CN108152170B - 带有推进器的自由落体式球形贯入仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程技术领域，一种带有推进器的自由落体式球形贯入仪，为自由落体式动力贯入仪，其测量过程不需借助其他的加载装置，依靠贯入仪自身的动能和重力势能贯入海床土中进行测量，操作过程简单；主要的测量仪器为前端的球形贯入仪，在动力贯入过程中主要受到土的端承阻力以及拖曳阻力、上覆土压力的作用，利用加速度传感器和力传感器所采集的数据可以反演土体的相关参数，如土体强度以及率效应参数等。通过附加推进器能够有效的提高贯入仪的贯入深度，增加测量仪可测量的深度范围，而且推进器能够提高贯入仪下落过程中的方向稳定性，避免球形贯入仪发生旋转。该测量仪增加了力传感器，结合加速度传感器的测量值，可进一步提高测量精度。

Description

带有推进器的自由落体式球形贯入仪

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种带有推进器的自由落体式球形贯入仪，利用附加有推进器的球形贯入仪通过自由落体的方式贯入土中所采集的数据来分析土体的相关参数。

背景技术

海洋空间和资源的开发与利用离不开海上结构物，而任何结构物的长期定位都需要与海床相连来固定，因此需要对海洋的地质条件进行详尽的勘测，以确定海洋土的相关参数，为项目设计提供依据。目前用于确定海洋黏土土体强度以及其他参数的方法包括：CPT(锥形贯入仪)，十字板剪切实验，T-bar(T形贯入仪)，Ball-bar(球形贯入仪)以及FFP(自由落体式贯入仪)。

CPT是将锥形贯入仪以恒定的速度匀速压入海床土体中，通过测得的尖端和侧壁的阻力以及孔压数据来分析土体的相关性质，其测量结果通常需要经过以下几步的校准：

(1)对孔隙水压力进行校准；

(2)对上覆土压力进行校准；

(3)选取适当的端部承载能力系数，N_kt。

而在深海勘测中，上覆土压力通常比较大，会影响校准后的阻力值；而且 Ma等人用LDFE(大变形有限元)方法计算的结果表明CPT的端部承载能力系数会随着土体刚度系数的增大而增大，给CPT数据的分析带来不便。

T-bar和Ball-bar为全流式贯入仪，与CPT相比，其测量结果不需要对上覆土压力进行校准。Ball-bar为球形测量仪，而T-bar为圆柱形测量仪，因此在土质不均匀的情况下，T-bar容易产生较大的弯矩而影响测量的精度。T-bar和Ball-bar在贯入过程中，周围土体会形成局部完全回流的流动形式，因此可以得到其承载能力系数(N_b)的理论解答。Randolph等用极限分析方法，给出了球形贯入仪在土中贯入过程N_b的上下限解答，对于完全光滑(球体与土之间的摩擦系数α＝0)的情况，N_b的上下限解分别为11.80和10.98；而对于完全粗糙(α＝1)的情况下，N_b的上下限解分别为15.54和15.10。Zhou等人用大变形有限元方法(LDFE) 计算了Ball-bar贯入时的承载能力系数，α＝0和1时，N_b的计算值分别为10.97 和15.19。

Ball-bar在使用过程中需要通过连接杆与加载装置连接，而Randolph的理论分析结果没有考虑连接杆的影响。Chung等人通过现场实验的方法，研究了不同杆-球面积比A_r(A_r＝A_shaft/A_ball，A_shaft为连接杆的横截面积，A_ball为球的投影面积) 对测量结果的影响，得出A_r≤0.15时，连接杆对Ball-bar测量结果的影响可以忽略。Zhou等人用数值模拟的方法，计算分析了不同A_r值情况下Ball-bar的贯入阻力，得出A_r≤0.1时可以忽略连接杆的影响。

