CN109252505A - 一种可用于深海中的孔压静力触探探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于深海中的孔压静力触探探头，包括锥头和孔隙水压力检测装置，探头内设有水压腔，锥头上设置有透水孔，孔隙水压力检测装置将水压腔分隔为前水压腔和后水压腔，前水压腔通过一第一透水通道与透水孔连通，后水压腔通过一第二透水通道与外部连通，孔隙水压力检测装置包括包括第一膜片、第二膜片、差压测量元件和绝压测量元件。本发明的孔压静力触探探头通过采用差压传感器和绝压传感器相辅相成，即差压测量元件量程小但分辨率高，用来测量孔隙水压力与静水压力的差值，提高了测量的精度问题。绝压测量元件量程大但是分辨率小，用来测量海水中静水压力，方便实现原位校准，同时兼顾了测量量程和测量精度的要求。
Description
技术领域
本发明属于深水土体原位测试领域，具体为一种高围压环境下孔压静力触探设备。
背景技术
孔隙水压力静力触探是二十世纪七十年代末八十年代初在国际上兴起的一种新型原位测试技术。它将测量孔隙水压力的元件与标准静力触探探头结合，使之在量测锥尖阻力，侧壁摩擦力的同时，量测出贯入过程中产生的土的超孔隙水压力。孔压静力触探可用于划分土层，判定土层类别，查明软硬夹层及土层在水平和垂直方向的均匀性，评价地基土的工程特性。
目前大部分深水原位孔压设备需面临以下潜在的问题：分辨率与量程的矛盾(即量程大则分辨率低，而分辨率高则量程小，无法兼顾)、精度较低、不能原位校准等。具体如附图2所示，u为海床中深度h处孔压传感器测量压力值，包含了深海静孔压uh和超孔压△u。海洋岩土工程，尤其是深海岩土工程，由于水深大，静孔压uh极大，这会导致普通传感器若要满足量程需求，分辨率精度就无法保证。并且在测量锥尖阻力和侧壁摩擦力时，如果设计不当，这两种力会发生相互影响，导致测量的不准确。
以上问题均会影响测量数据的准确性。因此提出更加稳定高精度的深水孔压原位观测技术方案，对提高我国海洋技术具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种大量程、高精度并能实现原位校准的孔压静力触探探头，从而解决上述问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种可用于深海中的孔压静力触探探头，包括锥头和孔隙水压力检测装置，所述探头内设有水压腔，位于所述探头一端的所述锥头上设置有透水孔，所述第一膜片和第二膜片之间形成一密封腔室，所述密封腔室将所述水压腔分隔为前水压腔和后水压腔，所述前水压腔通过一第一透水通道与所述透水孔连通，所述后水压腔通过一第二透水通道连通至探头另一端的外部，所述孔隙水压力检测装置包括第一膜片、第二膜片、差压测量元件和绝压测量元件，所述第一膜片靠近前水压腔设置，所述第二膜片靠近后水压腔设置，所述差压测量元件的两端分别与第一膜片和第二膜片连接，所述绝压测量元件与所述第一膜片连接。
进一步的，所述第一透水通道和第二透水通道的输入端均设置有透水滤器。
进一步的，所述第一膜片和第二膜片通过与所述水压腔的腔壁密封粘接形成所述密封腔室。
进一步的，所述第一膜片和第二膜片均为硅膜片。
进一步的，还包括一锥尖阻力检测装置，所述锥尖阻力检测装置包括第一变形柱和锥尖阻力传感器，所述第一变形柱安装在所述锥头上，所述锥尖阻力传感器设置在所述第一变形柱上。
进一步的，还包括一侧壁摩擦力检测装置，所述侧壁摩擦力检测装置包括摩擦筒、第二变形柱和侧壁摩擦传感器，所述第二变形柱套接在所述探头上，所述摩擦筒套接在所述第二变形柱上，所述侧壁摩擦传感器设置在所述第二变形柱上。
进一步的，所述第二变形柱的外壁上设置有第一环形凹槽，所述侧壁摩擦传感器设置在所述第一环形凹槽的底面。
进一步的，所述探头的外壁上设置有一第二环形凹槽，所述第二变形柱套接设置在所述第二环形凹槽内。
