CN109991071B - 船基便携式深远海海床土临场强度测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船基便携式深远海海床土临场强度测试装置，属于海洋工程、岩土工程和地质工程领域的一种针对深远海海床土力学性质测试技术及装置的发明成果，由于试验场地位于现场实验或工程船上，并且该技术装置克服了深远海在时空上的阻碍，能够获得具有一定时效性的现场测试结果。本发明将传感器置于探杆顶部，避免传感器因温差或湿差造成的失真；采用伸缩式夹臂固定样品，使得样品在试验过程中不受船体晃动的影响；采用计算机编程实现了一次贯入或循环贯入的自动控制，更加高效和准确；采用优化的数据采集系统，保证了所采集数据的稳定、可靠；采用优化的计算机数据分析软件，保证了数据的完整，实现了数据处理的快捷、精确和高效。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程、岩土工程和地质工程领域的一种针对深远海海床土力学性质测试技术及装置的发明成果，由于试验场地位于现场实验或工程船上，并且该技术装置克服了深远海在时空上的阻碍，能够获得具有一定时效性的现场测试结果，故命名为船基便携式深远海海床土临场强度测试装置。
背景技术
我国既是陆地大国，又是海洋大国，拥有丰富的海洋资源。获取海底沉积物，尤其是深、远海海床土的强度测试研究成果，对于海洋工程结构物设计和稳定性评价等方面具有十分重要的意义。目前，针对深、远海海床土的全流动贯入试验研究不多，有效方式主要是采用全流动贯入仪，根据探头形状的不同，主要分为“T”字型探头和球形探头两种，主要依靠手动或电动装置将带有传感器的探头和探杆以一定的速率和贯入深度，一次或循环贯入到事先采集到的海底海床土样品中，通过数据采集器对过程中探头受到的阻力进行记录，最终分析贯入阻力，不排水抗剪强度，阻力系数和灵敏度等指标。另外，还有对探头形状，尺寸，粗糙度，以及贯入速率，深度，试验条件，样品条件的研究成果。以上的多数试验研究仅建立在室内实验室环境下，仅依靠全流动贯入仪的室内试验，可以探究海底沉积物的性质，但是，样品在采集封装和运回实验室过程中的扰动被忽略，这不可避免的影响了试验结果的准确性。
显然，试验研究需要考虑或避免样品在运输过程中的扰动影响，这样才能获取更接近真实值的结果。因此，本发明是一种船基便携式深远海海床土临场强度测试装置，即本发明仪器可便携式折叠装箱运往实验船。在时间上，在现场取样后可以立即进行测试试验并获得结果，不需要将土样运到陆地或室内试验室进行测试；在空间上，虽然不是在海床原位上进行测试，但在海上工程施工现场海域，在水面船上进行测试，避免土样由于水分流失和温度变化产生的影响，这样测试结果具有较高的时效性(即“临场”)。本发明将试验条件从实验室变为船基，这避免了深远海在时间和空间上的阻碍、以及样品在运输过程中的扰动等问题；另外将传感器和电机控制系统进行了改进，使得试验结果更加接近于真实条件，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的一是要获取样品接近于原位的真实强度指标；二是为避免温度差与湿度差对传感器的影响；三是为了避免试验过程不受船体摇晃的影响；四是实现一次或循环贯入的自动控制；五是增大探测系统的位移空间。采用船基便携式深远海海床土临场强度测试装置，可便携式折叠，携带于现场实验船，实现对采集样品第一时间临场测试目的；将传感器置于探杆顶部，避免传感器因温差或湿差造成的失真；采用伸缩式夹臂固定样品，使得样品在试验过程中不受船体晃动的影响，贯入方向始终与样品横截面垂直；采用计算机编程控制，实现一次或循环贯入的自动控制；另外，便携式加载架可探测深度与探杆长度较之前均有所加大。
本发明的技术方案：
一种船基便携式深远海海床土临场强度测试装置，包括便携式可折叠加载架I、探测系统II，电机控制系统Ⅲ与实时数据采集、分析和处理系统Ⅳ四部分；