上述的测量方法(CPT，T-bar，Ball-bar)均需要借助加载装置来进行测量，且在进行深海现场勘测过程中需要专业的勘探船。而FFP是通过自由落体方式贯入到海床中进行测量的贯入仪，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自由落体式球形贯入仪两种形式。在动力贯入的过程中，都需要考虑拖曳阻力以及土体率效应的影响。Steiner等人通过自由落体式锥形贯入仪的现场实验，对所测区域土强度进行了测量，并与CPT的测量结果进行对比，结果表明在考虑率效应以及拖曳阻力的校准后，自由落体式锥形贯入仪的测量结果能够与CPT的测量结果相吻合。Chow等人通过离心机实验的方法，对自由落体式锥形贯入仪的测量结果进行了分析，所推算出的土体强度与T-bar的测量结果能够很好的吻合，并由测量结果可以反演出土体的率效应参数。但是自由落体式锥形贯入仪的受力比较复杂，其端部和侧壁受土体率效应的影响程度不同，通常侧壁的率效应要高于端部的率效应；而且自由落体式锥形贯入仪的测量结果也需要像CPT一样进行一系列的校准。Morton等人做了自由落体式球形贯入仪的现场试验和离心机实验，通过测量球在贯入土体过程中的加速度变化情况，可以反演出土体的一系列参数(如土体不排水抗剪强度以及率效应参数等)。现场试验中使用的球体直径为D＝0.25m，而离心机模型试验中的球体直径为D＝0.02m，离心机加速度为12.5g。在现场试验和离心机试验中，球的最终贯入深度分别为10D和5.5D。但是自由落体式球形贯入仪的贯入速度比较小， Morton等人的现场实验中，其最终的贯入速度为8m/s；而且球体的质量比较小，导致其最终的贯入深度较浅，所能测量的土体深度有限。另外，自由落体的球体在贯入土中的过程中会产生旋转，对测量结果造成一定的影响。在现场实验以及离心机试验中，自由落体式球形贯入仪都是采用加速度传感器所采集的下落以及贯入过程中的加速度值来反演相关参数的，而Chow在FFP的研究中指出：仅仅依靠加速度传感器的测量结果来反演土性参数是不太可靠的。

综上所述，静力压入式贯入仪(CPT，T-bar，Ball-bar)需要借助外部加载装置进行测量，在深海勘测中的应用受到一定的限制；相比之下FFP的测量过程比较简单，但是自由落体式锥形贯入仪的受力比较复杂，而自由落体式球形贯入仪由于其贯入速度偏小，且自身重量较轻，使得其贯入深度比较浅，测量范围有限而且测量结果不准确。

发明内容

为克服现有技术存在的问题，本发明提出一种带有推进器的球形贯入仪，如图1所示。该贯入仪为自由落体式动力贯入仪，通过附加推进器(如图2)的方式来控制贯入仪的贯入深度，进而提高测量深度，并且通过附加推进器能够防止球体在下落过程以及贯入海洋土过程中发生旋转，提高测量精度。由于增加了测力传感器，联合加速度传感器可以进一步提高测量精度。

本发明的技术方案：

一种带有推进器的自由落体式球形贯入仪，包括两部分：

第一部分包括球形贯入仪1和用来连接球形贯入仪1与推进器3的连接杆2 (如图3所示)；球形贯入仪1的中间部位设置孔压传感器1a，用来测量球形贯入仪1贯入海洋土后周围土体的孔压变化情况；球形贯入仪1与连接杆2的一端通过力传感器2b连接，力传感器2b用来测量球形贯入仪1在贯入海洋土过程中受到的阻力，所采集的数据用于后期土体参数的分析；连接杆2的另一端通过螺纹2a与推进器3连接；连接杆2使球形贯入仪1与推进器3之间保持一定的距离，以防止推进器3影响球形贯入仪1周围土体的流动形式；连接杆2 面积的确定以避免对球形贯入仪1的测量值产生影响为原则；

第二部分为用于提高贯入仪沉贯深度的推进器3(如图2所示)，所述的推进器3包括一个圆柱体中轴3b，其前端为椭球形，尾部为流线型，以减小其在水中自由下落以及贯入海洋土过程中的阻力；该圆柱体中轴3b的长度可根据实际测量需求进行调整，如果测量深度较深，可增加圆柱形中轴的长度；所述的圆柱体的尾部设置有四片尾翼，用于提高推进器3在下落过程中的方向稳定性，该尾翼的具体尺寸可根据实际需求来进行调整；所述的推进器3的前端设有内螺纹3a，与连接杆2的外螺纹2a配合连接；推进器3顶部留有用来放置加速度传感器3c、数据采集仪3f、电源3e以及相关的控制设备的空间，推进器3顶部装有加速度传感器3c，数据导线从推进器3顶部出来连接到采集仪4；所述的推进器的尾部设置有安装绳3h和回收绳3g，完成测量后，通过拉紧回收绳3g 回收推进器3以及贯入仪，并导出所采集的数据。

