CN113006031B - 一种三维立体海底孔压静力触探设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维立体海底孔压静力触探设备，包括延展式探杆A和中控式锚杆B，中控式锚杆B实现对延展式探杆A的控制，延展式探杆A包括从下至上依次连接多节探杆本体，最下端探杆本体的顶部沿周向设置有若干固定套层，固定套层呈锥形；次下端的探杆本体的底部侧壁上沿其周向设置有若干侧向延展探头，侧向延展探头为圆锥形外形，采用可变形式材料，次下端的侧向延展探头的自由端延伸至最下端探杆本体的固定套层中实现对其的限位，同理，其他探测本体之间采用固定套层和侧向延展探头的配合连接关系；本方案通过对侧向延展探头的结构及控制设计，实现多维度同时监测，对于研究海洋地质灾害规律、海底矿产开发等具有极大的参考意义和应用价值。

Description

一种三维立体海底孔压静力触探设备

技术领域

本发明属于海洋地质原位监测领域，具体涉及一种三维立体海底孔压静力触探设备。

背景技术

孔隙水压力作为反映海床沉积物特征的敏感指标，具有理论研究、工程安全、灾害监控、资源开发等方面的意义。深海孔隙水压力包括静孔压和超孔压，作用于微粒和孔隙之间，可以应用于研究荷载条件与土体性质条件响应规律；通过孔压的长期监测数据分析土性的变化，以评估工程扰动对海床稳定性的影响；通过研究海底液化、滑坡、地震引起的崩塌等灾害发生过程与沉积物孔压之间的响应规律，对海洋地质灾害的发生进行监测；辅助探究水合物分解、麻坑形成的过程机制，分析资源开发对海床稳定性的影响；探究孔压变化与沉积物强度之间的对应规律，进而对海底矿物的有效开采进行指导。

目前国际上关于孔压监测的技术主要有压差式测量方式，现有的测量设备通过光纤光栅式压差传感器与测量探杆量程保护装置及后期数据修正处理设备相互配合，已经能够较为精确的监测给定位置的孔压。但由于测量位点单一，导致测量结果只能较为片面的反映出局部某一点的海底孔压，而无法全方位的对某一区域的多层位孔压进行检测，导致测量后的结果分析不够全面。目前的解决方法可以采用将探杆调整位置后多次测量，但又会出现探杆本身对土体扰动进而影响测量结果。

发明内容

本发明针对现有技术中测量点位单一，需要调整探杆位置进行多次测量才能获得多层位孔压所存在的缺陷，提出一种三维立体海底孔压静力触探设备，能够实现不同水平梯度不同方位孔隙水压力同步测量，为孔压的确定提供更为精确全面的技术指导。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种三维立体海底孔压静力触探设备，包括延展式探杆和中控式锚杆，延展式探杆中间为中空结构，中控式锚杆设置在延展式探杆的内部，以实现对延展式探杆的控制；

所述延展式探杆包括从下至上依次连接的多节探杆本体，最下端的探杆本体的底部设置有探测锥头，最下端的探杆本体的顶部沿其周向设置有若干个固定套层，所述固定套层呈锥形；次下端的探杆本体的底部沿其周向设置有与最下端探杆本体上固定套层配合的侧向延展探头，侧向延展探头的端部为锥形，通过固定套层限位；其他相邻的探杆本体之间同样通过固定套层和侧向延展探头的配合实现连接；

所述中控式锚杆包括两根连接细杆，两根连接细杆之间设置有固定连杆，连接细杆的一端通过轴承铰接连接，并在连接细杆的端部之间设置弹簧系统和分级按钮，所述弹簧系统设置在两根连接细杆之间，分级按钮设置在一侧连接细杆的外侧并与其固定连接；两根连接细杆上还设置有卡锁装置，所述固定连杆上设置有与卡锁装置配合的卡座，所述固定连杆采用分段设计，段数与探杆本体节数一致，且在每段固定连杆上均设置有卡座；所述固定连杆上设置有固定杆，固定杆与对应节的探杆本体固定连接，实现相应段的固定连杆与对应节的探杆本体的固定连接。

进一步的，所述侧向延展探头采用可变形材料制作，侧向延展探头的一端与探杆本体固定连接，另一端为自由端，自由端延伸至其下方探杆本体上的固定套层中进行限位；在侧向延展探头与探杆本体之间设置有弹性体，在固定套层的限位作用下，弹性体处于压缩状态。