所述的便携式可折叠加载架I包括样品平台1、导轨式滑动龙门架2、挡风遮光板3、T形直线模组平台4和伸缩式固定夹臂5；所述的样品平台1为样品测试平台和临时物品放置平台；所述的导轨式滑动龙门架2通过左右两个滑动导轨，实现在样品平台1上前后自由滑动，加载范围扩展至整个样品平台1中部；所述的挡风遮光板3为样品平台1遮挡自然风和自然光，减小外部环境影响；所述的T形直线模组平台4安装于导轨式滑动龙门架2的上表面，用于安装固定不同贯入深度的电机模组，根据样品的长度选择合适的电机模组；所述的伸缩式固定夹臂5固定在导轨式滑动龙门架2侧表面，通过4只伸缩式固定夹臂5固定样品，使得样品在试验过程中不受船体晃动的影响，贯入方向始终与样品横截面垂直，稳定可靠；
所述的探测系统II包括“T”字型探头6、高刚性细杆7、外部探杆8、柱式高精度拉压传感器9和底座10；所述的“T”字型探头6包含各种尺寸和粗糙度，可修正由截面或粗糙度造成的误差；所述的高刚性细杆7是高刚度不挠曲材料，用于连接“T”字型探头6和柱式高精度拉压传感器9，将“T”字型探头6受到的阻力完全的传递给顶部的柱式高精度拉压传感器9；所述的光滑的外部探杆8起到保护内置的高刚性细杆7，并隔绝周围土体，避免侧摩阻力的产生；所述的柱式高精度拉压传感器9分别与高刚性细杆7的端部和底座10相连接，外部用不锈钢材料保护，用于采集“T”字型探头6受到的实时拉压力信号值；所述的底座10用于固定整个探测系统，并与电机控制的直线模组相连接，实现加载贯入与拔出的垂直与稳定；
所述的电机控制系统Ⅲ包括集成化电机直线模组11、控制位移传感器12、控制器13、电机驱动系统14、电机15、电机驱动器16和稳定24V直流电源17；所述的集成化电机直线模组11安装于T形直线模组平台4，并固定探测系统II，实现加载贯入与拔出的垂直与稳定；所述的控制位移传感器12固定在集成化电机直线模组11上，用于控制加载位移的区间，避免外部探杆8的超范围运动，保护探测系统II的安全；所述的控制器13固定在集成化电机直线模组11上，是按照事先确定的顺序改变控制电路中的电阻值来控制电机的启动、调速、制动、反向指令，手动控制或采用计算机编程控制；所述的电机驱动系统14由电机15和电机驱动器16构成，固定在集成化电机直线模组11上部，通过控制脉冲个数来控制角位移量实现定位，同时通过控制脉冲频率控制电机15转动的速度和加速度来实现调速；所述的稳定24V直流电源17固定在集成化电机直线模组11上，实现对整个电机控制系统Ⅲ的供电；
所述的实时数据采集、分析和处理系统Ⅳ包括多通道数据采集器18、信号放大器19和计算机20；所述的多通道数据采集器18实现多个通道的实时数据信号采集，稳定可靠；信号放大器19，将柱式高精度拉压传感器9采集的低信号值放大到可视化的稳定界面，实时监控电压信号的变化，稳定精确；计算机 20实现数据的分析和采集信号的处理，处理并得出试验全过程强度值的精确变化。
本发明的有益效果：本发明的装置适用于临场试验，将实验环境由实验室扩展到实验船，避免了采集到的样品在运回实验室过程中的扰动影响，可以第一时间得出采集样品的强度结果，获取更为精确的接近原位的样品参数指标；改进的数据采集系统可以保证采集数据的稳定性和可靠性；改进的便携式加载架，在实现方便携带的同时，还增大了探测系统贯入与拔出的位移长度；改进的探测系统将传感器置于探杆顶部，避免传感器因温差或湿差造成的失真；改进的伸缩式夹臂装置，使得样品在试验过程中不受船体晃动的影响，贯入方向始终与样品横截面垂直；改进的计算机数据分析软件可以采集、分析和处理数据，实现了全面优化。
附图说明
图1是本发明的便携式可折叠加载架示意图；
图2是本发明的探测系统示意图；
图3是本发明电机控制系统的布置图：
图4是本发明实时数据采集、分析和处理系统的布置图；
图中：1样品平台；2导轨式滑动龙门架；3挡风遮光板；4T形直线模组平台；5伸缩式固定夹臂；6“T”字型探头；7高刚性细杆；8外部探杆；9柱式高精度拉压传感器；10底座；11集成化电机直线模组；12控制位移传感器；13 控制器；14电机驱动系统；15电机；16电机驱动器；17稳定24V直流电源； 18多通道数据采集器；19信号放大器；20计算机。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
首先说明便携式可折叠加载架I的展开和合并方式。