所述的连接杆2包括单连接杆(如图3(a)所示)和三根连接杆(如图3(b)所示)，三根连接杆可以提高抗弯能力以及抗干扰能力。

所述的球形贯入仪1与推进器3之间距离为球形贯入仪1直径的4倍。

所述的连接杆2的总的横截面积(A_shaft)与球形贯入仪1的投影面积(A_t)的比值小于0.1。

相关的控制设备的空间，采集和存储内置的方式为无线方式；如果采集和存储外置，则如图4(a)、图4(b)、图5(a)和图5(b)所示。

一种带有推进器的自由落体式球形贯入仪的操作方法，步骤如下：

步骤1、安装推进器3与球形贯入仪1，通过螺纹连接两部分，并确保球形贯入仪1的重心与推进器3的轴线重合，以提高球形贯入仪1在自由落体以及贯入海洋土过程中的方向稳定性，避免出现较大的偏角，从而提高球形贯入仪1 的贯入速度以及贯入深度；连接传感器与数据采集仪3f或外接式采集仪4；

步骤2、通过安装绳3h将组装好的球形贯入仪1悬挂在海床表面以上预定高度位置，释放回收绳3g，静置一段时间待其稳定后，开启测量以及采集装置，准备开始数据采集；

步骤3、释放安装绳3h，让球形贯入仪1开始自由落体，直至其贯入海洋土中，达到静置状态；贯入完成后，让球形贯入仪1在海洋土中停留一段时间，以采集球形贯入仪1周边土体中孔压的变化情况；

步骤4、数据采集完毕后，通过回收绳3g回收贯入仪，并导出数据采集仪 3f或4所采集记录的数据，进行数据分析。

首先，通过加速度传感器3c记录数据分析球形贯入仪1的贯入速度以及沉贯深度，球形贯入仪1的速度可以由公式(1)计算得到，其沉贯深度可以有公式(2)计算得到，

式中，a为加速度传感器3c测量到的贯入仪竖向加速度，v为贯入仪竖向速度， s_t为贯入仪的竖向位移。

土体强度可以通过力传感器2b以及加速度传感器3c的测量结果进行反演，具体过程如下：

对球形贯入仪1在贯入海洋土过程中的受力分析如图6所示，其受力可以用式(3)表示：

(m+m′)a＝W_b+F_m-F_N-F_D-F_b (3)

式中，m为球形贯入仪1的质量；a为加速度传感器3c测量值；W_b为球形贯入仪1在水中的浮重量；F_m为力传感器2b测量值；F_N为球形贯入仪1受到海洋土的端承阻力；F_D为球形贯入仪1贯入海洋土体过程中受到的拖曳阻力；F_b为球形贯入仪1受到的海洋土体上覆压力，为球形贯入仪1没入土中的体积与土体浮重度(γ')的乘积；Morton等人指出由于球形贯入仪1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，其可以按照式(4)进行计算，

m′＝C_mm_soil (4)

式中，C_m为附加质量系数，通常取为C_m＝0.5；m_soil为球形贯入仪1排开土体的质量，按照式(5)进行计算，

m_soil＝V_ballρ_soil (5)

式中，V_ball为球形贯入仪1排开土体的体积，ρ_soil为土体的密度。

在考虑球形贯入仪1动力贯入过程中土体率效应的情况下，式(3)中的端承阻力F_N可以用式(6)表示，

F_N＝R_fN_cs_uA_t (6)

式中，N_c为球形贯入仪1的承载能力系数；s_u为所测土体在参考应变率下的不排水抗剪强度；A_t为球形贯入仪1的投影面积；R_f为土体的率效应系数，可以用式(7)的指数型率效应公式表达，

式中，

为土体的切应变率，可以用球形贯入仪1的速度v与直径D的比值来表达；

为参考切应变率；β为率效应系数，其取值范围为0.034～0.14。

Liu等人通过数值模拟的方法计算研究了自由落体式锥形贯入仪的率效应特性，结果表明R_f与贯入速度v、率效应参数β、非牛顿流体雷诺数R_en以及摩擦系数α相关，并由数值模拟计算结果拟合出R_f与这些参数之间的关系。因此， R_f可以用式(8)表示：

