CN110579308B - 一种海底沉积物压力观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底沉积物压力观测装置及方法，其属于海底探测技术领域，海底沉积物压力观测装置包括探杆、锥尖、参考压力筒和探头，探杆的内部中空形成容置腔，探杆包括相互连接的多个节杆；锥尖设置于探杆的一端；参考压力筒设置于探杆的另一端，参考压力筒包括筒体、位于筒体内的油囊和与筒体滑动连接的堵头，堵头选择性封闭筒体以使油囊提供恒定的压力；探头设置于相邻节杆的连接处，探头包括外壳和压差传感器，外壳内设置有与油囊的内腔连通的第一通道，压差传感器用于检测第一通道与外界的压差，能够在不受海水深度影响的情况下检测沉积物中的力学状态。海底沉积物压力观测方法采用上述海底沉积物压力观测装置。

Description

一种海底沉积物压力观测装置及方法

技术领域

本发明涉及海底探测技术领域，尤其涉及一种海底沉积物压力观测装置及方法。

背景技术

海洋沉积物中孔隙水压力变化是沉积物强度变化的重要指示参数，对于海浪及地震引起的海底滑坡等地质灾害现象具有显著的指示作用。地震及海浪作用往往使沉积物尤其是砂土或粉土中孔隙水压力升高，沉积物所依托的有效应力降低，进而导致其强度降低。因此通过孔隙水压力的变化能够了解沉积物的稳定性。波浪荷载下通过观测沉积物中孔隙水压力变化能够获悉波浪附加于沉积物中的各种力学状态，从而为稳定性分析提供技术支持。因此，动力荷载下沉积物中孔隙水压力观测是海洋岩土工程或海洋地质灾害分析中较为重要的一种技术手段。

现有的孔隙水压力观测装置，在使用过程中，不仅受到孔隙水压力，还受到静水压力，由于静水压力随着海水深度增加而不断提高，使得在深海中使用的观测装置的探头需要具有较大的量程，量程的增大使得探头的分辨率降低，导致探头的灵敏度和精度下降，影响测量结果的精确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海底沉积物压力观测装置及方法，以解决现有技术中存在的受海水压力影响导致探头的量程过大的技术问题。

如上构思，本发明所采用的技术方案是：

一种海底沉积物压力观测装置，包括：

探杆，其内部中空形成容置腔，所述探杆包括可拆卸连接的多个节杆；

锥尖，设置于所述探杆的一端；

参考压力筒，设置于所述探杆的另一端，所述参考压力筒包括筒体、位于所述筒体内的油囊和与所述筒体滑动连接的堵头，所述堵头选择性封闭所述筒体以使油囊提供恒定的压力；

探头，设置于相邻所述节杆的连接处，所述探头包括外壳和压差传感器，所述外壳内设置有与所述油囊的内腔连通的第一通道，所述压差传感器用于检测所述第一通道与外界的压差。

其中，所述外壳内设置有安装孔，所述压差传感器设置于所述安装孔处，所述安装孔的一端与所述第一通道连通，所述安装孔的另一端与外界连通。

其中，所述外壳内还设置有第二通道和压力引导孔，所述第二通道与所述容置腔连通且与所述安装孔连通，所述压力引导孔与所述容置腔连通。

其中，所述压差传感器有两种，分别为孔隙水压力传感器和土压力传感器，所述孔隙水压力传感器与外界的连通处设置有透水石，所述土压力传感器与外界的连通处设置有不锈钢膜片。

其中，所述筒体上设置有第一开口和第二开口，所述油囊的内腔与所述第一开口连通，所述第一开口通过管路与所述第一通道连通，所述堵头选择性封堵所述第二开口。

其中，所述堵头包括主体部和设置于所述主体部两端的限位部，所述主体部为变径结构且穿设于所述第二开口中，两个所述限位部分别位于所述筒体的内侧和外侧。

其中，所述堵头的端部设置有触底杆，所述触底杆位于所述筒体的外侧，所述触底杆能够在土体的作用下推动所述堵头封堵所述筒体。

其中，还包括数据采集组件，所述数据采集组件包括：

电路板；

导线，穿设于所述容置腔中，所述导线的一端与所述电路板连接，所述导线的另一端与所述压差传感器连接。

其中，还包括密封舱，所述密封舱设置于所述探杆上远离所述锥尖的一端，所述参考压力筒和所述数据采集组件均位于所述密封舱内。

一种海底沉积物压力观测方法，采用如上所述的海底沉积物压力观测装置，包括：

布放：将海底沉积物压力观测装置在水中布放，此时堵头处于打开状态，第一通道内的压力等于静水压力，此时第一通道与外界的压差为0，即压差传感器的检测值为0；

贯入：随着锥尖贯入土体中，探头中的压差传感器检测到压力值，由于压差传感器的一侧为静水压力，使得压差传感器的检测值为两端的压差；当堵头与土体接触时，土体对堵头的作用力使得堵头封闭筒体，此时第一通道内的压力不再变化，为静水压力；

