CN115162313A - 一种海底动力触探装置及其工作方法 - Google Patents

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CN115162313A CN202210766222.9A CN202210766222A CN115162313A CN 115162313 A CN115162313 A CN 115162313A CN 202210766222 A CN202210766222 A CN 202210766222A CN 115162313 A CN115162313 A CN 115162313A
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Abstract

本发明提供了一种海底动力触探装置及其工作方法,包括自上而下依次为释放器、耐压仓、配重、探杆、探头和重锤，耐压舱的上部为固定缆绳的提头，耐压仓内部置有加速度传感器、采集系统电路板与电池，耐压仓外部为3片导流叶片；探头内部置有锥尖阻力传感器、侧壁阻力传感器以及孔隙水压力传感器，释放器通过线缆与重锤相连接，转钩中间为圆环，固定于释放器托盘上，线缆长度长于锥头到释放器顶部的距离。通过本发明的技术方案，静力触探参考值
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
与修正系数
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE004
为原位实测值，不需要经过原位取样后室内试验测试，克服了本项技术严重依赖于原位取样和室内试验的弊端。

Description

一种海底动力触探装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及海洋工程地质探测技术领域，具体而言，特别涉及一种海底动力触探装置及其工作方法。
背景技术
随着海洋工程的发展，对海底沉积物原位工程地质性质的需求升高，对原位测试结果的精度要求更高。目前海底沉积物工程地质性质原位测试方法主要有原位静力触探测试和动力触探测试，静力触探装置多搭载在巨大的平台或结构上，测试花费较大，不适用于大面积测试，且对海底前表层沉积物产生一定的扰动，使得数据产生一定误差；动力触探测试是通过获取原位样品后经室内静力触探测试，获取相应修正系数来计算沉积物的性质，这就导致了测试成本增加、数据精度降低，大大降低了工程应用价值。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种海底动力触探装置及其工作方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种海底动力触探装置，包括自上而下依次为释放器、耐压仓、配重、探杆、探头和重锤，耐压舱的上部为固定缆绳的提头，耐压仓内部置有加速度传感器、采集系统电路板与电池，电池固定于耐压舱内的底部，采集系统电路板固定于电池上，加速度传感器水平固定在采集系统电路板上，电池为装置所有传感器和电路板提供电源，耐压仓外部为3片导流叶片；
探头内部置有锥尖阻力传感器、侧壁阻力传感器以及孔隙水压力传感器，锥尖阻力传感器的下方为圆锥角为60°的锥头，探头的侧壁上设置有侧壁摩擦板通过L型传动轴与侧壁阻力传感器相连接，孔隙水压力传感器通过透水环与沉积物直接接触；
释放器通过线缆与重锤相连接，转钩中间为圆环，固定于释放器托盘上，线缆长度长于锥头到释放器顶部的距离。
作为优选方案，配重为多组中心镂空配重盘而成，其中心镂空为探头内部传感器连接耐压舱提供连接通道。
作为优选方案，线缆长度长于锥头到释放器顶部的距离5m，重锤重量和重锤到转钩中心水平距离的乘积大于装置重量和装置到转钩中心水平距离的乘积。
一种海底动力触探装置的工作方法,具体包括以下步骤：
S1、装配：将地质绞车的线缆绕过A架与重锤式脱钩器通过U型环链接，将动力触探装置上部的挂钩通过转环与脱钩器相连接，确保与重锤平衡，激活自由下落式触探仪内部传感器；
S2、贯入1：将贯入仪与脱钩器吊起，放置于水面上，并将绞车以1m/s的速度下放设备，当重锤触底时，脱钩器释放动力触探装置，装置通过自重获得贯入速度，然后贯入沉积物中，获得贯入过程中的加速度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、锥间阻力
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，孔隙压力
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，侧壁阻力
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
S3、贯入2：将绞车往上回收10m，然后停滞10分钟，随后将绞车设置为空挡模式，使贯入仪自由下落，再次贯入沉积物中，获得第二组加速度、贯入阻力、孔隙压力于侧壁阻力的原为数据；
S4、回收：回收装置，读取数据，然后清洗装置；
S5、速度和深度计算：通过对步骤S2、步骤S3中获得的两组加速度数据进行一重积分和二重积分，获得贯入过程中的速度和位移随时间的变化，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（2）
