CN110206007B - 一种海底沉积物原位测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底沉积物原位测试装置，其属于海洋岩土勘察设备领域，包括自下至上依次设置的探头、探杆、配重件和耐压舱，所述配重件的下部的平均密度大于所述配重件的上部的平均密度，以使得所述海底沉积物原位测试装置的浮心位于重心的正上方。整个装置的重力主要来源于配重件，配重件的下部的平均密度大，再加上探杆的重力，使得重心位于配重件的下部；耐压舱的排水体积大，使得浮心位于耐压舱处；浮心与重心之间具有一定的间距，使得在水中下降的过程中，当发生倾斜时，能够产生较大的恢复力矩，自动保持平衡，使得探头能够竖直贯入到沉积物中，从而提高测量结果的准确性。

Description

一种海底沉积物原位测试装置

技术领域

本发明涉及海洋岩土勘察设备领域，尤其涉及一种海底沉积物原位测试装置。

背景技术

近年来，随着我国对油气资源勘探开发力度日益增强，海底工程建设不断增加。在海洋工程建设中，需对场地进行勘查。在常规海洋勘察过程中，由于海底土体一般为高含水量、厚度大、饱和松散且容易扰动，常规的钻探取样与室内试验都难以真实的反应海底浅层土体的原位参数，大大降低了土体参数的工程应用价值。

静力触探是获得土体物理力学性质的最为理想原位测试方法之一，在确定地基承载力、不排水抗剪强度等方面得到广泛应用。静力触探包括恒速率静力触探技术和变速率静力触探技术。变速率静力触探工作时需要将触探设备贯入沉积物中，现有技术中会在探杆上安装配重块，以确保触探设备在重力作用下向下运动贯入土体。但是触探设备贯入过程中会对海水造成扰动，受海流影响，极易使得触探设备的运动方向发生偏移，影响测量结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海底沉积物原位测试装置，以解决现有技术中存在的触探设备在贯入过程中易发生偏移的技术问题。

如上构思，本发明所采用的技术方案是：

一种海底沉积物原位测试装置，包括自下至上依次设置的探头、探杆、配重件和耐压舱，所述配重件的下部的平均密度大于所述配重件的上部的平均密度，以使得所述海底沉积物原位测试装置的浮心位于重心的正上方。

其中，所述配重件包括配重杆和套设在所述配重杆上的多个配重盘，位于所述配重杆的下部的所述配重盘的密度大于位于所述配重杆的上部的所述配重盘的密度。

其中，所述配重盘分为钢质配重盘和铅质配重盘，所述配重杆的上部安装所述钢质配重盘，所述配重杆的下部安装所述铅质配重盘。

其中，所述耐压舱包括相互连接的密封舱和安装座，所述安装座与所述配重杆连接，所述安装座上开设有安装腔，所述配重杆的一端固定于所述安装腔内，所述安装腔的开口处可拆卸设置有密封板。

其中，所述安装腔具有相对设置的两个开口，每个所述开口处均设置有所述密封板。

其中，所述配重杆与所述安装座之间通过螺母锁紧，所述配重杆的端部设置有外螺纹，所述螺母于所述安装腔内和所述配重杆螺接。

其中，所述密封舱包括筒体、设置于所述筒体一端的上端盖和设置于所述筒体另一端的下端盖，所述下端盖与所述安装座连接，所述上端盖上设置有无线网络天线。

其中，所述耐压舱上设置有压力传感器，用于在下放过程中，实时采集与不同的水深度值对应的水压强值，以对所述探头进行动态标定。

其中，所述探头包括位于下端的锥尖和与锥尖连接的套筒，所述套筒的内部设置有第一孔隙水压力传感器和阻力传感器，用于采集贯入沉积物时的孔隙水压力和阻力的数据。

其中，所述探杆的内部设置有第二孔隙水压力传感器，用于测量贯入结束后的孔隙水压力变化。

本发明的有益效果：

本发明提出的海底沉积物原位测试装置，包括自下至上依次设置的探头、探杆、配重件和耐压舱，整个装置的重力主要来源于配重件，配重件的下部的平均密度大于配重件的上部的平均密度，再加上探杆的重力，使得整个装置的重心位于配重件的下部；根据耐压舱、配重件和探杆的排水体积可知，整个装置的浮心位于耐压舱附近；海底沉积物原位测试装置的浮心位于重心的正上方，浮心与重心之间具有一定的间距，使得在水中下降的过程中，当发生倾斜时，能够产生较大的恢复力矩，自动保持平衡，使得探头能够竖直贯入到沉积物中，从而提高测量结果的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的海底沉积物原位测试装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的海底沉积物原位测试装置的探头的剖视图；

图3是本发明实施例提供的海底沉积物原位测试装置的探杆的剖视图；

图4是本发明实施例提供的海底沉积物原位测试装置的配重件的结构示意图；

图5是图4的部分结构的示意图；

图6是本发明实施例提供的海底沉积物原位测试装置的密封舱的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的海底沉积物原位测试装置的安装座的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的海底沉积物原位测试装置的耐压舱与配重件连接的示意图。