观测：当波浪、地震及其它荷载作用时，沉积物中的压力发生改变，但第一通道内仍然等于静水压力，此时压差传感器的检测值即为荷载附加于沉积物中的压力值。

本发明的有益效果：

本发明提出的海底沉积物压力观测装置，由于油囊与第一通道连通，第一通道内的压力与油囊内的压力相等；在放置于水中时，堵头处于打开状态，第一通道内的压力等于静水压力，此时第一通道与外界的压差为0，即压差传感器的检测值为0；随着锥尖贯入土体中，探头中的压差传感器检测到压力值，由于压差传感器的一侧为静水压力，使得压差传感器的检测值为两端的压差，排除了静水压力对土体中压力参数测量的影响，因此探头的量程能够减小；当堵头与土体接触时，土体对堵头的作用力使得堵头封闭筒体，此时第一通道内的压力不再变化，为静水压力，当波浪、地震及其它荷载作用时，沉积物中的孔隙水压力发生改变(称为超静水压力)，但第一通道内仍然等于静水压力，此时压差传感器的检测值即为超静水压力，因此，能够在不受海水深度影响的情况下，实时检测不同荷载附加于沉积物中的各种力学状态。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的海底沉积物压力观测装置的剖视图；

图2是本发明实施例一提供的海底沉积物压力观测装置的参考压力筒的剖视图；

图3是本发明实施例一提供的海底沉积物压力观测装置的探头的剖视图；

图4是本发明实施例一提供的海底沉积物压力观测装置的探头的俯视图；

图5是图4的A-A向的剖视图；

图6是图4的B-B向的剖视图；

图7是本发明实施例二提供的海底沉积物压力观测装置的探头的剖视图；

图8是本发明实施例二提供的海底沉积物压力观测装置的部分结构的示意图。

图中：

1、探杆；11、容置腔；

2、锥尖；

3、参考压力筒；31、筒体；32、油囊；33、堵头；

4、探头；41、外壳；411、第一通道；412、安装孔；413、第二通道；414、压力引导孔；42、压差传感器；43、透水石；44、不锈钢膜片；

5、数据采集组件；

6、密封舱；

7、触底杆。

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。

实施例一

参见图1至图6，本发明实施例提供一种海底沉积物压力观测装置，在使用时需要贯入到海床内部，以观测沉积物中的力的变化。

海底沉积物压力观测装置包括探杆1、锥尖2、参考压力筒3和探头4，锥尖2设置于探杆1的一端，参考压力筒3设置于探杆1的另一端。探杆1的内部中空形成容置腔11，探杆1包括可拆卸连接的多个节杆，探头4设置于相邻节杆的连接处。参考压力筒3包括筒体31、位于筒体31内的油囊32和与筒体31滑动连接的堵头33，堵头33选择性封闭筒体31以使油囊32提供恒定的压力，探头4包括外壳41和压差传感器42，外壳41内设置有与油囊32的内腔连通的第一通道411，压差传感器42用于检测第一通道411与外界的压差。

由于油囊32与第一通道411连通，第一通道411内的压力与油囊32内的压力相等；在放置于水中时，堵头33处于打开状态，第一通道411内的压力等于静水压力，此时第一通道411与外界的压差为0，即压差传感器42的检测值为0；随着锥尖2贯入土体中，探头4中的压差传感器42检测到压力值，由于压差传感器42的一侧为静水压力，使得压差传感器42的检测值为两端的压差，排除了静水压力对土体中压力参数测量的影响，因此探头4的量程能够减小；当堵头33与土体接触时，土体对堵头33的作用力使得堵头33封闭筒体31，此时第一通道411内的压力不再变化，为静水压力，当波浪、地震及其它荷载作用时，沉积物中的孔隙水压力发生改变(称为超静水压力)，但第一通道411内仍然等于静水压力，此时压差传感器42的检测值即为超静水压力，因此，能够在不受海水深度影响的情况下，实时检测不同荷载附加于沉积物中的各种力学状态。压差传感器42的设置，主要作用是消除较高的海水压力影响，提高测量精度。

