CN110196211A - 一种用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法 - Google Patents

一种用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其属于海洋工程地质探测领域，包括：选取沉积物样品；测定沉积物样品的准静态贯入锥尖阻力；将测定装置置于沉积物样品的上方设定高度处；将测定装置垂直释放，使得测定装置自由落体贯入沉积物样品中，记录测定装置自由落体过程中的加速度值；根据加速度值获得测定装置贯入沉积物样品时的贯入速度值；根据测定装置的总质量和加速度值获得动力贯入锥尖阻力；改变设定高度，获得多组贯入速度值和对应的动力贯入锥尖阻力；根据准静态贯入锥尖阻力、动力贯入锥尖阻力和贯入速度值对率相关系数进行线性拟合，获得率相关系数。

Description

一种用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法
技术领域
本发明涉及海洋工程地质探测领域，尤其涉及一种用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法。
背景技术
随着海洋工程的发展，针对海底沉积物力学性质的测试需求日益显著。目前多采用现场取样实验室测试和现场原位测试手段(主要包括静力触探技术、自由下落式动力触探技术等)。海底取样实验室内测试手段的测试内容全面，然而具有取样难度大、成本较高、易扰动等不足之处，相比之下，海上原位测试能够实现准确、高效测定沉积物参数，反映沉积物的宏观结构，如裂隙、夹层对土体性质的影响。
沉积物的强度性质与变形或应变速率相关，这就导致了自由下落式触探技术的动力贯入机制与匀速贯入的静力触探机制明显不同，即静力触探获得的锥尖阻力和侧摩阻力为准静态阻力，而动力贯入仪测得的阻力是与速度相关的。自由下落式触探技术在设备贯入过程中速率不断发生改变，一般采用率相关系数，将动贯入阻力转化为准静态贯入阻力。
目前通常采用经验关系确定率相关系数，但是对于不同沉积物类型，贯入速率的影响因子也有一定差异，如何快速确定准确的速率影响因子，以提供适用于测试区域沉积物类型的强度参数，目前仍是较为棘手的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，可通过室内试验精确地测得率相关系数，提高动力触探测定结果的准确性。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，包括：
步骤S1：选取沉积物样品；
步骤S2：测定沉积物样品的准静态贯入锥尖阻力；
步骤S3：将测定装置置于沉积物样品的上方设定高度处；
步骤S4：将测定装置垂直释放，使得测定装置自由落体贯入沉积物样品中，记录测定装置自由落体过程中的加速度值；
步骤S5：根据加速度值获得测定装置贯入沉积物样品时的贯入速度值；
步骤S6：根据测定装置的总质量和加速度值获得动力贯入锥尖阻力；
步骤S7：改变设定高度，重复步骤S3～步骤S6，获得多组贯入速度值和对应的动力贯入锥尖阻力；
步骤S8：根据准静态贯入锥尖阻力、动力贯入锥尖阻力和贯入速度值对率相关系数进行线性拟合，获得率相关系数。
其中，在步骤S4中，在沉积物样品的上方设置导向管，使测定装置在导向管内自由落体。
其中，在步骤S5中，根据加速度值积分获得贯入速度值。
其中，在步骤S6中，在对同一类型的沉积物样品进行测定的过程中，测定装置的总质量保持不变，通过以下公式获得动力贯入锥尖阻力：
qcv＝(ma+mg)*A
其中，qcv为动力贯入锥尖阻力；
m为测定装置的总质量；
a为测定装置自由落体过程中的加速度值；
g为重力加速度；
A为测定装置的贯入探头的截面积。
其中，在步骤S7中，在改变测定装置的垂直高度的同时，改变测定装置的水平位置，使得测定装置每次贯入沉积物样品的不同位置。
其中，在步骤S8中，通过以下公式进行线性拟合：
其中，Kc为率相关系数；
qcv为动力贯入锥尖阻力；
qc0为准静态贯入锥尖阻力；
v为贯入速度值；
v0为静力触探贯入速率，取值为0.02m/。
其中，在步骤S2中，采用手持式贯入仪测定沉积物样品的准静态贯入锥尖阻力。
其中，所述测定装置包括贯入探杆和贯入探头，在所述贯入探头贯入沉积物样品中的同时，部分所述贯入探杆进入沉积物样品中。
其中，所述贯入探头与所述贯入探杆可拆卸连接。
其中，所述测定装置还包括数据采集舱和配重块，所述数据采集舱用于采集加速度值，所述配重块的一端与所述数据采集舱可拆卸连接，所述配重块的另一端与所述贯入探杆可拆卸连接。
本发明的有益效果：
本发明提出的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，在测定装置自由落体贯入沉积物样品的过程中，记录测定装置自由落体过程中的加速度值，并通过改变测定装置的设定高度，获得多组贯入速度值和对应的动力贯入锥尖阻力；最后根据准静态贯入锥尖阻力、动力贯入锥尖阻力和贯入速度值对率相关系数进行线性拟合，获得率相关系数。考虑了贯入速度值的变化对率相关系数的影响，使得动力贯入锥尖阻力转化为准静态贯入锥尖阻力更准确，提高动力触探测定结果的准确性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的测定装置的示意图。