进一步的，所述第一变形柱靠近第二变形柱的端部套接有对所述锥尖阻力传感器密封的密封圈组件。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的孔压静力触探探头通过采用差压传感器和绝压传感器相辅相成，即差压测量元件量程小但分辨率高，用来测量孔隙水压力与静水压力的差值，实为超孔隙水压力，提高了测量的精度问题。绝压测量元件量程大但是分辨率小，用来测量海水中静水压力，方便实现原位校准，同时兼顾了测量量程和测量精度的要求。同时，该静力触探探头还可分别测量锥尖阻力和侧壁摩擦力。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例公开的可用于深海中的孔压静力触探探头的结构示意图；
图2是本发明公开的深海孔隙水压组成示意图。
图例说明：
1、锥头；
2、孔隙水压力检测装置；21、透水滤器；22、透水孔；23、第一透水通道；24、第一膜片；25、第二膜片；26、密封腔室；27、差压测量元件；28、绝压测量元件；29、第二透水通道；
3、锥尖阻力检测装置；31、第一变形柱；32、锥尖阻力传感器；
4、侧壁摩擦力检测装置；41、摩擦筒；42、第二变形柱；43、侧壁摩擦传感器；44、第一环形凹槽；
5、密封圈组成；
6、水压腔；61、前水压腔；62、后水压腔；
7、第二环形凹槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明首先公开了一种可用于深海中的孔压静力触探探头，包括锥头1和孔隙水压力检测装置2，探头内设有中空的水压腔6，锥头1设置在探头的头部位置，其上设置有与外部连通的透水孔22，孔隙水压力检测装置2将水压腔6分隔为互不连通的前水压腔61和后水压腔62，前水压腔61通过一第一透水通道23与透水孔22连通，后水压腔62通过一第二透水通道29与外部连通，其中，第二透水通道29的输入口位于探头的尾部，第二透水通道29和第一透水通道23的输入端(第一透水通道23的输入端为透水孔22)均设置有透水滤器21，比如透水石，从而对进入水压腔6的水压过滤，防止杂质进入堵塞探头。孔隙水压力检测装置2包括第一膜片24、第二膜片25、差压测量元件27和绝压测量元件28，第一膜片24和第二膜片25均与水压腔6的腔壁固接形成一密封腔室26(通过硅橡胶防水涂料与水压腔6的腔壁密封粘接)，从而与水压腔6的腔壁形成一个密闭空间，第一膜片24靠近前水压腔61设置，第二膜片25靠近后水压腔62设置，差压测量元件27的两端分别与第一膜片24和第二膜片25贴合连接，绝压测量元件28与第一膜片24贴合连接，通过测量水压作用在第一膜片24和第二膜片25上发生的变形来间接测量第一膜片24和第二膜片25两端的水压力。
工作时，土壤中的孔隙水由第一透水滤器21进入，经由探头头部的透水孔22和第一透水通道23，作用于第一膜片24上。静水压力由探头尾部的第二透水通道29进入，作用于第二膜片25上，在第一膜片24和第二膜片25设置量程小但精度高的差压测量元件27，由于两侧数值很大的静水压力相互抵消，因此时测量静水压力与孔隙水压力的差值，即为超孔隙水压力△u。因为测量值为差压，保证了测量的精度的问题。在第二膜片25处设置有量程大，但是精度低的绝压测量元件28，测量静水压力uh。同时兼顾了大量程和高精确度的问题，还可进行原位校准。
为了测量探头贯入时的阻力，在本实施例中，还包括一锥尖阻力检测装置3，锥尖阻力检测装置3包括第一变形柱31和锥尖阻力传感器32，第一变形柱31安装在锥头1末端的透水孔22处，锥尖阻力传感器32设置在第一变形柱31上，当探头向下贯入时，锥头1的锥尖受到的阻力传递给第一变形柱31，并且通过设置于第一变形柱31上的锥尖阻力传感器32测量该力。其中第一变形柱31不仅可承受来自于锥尖的阻力，还可作为第一透水通道23的支撑，其中，第一变形柱31靠近第二变形柱42的端部套接有密封圈组成5，以对对锥尖阻力传感器32密封。