R_f＝f₁(v,β,α,R_en) (8)

上式中非牛顿流体雷诺数R_en如式(9)所示：

因此，率效应系数R_f可以表达为：

R_f＝f₁(v,β,α,ρ_soil,s_u) (10)

球形贯入仪1的端部承载能力系数N_c是与摩擦系数α相关的，如式(11) 所示：

N_c＝f₂(α)＝A₁+A₂α+A₃α² (11)

式中A₁～A₃为待定系数，可以通过数值模拟的方法进行确定，如Liu等人通过数值模拟的方法得出自由落体式锥形贯入仪的端部承载能力系数与摩擦系数之间的关系。

式(3)中F_D为在海洋土中贯入过程中的拖曳阻力，可以用式(12)计算，

式中，C_D为拖曳阻力系数。Liu等人通过数值模拟的方法得出自由落体式锥形贯入仪的拖曳阻力系数与摩擦系数α以及非牛顿流体雷诺数R_en相关，并由数值模拟的计算结果可以得出C_D与α以及R_en之间相关系数的值。因此球形贯入仪的拖曳阻力系数可以用式(13)表达：

C_D＝f₃(α,R_en)＝f₃(α,ρ_soil,v,s_u) (13)

综合式(3)～(13)可得，通过测得的加速度a和阻力F_m计算土体强度的表达式如式(14)所示，

上式中f₁、f₂以及f₃中的相关系数可以通过Liu[11]等人的数值模拟方法来确定。式(14)W_b、F_b可以在测量过程中计算得到，F_m、a分别为力传感器和加速度传感器的测量值，v可以由加速度传感器测量值通过积分得到，而β、α以及s_u为待测量的参数，可以根据测量数值利用最小二乘法进行反演。

通常海洋土的不排水抗剪强度会随着深度线性增加，因此s_u可以表示为：

s_u＝s_u0+kz (15)

式中，s_u0为土表面的不排水抗剪强度，z为距离海洋土表面的距离，k为强度梯度。结合式(14)和式(15)，可以利用贯入仪所采集的在贯入海洋土过程中的加速度数据以及力传感器数据，反演出土体强度参数s_u0、k以及率效应参数β、摩擦系数α。

如图7、图8分别为贯入仪贯入土体过程中的加速度以及速度示意图，在进行反演的时候，取不同贯入深度位置处的加速度值(a₁，a₂，......，a_n)以及对应的速度(v₁，v₂，......，v_n)及其他对应的物理量，利用式(14)所示的关系，进行最小二乘法的反演，即可得出土体强度参数s_u0、k以及率效应参数β、摩擦系数α。

本发明的有益效果：本发明设计了一种带有推进器的球形贯入仪，属于自由落体式动力贯入仪，其测量过程不需要借助其他的加载装置，依靠贯入仪自身的动能和重力势能贯入海床土中进行测量，操作过程简单；主要的测量仪器为前端的球形贯入仪，在动力贯入过程中主要受到土的端承阻力以及拖曳阻力、上覆土压力的作用，利用加速度传感器和力传感器所采集的数据可以反演土体的相关参数，如土体强度以及率效应参数等。通过附加推进器能够有效的提高贯入仪的贯入深度，增加测量仪可测量的深度范围，而且推进器能够提高贯入仪下落过程中的方向稳定性，避免球形贯入仪发生旋转。该测量仪增加了力传感器，结合加速度传感器的测量值，可以进一步提高测量精度。