合并方式：便携式可折叠加载架I的导轨式滑动龙门架2由导轨、导轨板和龙门架组合，导轨板底部穿过导轨，实现左右自由滑动，导轨板与龙门架采用旋转轴承连接为一体，龙门架整体可围绕旋转轴承自由旋转，便携式可折叠加载架I合并时，将龙门架旋转至水平，拆除螺栓连接的T形直线模组平台4放在样品平台1，盖上挡风遮光板3，整个加载架呈“矩形”封闭状态，再将其装入定制的太空拉杆箱即可实现便携式的携带与运输，十分方便。
展开方式：首先打开便携式可折叠加载架I的挡风遮光板3，将导轨式滑动龙门架2绕旋转轴承推起至垂直，用4只高强度插销穿过龙门架与导轨板上的插销孔，插销两端用螺栓拧紧，限制住龙门架的自由旋转，使其保持垂直。接着将伸缩式固定夹臂5穿过导轨式滑动龙门架2预留的夹臂孔，两端用螺栓调节固定。最后将T形直线模组平台4用螺栓固定在导轨式滑动龙门架2顶部，折叠架展开完毕。
实施例
第一步，标定全流动贯入探测系统II中的柱式高精度拉压传感器9，将柱式高精度拉压传感器9与多通道数据采集器18和信号放大器19相连，并连接计算机20，采用砝码标定柱式高精度拉压传感器9贯入与拔出过程中拉和压两个方向，分别得出压力、拉力与电压差信号的标定曲线。
第二步，组装强度测试装置。首先，展开便携式可折叠加载架I、将各个部件组装如附图1所示。其次将集成化电机直线模组11垂直安装固定于T形直线模组平台4，将探测系统II的底座10与集成化电机直线模组11进行固定连接，使得外部探杆8穿过导轨式滑动龙门架2的中心洞口，实现垂向的贯入与拔出的。接着将电机15与电机驱动器16相连接，并通过数据线接计算机20，实现编程控制。再接着将控制位移传感器12与集成化电机直线模组11的两端各接一个，保证探测系统II的安全。同时将柱式高精度拉压传感器9与多通道数据采集器18以及信号放大器19相接，并通过数据线接计算机20，实现实时数据采集、分析和处理。最后将控制器13、电机驱动器16、多通道数据采集器18 三者同时与稳定24V直流电源17相接。打开电源，各部件指示灯变绿，说明接线完成。
第三步，测试阶段。将采集到的样品切好，放置在样品平台1，采用伸缩式固定夹臂5将样品固定，使“T”字型探头6垂直于样品表面，投影于样品中心点，接通电源，利用计算机20的可视化窗口，手动或编程自动进行全过程的贯入与拔出试验。试验过程中的数据采集均同步实现，试验结束后，关闭稳定24V 直流电源17。通过计算机20进行数据的分析与处理，可以快速获取贯入与拔出过程的阻力变化、不排水抗剪强度等参数指标。试验全过程效率高，试验结果稳定。
通过本发明，将便携式强度测试装置携带至采样实验船，可以对深远海海床土样品进行临场强度测试，避免了运输过程的扰动，可以获取更接近原位的深远海海床土强度参数，比起室内全流动贯入试验，更为高效，精确，方便，快捷。
Claims (5)
1.一种船基便携式深远海海床土临场强度测试装置，其特征在于，所述的船基便携式深远海海床土临场强度测试装置包括便携式可折叠加载架I、探测系统II，电机控制系统Ⅲ与实时数据采集、分析和处理系统Ⅳ四部分；
所述的便携式可折叠加载架I包括样品平台（1）、导轨式滑动龙门架（2）、挡风遮光板（3）、T形直线模组平台（4）和伸缩式固定夹臂（5）；所述的样品平台（1）为样品测试平台和临时物品放置平台；所述的导轨式滑动龙门架（2）通过左右两个滑动导轨，实现在样品平台（1）上前后自由滑动，加载范围扩展至整个样品平台（1）中部；所述的挡风遮光板（3）为样品平台（1）遮挡自然风和自然光，减小外部环境影响；所述的T形直线模组平台（4）安装于导轨式滑动龙门架（2）的上表面，用于安装固定不同贯入深度的电机模组，根据样品的长度选择电机模组；所述的伸缩式固定夹臂（5）固定在导轨式滑动龙门架（2）侧表面，通过4只伸缩式固定夹臂（5）固定样品，使得样品在试验过程中不受船体晃动的影响，贯入方向始终与样品横截面垂直；