进一步的，所述分级按钮包括N级独立的嵌套圆台，所述N的数量与探杆本体的节数一致，且每一级嵌套圆台按下时，仅释放一节探杆本体。

进一步的，所述分级按钮包括固定壳、推杆、齿轮和滑杆，推杆和齿轮设置在固定壳内，滑杆设置在固定壳的一侧，推杆和滑杆上设置有与齿轮啮合的齿纹，滑杆的一端固定在连接细杆的外侧，齿轮设置在滑杆上，推杆与滑杆垂直且同样与齿轮啮合，滑杆上设置一标记位，在固定壳上设置多个分级标号，所述分级标号的数量与探杆本体的节数一致。

进一步的，所述卡座采用圆台状结构设计，且圆台的下底面面积小于上顶面面积，两根连接细杆上的卡锁装置之间形成与卡座外轮廓适配的卡座容纳空间，以对卡座进行固定。

进一步的，所述弹性体采用弹簧或橡胶材质。

进一步的，所述固定套层采用与延展式探杆材质相一致的不锈钢。

进一步的，所述侧向延展探头采用ABS树脂

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案克服传统触探仪设计思路，采用侧向可推出式探测锥头与中控锚杆设计方式，适用于海底软土、黏性土、粉土、砂土的工程地质勘察，可测量一定区域内垂直方向上多个水平剖面的锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力等参数，实现多深度多方位的探测，弥补了原有设备装置测量单一的不足，同时可用于监测不同水平剖面的孔压变化，提高了测量精度并给予一定范围内土体综合分析的基础测量条件，使随后的对土质的分析更加完善；且本方案设备实现简单，可以实现多维度同时监测，能为海洋工程节省成本，对于研究海洋地质灾害规律、海底矿产开发等具有极大的参考意义和实际应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例所述触探设备的整体结构示意图；

图2为本发明实施例所述中控式锚杆的结构示意图；

图3为本发明实施例最下端的探杆本体的结构示意图；

图4为本发明实施例所述第二探杆本体的结构示意图；

图5为图4的剖视结构示意图；

图6为本发明实施例所述分级按钮部分结构示意图；

图7为本发明实施例所述卡锁装置部分局部结构示意图；

图8为本发明实施例分级按钮的另一实现方式的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

本发明提出一种三维立体海底孔压静力触探设备，是在传统光纤光栅压差式电测静力触探仪的基础上进行改进设计，触探仪及相关光纤光栅压差式传感器的探测原理均为现有技术，在此不做重点阐述，仅对如何实现三维立体触探的结构改进部分进行说明。

如图1所示，本实施例所提出的三维立体海底孔压静力触探设备包括延展式探杆A和中控式锚杆B，延展式探杆A中间为中空结构C，中控式锚杆B设置在延展式探杆A的内部；所述延展式探杆A由多段探杆本体依次连接组成，最下端的探杆本体上设置有探测锥头1。

本实施例中，所述延展式探杆A包括从下至上依次连接的第一探杆本体11、第二探杆本体12和第三探杆本体13，探测锥头11设置在最下端的第一探杆本体11上，如图3所示，第一探杆本体11的顶部沿周向设置有若干固定套层2，所述固定套层2呈锥形；继续参考图4和图5，所述第二探杆本体12的底部侧壁上沿其周向设置有若干侧向延展探头3(比如采用光纤光栅压差式传感器)，本实施例中，每一节探测本体上的侧向延展探头3的数量优选4个，侧向延展探头3为圆锥形外形，采用可变形式材料(比如可变形ABS塑料、橡胶等材质)，侧向延展探头3的一端与第二探杆本体12固定连接，另一端为自由端，且在侧向延展探头3与第二探杆本体12之间设置有弹簧4(也可以采用具有弹性的其他材质，比如，橡胶)，第二探杆本体12上的侧向延展探头3的自由端延伸至第一探杆本体11顶部的固定套层2中实现对其的限位，在固定套层2的限位作用下，弹簧4初始状态为压缩状态，当解除固定套层2对侧向延展探头3的限位后，弹簧4给予侧向延展探头3一个向外伸张的趋势，结合后期操作过程中向下的压力，使得在后续探测时侧向延展探头可以顺利横向延展伸出，实现多方位探测。