附图说明

图1(a)是无线采集形式下方案一(单连接杆)推进器和球形贯入仪的连接示意图。

图1(b)是无线采集形式下方案二(三根连接杆)推进器和球形贯入仪的连接示意图。

图2(a)是无线采集形式下方案一推进器示意图。

图2(b)是无线采集形式下方案一圆柱体中轴及四片尾翼示意图。

图2(c)是无线采集形式下方案二推进器示意图。

图3(a)是方案一球形贯入仪以及连接杆示意图。

图3(b)是方案二球形贯入仪以及连接杆示意图。

图3(c)是方案二连接杆的截面示意图。

图4(a)是外接采集仪形式下方案一推进器和球形贯入仪的连接示意图。

图4(b)是外接采集仪形式下方案二推进器和球形贯入仪的连接示意图。

图5(a)是外接采集仪形式下方案一推进器示意图。

图5(b)是外接采集仪形式下方案一推进器示意图。

图6是球形贯入仪受力分析图。

图7是贯入仪贯入土体过程中加速度示意图。

图8是贯入仪贯入土体过程中速度示意图。

图中：1球形贯入仪；1a孔压传感器；2连接杆；2a外螺纹；2b力传感器；3 推进器；3a内螺纹；3b圆柱体中轴；3c加速度传感器；3e内置电源；3f内置数据采集仪；3d尾翼；3h安装绳；3g回收绳；4外接式采集仪。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

步骤1、安装推进器3与球形贯入仪1，通过螺纹连接两部分，并确保球形贯入仪1的重心与推进器3的轴线重合，以提高球形贯入仪1在自由落体以及贯入海洋土过程中的方向稳定性，避免出现较大的偏角，从而提高球形贯入仪1 的贯入速度以及贯入深度；连接传感器与数据采集仪3f或外接式采集仪4；

步骤2、通过安装绳3h将组装好的贯入仪悬挂在海床表面以上预定高度位置，释放回收绳3g，静置一段时间待其稳定后，开启测量以及采集装置，准备开始数据采集；

步骤3、释放安装绳3h，让球形贯入仪1开始自由落体，直至其贯入海洋土中，达到静置状态；贯入完成后，让球形贯入仪1在海洋土中停留一段时间，以采集球形贯入仪1周边土体中孔压的变化情况；

步骤4、数据采集完毕后，通过回收绳3g回收球形贯入仪1，并导出数据采集仪3f或4所采集记录的数据，进行数据分析。

首先，通过加速度传感器3c记录数据分析球形贯入仪1的贯入速度以及沉贯深度，球形贯入仪1的速度可以由公式(1)计算得到，其沉贯深度可以有公式(2)计算得到，

式中，a为加速度传感器3c测量到的贯入仪竖向加速度，v为贯入仪竖向速度， s_t为贯入仪的竖向位移。

土体强度可以通过力传感器2b以及加速度传感器3c的测量结果进行反演，具体过程如下：

对球形贯入仪1在贯入海洋土过程中的受力分析如图6所示，其受力可以用式(3)表示：

(m+m′)a＝W_b+F_m-F_N-F_D-F_b (3)

式中，m为球形贯入仪1的质量；a为加速度传感器3c测量值；W_b为球形贯入仪1在水中的浮重量；F_m为力传感器2b测量值；F_N为球形贯入仪1受到海洋土的端承阻力；F_D为球形贯入仪1贯入海洋土体过程中受到的拖曳阻力；F_b为球形贯入仪1受到的海洋土体上覆压力，为球形贯入仪1没入土中的体积与土体浮重度(γ')的乘积；Morton等人指出由于球形贯入仪加速(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，其可以按照式(4)进行计算，

m′＝C_mm_soil (4)

式中，C_m为附加质量系数，通常取为C_m＝0.5；m_soil为球形贯入仪1排开土体的质量，按照式(5)进行计算，

m_soil＝V_ballρ_soil (5)

式中，V_ball为球形贯入仪1排开土体的体积，ρ_soil为土体的密度。

在考虑球形贯入仪1动力贯入过程中土体率效应的情况下，式(3)中的端承阻力F_N可以用式(6)表示，

F_N＝R_fN_cs_uA_t (6)

式中，N_c为球形贯入仪1的承载能力系数；s_u为所测土体在参考应变率下的不排水抗剪强度；A_t为球形贯入仪1的投影面积；R_f为土体的率效应系数，可以用式(7)的指数型率效应公式表达，

式中，

为土体的切应变率，可以用球形贯入仪1的速度v与直径D的比值来表达；

为参考切应变率；β为率效应系数，其取值范围为0.034～0.14。

Liu等人通过数值模拟的方法计算研究了自由落体式锥形贯入仪的率效应特性，结果表明R_f与贯入速度v、率效应参数β、非牛顿流体雷诺数R_en以及摩擦系数α相关，并由数值模拟计算结果拟合出R_f与这些参数之间的关系。因此， R_f可以用式(8)表示：