由于土体为分层结构，由于每层土体的性质不同，其力学参数也有所不同。为了对土体进行精准测量，探头4设置有多个，可以根据需要选择每个节杆的长度。锥尖2设置于探杆1的最底端，锥尖2可以直接与节杆连接，锥尖2与节杆之间也可以设置一个探头4，探头4的一端与节杆连接，探头4的另一端与锥尖2连接。

在本实施例中，压差传感器42为孔隙水压力传感器，测量值为孔隙水压力，通过实时检测孔隙水压力的变化，能够了解沉积物的稳定性。总之，由于采用压差式测量，可以提高孔隙水压力测量准确性，为基于孔隙水压力的海底沉积物性质分析提供可靠数据。

为了将压差传感器42采集的数据进行传输，还包括数据采集组件5，数据采集组件5包括电路板和导线，导线穿设于容置腔11中，导线的一端与电路板连接，导线的另一端与压差传感器42连接。压差传感器42采集的数据通过导线传输至电路板，电路板上设置有存储模块对数据进行存储。

探杆1上远离锥尖2的一端设置有密封舱6，数据采集组件5位于密封舱6内，对数据采集组件5进行保护。密封舱6与探杆1的连接处设置有穿线孔，导线能够通过穿线孔进入探杆1的容置腔11中。密封舱6需具有一定的封闭性和防水性。

密封舱6包括与探杆1连接的支撑板和与支撑板连接的罩壳，探杆1与支撑板之间螺纹连接。支撑板的面积较大，其主要作用是在与土体接触后提供支撑反力，防止探杆1过度下沉。

在参考压力筒3中，筒体31上设置有第一开口和第二开口，油囊32的内腔与第一开口连通，第一开口通过管路与第一通道411连通，堵头33选择性封堵第二开口。管路能够通过穿线孔进入探杆1的容置腔11中，进而延伸与第一通道411连通。在本实施例中，连通油囊32与第一通道411的管路采用不易变形的四氟管。

堵头33包括主体部和设置于主体部两端的限位部，主体部为变径结构且穿设于第二开口中，两个限位部分别位于筒体31的内侧和外侧。主体部在靠近油囊32的一侧外径较小，另一侧外径逐渐变大，并与第二开口的内孔径一致。限位部是为了防止堵头33从第二开口中掉落。

为了对参考压力筒3进行固定，参考压力筒3位于密封舱6内。参考压力筒3的筒体31与密封舱6的侧壁连接，堵头33的延伸方向与探杆1的延伸方向相同，且堵头33位于筒体31的底部朝下设置，便于与土体接触。在布放过程中，油囊32的压力随深度变化而变化，在布放停止时，堵头33下落，使油囊32里的压力保持稳定。在贯入土体后，土体作用于堵头33，使得堵头33封堵第二开口。

为了便于土体对堵头33施加作用力，堵头33的端部设置有触底杆7，触底杆7位于筒体31的外侧且延伸出密封舱6，以与土体接触。当密封舱6与海床面接触时，触底杆7由于海床的向上作用力而向上移动，此时推动堵头33向上移动，封堵第二开口，从而关闭了油囊32与外界压力之间的连通，使油囊32内的压力保持稳定。

在本实施例中，油囊32内充满无气水。当堵头33封堵第二开口后，第一通道411内的压力保持不变，减小波动水压力对第一通道411内的压力影响，并且保持第一通道411内的水为无气水状态，以使压力快速传递至每一个探头4。油囊32的作用是封闭无气水，并且传递外界压力。当压力增加时，由于液体的压缩性，油囊32中的无气水向第一通道411中进行补偿。

为解决由于探杆1的沉降、海底压力波动等现象导致海底参考压力不稳的问题，设置油囊来提供恒定不变的参考压力，从而保证所有的测量外界压力均有一个稳定的参考值。压差传感器42与参考压力筒3两者配合、协同作用，实现了对海底沉积物压力的精确测量。

在探头4中，外壳41与探杆1螺纹连接，外壳41与探杆1之间设置有密封圈，从而实现密封，避免沉积物中的孔隙水进入探杆1中，影响沉积物中孔隙水压力的真实分布规律。在第一通道411的两端均设置有接头，接头与外壳41螺纹连接。接头能够与管路连接，使得油囊32与第一通道411连通。位于最底端的探头4的第一通道411的下端采用堵塞封堵。