图中：
1、数据采集舱；11、壳体；12、电源开关；13、电池；14、数据采集传输板；15、三轴加速度传感器；
2、配重块；
3、贯入探杆；
4、贯入探头。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参见图1，本发明实施例提供一种测定装置，用于测定自由下落式触探技术的率相关系数。测定装置包括依次连接的数据采集舱1、配重块2、贯入探杆3和贯入探头4，数据采集舱1用以采集测定装置自开始下落至贯入土体期间的加速度变化，配重块2用以改变测定装置的重心，使测定装置的重心偏于下端，更好地维持测定装置下落过程中的垂直姿态；贯入探头4在自由落体的速度作用下贯入土体，贯入探杆3使得贯入探头4在进入土体一定深度时土体不会接触到配重块2，避免影响测定结果的准确性。
数据采集舱1包括壳体11、电源开关12、电池13、数据采集传输板14和三轴加速度传感器15，壳体11由PVC材质制成，壳体11的内部中空形成容置腔，电源开关12控制测定装置的启动与关闭，电池13为测定装置的采集、传输工作提供电能；数据采集传输板14位于容置腔内，为测定装置提供数据采集和传输功能，可实现与终端之间的蓝牙连接，实时动态传输数据；三轴加速度传感器15位于容置腔内，在测定装置下落时实时检测加速度值，获得加速度的变化过程。在此，数据采集传输板14和三轴加速度传感器15均属于已有技术，蓝牙连接方式也是现有技术，因此不再赘述。
配重块2可拆卸，配重块2的上端与数据采集舱1螺纹连接，配重块2的下端与贯入探杆3螺纹连接。在本实施例中，配重块2是实心不锈钢金属块。配重块2的重量可根据需要测定的沉积物类别进行调节，低强度土体采用小配重块2，高强度土体采用大配重块2，保证贯入探杆3能贯入进土体中去，在此不作限制。
贯入探杆3的上下两端均设置有螺纹，形成螺纹杆，用于和配重块2及贯入探头4相连接。在本实施例中，贯入探杆3是实心不锈钢金属杆。贯入探杆3的侧壁光滑，以减少贯入过程中侧壁与土体之间的摩擦，避免影响测定结果的准确性。
贯入探头4上设置有螺纹孔，可与贯入探杆3相连接。在本实施例中，贯入探头4为圆球形探头，在贯入前已知圆球的半径，贯入探头4的截面积即为该半径对应的圆的面积。当然，根据实际需要可以设置其他形状的贯入探头4，需要注意的是，优选截面积便于计算的贯入探头4。另外，在实际测定过程中，可以根据需要更换不同截面积的贯入探头4，强度低的土体采用截面积大的贯入探头4，强度高的土体采用截面积小的贯入探头4，贯入探头4的截面积为已知值。
因贯入探杆3与贯入探头4相连接，在贯入探头4贯入沉积物样品中的同时，部分贯入探杆3进入沉积物样品中。为了避免贯入探杆3对动力贯入锥尖阻力的测量产生影响，在此，贯入探杆3的截面积小于贯入探头4的最大截面积。一般设置贯入探杆3的截面积为贯入探头4截面积的一半。
本发明实施例还提供一种用于自由下落式触探技术的率相关系数的测定方法，采用上述的测定装置进行测试，包括以下步骤：
步骤S1：选取沉积物样品。原位获取柱状的沉积物样品，截取一段沉积物样品将其水平摆放，该段沉积物样品应属同一类型的沉积物，强度均一性高，若具有较大差异应分两次或者多次试验进行测定其率相关系数。
步骤S2：测定沉积物样品的准静态贯入锥尖阻力。在本实施例中，采用手持式贯入仪测定沉积物样品的准静态贯入锥尖阻力。其中，手持式贯入仪为现有技术中已有产品，在此不再赘述。当然，也可以采用现有技术中的其他方法获得沉积物样品的准静态贯入锥尖阻力，在此不再赘述。
步骤S3：将测定装置置于沉积物样品的上方设定高度处。因为在测定过程中，测定装置要自由下落，因此将测定装置置于沉积物样品的上方，便于测定装置垂直贯入沉积物样品中。在此，对设定高度的具体高度值不作限制，可根据实际情况设置。
步骤S4：将测定装置垂直释放，使得测定装置自由落体贯入沉积物样品中，记录测定装置自由落体过程中的加速度值。加速度值由测定装置上的三轴加速度传感器15测得。需要注意的是，在释放测定装置之前，打开测定装置的电源开关12并与终端蓝牙连接，以便于进行数据采集和传输。
在释放测定装置时，使得测定装置由静止释放，保证测定装置释放时刻的初速度为0，且不要给测定装置施加外力，保证测定装置释放时刻的加速度为0，以实现自由落体，保证测定结果的准确性。
为了保证测定装置垂直运动，防止运动方向发生偏移，在沉积物样品的上方设置导向管，使测定装置在导向管内自由落体。
步骤S5：根据加速度值获得测定装置贯入沉积物样品时的贯入速度值。在本实施例中，根据加速度值积分即可获得贯入速度值。贯入速度值指的是测定装置与沉积物接触时的速度。
步骤S6：根据测定装置的总质量和加速度值获得动力贯入锥尖阻力。具体地，通过以下公式获得动力贯入锥尖阻力：
qcv＝(ma+mg)*A
