CN114019136B - 地层物化性质监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地质原位监测领域，特别是一种地层物化性质监测设备。包括底部钻头部和数个分层钻头部，底部钻头部和数个分层钻头部之间通过中央连接杆依次连接；所述底部钻头部包括底部总钻探头、外壳和外滑轨，外壳的底部固定连接有底部总钻探头，外壳的顶部间隔固定连接有数个外滑轨，相邻两外滑轨之间存在间隙，外滑轨的底部与外壳固定连接，外滑轨的顶部固定有朝向外壳方向的上卡扣，外壳的中心沿其轴向设有中心盲孔，中心盲孔的底部固定有底部插槽，底部插槽与中央连接杆的底部固定连接。其实现了在同一时刻针对不同深度、不同方向的土体进行物化性质监测，从而可以得到实时、立体的数据网，为地层的研究提供全面、详尽、连续的数据。

Description

地层物化性质监测设备

技术领域

本发明涉及地质原位监测领域，特别是一种可检测多个不同层位不同方向的地层物化性质监测设备。

背景技术

地层的物化性质包括酸碱度、孔隙水压力、Eh(氧化还原电位)、土体温度、土体性质等。以孔隙水为例，孔隙水压力是土体中由孔隙水所承担或传递的压力，原位孔隙水压力观测可以反映土体性质特征，能够有效的反映动力地质过程，在工程运作、科学实践、资源开发、灾害机理研究方面具有不容小觑的作用。所以研究孔压具有重要的意义与必要性。

目前国际较为先进的孔压测量技术有压差式光纤传感器测量方式，能够对测点位置进行详实有效的监测。但由于该技术手段只能在某一时刻单点测定，导致无法对该区域土体进行全方位的数据测定与结果分析。而目前解决此类问题的方式通常采用多次插拔的方式，使感应探头处于不同的位置，以此测定不同位置的孔压，但在多次插拨的过程中，土体已经经受了扰动，导致测量结果与实际的数据结果之间有一定的出入。

另外，现有的地层物化性质监测探杆的监测区域较为局限，无法在某一时刻实现对测量区域实现立体的监测，导致后续分析不具有连续全面性，无法整体的研究该区域的孔压分布与性质。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种地层物化性质监测设备，其实现了在同一时刻针对不同深度、不同方向的土体进行物化性质监测，从而可以得到实时、立体的数据网，为地层的研究提供全面、详尽、连续的数据。

本发明的技术方案是：一种地层物化性质监测设备，其中，包括底部钻头部和数个分层钻头部，底部钻头部和数个分层钻头部之间通过中央连接杆依次连接，底部钻头部与中央连接杆的底部固定连接，数个分层钻头部依次连接在中央连接杆的外部；

所述底部钻头部包括底部总钻探头、外壳Ⅰ和外滑轨Ⅰ，外壳Ⅰ的底部固定连接有底部总钻探头，外壳Ⅰ的顶部间隔固定连接有数个外滑轨Ⅰ，相邻两外滑轨Ⅰ之间存在间隙，外滑轨Ⅰ的底部与外壳Ⅰ固定连接，外滑轨Ⅰ的顶部固定有朝向外壳Ⅱ方向的上卡扣Ⅰ，外壳Ⅰ的中心沿其轴向设有中心盲孔，中心盲孔的底部固定有底部插槽，底部插槽与中央连接杆的底部固定连接；

所述分层钻头部包括外壳Ⅱ、外滑轨Ⅱ、内滑轨和侧向钻探头，外壳Ⅱ的顶部间隔固定有数个外滑轨Ⅱ，相邻两外滑轨Ⅱ之间存在间隙，外滑轨Ⅱ的底部与外壳Ⅱ固定连接，外滑轨Ⅱ的顶部朝向外壳Ⅱ的方向固定有上卡扣Ⅱ，外壳Ⅱ的底部间隔固定有数个侧向钻探头，相邻两侧向钻探头之间存在间隙，相邻两侧向钻探头的上部之间固定连接有内滑轨，内滑轨与外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ之间呈对应设置，内滑轨的外径小于外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ的内径，且内滑轨位于其下方的分层钻头部的外滑轨Ⅱ/底部钻头部的外滑轨Ⅰ的内侧，侧向钻探头的外表面表面高于内滑轨的外表面，从而在相邻两内滑轨之间形成限位凸起，内滑轨的顶端与外壳Ⅱ的底部表面固定连接，内滑轨的底部边缘固定有下卡扣，下卡扣与上卡扣Ⅰ或上卡扣Ⅱ之间呈对应设置，且下卡扣的外径大于上卡扣Ⅰ或上卡扣Ⅱ的内径；