外壳41内设置有安装孔412，压差传感器42设置于安装孔412处，安装孔412的一端与第一通道411连通，安装孔412的另一端与外界连通，以使得压差传感器42的能够检测第一通道411与外界的压差。在本实施例中，每个探头4上设置一种压差传感器42，为孔隙水压力传感器。当探头4贯入土体、堵头33封堵第二开口后，压差传感器42的一侧承受静水压力，另一侧承受来自于沉积物中的孔隙水压力。由于压差传感器42为孔隙水压力传感器，在安装孔412与外界的连通处设置有透水石43，既不影响水的压力作用于压差传感器42，也能避免沉积物堵塞压差传感器42影响测量精度。在此对压差传感器42的数量不作限制，每个安装孔412内能够设置一个压差传感器42。

外壳41内还设置有第二通道413，第二通道413与容置腔11连通且与安装孔412连通。第二通道413的两端均设置有水密插头，水密插头的一端与穿设在第二通道413中的压差传感器42的接线连接，水密插头的另一端与穿设在容置腔11中的导线连接。位于最底端的探头4的第二通道413的下端采用堵塞封堵。

外壳41内还设置有压力引导孔414，压力引导孔414与容置腔11连通。压力引导孔414的主要作用是将海水压力传递至每一节探杆1，从而避免探杆1因过大的外加压力而损害。在本实施例中，每个探头4的外壳41上设置有两个压力引导孔414，压力引导孔414的延伸方向沿探头4的轴向。

海底沉积物压力观测装置在使用时，先进行布放，待进入土体后，进行实时观测即可。布放之前，需先将第一通道411、管路及油囊32中的空气用无气水赶出，保证第一通道411内的水尽量为真空水。

布放时，堵头33处于打开状态，第一通道411内的压力等于静水压力，此时压差传感器42的检测值为0。触底时，随着锥尖2贯入土体中，探头4中的压差传感器42检测到压力值，由于压差传感器42的一侧为静水压力，使得压差传感器42的检测值为两端的压差，压差传感器42的检测值为不受外界荷载情况下的孔隙水压力；当堵头33与土体接触时，土体对堵头33的作用力使得堵头33封闭第二开口，此时第一通道411内的压力不再变化，为静水压力。当波浪、地震及其它荷载作用时，沉积物中的孔隙水压力发生改变，但第一通道411内仍然等于静水压力，此时压差传感器42的检测值即为在外界荷载情况下的孔隙水压力。

实施例二

图7和图8示出了实施例二，其中与实施例一相同或相应的零部件采用与实施例一相应的附图标记。为简便起见，仅描述实施例二与实施例一的区别点。区别之处在于，每个探头4上设置有两种压差传感器42，分别为孔隙水压力传感器和土压力传感器，通过同时测量孔隙水压力和土压力，进一步促进对海底沉积物力学状态的研究。

在本实施例中，孔隙水压力传感器和土压力传感器均设置有一个，安装孔412设置有两个，分别为第一安装孔和第二安装孔，孔隙水压力传感器设置于第一安装孔内，土压力传感器设置于第二安装孔内。

在第一安装孔与外界的连通处设置有透水石43，既不影响水的压力作用于孔隙水压力传感器，也能避免沉积物堵塞孔隙水压力传感器影响测量精度。在第二安装孔与外界的连通处设置有不锈钢膜片44。不锈钢膜片44密封住第二安装孔，主要作用是将沉积物所施加的水平压力传递至土压力传感器。为保证可靠性，不锈钢膜片44与土压力传感器之间采用硅油填充。

土压力施加于不锈钢膜片44上，使不锈钢膜片44向第二安装孔内侧发生变形，挤压土压力传感器与不锈钢膜片44之间的硅油，为保持压力平衡，硅油压力升高与土压力相等，此时硅油将压力传递于土压力传感器，实现通过土压力传感器对土压力进行测量。考虑到土压力传感器的测量值为消除静水压力后的压力，因此土侧向压力应该为消除静水压力后的土压力，当需要计算有效侧向压力时，需考虑孔隙水压力的变化。