同时，为了测量测量探头在贯入时的侧壁摩擦力，在本实施例中，还包括一侧壁摩擦力检测装置4，侧壁摩擦力检测装置4包括摩擦筒41、第二变形柱42和侧壁摩擦传感器43，第二变形柱42套接在探头的外侧壁上，摩擦筒41套接在第二变形柱42套上，侧壁摩擦传感器43设置在第二变形柱42上。当探头向下贯入时，摩擦筒41受到侧壁摩擦力，并将其传递到第二变形柱42上，设置于第二变形柱42上的侧壁摩擦传感器43可对该力进行测量。其中，第二变形柱42与第一变形柱31间隔一段距离设置，该种双桥结构，保证了锥尖阻力与侧壁摩擦力的测量互不影响。同时，为了防止第二变形柱42在探头上的轴向偏移，在本实施例中，探头的外壁上设置有一第二环形凹槽7，第二变形柱42嵌套设置在第二环形凹槽7内。同时，为了避免摩擦筒41对侧壁摩擦传感器43的影响，第二变形柱42的外壁上设置有第一环形凹槽44，侧壁摩擦传感器43与第一环形凹槽44的底部贴合设置以检测第二变形柱42的变形量。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可用于深海中的孔压静力触探探头，其特征在于，包括锥头(1)和孔隙水压力检测装置(2)，所述探头内设有水压腔(6)，位于所述探头一端的所述锥头(1)上设置有透水孔(22)，所述第一膜片(24)和第二膜片(25)之间形成一密封腔室(26)，所述密封腔室(26)将所述水压腔(6)分隔为前水压腔(61)和后水压腔(62)，所述前水压腔(61)通过一第一透水通道(23)与所述透水孔(22)连通，所述后水压腔(62)通过一第二透水通道(29)连通至探头另一端的外部，所述孔隙水压力检测装置(2)包括第一膜片(24)、第二膜片(25)、差压测量元件(27)和绝压测量元件(28)，所述第一膜片(24)靠近前水压腔(61)设置，所述第二膜片(25)靠近后水压腔(62)设置，所述差压测量元件(27)的两端分别与第一膜片(24)和第二膜片(25)连接，所述绝压测量元件(28)与所述第一膜片(24)连接。
2.根据权利要求1所述的可用于深海中的孔压静力触探探头，其特征在于，所述第一透水通道(23)和第二透水通道(29)的输入端均设置有透水滤器(21)。
3.根据权利要求1所述的可用于深海中的孔压静力触探探头，其特征在于，所述第一膜片(24)和第二膜片(25)通过与所述水压腔(6)的腔壁密封粘接形成所述密封腔室(26)。
4.根据权利要求1所述的可用于深海中的孔压静力触探探头，其特征在于，所述第一膜片(24)和第二膜片(25)均为硅膜片。
5.根据权利要求1-4任一所述的可用于深海中的孔压静力触探探头，其特征在于，还包括一锥尖阻力检测装置(3)，所述锥尖阻力检测装置(3)包括第一变形柱(31)和锥尖阻力传感器(32)，所述第一变形柱(31)安装在所述锥头(1)上，所述锥尖阻力传感器(32)设置在所述第一变形柱(31)上。
6.根据权利要求5所述的可用于深海中的孔压静力触探探头，其特征在于，还包括一侧壁摩擦力检测装置(4)，所述侧壁摩擦力检测装置(4)包括摩擦筒(41)、第二变形柱(42)和侧壁摩擦传感器(43)，所述第二变形柱(42)套接在所述探头上，所述摩擦筒(41)套接在所述第二变形柱(42)上，所述侧壁摩擦传感器(43)设置在所述第二变形柱(42)上。
7.根据权利要求6所述的可用于深海中的孔压静力触探探头，其特征在于，所述第二变形柱(42)的外壁上设置有第一环形凹槽(44)，所述侧壁摩擦传感器(43)设置在所述第一环形凹槽(44)的底面。
8.根据权利要求6所述的可用于深海中的孔压静力触探探头，其特征在于，所述探头的外壁上设置有一第二环形凹槽(7)，所述第二变形柱(42)套接设置在所述第二环形凹槽(7)内。
9.根据权利要求6所述的可用于深海中的孔压静力触探探头，其特征在于，所述第一变形柱(31)靠近第二变形柱(42)的端部套接有对所述锥尖阻力传感器(32)密封的密封圈组成(5)。
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