所述侧向钻探头为柔性杆，侧向钻探头的顶部与外壳Ⅱ的底部固定连接，侧向钻探头的下端分别位于其下方的相邻两外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ之间的间隙内，外壳Ⅰ上对应相邻两外滑轨Ⅰ之间和外壳Ⅱ上对应相邻两外滑轨Ⅱ之间的间隙底部的位置处分别设有向外导向的弧形导向槽；

所述中央连接杆依次穿过底部钻头部和各分层钻头部的中心，中央连接杆的中下部设有可伸缩杆，中央连接杆上沿其长度方向间隔设置数个可伸缩凸起，对应的分层钻头部的外壳Ⅱ或内滑轨的内表面固定有侧向插槽。

本发明中，所述外壳Ⅰ或外壳Ⅱ的外形呈圆柱形，外滑轨Ⅰ沿外壳Ⅰ顶部表面的圆周边缘均匀间隔设置，外滑轨Ⅱ沿外壳Ⅱ顶部表面的圆周边缘均匀间隔设置，侧向钻探头沿外壳Ⅱ底部表面的圆周边缘均匀间隔设置。

所述限位凸起的外径大于外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ的外径。当外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ沿内滑轨上下滑动的过程中，限位凸起对外滑轨起到了限位作用，使外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ和内滑轨之间只能沿竖直方向相对运动，不能做水平方向的运动。

所述侧向钻探头采用ABS树脂制成，ABS树脂具有强度高、韧性好、易于加工成型、表面光洁等优点。

所述弧形导向槽的呈上宽下窄状，侧面为弧形。

所述可伸缩凸起为成对设置，沿中央连接杆的轴向设有数对可伸缩凸起，对应的在外壳Ⅱ或内滑轨的内表面对称设置有两侧向插槽。

所述可伸缩凸起与气缸连接，通过气缸控制可伸缩凸起的伸出或收回，从而实现中央连接杆与分层钻头部之间的连接或分离。

所述沿中央连接杆轴向的各层可伸缩凸起之间沿中央连接杆的周向交错设置，通过交错设置可以保证整个中央连接杆的受力较为均衡，防止整套设备只在同一垂向位置叠加虚弱区从而导致其强度降低。

本发明的有益效果是：

该设备采用了在竖直方向设置多层位监测探头和在每层位设置数个可侧向向外伸出的侧向钻探头相结合的结构形式，实现了对指定区域的孔压进行只需一次贯入、且能够长期立体监测的效果，可以在同一时刻对不同深度、不同方位的土体进行物化性质监测，得到实施立体的数据网，为地层的研究提供更为全面相近连续的数据。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是底端钻头部的剖视结构示意图；

图3是分层钻头部的结构示意图；

图4是分层钻头部的剖视结构示意图；

图5是中央总连接杆的结构示意图；

图6是该装置处于工作状态的结构示意图。

图中：1底部总钻探头；2外壳Ⅱ；3上卡扣Ⅱ；4侧向钻探头；5下卡扣；6内滑轨；7外滑轨Ⅱ；8弧形导向槽；9中央连接杆；10可伸缩凸起；11底部插槽；12侧向插槽；13可伸缩杆；14限位凸起。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明所述的地层物化性质监测设备包括底部钻头部和数个分层钻头部，底部钻头部和数个分层钻头部之间通过中央连接杆9依次连接，底部钻头部位于中央连接杆9的底部，数个分层钻头部依次连接在中央连接杆9的外部。

如图2所示，底部钻头部包括底部总钻探头1、外壳Ⅰ和外滑轨Ⅰ，外壳Ⅰ的底部固定连接有底部总钻探头1，在整个设备贯入地层的过程中，底部总钻探头1起到了钻进作用。外壳Ⅰ的顶部间隔固定连接有数个外滑轨Ⅰ，数个外滑轨Ⅰ之间存在间隙，外滑轨Ⅰ的底部与外壳Ⅰ固定连接，外滑轨Ⅰ的顶部固定有朝向外壳Ⅱ方向的上卡扣Ⅰ。本实施例中外壳Ⅰ的外形呈圆柱形，外滑轨Ⅰ沿外壳Ⅰ顶部表面的圆周边缘均匀间隔设置。外壳Ⅰ的中心沿其轴向设有中心盲孔，以便于中央连接杆9插入外壳Ⅰ的中心盲孔内。中心盲孔的底部固定有底部插槽11，底部插槽11的内表面与中央连接杆9的外表面之间呈过盈配合，因此当中央连接杆9的底部插入底部插槽11内后，通过过盈配合实现了中央连接杆9与底部插槽11之间的固定连接，从而实现了底部钻头部与中央连接杆9之间的固定连接。