其中，v为速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为初始贯入速度，d为深度，t为时间；
S6、基准点确定：选取基准点，根据第二次贯入的贯入深度，选择基准深度，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为基准深度，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为第二次贯入的最大深度值；
S7、原位系数确定：通过步骤S6所得基准深度，根据两次贯入此深度处的速度与锥间阻力值根据以下方程组解得静力触探参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE022
与修正系数
Figure DEST_PATH_IMAGE024
：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
（4）
Figure DEST_PATH_IMAGE028
（5）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为一次贯入过程中在深度为z处的动锥尖阻力，为步骤S2所测得；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为深度为z处的第二次贯入过程中的锥间阻力为步骤S3所得，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为参考锥间阻力值，
Figure 764919DEST_PATH_IMAGE024
为修正系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
与
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为基准深度处第一次、第二次贯入的速度由公式1所得，
Figure 354164DEST_PATH_IMAGE014
为静力触探的贯入速度为0.02m/s。
S8、海底沉积物不排水抗剪强度值确定：将步骤S7所得静力触探参考值
Figure 806005DEST_PATH_IMAGE022
与修正系数
Figure 935635DEST_PATH_IMAGE024
带入以下公式得到海底沉积物不排水抗剪强度值：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
（6）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
沉积物的不排水抗剪强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
承载力系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为超孔隙压力，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为上覆土应力，大小为沉积物密度与深度的乘积，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
侧壁阻力。
本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：静力触探参考值
Figure 159461DEST_PATH_IMAGE022
与修正系数
Figure 654028DEST_PATH_IMAGE024
为原位实测值，不需要经过原位取样后室内试验测试，克服了本项技术严重依赖于原位取样和室内试验的弊端。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为耐压舱内部的结构示意图；
图3为探头内部的结构示意图，
其中，图1至图3中附图标记与部件之间的对应关系为：
1释放器，2转钩，3导流叶片，4耐压舱，5配重，6探杆，7探头，8重锤，9加速度传感器，10采集系统电路板，11电池，12侧壁摩擦板，13侧壁阻力传感器，14透水环，15孔隙水压力传感器，16锥尖阻力传感器，17锥头。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合图1至图3对本发明的实施例的海底动力触探装置及其工作方法进行具体说明。
如图1至图3所示，本发明提出了一种海底动力触探装置，包括自上而下依次为释放器1、耐压仓4、配重5、探杆6、探头7和重锤8，如图2所示，耐压舱4的上部为固定缆绳的提头，耐压仓4内部置有加速度传感器9、采集系统电路板10与电池11，电池11固定于耐压舱4内的底部，采集系统电路板10固定于电池11上，加速度传感器9水平固定在采集系统电路板10上，电池11为装置所有传感器和电路板提供电源，耐压仓外部为3片导流叶片3；配重5为多组中心镂空配重盘而成，其中心镂空为探头内部传感器连接耐压舱提供连接通道。