其中，qcv为动力贯入锥尖阻力；
m为测定装置的总质量；
a为测定装置自由落体过程中的加速度值；
g为重力加速度；
A为测定装置的贯入探头的截面积。
虽然测定装置中的配重块2、贯入探杆3与贯入探头4均可拆卸，可更换，但是在对同一类型的沉积物进行测定的过程中，测定装置的总质量保持不变，以保证测定结果的准确性。
步骤S7：改变设定高度，重复步骤S3～步骤S6，获得多组贯入速度值和对应的动力贯入锥尖阻力。通过改变设定高度，使得测定装置在不同的高度下落，进而能够获得不同的贯入速度值，与每个贯入速度值有对应的动力贯入锥尖阻力。
步骤S8：根据准静态贯入锥尖阻力、动力贯入锥尖阻力和贯入速度值对率相关系数进行线性拟合，获得率相关系数。具体地，通过以下公式进行线性拟合：
其中，Kc为率相关系数；
qcv为动力贯入锥尖阻力；
qc0为准静态贯入锥尖阻力；
v为贯入速度值；
v0为静力触探贯入速度，取值为0.02m/s。
在步骤S2中，采用手持式贯入仪测定沉积物样品的准静态贯入锥尖阻力时，手持式贯入仪具有较小的贯入速度。在此，静力触探贯入速度的取值为0.02m/s，防止速度太大对准静态贯入锥尖阻力的测量产生影响。当然，静力触探贯入速度的取值可以根据实际情况设定，在此不作限制。
对应不同类型的沉积物，依上述测定方法获得对应的率相关系数。在探测过程中，可根据沉积物的类型，利用对应的率相关系数，将动力贯入锥尖阻力转化为准静态贯入锥尖阻力。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，包括：
步骤S1：选取沉积物样品；
步骤S2：测定沉积物样品的准静态贯入锥尖阻力；
步骤S3：将测定装置置于沉积物样品的上方设定高度处；
步骤S4：将测定装置垂直释放，使得测定装置自由落体贯入沉积物样品中，记录测定装置自由落体过程中的加速度值；
步骤S5：根据加速度值获得测定装置贯入沉积物样品时的贯入速度值；
步骤S6：根据测定装置的总质量和加速度值获得动力贯入锥尖阻力；
步骤S7：改变设定高度，重复步骤S3～步骤S6，获得多组贯入速度值和对应的动力贯入锥尖阻力；
步骤S8：根据准静态贯入锥尖阻力、动力贯入锥尖阻力和贯入速度值对率相关系数进行线性拟合，获得率相关系数。
2.根据权利要求1所述的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，在步骤S4中，在沉积物样品的上方设置导向管，使测定装置在导向管内自由落体。
3.根据权利要求1所述的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，在步骤S5中，根据加速度值积分获得贯入速度值。
4.根据权利要求1所述的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，在步骤S6中，在对同一类型的沉积物样品进行测定的过程中，测定装置的总质量保持不变，通过以下公式获得动力贯入锥尖阻力：
qcv＝(ma+mg)*A
其中，qcv为动力贯入锥尖阻力；
m为测定装置的总质量；
a为测定装置自由落体过程中的加速度值；
g为重力加速度；
A为测定装置的贯入探头的截面积。
5.根据权利要求1所述的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，在步骤S7中，在改变测定装置的垂直高度的同时，改变测定装置的水平位置，使得测定装置每次贯入沉积物样品的不同位置。
6.根据权利要求1所述的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，在步骤S8中，通过以下公式进行线性拟合：
其中，Kc为率相关系数；
qcv为动力贯入锥尖阻力；
qc0为准静态贯入锥尖阻力；
v为贯入速度值；
v0为静力触探贯入速率，取值为0.02m/s。
7.根据权利要求1所述的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，在步骤S2中，采用手持式贯入仪测定沉积物样品的准静态贯入锥尖阻力。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，所述测定装置包括贯入探杆(3)和贯入探头(4)，在所述贯入探头(4)贯入沉积物样品中的同时，部分所述贯入探杆(3)进入沉积物样品中。
9.根据权利要求8所述的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，所述贯入探头(4)与所述贯入探杆(3)可拆卸连接。
10.根据权利要求8所述的用于自由下落式触探技术的率相关系数测定方法，其特征在于，所述测定装置还包括数据采集舱(1)和配重块(2)，所述数据采集舱(1)用于采集加速度值，所述配重块(2)的一端与所述数据采集舱(1)可拆卸连接，所述配重块(2)的另一端与所述贯入探杆(3)可拆卸连接。
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