱形探头由金属铁制成，表面喷涂一层防锈漆。
球柱形探头两侧的支撑圆环分别位于其左右两侧，通过悬臂梁进行连接，支撑圆环中心与球柱形探头轴心线的距离在500mm，支撑圆环直径在200mm以内，其重量和材质根据海床表面土体的强度而定为硬塑料或钢制。
球柱形探头下端半球中，与探头轴线中心成45°角的圆周面上设置3个孔隙水压力传感器，与之相连的孔压过滤环的直径为178mm。
设置于探头上部的测压元件与钢制绞绳相连接，及时有效将有压力产生的电压变化值经同轴信号传输电缆进行传送。
该孔压探头的最佳测试深度为海床地表下0.5-1倍探头直径，即海床下125mm-250mm深度之内，适用于强度变化梯度在0-25kPa/m的浅层土体。
本发明的关键技术在于支撑圆环对探头的可停靠作用，支撑圆环有两方面作用：一是在海床表面土体质地过软，呈淤泥状时，此时探头的自重较土的承载能力而言较大，很难停留在指定的深度内，需要轻质量，密度小的支撑圆环在两侧对探头进行支撑；二是当海床表面土质较硬时，探头仅在自重作用下不能够到达指定的深度进行测试，需要质量及密度较大的圆环起一定的辅助下沉作用。
有益效果：自上世纪90年代以来，我国的静力触探技术进入快速发展期，但是迄今为止仍然缺少相应的技术设施及规范能够支持水中的静力触探技术的发展。尤其是针对水下浅层，即海床表面的淤泥质土体，很难获取真实有效的土体参数进行施工设计。
本发明中结合测压元件输出的数据，对电压变化值进行相应处理之后可以得到连续的应力-深度曲线，从而进一步推算出海床表面土体的强度参数。同样的，由孔隙水压力传感器测量得到的孔压数据，结合相应的经验公式和大变形有限元数值模拟，能够得到较为真实可靠的水下浅层土体的竖向固结参数。从而利用本发明能够对水下浅层土体的物理力学性质指标作出更加真实可靠的分析，对近海的工程实践起到突破性的帮助。
附图说明
图1是本发明的元件装置图；
图2是图1装置中A-A’的剖面图；
其中有：球柱形探头1，支撑圆环2，测压元件3，孔压过滤环4，钢制绞绳5，悬臂梁6，孔隙水压力传感器7，同轴信号传输电缆8，螺纹连接法兰9，钢支架10；海床表面a。
具体实施方式
本发明可用于评价水下浅层土体工程特性的可停靠式球柱形孔压探头，其采用同轴信号传输电缆8传递信号和数据，包括用于施放和回收装置的钢制绞绳5，位于球柱形探头1和绞绳之间的测压元件3；位于探头下半球中的孔隙水压力传感器7和孔压过滤环4；分布在探头左右两侧距探头轴心约500mm的两个支撑圆环2，其半径为200mm以内；支撑圆环2经由三根钢支架10及螺纹连接法兰9，与钢制悬臂梁6相连接；探头形状较为特殊，中间段为圆柱形的重力加成部分，上下两端为直径250mm的半球，半球与圆柱段直径相等，整个探头的高度为375mm。
通过一段圆柱体连接两个直径为250mm的半球体。整个设备为全金属制成，加上近海浅滩处都是极为软弱的土体，从而可以直接利用仪器自重贯入进土体0.5倍到1倍直径深度处。设想在与探头轴线中心成45度角处，沿圆周设置3或4个孔隙水压传感器。这是因为，如果将传感器设置在探头尖端，会造成传感器堵塞。
探头的重量可以通过对海床土体强度状况变化的适应来进一步优化。为了增强设备的应用性能，在水平距离探头约500mm处的两端设置平面支撑圆环，能够控制探头设备停留在指定的嵌入深度。支撑圆环被设置在距离探头中心轴线约两倍探头直径处，其目的是为了避免圆环对土体应力和孔隙水压的干扰。探头的重量会根据不同土体类型进行确定。
探头设备是通过钢制绞绳被下放到海床面上的。在探头上端与钢制绞绳连接处安置测压元件，那便能够获得土体的荷载-贯入深度曲线，并从中得到土的强度性质。测压元件需要安置在探头尖端正上方的线缆中。需要根据两侧的支撑圆环是否产生作用，来对测压元件收集的压力数据进行相应的调整。

Claims (6)

1.一种可停靠式球柱形孔压探头，其特征在于：球柱形探头(1)下端设置有三个孔隙水压力传感器(7)和孔压过滤环(4)；上部与钢制绞绳(5)连接处设置有测压元件(3)，信号经由同轴信号传输电缆(8)进行传输；同时探头(1)左右两侧分别配置有支撑圆环(2)，支撑圆环(2)通过三根钢支架(10)和螺纹连接法兰(9)与从球柱形探头(1)顶部衍生出的悬臂梁(6)进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种可停靠式球柱形孔压探头，其特征在于所述的球柱形探头(1)，中间的圆柱形为探头的重力加成部分，两端为直径250mm的半球形，球柱形探头(1)总高度为375mm，整个球柱形探头(1)由金属铁制成，表面喷涂一层防锈漆。
3.根据权利要求1所述的一种可停靠式球柱形孔压探头，其特征在于球柱形探头(1)两侧的支撑圆环(2)分别位于其左右两侧，通过悬臂梁(6)进行连接，支撑圆环(2)中心与球柱形探头(1)轴心线的距离为500mm，支撑圆环(2)的直径在200mm以内。
4.根据权利要求1所述的一种可停靠式球柱形孔压探头，其特征在于球柱形探头(1)下端半球中，与探头轴线中心成45°角的圆周面上设置3个孔隙水压力传感器(7)，与之相连的孔压过滤环(4)的直径为178mm。
5.根据权利要求1所述的一种可停靠式球柱形孔压探头，其特征在于设置于探头上部的测压元件(3)与钢制绞绳(5)相连接，及时有效将有压力产生的电压变化值经同轴信号传输电缆(8)进行传送。
6.根据权利要求1所述的一种可停靠式球柱形孔压探头，其特征在于该孔压探头的最佳测试深度为海床地表下0.5-1倍探头直径，即海床下125mm-250mm深度之内，适用于强度变化梯度在0-25kPa/m的浅层土体。
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