所述的探测系统II包括“T”字型探头（6）、高刚性细杆（7）、外部探杆（8）、柱式高精度拉压传感器（9）和底座（10）；所述的“T”字型探头（6）包含尺寸和粗糙度，可修正由截面或粗糙度造成的误差；所述的高刚性细杆（7）是高刚度不挠曲材料，用于连接“T”字型探头（6）和柱式高精度拉压传感器（9），将“T”字型探头（6）受到的阻力完全的传递给顶部的柱式高精度拉压传感器（9）；所述的光滑的外部探杆（8）起到保护内置的高刚性细杆（7），并隔绝周围土体，避免侧摩阻力的产生；所述的柱式高精度拉压传感器（9）分别与高刚性细杆（7）的端部和底座（10）相连接，外部用不锈钢材料保护，用于采集“T”字型探头（6）受到的实时拉压力信号值；所述的底座（10）用于固定整个探测系统，并与电机控制的直线模组相连接，实现加载贯入与拔出的垂直与稳定；
所述的电机控制系统Ⅲ包括集成化电机直线模组（11）、控制位移传感器（12）、控制器（13）、电机驱动系统（14）、电机（15）、电机驱动器（16）和稳定24V直流电源（17）；所述的集成化电机直线模组（11）安装于T形直线模组平台（4），并固定探测系统II，实现加载贯入与拔出的垂直与稳定；所述的控制位移传感器（12）固定在集成化电机直线模组（11）上，用于控制加载位移的区间，避免外部探杆（8）的超范围运动，保护探测系统II的安全；所述的控制器（13）固定在集成化电机直线模组（11）上，是按照事先确定的顺序改变控制电路中的电阻值来控制电机的启动、调速、制动、反向指令，手动控制或采用计算机编程控制；所述的电机驱动系统（14）由电机（15）和电机驱动器（16）构成，固定在集成化电机直线模组（11）上部，通过控制脉冲个数来控制角位移量实现定位，同时通过控制脉冲频率控制电机（15）转动的速度和加速度来实现调速；所述的稳定24V直流电源（17）固定在集成化电机直线模组（11）上，实现对整个电机控制系统Ⅲ的供电；
所述的实时数据采集、分析和处理系统Ⅳ包括多通道数据采集器（18）、信号放大器（19）和计算机（20）；所述的多通道数据采集器（18）实现多个通道的实时数据信号采集，稳定可靠；信号放大器（19），将柱式高精度拉压传感器（9）采集的低信号值放大到可视化的稳定界面，实时监控电压信号的变化，稳定精确；计算机（20）实现数据的分析和采集信号的处理，处理并得出试验全过程强度值的精确变化。
2.根据权利要求1所述的船基便携式深远海海床土临场强度测试装置，其特征在于，所述的便携式可折叠加载架I的导轨式滑动龙门架（2）由导轨、导轨板和龙门架组合，导轨板底部穿过导轨，实现左右自由滑动，导轨板与龙门架采用旋转轴承连接为一体，龙门架可围绕旋转轴承自由旋转；便携式可折叠加载架I合并时，将龙门架旋转至水平，拆除螺栓连接的T形直线模组平台（4）放在样品平台（1），盖上挡风遮光板（3），整个便携式可折叠加载架I呈“矩形”封闭状态。
3.根据权利要求1或2所述的船基便携式深远海海床土临场强度测试装置，其特征在于，所述的便携式可折叠加载架I的展开方式：首先打开挡风遮光板（3），将导轨式滑动龙门架（2）绕旋转轴承推起至垂直，用4只高强度插销穿过龙门架与导轨板上的插销孔，插销两端用螺栓拧紧，限制住龙门架的自由旋转，使其保持垂直；接着将伸缩式固定夹臂（5）穿过导轨式滑动龙门架（2）预留的夹臂孔，两端用螺栓调节固定；最后将T形直线模组平台（4）用螺栓固定在导轨式滑动龙门架（2）顶部，折叠架展开完毕。
4.根据权利要求1或2所述的船基便携式深远海海床土临场强度测试装置，其特征在于，所述的柱式高精度拉压传感器(9)是采用体积小、量程宽、精度高且集成于探测系统II内部的微型传感器。
5.根据权利要求3所述的船基便携式深远海海床土临场强度测试装置，其特征在于，所述的柱式高精度拉压传感器(9)是采用体积小、量程宽、精度高且集成于探测系统II内部的微型传感器。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 电阻率法监测黄河口海床沉积物固结过程现场试验研究;刘晓磊 等;海洋与湖沼;第43卷(第02期);第224-229页 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109991071A (zh) | 2019-07-09 |
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