本实施例中，底部总钻探头1采用镍铜合金制成，具有高强度、耐腐蚀性和无磁性等性能，既能保证盖该设备在贯入过程中的稳定性与准确性，又能避免贯入后的装置腐蚀与磁电作用对探测结果的影响。

如图3和图4所示，分层钻头部包括外壳Ⅱ2、外滑轨Ⅱ7、内滑轨6和侧向钻探头4，外壳Ⅱ2的顶部间隔固定有数个外滑轨Ⅱ7，相邻两外滑轨Ⅱ7之间存在间隙，外滑轨Ⅱ7的底部与外壳Ⅱ2固定连接，外滑轨Ⅱ7的顶部朝向外壳Ⅱ2的方向固定有上卡扣Ⅱ3。外壳Ⅱ2的底部间隔固定有数个侧向钻探头4，相邻两侧向钻探头4之间存在间隙。外滑轨Ⅱ7与侧向钻探头4之间呈交替设置，即各侧向钻探头4恰好位于相邻两外滑轨之间的间隙所对应的位置处，同时分层钻头部的外滑轨Ⅱ7和底部钻头部的外滑轨Ⅰ恰好位于相邻两侧向钻探头4之间的间隙所对应的位置处。本实施例中外壳Ⅱ2的外形呈圆柱形，外滑轨Ⅱ7沿外壳Ⅱ顶部表面的圆周边缘均匀间隔设置，侧向钻探头4沿外壳Ⅱ底部表面的圆周边缘均匀间隔设置。

相邻两侧向钻探头4的上部之间固定连接有内滑轨6，内滑轨6与外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ7对应设置，内滑轨6的外径小于外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ7的内径，且内滑轨6位于其下方的分层钻头部的外滑轨Ⅱ7/底部钻头部的外滑轨Ⅰ的内侧。侧向钻探头4的外表面表面高于内滑轨6的外表面，因此在相邻两内滑轨6之间形成限位凸起14，限位凸起14的外径大于外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ7的外径。当外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ7沿内滑轨6上下滑动的过程中，限位凸起14对外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ7起到了限位作用，使外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ7和内滑轨6之间只能沿竖直方向相对运动，不能做水平方向的运动。内滑轨6的顶端与外壳Ⅱ2的底部表面固定连接，内滑轨6的底部圆周边缘固定有下卡扣5，下卡扣5与上卡扣Ⅰ或上卡扣Ⅱ3呈对应设置，且下卡扣5的外径大于上卡扣Ⅰ或上卡扣Ⅱ3的内径，当上卡扣Ⅰ或上卡扣Ⅱ3运动至下卡扣5处时，下卡扣5对上卡扣Ⅰ或上卡扣Ⅱ3起到了限位作用，使上卡扣Ⅰ或上卡扣Ⅱ3无法继续向下运动，保证了内滑轨6和外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ7之间在一定范围内相对运动。

侧向钻探头4的顶部与外壳Ⅱ2的底部固定连接，侧向钻探头4的底部为自由端，侧向钻探头4的下端分别位于其下方的相邻两外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ7之间的间隙内。侧向钻探头4为柔性杆，具有可弯折形，一般采用强度高、韧性好的材料制成。本实施例中，侧向钻探头4采用ABS树脂制成，其强度高、韧性好、易于加工成型、表面光洁。外壳Ⅰ上对应相邻两外滑轨Ⅰ之间和外壳Ⅱ2上对应相邻两外滑轨Ⅱ之间的间隙底部的位置处分别设有弧形导向槽8，弧形导向槽8的弧形导向槽呈上宽下窄状，侧面为弧形，具有向外导向型。由于侧向钻探头4具有可弯折形，当分层钻头部与其下方的分层钻头部/底层钻头部之间产生逼近运动时，侧向钻探头4逐渐向两外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ7间隙的下方运动，当侧向钻探头4的末端与间隙底部的弧形导向槽8之间产生挤压力时，在弧形导向槽8的导向作用下，侧向钻探头4向外壳2的外侧打开并插入土体中，如图6所示。