同理，在第二探杆本体12的顶端沿其周向设置有若干固定套层2，在第三探杆本体13的底端沿其周向设置有若干侧向延展探头3，通过侧向延展探头3与固定套层2的限位方式实现相邻探杆本体的连接，本实施例以3段探杆本体为例进行介绍，具体应用时，可根据实际需要增加或减少探杆本体的段数，其基本原理是相同的，即侧向延展探头位于每部分可分离的探杆本体的底端，由下一部分的探杆本体顶端的固定套层固定，其他情况在此不做赘述。

如图2和图6所示，所述中控式锚杆B包括两根连接细杆6，两根连接细杆6之间设置有固定连杆10，连接细杆6的一端通过轴承7铰接连接，并在连接细杆6的端部之间设置弹簧系统8和分级按钮9，所述弹簧系统8设置在两根连接细杆6中间，分级按钮9设置在一侧连接细杆6的外侧并与其固定连接，两根连接细杆6上还设置有卡锁装置5，所述固定连杆10上设置有与卡锁装置5配合的卡座101，所述固定连杆10采用分段设计，段数与探杆本体段数一致，且在每段固定连杆10上均设置有卡座101，所述固定连杆10上设置有固定杆102，固定杆102插入探杆本体内侧壁上的孔槽111内，实现相应段的固定连杆10与对应段的探杆本体的固定连接，这样在释放某段固定连杆10时，实现对对应段的探杆本体的释放。

本实施例中，分级按钮9设置了的三个等级(与探杆本体所分段数相一致)，其直接与连接细杆6连接，间接作用于弹簧系统8，分级按钮9采用三个相互独立的嵌套圆台，如图6所示，圆台采用微变型的材料，最上端按钮按下时卡入中间的圆台中，实现对弹簧系统8的第一次压缩，此时，连接细杆6最下端的角度张开使得最下端的卡锁装置5与卡座101分离，上提触探设备，使第一探杆本体11在重力作用下得到释放，则第二探杆本体12上的侧向延伸探头3脱离固定套层2的束缚，在弹簧作用下侧向延伸；同理，按下中间的圆台，其被压入并卡在下一级的圆台内，进而依据同样原理，两根连接细杆6下端的张开角度变大，第二探杆本体12得到释放，则第三探杆本体13上的侧向延伸探头3脱离固定套层2的束缚，实现侧向延伸，每个每个分级按钮的不同等级分别控制压入的深度，进而控制连接细杆的张开程度，从而实现探杆自下而上的不同时脱落。当压入等级不同时，所对应弹簧系统的伸长量不同，相应的连接细杆的张开程度也不同，这样就可以对细杆的张开程度继续控制。

如图7所示，所述卡锁装置5初始状态为闭合状态，通过与卡座101的配合实现对固定连杆10的固定，固定连杆10又与探杆本体部分相连，进而使触探设备初始为一个整体。当想要使下部探杆本体与整体分离时，通过按压分级按钮使两根连接细杆6上端距离缩小，其下部之间距离变大，且其下部的张开距离从下至上依次变小，最下端的探杆首先获得释放，即首先最下端的第一探杆本体释放，随着分级按钮在此按下，第二探杆本体释放，进而最后实现所有探杆的释放；从图7可以看出，所述卡锁装置5与卡座101设计形式，此处采用圆台状设计，且圆台的下底面面积小于上顶面面积(上下位置关系以图示所示方向为准)，两根连接细杆6上的卡锁装置5之间形成与卡座101外轮廓适配的卡座容纳空间，以对卡座101进行固定，但具体实施时，并不限于此，确保中控式锚杆与延展式探杆连接为一个整体且能够释放即可。

再次解释一下，所述连接细杆6贯穿于整个延展式探杆，由于连接细杆是受从上而下控制以上部轴承为基准点，所以当上部分级按钮发出张开指令时，下部细杆率先张开，使得下部固定连杆率先最下端的第一探杆本体脱落，第二探杆本体上的侧向延展探头则脱离了固定套层的束缚，在向上阻力及弹簧的作用下侧向弹出，同理，实现对第二探杆本体和第三探杆本体等的释放。