R_f＝f₁(v,β,α,R_en) (8)

上式中非牛顿流体雷诺数R_en如式(9)所示：

因此，率效应系数R_f可以表达为：

R_f＝f₁(v,β,α,ρ_soil,s_u) (10)

球形贯入仪1的端部承载能力系数N_c是与摩擦系数α相关的，如式(11) 所示：

N_c＝f₂(α)＝A₁+A₂α+A₃α² (11)

式中A₁～A₃为待定系数，可以通过数值模拟的方法进行确定，如Liu等人通过数值模拟的方法得出自由落体式锥形贯入仪的端部承载能力系数与摩擦系数之间的关系。

式(3)中F_D为在海洋土中贯入过程中的拖曳阻力，可以用式(12)计算，

式中，C_D为拖曳阻力系数。Liu等人通过数值模拟的方法得出自由落体式锥形贯入仪的拖曳阻力系数与摩擦系数α以及非牛顿流体雷诺数R_en相关，并由数值模拟的计算结果可以得出C_D与α以及R_en之间相关系数的值。因此球形贯入仪的拖曳阻力系数可以用式(13)表达：

C_D＝f₃(α,R_en)＝f₃(α,ρ_soil,v,s_u) (13)

综合式(3)～(13)可得，通过测得的加速度a和阻力F_m计算土体强度的表达式如式(14)所示，

上式中f₁、f₂以及f₃中的相关系数可以通过Liu等人的数值模拟方法来确定。式(14)W_b、F_b可以在测量过程中计算得到，F_m、a分别为力传感器和加速度传感器的测量值，v可以由加速度传感器测量值通过积分得到，而β、α以及s_u为待测量的参数，可以根据测量数值利用最小二乘法进行反演。

通常海洋土的不排水抗剪强度会随着深度线性增加，因此s_u可以表示为：

s_u＝s_u0+kz (15)

式中，s_u0为土表面的不排水抗剪强度，z为距离海洋土表面的距离，k为强度梯度。结合式(14)和式(15)，可以利用球形贯入仪1所采集的在贯入海洋土过程中的加速度数据以及力传感器数据，反演出土体强度参数s_u0、k以及率效应参数β、摩擦系数α。

如图7、图8分别为贯入仪贯入土体过程中的加速度以及速度示意图，在进行反演的时候，取不同贯入深度位置处的加速度值(a₁，a₂，......，a_n)以及对应的速度(v₁，v₂，......，v_n)及其他对应的物理量，利用式(14)所示的关系，进行最小二乘法的反演，即可得出土体强度参数s_u0、k以及率效应参数β、摩擦系数α。

如图1(a)、图1(b)、图2(a)、图2(b)、图2(c)、图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，带有推进器的球形贯入仪主要由球形贯入仪1和推进器3组成，并通过连接杆2相连。推进器主要由圆柱中轴3b构成，该圆柱中轴设计为流线型，前端设计为椭球形，尾部逐渐收缩，以减小下落过程的阻力；推进器尾部设置有尾翼3d以提高下落过程中的方向稳定性，减小下落过程中的偏移，尾翼3d通过卡槽与推进器3相连；推进器3的前端设置有连接槽3a，内部为螺纹结构，用来与连接杆2上的螺纹2a连接；采用无线采集方案情况下，推进器3的内部需设置加速度传感器3c、电源3e、采集装置3f等，用来采集下落过程中的相关数据；采集装置3f用来采集记录力传感器、加速度传感器以及孔压传感器所采集的物理量，需与电源3e连接。如果采用外接式采集仪，则需要将力传感器、加速度传感器和孔压传感器的导线外接到外部的采集仪4进行数据的采集记录。推进器3的长度可以根据测量的需求来确定，如果所要测量的深度较深，可以使用长度较长、质量较大的推进器；如果推进器下落高度比较大，为了提高稳定性，可以加大尾翼3d的尺寸；如果推进器下落高度比较小，为了减小推进器在水中和土中下落时的阻力，可以减小尾翼3d的尺寸。连接杆2一端与球形贯入仪1固定连接，另一端设置有螺纹连接杆2a，用来与推进器进行连接。连接过程需保证推进器3的轴线、连接杆2的轴线以及球形贯入仪1的中心重合，以增加整体稳定性，避免在下落过程中产生较大的偏角。连接杆2与球形贯入仪1通过力传感器2b相连，力传感器2b用来测量球形贯入仪1在贯入过程中的阻力。球形贯入仪1的中间部位设置有孔压传感器1a，用来采集周边土体的孔隙水压力。测量完毕后，需要通过设置在推进器3尾部的回收绳3g将整套测量仪回收。