分层钻头部的中心设有中心孔，中央连接杆9依次穿过各分层钻头部并最终插入底部钻头部中。分层钻头部的外壳2或内滑轨6的内表面固定有侧向插槽12，通过侧向插槽12，实现了各分层钻头部与中央连接杆9之间的固定连接。

本实施例中设有两个分层钻头部，在实际工作过程中，分层钻头部的数量根据具体要求确定。若需要更多层位、更深土层、更多方位的信息，可以在同一分层钻头部内设置更多数量的侧向探头，以及在竖直方向上增设分层钻头部。

如图5所示，中央连接杆9的中下部设有可伸缩杆13，可伸缩杆13实现了中央连接杆9的长度可调：在压缩状态下，可伸缩杆13被压缩，中央连接杆9的长度变短；在外力的拉动作用下，可伸缩杆13被拉伸，中央连接杆9的长度变长。中央连接杆9上沿其长度方向间隔设置数个可伸缩凸起10，可伸缩凸起10与各分层钻头部的侧向插槽12之间呈对应设置。在外部控制下，可伸缩凸起10可伸出或收回，当可伸缩凸起10伸出至侧向插槽12内时，即可实现中央连接杆9与分层钻头部之间的固定连接。当可伸缩凸起10收回时，可伸缩凸起离开侧向插槽12，从而实现了中央连接杆9与分层钻头部之间的分离。

本实施例中，可伸缩凸起10为成对设置，即沿中央连接杆9的轴向设有数对可伸缩凸起10，对应的在外壳2或内滑轨6的内表面对称设置有两侧向插槽12，可伸缩凸起10可分别插入两侧向插槽12内。另外，可伸缩凸起10可以通过气缸控制，通过气缸的活塞杆实现伸缩凸起10的往复运动，从而实现中央连接杆9与分层钻头部之间的连接或分离。本实施例中，沿中央连接杆9轴向的各可伸缩凸起10的位置之间沿圆周方向呈交错设置，对应的在外壳Ⅱ2或内滑轨6内表面的侧向插槽12也呈交错设置。通过交错设置可以保证整个中央连接杆的受力较为均衡，防止整套设备只在同一垂向位置叠加虚弱区从而导致其强度降低。

该设备处于初始状态时，中央连接杆9的底部固定插入底部插槽11内，中央连接杆9与底部钻头部固定连接，同时中央连接杆9上的可伸缩凸起10插入对应的侧向插槽12内，实现了中央连接杆9与各分层钻头部之间的固定连接，此时底部钻头部与分层钻头部、以及相邻两分层钻头部之间的距离均为最大，且整个设备处于长度最长的状态。首先，将整个设备持续贯入土层内，贯入一定深度后，设备停止向下运动。然后，控制底部钻头部上方的分层钻头部的侧向插槽12内的可伸缩凸起10收回，中央连接杆9与该分层钻头部之间分离，使底部钻头部和分层钻头部之间可以发生相对运动，同时对中央连接杆9施加向下的压力，将可伸缩杆13进行压缩，在分层钻头部的自身重力和压力的双重作用下，分层钻头部向底层钻头部方向运动。由于侧向钻探头4为柔性杆，在底层钻头部和分层钻头部相互迫近的过程中，侧向钻探头4逐渐插入至底层钻头部的外滑轨Ⅰ之间的间隙底部并最终与间隙底部的弧形导向槽8接触，在弧形导向槽8的导向作用下，侧向钻探头4向外壳的外部弯折并逐渐插入周围的土体中，当分层钻头部的外壳下部与底层钻头部的顶部接触时，分层钻头部无法继续向下运动，此时侧向钻探头完全插入周围土体内，完成该层位的监测布设，此时将该层的可伸缩凸起10插入对应的侧向插槽12内，实现该分层钻头部与中央连接杆之间的固定连接。接下来，重复上述动作，依次完成各层位的监测布设，最终完成多层位多方向的地层海底物化性质监测设备的布放。

以上对本发明所提供的地层物化性质检测设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种地层物化性质监测设备，其特征在于：包括底部钻头部和数个分层钻头部，底部钻头部和数个分层钻头部之间通过中央连接杆（9）依次连接，底部钻头部与中央连接杆（9）的底部固定连接，数个分层钻头部依次连接在中央连接杆（9）的外部；