所述轴承7起到一个压力方向转换的作用，使得当下部连接细杆6需要一个水平向外的位移时，可以通过轴承转换为需要一个水平向内的位移进行反作用，弹簧系统8初始处于压缩状态，使整个中控式锚杆部分保持完整锁死性。当给予弹簧系统一个外部压力时，弹簧系统收缩导致轴承上部的杠杆进行水平向内的位移，再进一步通过轴承转换为水平向外的位移，进而使下部探杆脱落，弹簧系统8的两端与连接细杆6相连，位于连接细杆的内部，直接作用于细杆，初始状态为微压缩状态，给细杆提供一个向外伸张的力使细杆上部扩张、下部缩进，进而使卡锁装置保持闭合状态，分级按钮9设置在细杆的一侧，当分级按钮按下时会不同程度的使弹簧系统压缩，当其长度变化时会连带着连接细杆以轴承为基准点动作，进而释放不同层位的探杆。

另外，如图8所示，本实施例给出了分级按钮的另一实现方式，所述分级按钮9包括固定壳、推杆91、齿轮92和滑杆93，推杆91和齿轮92设置在固定壳内，滑杆93设置在固定壳的一侧(为方便理解，图8中省略固定壳)，推杆91和滑杆93上设置有与齿轮92啮合的齿纹，滑杆93的一端固定在连接细杆6的外侧，齿轮92设置在滑杆93上，推杆91与滑杆93垂直且同样与齿轮92啮合，最当将推杆91向下推动时，其将带动齿轮92转动，进而带动滑杆93推动压缩弹簧系统8，实现推动推杆91即可使弹簧系统压缩，而根据推动推杆91的深度不同，导致弹簧系统的压缩量不同，进而实现对不同节探杆本体的释放，为了方便实现对不同段的探杆本体的释放，在固定壳上设置分级标号，比如，滑杆93上设置一标记位，当标记位滑动至一级标号时，最下端探杆本体释放，依次类推，而具体怎么设计分级标号，其原理同另一分级按钮原理，可根据有限次试验，根据数学推导，在此不作为重点。

另外，本实施例中，所述探测锥头11采用镍铜合金，具有高强度、耐腐蚀性和无磁性等效能，既能保证在装置贯入过程中的稳定，又能避免贯入后的装置腐蚀与磁电性对探测结果的影响，保证装置贯入的连续性与准确性；固定套层2采用与延展式探杆自身相一致的不锈钢，用于在探杆整体贯入的过程中固定侧向延展探头防止其钻进土层，当进入一定深度后，通过中控式锚杆控制使侧向延展探头与固定套层分离，进而进行后续的操作。侧向延展探头3采用ABS树脂，该材料具有强度高、韧性好、易于加工成型、表面光洁等特点，当延展式探杆向下推入时，由于侧向延展探头已经部分插入土中，土体会给予侧向延展探头一个向上的阻力，由于侧向延展探头仅上部与探杆相连且具有较大韧性，所以在弹出装置的水平弹力和向上阻力的共同作用下整个侧向延展探杆会张开并被推入土体中。

本方案中，延展式探杆部分与中控式锚杆部分的协作均以纯物理手段进行，过程中无磁电等变化的干扰，保证土壤孔压监测的可靠性；该触探设备通过设置多级分离，每层设置多方向侧向延展探杆，实现了一定区域内多方向多深度的孔压监测同时开展，且现有装置本身已实现时间上的连续观测，致使改进后的本方案可以进行时间空间的连续观测，使观测更为精确；该方案实现原理简单，且成本极低，方便进行大规模开发利用。

具体使用时，将触探设备通过加持手贯入深海土体，此时装置尚为一个整体，与目前所有的压差式贯入探杆操作方式相同；随后按下分级按钮9，使弹簧系统8压缩，轴承7上部水平距离缩短，通过轴承7转换到下部使连接细杆6间水平距离增大；

由于连接细杆6下部距离轴承7的轴心较远，导致其转动路径大于上部距离转动路径，当下部细杆6向外转动时，牵引着卡锁装置5向外张开，使原本由于空间闭合而被卡住的最下端的第一探杆本体11与整体脱离；

通过加持手将整个触探设备提起至侧向延展探头3与固定套层2脱出，在重力作用的影响下，下部探杆保持原位不同，上部探杆上移，实现了两者脱离；

脱离后相应的侧向延展探头从固定套层脱出，再将已分离的上部探杆视为一个整体贯入；

上部探杆向上拉起的过程中，由于弹出式装置4弹力微弱，且两侧土壁给予侧向延展探头一个聚拢的趋势，导致在上拉过程中侧向延深式探头会凝聚在主探杆附近；

将上部探杆向下压入时，由于弹出式装置给出一个侧向的力，使得侧向延展探头有一个向外张出的趋势，在压入过程中，由于土的延阻作用，使侧向延深式探头向四周不断张开插入土体，当完全张开时可将探杆定于该位置；