Claims (5)

1.一种带有推进器的自由落体式球形贯入仪的操作方法，其特征在于，所述的带有推进器的自由落体式球形贯入仪包括两部分：

第一部分包括球形贯入仪(1)和用来连接球形贯入仪(1)与推进器(3)的连接杆(2)；球形贯入仪(1)的中间部位设置孔压传感器(1a)，用来测量球形贯入仪(1)贯入海洋土后周围土体的孔压变化情况；球形贯入仪(1)与连接杆(2)的一端通过力传感器(2b)连接，力传感器(2b)用来测量球形贯入仪(1)在贯入海洋土过程中受到的阻力；连接杆(2)的另一端通过外螺纹(2a)与推进器(3)连接；连接杆(2)使球形贯入仪(1)与推进器(3)之间保持一定的距离，以防止推进器(3)影响球形贯入仪(1)周边土体的流动形式；连接杆(2)面积的确定以避免对球形贯入仪(1)的测量值产生影响为原则；

第二部分为用于提高贯入仪沉贯深度的推进器(3)，所述的推进器(3)包括一个圆柱体中轴(3b)，其前端为椭球形，尾部为流线型，以减小其在水中自由下落以及贯入海洋土过程中的阻力；该圆柱体中轴(3b)的长度根据实际测量需求调整，圆柱形中轴的长度；所述的圆柱体的尾部设置有四片尾翼，用于提高推进器(3)下落过程中的方向稳定性，该尾翼尺寸根据实际需求调整；所述的推进器(3)的前端设有内螺纹(3a)，与连接杆(2)的外螺纹(2a)配合连接；推进器(3)顶部留有用来放置加速度传感器(3c)、数据采集仪(3f)、电源(3e)以及相关的控制设备的空间，推进器(3)顶部装有加速度传感器(3c)，数据导线从推进器(3)顶部出来连接到采集仪(4)；所述的推进器的尾部设置有安装绳(3h)和回收绳(3g)，完成测量后，通过拉紧回收绳(3g)回收推进器(3)以及贯入仪，并导出所采集的数据；

所述操作方法的步骤如下：

步骤1、安装推进器(3)与球形贯入仪(1)，通过螺纹连接两部分，并确保球形贯入仪(1)的重心与推进器(3)的轴线重合，以提高球形贯入仪(1)在自由落体以及贯入海洋土过程中的方向稳定性，避免出现大的偏角，从而提高球形贯入仪(1)的贯入速度以及贯入深度；连接传感器与数据采集仪(3f)或采集仪(4)；

步骤2、通过安装绳(3h)将组装好的球形贯入仪(1)悬挂在海床表面以上预定高度位置，释放回收绳(3g)，静置待球形贯入仪(1)稳定，开启测量以及采集装置，准备开始数据采集；

步骤3、释放安装绳(3h)，让球形贯入仪(1)开始自由落体，直至其贯入海洋土中，达到静置状态；贯入完成后，让球形贯入仪(1)在海洋土中停留一段时间，以采集球形贯入仪(1)周边土体中孔压的变化情况；

步骤4、数据采集完毕后，通过回收绳(3g)回收球形贯入仪(1)，并导出数据采集仪(3f)或采集仪(4)所采集记录的数据，进行数据分析；

首先，通过加速度传感器(3c)记录数据分析球形贯入仪(1)的贯入速度以及沉贯深度，球形贯入仪(1)的速度由公式(1)计算得到，其沉贯深度由公式(2)计算得到，

式中，a为加速度传感器(3c)测量到的贯入仪竖向加速度，v为贯入仪竖向速度，s_t为贯入仪的竖向位移；

土体强度通过力传感器(2b)以及加速度传感器(3c)的测量结果进行反演，具体过程如下：

对球形贯入仪(1)在贯入海洋土过程中的受力用式(3)表示：

(m+m′)a＝W_b+F_m-F_N-F_D-F_b (3)