如图3所示，探头7内部置有锥尖阻力传感器16、侧壁阻力传感器13以及孔隙水压力传感器15，锥尖阻力传感器16的下方为圆锥角为60°的锥头17，探头7的侧壁上设置有侧壁摩擦板12通过L型传动轴与侧壁阻力传感器13相连接，孔隙水压力传感器15通过透水环14与沉积物直接接触；
释放器1通过线缆与重锤8相连接，转钩2中间为圆环，固定于释放器1托盘上，线缆长度长于锥头17到释放器1顶部的距离。线缆长度长于锥头17到释放器1顶部的距离5m，重锤8重量和重锤8到转钩2中心水平距离的乘积大于装置重量和装置到转钩2中心水平距离的乘积。
一种海底动力触探装置的工作方法,具体包括以下步骤：
S1、装配：将地质绞车的线缆绕过A架与重锤式脱钩器通过U型环链接，将动力触探装置上部的挂钩通过转环与脱钩器相连接，确保与重锤平衡，激活自由下落式触探仪内部传感器；
S2、贯入1：将贯入仪与脱钩器吊起，放置于水面上，并将绞车以1m/s的速度下放设备，当重锤触底时，脱钩器释放动力触探装置，装置通过自重获得贯入速度，然后贯入沉积物中，获得贯入过程中的加速度
Figure 452220DEST_PATH_IMAGE002
、锥间阻力
Figure 385540DEST_PATH_IMAGE004
，孔隙压力
Figure 460944DEST_PATH_IMAGE006
，侧壁阻力
Figure 251045DEST_PATH_IMAGE008
；
S3、贯入2：将绞车往上回收10m，然后停滞10分钟，随后将绞车设置为空挡模式，使贯入仪自由下落，再次贯入沉积物中，获得第二组加速度、贯入阻力、孔隙压力于侧壁阻力的原为数据；
S4、回收：回收装置，读取数据，然后清洗装置；
S5、速度和深度计算：通过对步骤S2、步骤S3中获得的两组加速度数据进行一重积分和二重积分，获得贯入过程中的速度和位移随时间的变化，计算公式如下：
Figure 739796DEST_PATH_IMAGE010
（1）
Figure 883332DEST_PATH_IMAGE012
（2）
其中，v为速度，
Figure 203455DEST_PATH_IMAGE014
为初始贯入速度，d为深度，t为时间；
S6、基准点确定：选取基准点，根据第二次贯入的贯入深度，选择基准深度，计算公式如下：
Figure 39824DEST_PATH_IMAGE016
（3）
其中，
Figure 15870DEST_PATH_IMAGE018
为基准深度，
Figure 494256DEST_PATH_IMAGE020
为第二次贯入的最大深度值；
S7、原位系数确定：通过步骤S6所得基准深度，根据两次贯入此深度处的速度与锥间阻力值根据以下方程组解得静力触探参考值
Figure 668885DEST_PATH_IMAGE022
与修正系数
Figure 410576DEST_PATH_IMAGE024
：
Figure 873919DEST_PATH_IMAGE026
（4）
Figure 483892DEST_PATH_IMAGE028
（5）
其中，
Figure 653973DEST_PATH_IMAGE030
为一次贯入过程中在深度为z处的动锥尖阻力，为步骤S2所测得；
Figure 160041DEST_PATH_IMAGE032
为深度为z处的第二次贯入过程中的锥间阻力为步骤S3所得，
Figure 641838DEST_PATH_IMAGE034
为参考锥间阻力值，
Figure 193517DEST_PATH_IMAGE024
为修正系数，
Figure 77160DEST_PATH_IMAGE036
与
Figure 754129DEST_PATH_IMAGE038
为基准深度处第一次、第二次贯入的速度由公式1所得，
Figure 598588DEST_PATH_IMAGE014
为静力触探的贯入速度为0.02m/s。
S8、海底沉积物不排水抗剪强度值确定：将步骤S7所得静力触探参考值
Figure 815943DEST_PATH_IMAGE022
与修正系数
Figure 22933DEST_PATH_IMAGE024
带入以下公式得到海底沉积物不排水抗剪强度值：
Figure 542907DEST_PATH_IMAGE040
（6）
其中，
Figure 264875DEST_PATH_IMAGE042
沉积物的不排水抗剪强度，
Figure 895708DEST_PATH_IMAGE044
承载力系数，
Figure 691626DEST_PATH_IMAGE046
为超孔隙压力，
Figure 507135DEST_PATH_IMAGE048
为上覆土应力，大小为沉积物密度与深度的乘积，
Figure 591766DEST_PATH_IMAGE050
侧壁阻力。
在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种海底动力触探装置，包括自上而下依次为释放器（1）、耐压仓（4）、配重（5）、探杆（6）、探头（7）和重锤（8），其特征在于,所述耐压舱（4）的上部为固定缆绳的提头，耐压仓（4）内部置有加速度传感器（9）、采集系统电路板（10）与电池（11），电池（11）固定于耐压舱（4）内的底部，采集系统电路板（10）固定于电池（11）上，加速度传感器（9）水平固定在采集系统电路板（10）上，耐压仓外部为3片导流叶片（3）；