所述底部钻头部包括底部总钻探头（1）、外壳Ⅰ和外滑轨Ⅰ，外壳Ⅰ的底部固定连接有底部总钻探头（1），外壳Ⅰ的顶部间隔固定连接有数个外滑轨Ⅰ，相邻两外滑轨Ⅰ之间存在间隙，外滑轨Ⅰ的底部与外壳Ⅰ固定连接，外滑轨Ⅰ的顶部固定有朝向外壳Ⅱ方向的上卡扣Ⅰ，外壳Ⅰ的中心沿其轴向设有中心盲孔，中心盲孔的底部固定有底部插槽（11），底部插槽（11）与中央连接杆（9）的底部固定连接；

所述分层钻头部包括外壳Ⅱ（2）、外滑轨Ⅱ（7）、内滑轨（6）和侧向钻探头（4），外壳Ⅱ（2）的顶部间隔固定有数个外滑轨Ⅱ（7），相邻两外滑轨Ⅱ（7）之间存在间隙，外滑轨Ⅱ（7）的底部与外壳Ⅱ（2）固定连接，外滑轨Ⅱ（7）的顶部朝向外壳Ⅱ（2）的方向固定有上卡扣Ⅱ（3），外壳Ⅱ（2）的底部间隔固定有数个侧向钻探头（4），相邻两侧向钻探头（4）之间存在间隙，相邻两侧向钻探头（4）的上部之间固定连接有内滑轨（6），内滑轨（6）与外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ（7）之间呈对应设置，内滑轨（6）的外径小于外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ（7）的内径，且内滑轨（6）位于其下方的分层钻头部的外滑轨Ⅱ（7）/底部钻头部的外滑轨Ⅰ的内侧，侧向钻探头（4）的外表面表面高于内滑轨（6）的外表面，从而在相邻两内滑轨（6）之间形成限位凸起（14），内滑轨（6）的顶端与外壳Ⅱ（2）的底部表面固定连接，内滑轨（6）的底部边缘固定有下卡扣（5），下卡扣（5）与上卡扣Ⅰ或上卡扣Ⅱ（3）之间呈对应设置，且下卡扣（5）的外径大于上卡扣Ⅰ或上卡扣Ⅱ（3）的内径；

所述侧向钻探头（4）为柔性杆，侧向钻探头的顶部与外壳Ⅱ（2）的底部固定连接，侧向钻探头（4）的下端分别位于其下方的相邻两外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ（7）之间的间隙内，外壳Ⅰ上对应相邻两外滑轨Ⅰ之间和外壳Ⅱ（2）上对应相邻两外滑轨Ⅱ（7）之间的间隙底部的位置处分别设有向外导向的弧形导向槽（8）；

所述中央连接杆（9）依次穿过底部钻头部和各分层钻头部的中心，中央连接杆（9）的中下部设有可伸缩杆（13），中央连接杆（9）上沿其长度方向间隔设置数个可伸缩凸起（10），对应的分层钻头部的外壳Ⅱ（2）或内滑轨（6）的内表面固定有侧向插槽（12）。

2.根据权利要求1所述的地层物化性质监测设备，其特征在于：所述外壳Ⅰ或外壳Ⅱ（2）的外形呈圆柱形，外滑轨Ⅰ沿外壳Ⅰ顶部表面的圆周边缘均匀间隔设置，外滑轨Ⅱ（7）沿外壳Ⅱ顶部表面的圆周边缘均匀间隔设置，侧向钻探头（4）沿外壳Ⅱ底部表面的圆周边缘均匀间隔设置。

3.根据权利要求1所述的地层物化性质监测设备，其特征在于：所述限位凸起（14）的外径大于外滑轨Ⅰ或外滑轨Ⅱ（7）的外径。

4.根据权利要求1所述的地层物化性质监测设备，其特征在于：所述侧向钻探头（4）采用ABS树脂制成。

5.根据权利要求1所述的地层物化性质监测设备，其特征在于：所述弧形导向槽（8）的呈上宽下窄状，侧面为弧形。

6.根据权利要求1所述的地层物化性质监测设备，其特征在于：所述可伸缩凸起（10）为成对设置，沿中央连接杆（9）的轴向设有数对可伸缩凸起（10），对应的在外壳Ⅱ（2）或内滑轨（6）的内表面对称设置有两侧向插槽（12）。

7.根据权利要求1所述的地层物化性质监测设备，其特征在于：所述可伸缩凸起（10）与气缸连接，通过气缸控制可伸缩凸起（10）的伸出或收回，从而实现中央连接杆（9）与分层钻头部之间的连接或分离。

8.根据权利要求1所述的地层物化性质监测设备，其特征在于：沿所述中央连接杆（9）轴向的各层可伸缩凸起（10）之间沿中央连接杆的周向交错设置。

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