再按下分级按钮，继续进行上述操作，最后使所有探头都打开，便可以开始进行监测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种三维立体海底孔压静力触探设备，其特征在于，包括延展式探杆(A)和中控式锚杆(B)，延展式探杆(A)中间为中空结构(C)，中控式锚杆(B)设置在延展式探杆(A)的内部，以实现对延展式探杆(A)的控制；

所述延展式探杆(A)包括从下至上依次连接的多节探杆本体，最下端的探杆本体的底部设置有探测锥头(1)，最下端的探杆本体的顶部沿其周向设置有若干个固定套层(2)，所述固定套层(2)呈锥形；次下端的探杆本体的底部沿其周向设置有与最下端探杆本体上固定套层(2)配合的侧向延展探头(3)，侧向延展探头(3)的端部为锥形，通过固定套层(2)限位；其他相邻的探杆本体之间同样通过固定套层(2)和侧向延展探头(3)的配合实现连接；

所述中控式锚杆(B)包括两根连接细杆(6)，两根连接细杆(6)之间设置有固定连杆(10)，连接细杆(6)的一端通过轴承(7)铰接连接，并在连接细杆(6)的端部之间设置弹簧系统(8)和分级按钮(9)，所述弹簧系统(8)设置在两根连接细杆(6)之间，分级按钮(9)设置在一侧连接细杆(6)的外侧并与其固定连接；两根连接细杆(6)上还设置有卡锁装置(5)，所述固定连杆(10)上设置有与卡锁装置(5)配合的卡座(101)，所述固定连杆(10)采用分段设计，段数与探杆本体节数一致，且在每段固定连杆(10)上均设置有卡座(101)；所述固定连杆(10)上设置有固定杆(102)，固定杆(102)与对应节的探杆本体固定连接，实现相应段的固定连杆(10)与对应节的探杆本体的固定连接。

2.根据权利要求1所述的三维立体海底孔压静力触探设备，其特征在于：所述侧向延展探头(3)采用可变形材料制作，侧向延展探头(3)的一端与探杆本体(12)固定连接，另一端为自由端，自由端延伸至其下方探杆本体上的固定套层(2)中进行限位；在侧向延展探头(3)与探杆本体之间设置有弹性体，在固定套层(2)的限位作用下，弹性体处于压缩状态。

3.根据权利要求1或2所述的三维立体海底孔压静力触探设备，其特征在于：所述分级按钮(9)包括N级独立的嵌套圆台，所述N的数量与探杆本体的节数一致，且每一级嵌套圆台按下时，仅释放一节探杆本体。

4.根据权利要求1或2所述的三维立体海底孔压静力触探设备，其特征在于：所述分级按钮(9)包括固定壳、推杆(91)、齿轮(92)和滑杆(93)，推杆(91)和齿轮(92)设置在固定壳内，滑杆(93)设置在固定壳的一侧，推杆(91)和滑杆(93)上设置有与齿轮(92)啮合的齿纹，滑杆(93)的一端固定在连接细杆(6)的外侧，齿轮(92)设置在滑杆(93)上，推杆(91)与滑杆(93)垂直且同样与齿轮(92)啮合，滑杆(93)上设置一标记位，在固定壳上设置多个分级标号，所述分级标号的数量与探杆本体的节数一致。

5.根据权利要求1所述的三维立体海底孔压静力触探设备，其特征在于：所述卡座(101)采用圆台状结构设计，且圆台的下底面面积小于上顶面面积，两根连接细杆(6)上的卡锁装置(5)之间形成与卡座(101)外轮廓适配的卡座容纳空间，以对卡座(101)进行固定。

6.根据权利要求2所述的三维立体海底孔压静力触探设备，其特征在于：所述弹性体采用弹簧或橡胶材质。

7.根据权利要求1所述的三维立体海底孔压静力触探设备，其特征在于：所述固定套层(2)采用与延展式探杆材质相一致的不锈钢。

8.根据权利要求1所述的三维立体海底孔压静力触探设备，其特征在于：所述侧向延展探头(3)采用ABS树脂。

Images