值得说明的是，由于不锈钢膜片44为竖直方向布设，因此只能承受来自于水平方向的土压力，因此本实施例中的土压力为水平土压力。

本发明实施例还提供一种海底沉积物压力观测方法，采用如上任一实施例中的海底沉积物压力观测装置，能够在不受海水深度影响的情况下，实时检测不同荷载附加于沉积物中的各种力学状态，包括以下步骤：

布放：将海底沉积物压力观测装置在水中布放，此时堵头处于打开状态，第一通道内的压力等于静水压力，此时第一通道与外界的压差为0，即压差传感器的检测值为0；

贯入：随着锥尖贯入土体中，探头中的压差传感器检测到压力值，由于压差传感器的一侧为静水压力，使得压差传感器的检测值为两端的压差；当堵头与土体接触时，土体对堵头的作用力使得堵头封闭筒体，此时第一通道内的压力不再变化，为静水压力；

观测：当波浪、地震及其它荷载作用时，沉积物中的压力发生改变，但第一通道内仍然等于静水压力，此时压差传感器的检测值即为荷载附加于沉积物中的压力值。

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 (3)

1.一种海底沉积物压力观测装置，其特征在于，包括：

探杆（1），其内部中空形成容置腔（11），所述探杆（1）包括可拆卸连接的多个节杆；

锥尖（2），设置于所述探杆（1）的一端；

参考压力筒（3），设置于所述探杆（1）的另一端，所述参考压力筒（3）包括筒体（31）、位于所述筒体（31）内的油囊（32）和与所述筒体（31）滑动连接的堵头（33），所述堵头（33）选择性封闭所述筒体（31）以使所述油囊（32）提供恒定的压力；

探头（4），设置于相邻所述节杆的连接处，所述探头（4）包括外壳（41）和压差传感器（42），所述外壳（41）内设置有与所述油囊（32）的内腔连通的第一通道（411），所述压差传感器（42）用于检测所述第一通道（411）与外界的压差；

所述外壳（41）内设置有安装孔（412），所述压差传感器（42）设置于所述安装孔（412）处，所述安装孔（412）的一端与所述第一通道（411）连通，所述安装孔（412）的另一端与外界连通；

所述外壳（41）内还设置有第二通道（413）和压力引导孔（414），所述第二通道（413）与所述容置腔（11）连通且与所述安装孔（412）连通，所述压力引导孔（414）与所述容置腔（11）连通；

所述筒体（31）上设置有第一开口和第二开口，所述油囊（32）的内腔与所述第一开口连通，所述第一开口通过管路与所述第一通道（411）连通，所述堵头（33）选择性封堵所述第二开口；

所述堵头（33）包括主体部和设置于所述主体部两端的限位部，所述主体部为变径结构且穿设于所述第二开口中，两个所述限位部分别位于所述筒体（31）的内侧和外侧；

所述堵头（33）的端部设置有触底杆（7），所述触底杆（7）位于所述筒体（31）的外侧，所述触底杆（7）能够在土体的作用下推动所述堵头（33）封堵所述筒体（31）；

还包括数据采集组件（5），所述数据采集组件（5）包括：

电路板；

导线，穿设于所述容置腔（11）中，所述导线的一端与所述电路板连接，所述导线的另一端与所述压差传感器（42）连接；

还包括密封舱（6），所述密封舱（6）设置于所述探杆（1）上远离所述锥尖（2）的一端，所述参考压力筒（3）和所述数据采集组件（5）均位于所述密封舱（6）内。

2.根据权利要求1所述的海底沉积物压力观测装置，其特征在于，所述压差传感器（42）有两种，分别为孔隙水压力传感器和土压力传感器，所述孔隙水压力传感器与外界的连通处设置有透水石（43），所述土压力传感器与外界的连通处设置有不锈钢膜片（44）。

3.一种海底沉积物压力观测方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的海底沉积物压力观测装置，包括：

布放：将海底沉积物压力观测装置在水中布放，此时堵头处于打开状态，第一通道内的压力等于静水压力，此时第一通道与外界的压差为0，即压差传感器的检测值为0；

贯入：随着锥尖贯入土体中，探头中的压差传感器检测到压力值，由于压差传感器的一侧为静水压力，使得压差传感器的检测值为两端的压差；当堵头与土体接触时，土体对堵头的作用力使得堵头封闭筒体，此时第一通道内的压力不再变化，为静水压力；

观测：当波浪、地震及其它荷载作用时，沉积物中的压力发生改变，但第一通道内仍然等于静水压力，此时压差传感器的检测值即为荷载附加于沉积物中的压力值。