所述探头（7）内部置有锥尖阻力传感器（16）、侧壁阻力传感器（13）以及孔隙水压力传感器（15），锥尖阻力传感器（16）的下方为圆锥角为60°的锥头（17），探头（7）的侧壁上设置有侧壁摩擦板（12）通过L型传动轴与侧壁阻力传感器（13）相连接，孔隙水压力传感器（15）通过透水环（14）与沉积物直接接触；
所述释放器（1）通过线缆与重锤（8）相连接，转钩（2）中间为圆环，固定于释放器（1）托盘上，线缆长度长于锥头（17）到释放器（1）顶部的距离。
2.根据权利要求1所述的一种海底动力触探装置,其特征在于,所述配重（5）为多组中心镂空配重盘而成。
3.根据权利要求1所述的一种海底动力触探装置,其特征在于,所述线缆长度长于锥头（17）到释放器（1）顶部的距离5m，重锤（8）重量和重锤（8）到转钩（2）中心水平距离的乘积大于装置重量和装置到转钩（2）中心水平距离的乘积。
4.如权利要求1-3所述的一种海底动力触探装置的工作方法,其特征在于,
具体包括以下步骤：
S1、装配：将地质绞车的线缆绕过A架与重锤式脱钩器通过U型环链接，将动力触探装置上部的挂钩通过转环与脱钩器相连接，确保与重锤平衡，激活自由下落式触探仪内部传感器；
S2、贯入1：将贯入仪与脱钩器吊起，放置于水面上，并将绞车以1m/s的速度下放设备，当重锤触底时，脱钩器释放动力触探装置，装置通过自重获得贯入速度，然后贯入沉积物中，获得贯入过程中的加速度
Figure 805035DEST_PATH_IMAGE002
、锥间阻力
Figure 253334DEST_PATH_IMAGE004
，孔隙压力
Figure 564229DEST_PATH_IMAGE006
，侧壁阻力
Figure 225018DEST_PATH_IMAGE008
；
S3、贯入2：将绞车往上回收10m，然后停滞10分钟，随后将绞车设置为空挡模式，使贯入仪自由下落，再次贯入沉积物中，获得第二组加速度、贯入阻力、孔隙压力于侧壁阻力的原为数据；
S4、回收：回收装置，读取数据，然后清洗装置；
S5、速度和深度计算：通过对步骤S2、步骤S3中获得的两组加速度数据进行一重积分和二重积分，获得贯入过程中的速度和位移随时间的变化，计算公式如下：
Figure 570548DEST_PATH_IMAGE010
（1）
Figure 927099DEST_PATH_IMAGE012
（2）
其中，v为速度，
Figure 459712DEST_PATH_IMAGE014
为初始贯入速度，d为深度，t为时间；
S6、基准点确定：选取基准点，根据第二次贯入的贯入深度，选择基准深度，计算公式如下：
Figure 189770DEST_PATH_IMAGE016
（3）
其中，
Figure 124228DEST_PATH_IMAGE018
为基准深度，
Figure 648750DEST_PATH_IMAGE020
为第二次贯入的最大深度值；
S7、原位系数确定：通过步骤S6所得基准深度，根据两次贯入此深度处的速度与锥间阻力值根据以下方程组解得静力触探参考值
Figure 668659DEST_PATH_IMAGE022
与修正系数
Figure 671250DEST_PATH_IMAGE024
：
Figure 725794DEST_PATH_IMAGE026
（4）
Figure 686797DEST_PATH_IMAGE028
（5）
其中，
Figure 194001DEST_PATH_IMAGE030
为一次贯入过程中在深度为z处的动锥尖阻力，为步骤S2所测得；
Figure 734704DEST_PATH_IMAGE032
为深度为z处的第二次贯入过程中的锥间阻力为步骤S3所得，
Figure 909333DEST_PATH_IMAGE034
为参考锥间阻力值，
Figure 510079DEST_PATH_IMAGE024
为修正系数，
Figure 504580DEST_PATH_IMAGE036
与
Figure 114553DEST_PATH_IMAGE038
为基准深度处第一次、第二次贯入的速度由公式1所得，
Figure 878109DEST_PATH_IMAGE014
为静力触探的贯入速度为0.02m/s；
S8、海底沉积物不排水抗剪强度值确定：将步骤S7所得静力触探参考值
Figure 180915DEST_PATH_IMAGE022
与修正系数
Figure 397132DEST_PATH_IMAGE024
带入以下公式得到海底沉积物不排水抗剪强度值：
Figure 545217DEST_PATH_IMAGE040
（6）
其中，
Figure 428859DEST_PATH_IMAGE042
沉积物的不排水抗剪强度，
Figure 636987DEST_PATH_IMAGE044
承载力系数，
Figure 606080DEST_PATH_IMAGE046
为超孔隙压力，
Figure 295206DEST_PATH_IMAGE048
为上覆土应力，大小为沉积物密度与深度的乘积，
Figure 298934DEST_PATH_IMAGE050
侧壁阻力。
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