式中，m为球形贯入仪(1)的质量；a为加速度传感器(3c)测量值；W_b为球形贯入仪(1)在水中的浮重量；F_m为力传感器(2b)测量值；F_N为球形贯入仪(1)受到海洋土的端承阻力；F_D为球形贯入仪(1)贯入海洋土体过程中受到的拖曳阻力；F_b为球形贯入仪(1)受到的海洋土体上覆压力，为球形贯入仪(1)没入土中的体积与土体浮重度γ'的乘积；需要考虑附加质量m'的作用，其按照式(4)进行计算，

m′＝C_mm_soil (4)

式中，C_m为附加质量系数，取为C_m＝0.5；m_soil为球形贯入仪(1)排开土体的质量，按照式(5)进行计算，

m_soil＝V_ballρ_soil (5)

式中，V_ball为球形贯入仪(1)排开土体的体积，ρ_soil为土体的密度；

在考虑球形贯入仪(1)动力贯入过程中土体率效应的情况下，式(3)中的端承阻力F_N用式(6)表示，

F_N＝R_fN_cs_uA_t (6)

式中，N_c为球形贯入仪(1)的端部承载能力系数，与摩擦系数α有关；s_u为所测土体在参考应变率下的不排水抗剪强度；A_t为球形贯入仪(1)的投影面积；R_f为土体的率效应系数，用式(7)的指数型率效应公式表达，

式中，

为土体的切应变率，用球形贯入仪(1)的速度v与直径D的比值来表达；

为参考切应变率；β为率效应参数，其取值为0.034～0.14；

R_f用式(8)表示：

R_f＝f₁(v,β,α,R_en) (8)

上式中非牛顿流体雷诺数R_en如式(9)所示：

因此，率效应系数R_f表达为：

R_f＝f₁(v,β,α,ρ_soil,s_u) (10)

球形贯入仪(1)的端部承载能力系数N_c是与摩擦系数α相关的，如式(11)所示：

N_c＝f₂(α)＝A₁+A₂α+A₃α² (11)

式中A₁～A₃为待定系数，通过数值模拟的方法进行确定；

式(3)中F_D为在海洋土中贯入过程中的拖曳阻力，用式(12)计算，

式中，C_D为拖曳阻力系数；

球形贯入仪(1)的拖曳阻力系数用式(13)表达：

C_D＝f₃(α,R_en)＝f₃(α,ρ_soil,v,s_u) (13)

综合式(3)～(13)得，通过测得的加速度a和阻力F_m计算土体强度的表达式如式(14)所示，

上式中f₁、f₂以及f₃中的相关系数通过数值模拟方法来确定；式(14)W_b、F_b在测量过程中计算得到，F_m、a分别为力传感器和加速度传感器的测量值，v由加速度传感器测量值通过积分得到，而β、α以及s_u为待测量的参数，根据测量数值利用最小二乘法进行反演；

通常海洋土的不排水抗剪强度会随着深度线性增加，因此s_u表示为：

s_u＝s_u0+kz (15)

式中，s_u0为土表面的不排水抗剪强度，z为距离海洋土表面的距离，k为强度梯度；结合式(14)和式(15)，利用球形贯入仪(1)所采集的在贯入海洋土过程中的加速度数据以及力传感器数据，反演出土体强度参数s_u0、k以及率效应参数β、摩擦系数α。

2.根据权利要求1所述的带有推进器的自由落体式球形贯入仪的操作方法，其特征在于，所述的连接杆(2)包括单连接杆和三根连接杆，三根连接杆用于提高抗弯能力以及抗干扰能力。

3.根据权利要求1或2所述的带有推进器的自由落体式球形贯入仪的操作方法，其特征在于，所述的球形贯入仪(1)与推进器(3)之间距离为球形贯入仪(1)直径的4倍。

4.根据权利要求1或2所述的带有推进器的自由落体式球形贯入仪的操作方法，其特征在于，所述的连接杆(2)的总的横截面积A_shaft与球形贯入仪(1)的投影面积A_t的比值小于0.1。

5.根据权利要求3所述的带有推进器的自由落体式球形贯入仪的操作方法，其特征在于，所述的连接杆(2)的总的横截面积A_shaft与球形贯入仪(1)的投影面积A_t的比值小于0.1。

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