图中：

1、探头；11、锥尖；12、套筒；13、第一孔隙水压力传感器；14、阻力传感器；15、传力杆；

2、探杆；21、第二孔隙水压力传感器；

3、配重件；31、配重杆；32、配重盘；33、限位座；

4、耐压舱；41、密封舱；411、筒体；412、上端盖；413、下端盖；42、安装座；421、安装腔；43、密封板；

5、起吊环；

6、螺母。

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至图8，本发明实施例提供一种海底沉积物原位测试装置，包括从下至上依次设置的探头1、探杆2、配重件3、耐压舱4和起吊环5，下面一一进行详细介绍。

探头1包括位于下端的锥尖11和与锥尖11连接的套筒12，套筒12内设置有第一孔隙水压力传感器13和阻力传感器14，套筒12远离锥尖11的一端设置有水密插头，保证探头1与探杆2之间连接的密封性。套筒12内设置有传力杆15，第一孔隙水压力传感器13位于传力杆15的内部。

探头1与探杆2之间通过螺纹连接。探杆2的内部设置有第二孔隙水压力传感器21，用于测量贯入结束后的孔隙水压力变化，以获知孔隙水压力消散过程，进而求取沉积物的渗透系数及固结系数。

探杆2与配重件3之间通过螺纹连接。配重件3包括配重杆31和多个配重盘32，配重盘32的中间设置有开孔，多个配重盘32依次套设在配重杆31上，配重杆31起到支撑作用。配重盘32的一侧设置有凹槽，另一侧设置有凸起，相邻配重盘32之间通过凹槽与凸起的配合定位。

配重杆31的一端设置有限位座33，限位座33上也设置有凹槽，配重盘32套设在配重杆31上之后，与限位座33接触的配重盘32的凸起能够与限位座33的凹槽配合，原理和相邻配中盘之间的定位相同。

探杆2与限位座33连接，因为限位座33相比于配重杆31更容易开设螺纹孔，能够保证结构强度。在本实施例中，限位座33呈锥形，以使得在贯入时，限位座33不会对阻力造成太大影响。限位座33的大端与配重盘32抵接，限位座33的小端与探杆2连接，限位的最大外径与配重盘32的外径相同，以保证配重件3的整体性。

配重杆31的内部中空，用于穿设水密缆线，以使得探头1、探杆2能够与耐压舱4之间连接。

配重件3的下部的平均密度大于配重件3的上部的平均密度，以使得海底沉积物原位测试装置的重心位于配重件3的下部。常用的配重盘32主要有钢质配重盘和铅质配重盘，在配重杆31上的安装为，上部安装钢质配重盘，下部安装铅质配重盘。

根据耐压舱4、配重件3及探杆2的排水体积可知，海底沉积物原位测试装置的浮心位于重心的正上方。因为耐压舱4多为中空结构，其内部安装其他部件，因此耐压舱4的体积一般较大，使得整个装置的浮心位于耐压舱4附近。海底沉积物原位测试装置的浮心位于重心的正上方，浮心与重心之间具有一定的间距，使得在水中下降的过程中，当发生倾斜时，能够产生较大的恢复力矩，自动保持平衡，使得探头1能够竖直贯入到沉积物中，从而提高测量结果的准确性。

耐压舱4包括相互连接的密封舱41和安装座42，安装座42与配重杆31连接，安装座42上开设有安装腔421，配重杆31的一端固定于安装腔421内，安装腔421的开口处可拆卸设置有密封板43。因为配重杆31上套设有多个配重盘32，不便于旋转，通过安装腔421的设置，便于连接安装座42与配重杆31，能够节省安装时间。密封板43的设置，防止机械破坏安装腔421内的电缆及水密插头，保证安全性。

在配重杆31与安装座42连接后，安装座42的底部与配重杆31上部的配重盘32抵接，在此，将安装座42的底部的外径设置成与配重盘32的外径相同，保证连接的整体性。

在本实施例中，安装腔421具有相对设置的两个开口，每个开口处均设置有密封板43。两个开口的设置，使得人手或者工具能够在安装腔421内锁紧配重杆31，使得安装更方便，省时省力。

配重杆31与安装座42之间通过螺母6锁紧，配重杆31的端部设置有外螺纹，螺母6于安装腔421内和配重杆31螺接。安装时，人手或者工具能够进入安装腔421内旋转螺母6。

密封舱41包括筒体411、设置于筒体411一端的上端盖412和设置于筒体411另一端的下端盖413，下端盖413与安装座42连接，上端盖412上设置有无线网络天线。

密封舱41的内部设置有高度集成化的数据采集系统，该数据采集系统具备数据采集、存储及通讯功能。数据采集系统与外界的终端通过无线网络天线进行无线通讯连接，无线网络天线进行防水处理。上端盖412上开设有凹槽，用于安装开关，开关能够启动数据采集系统。在此，开关采用防水非接触式磁开关。

第一孔隙水压力传感器13、阻力传感器14和第二孔隙水压力传感器21均通过水密缆线与数据采集系统连接，用于采集贯入沉积物时的孔隙水压力和阻力的数据并将采集到的数据传输给数据采集系统，进行数据采集与存储。

筒体411内设置有的安装板，安装板上设置传感器和电池。在此，传感器可以是微型三轴加速度传感器，用于采集整个装置贯入沉积物时的加速度，电池为整个装置提供电能。电池为蓄电池，上端盖412的顶部安装有用于给电池充电的第一插头。

采用电池进行供电，并采用无线通讯的方式，简化了结构，减轻了整个装置的重量，并使操作人员可以远距离操作仪器，从而避免海上工作时操作人员过于靠近装置而产生的碰撞、误击等问题，保障现场操作人员的安全性。

在耐压舱4的上端盖412上设置有压力传感器，用于采集整个装置在水中下放过程中的水压力值，以对探头1进行动态标定。具体地，包括以下步骤：

在水中逐渐下放，实时采集探头1所在的水深度值；

获得若干组与不同的水深度值对应的水压强值、侧摩阻力电信号值和锥尖11阻力电信号值；

将水压力变化与侧摩阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的侧摩阻力标定系数；

将水压力变化与锥尖11阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的锥尖11阻力标定系数。

不仅实现了动态地对触探探头1的系数进行精确标定，而且考虑了侧摩阻力随水深的动态变化，进而消除深海水压对触探探头1测量结果的影响，提高触探探头1测定结果的准确性。

上述探头1与探杆2之间、探杆2与配重件3之间以及配重件3与耐压舱4之间均是可拆卸连接，便于安装、拆卸、更换，提高便利性、通用性及安全性。

海底沉积物原位测试装置可利用杠杆式释放器释放，也可利用地质绞车自身下降速度快(1m/s)的优势进行释放。对于松软的沉积物，可减小配重件3的质量，利用杠杆式释放器释放设备，从而提高设备测量精度。对于土质相对较硬的沉积物，则增加配重件3的质量，采用地质绞车释放。耐压舱4顶端设置的起吊环5，用于与释放装置的缆绳连接，在此不再赘述。

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 (7)

1.一种海底沉积物原位测试装置，其特征在于，包括自下至上依次设置的探头(1)、探杆(2)、配重件(3)和耐压舱(4)，所述配重件(3)的下部的平均密度大于所述配重件(3)的上部的平均密度，所述耐压舱(4)为中空结构，所述海底沉积物原位测试装置的浮心位于所述耐压舱(4)处，以使得所述海底沉积物原位测试装置的浮心位于重心的正上方；

所述耐压舱(4)上设置有压力传感器，用于在下放过程中，实时采集与不同的水深度值对应的水压强值，以对所述探头(1)进行动态标定；

所述探头(1)包括位于下端的锥尖(11)和与锥尖(11)连接的套筒(12)，所述套筒(12)的内部设置有第一孔隙水压力传感器(13)和阻力传感器(14)，用于采集贯入沉积物时的孔隙水压力和阻力的数据；

所述探杆(2)的内部设置有第二孔隙水压力传感器(21)，用于测量贯入结束后的孔隙水压力变化；

在水中逐渐下放时，实时采集探头(1)所在的水深度值；

获得若干组与不同的水深度值对应的水压强值、侧摩阻力电信号值和锥尖阻力电信号值；

将水压力变化与侧摩阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的侧摩阻力标定系数；

将水压力变化与锥尖阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的锥尖阻力标定系数。

2.根据权利要求1所述的海底沉积物原位测试装置，其特征在于，所述配重件(3)包括配重杆(31)和套设在所述配重杆(31)上的多个配重盘(32)，位于所述配重杆(31)的下部的所述配重盘(32)的密度大于位于所述配重杆(31)的上部的所述配重盘(32)的密度。

3.根据权利要求2所述的海底沉积物原位测试装置，其特征在于，所述配重盘(32)分为钢质配重盘和铅质配重盘，所述配重杆(31)的上部安装所述钢质配重盘，所述配重杆(31)的下部安装所述铅质配重盘。

4.根据权利要求2所述的海底沉积物原位测试装置，其特征在于，所述耐压舱(4)包括相互连接的密封舱(41)和安装座(42)，所述安装座(42)与所述配重杆(31)连接，所述安装座(42)上开设有安装腔(421)，所述配重杆(31)的一端固定于所述安装腔(421)内，所述安装腔(421)的开口处可拆卸设置有密封板(43)。

5.根据权利要求4所述的海底沉积物原位测试装置，其特征在于，所述安装腔(421)具有相对设置的两个开口，每个所述开口处均设置有所述密封板(43)。

6.根据权利要求4所述的海底沉积物原位测试装置，其特征在于，所述配重杆(31)与所述安装座(42)之间通过螺母(6)锁紧，所述配重杆(31)的端部设置有外螺纹，所述螺母(6)于所述安装腔(421)内和所述配重杆(31)螺接。

7.根据权利要求4所述的海底沉积物原位测试装置，其特征在于，所述密封舱(41)包括筒体(411)、设置于所述筒体(411)一端的上端盖(412)和设置于所述筒体(411)另一端的下端盖(413)，所述下端盖(413)与所述安装座(42)连接，所述上端盖(412)上设置有无线网络天线。

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