CN115790939B - 一种用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，包括管体和置于管体内的信号传输缆，在管体底部设有侧壁摩擦力测量组件、锥尖阻力测量组件和孔隙水压力测量组件。本发明可实现依靠磁力传递测量的非接触式侧壁摩擦力测量技术和非接触式锥尖阻力测量技术，将深海高压环境下测量杆外部所受的力转换为常压内部环境的力，避免了海底高围压环境对测量结果的影响，大大提高了本发明的测量精度和使用寿命；本发明避免了海底高围压环境对微小压力测量的影响，大大提高了本发明的测量精度和使用寿命。

Description

一种用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆

技术领域

本发明涉及海底探测技术领域，尤其涉及一种用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆。

背景技术

随着海洋资源的开发越来越受到国家的重视，深海环境的测量与监测作为海洋开发的前提与基础也越来越具有重要意义，而深海海底沉积物的土工力学参数作为海底环境重要的组成部分，对于海洋资源开发、海洋工程建设和海洋生态环境保护能提供原始数据和参考依据。

由于深海海底沉积物多是细小颗粒物质经长时间沉积但未固结的松软沉积物，深海海底浅层沉积物以饱和软土为主，颗粒组分主体＜0.001mm，具有高塑性、高含水量、高灵敏度、低容重、低抗剪强度等特点，常规取样对其扰动大，带回实验室后无法精准获得沉积物的力学特性。而原位测试因其是在沉积物处于天然状态下进行测试，具有对土层扰动小、测试结果准确等特点，近年来被广泛应用于获取海底沉积物力学特性，并服务于海洋岩土工程。

目前，常见的海底沉积物力学特性原位测试方法有：静力触探测试、全流动贯入测试和十字板剪切测试。其中，静力触探测试(CPT)主要是通过液压贯入将探头和探杆贯入土中，获取贯入过程中孔隙水压力、锥尖阻力和侧壁摩阻力等随深度的变化曲线，具有连续、快速、无需取样、适用范围广等特点，在海底工程地质综合评析中有着无可比拟的优越性。目前许多国家已经将其列为海洋工程地质调查研究中的重要项目。

然而，由于深海海底处于高压力环境，如6000米水深海水压力就达到60Mpa，而海底表面沉积物的强度通常为0～200kPa以内，如何在如此高的压力背景下，对微小压力增量、沉积物孔隙水压力、贯入阻力的力学指标进行高精度的原位测量和观测，是我们目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种可有效避免海底高围压环境对测量结果造成影响的用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆。

本发明提供的这种用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，包括管体和置于管体内的信号传输缆，在管体底部设有侧壁摩擦力测量组件、锥尖阻力测量组件和孔隙水压力测量组件，

所述侧壁摩擦力测量组件包括紧密插装在管体底部的耐压密封罐、间隙套装在耐压密封罐外的摩擦筒、用于测量侧壁摩擦力的第一拉压传感器、用于测量侧壁阻力的第一内磁体和第一外磁体，第一拉压传感器通过基座卡装在耐压密封罐内侧顶部，第一内磁体固定在第一拉压传感器底部并与耐压密封罐内壁间隙布置，第一外磁体嵌装在摩擦筒内壁上并与第一内磁体内外对应布置形成耦合状态；

所述锥尖阻力测量组件包括贯入锥头、用于测量锥尖阻力的第二拉压传感器、用于测量锥尖阻力的第二内磁体和第二外磁体，贯入锥头间隙套装在耐压密封罐底部并通过挡圈与耐压密封罐底部相卡装，在耐压密封罐下方的贯入锥头内设有容置腔，第二拉压传感器和第二内磁体均置于耐压密封罐内侧底部，第二拉压传感器通过支撑杆与基座连接，第二内磁体固定在第二拉压传感器底部，第二外磁体置于容置腔内并与耐压密封罐底面间隙布置；

所述孔隙水压力测量组件包括透水石、磁致伸缩位移传感器、压簧和滑动挡块，透水石嵌装在容置腔下方的贯入锥头上，在贯入锥头上设有连通透水石与容置腔的孔隙水通道，在管体上设有若干连通耐压密封罐与摩擦筒间间隙的上海水通道，在第二外磁体上设有上下贯通布置的下海水通道，磁致伸缩位移传感器竖直固定在第二外磁体底部，磁致伸缩位移传感器的波导管与容置腔的底面上下对接，压簧和滑动挡块由上至下的依次套装在波导管上，磁致伸缩位移传感器的磁环嵌装在滑动挡块内，在滑动挡块与容置腔间、滑动挡块与波导管间均设有密封圈。

在容置腔底部设有限位块，波导管底部插入限位块，滑动挡块底面与限位块顶面上下对接，滑动挡块由限位块支撑与容置腔底面间隔布置，容置腔由滑动挡块分隔成独立布置的上测量腔和下测量腔，海水依次通过上海水通道、耐压密封罐与摩擦筒间的间隙、贯入锥头与耐压密封罐间的间隙、下海水通道进入上测量腔，下测量腔通过孔隙水通道与透水石连通。

所述第一外磁体的顶面与摩擦筒的顶面相平齐布置，在摩擦筒与贯入锥头间、第一外磁体与管体间均设有橡胶圈。

所述磁致伸缩位移传感器通过安装座固定在第二外磁体底部。

所述贯入锥头包括由上至下布置的圆柱段和倒圆锥段，容置腔设于圆柱段顶部，透水石嵌装在倒圆锥段上。

为使本发明可适应于各类海底勘探装备，在管体顶部设有外螺纹段。

在信号传输缆底部设有与耐压密封罐顶部密封连接的水密接头，在水密接头下方的耐压密封罐上设有电缆安装孔，第一拉压传感器的信号线和第二拉压传感器的信号线穿过电缆安装孔与水密接头电连接。

所述滑动挡块由尼龙材料制成。

所述磁致伸缩位移传感器的信号线依次穿过第二外磁体、耐压密封罐、管体与水密接头电连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、通过间隙套装布置的耐压密封罐和摩擦筒，并在耐压密封罐和摩擦筒内设置处于耦合状态的第一内磁体和第一外磁体，在本发明下降过程中，摩擦筒侧壁受到沉积物施加的摩擦阻力，使摩擦筒及第一外磁体相对第一内磁体发生向上运动，第一内磁体在第一外磁体的磁力作用下向上运动挤压第一拉压传感器，第一拉压传感器对所受的压力进行测量，即可实现依靠磁力传递测量的非接触式侧壁摩擦力测量技术，将深海高压环境下测量杆外部所受的力转换为常压内部环境的力，避免了海底高围压环境对测量结果的影响，大大提高了本发明的测量精度和使用寿命。

2、通过间隙套装布置的耐压密封罐和贯入锥头，并在耐压密封罐和贯入锥头内设置处于耦合状态的第二内磁体和第二外磁体，在本发明下降过程中，贯入锥头受到沉积物施加的摩擦阻力，使贯入锥头及第二外磁体相对第二内磁体发生向上运动，第二内磁体在第二外磁体的磁力作用下向上运动挤压第二拉压传感器，第二拉压传感器对所受的压力进行测量，即可实现依靠磁力传递测量的非接触式锥尖阻力测量技术，将深海高压环境下测量杆外部所受的力转换为常压内部环境的力，避免了海底高围压环境对测量结果的影响，大大提高了本发明的测量精度和使用寿命。

3、利用压簧和滑动挡块将贯入锥头中的容置腔分成上下两个部分，沉积物孔隙水通过透水石沿孔隙水通道进入滑动挡块下方的容置腔中，海底表层海水通过下海水通道进入滑动挡块上方的容置腔中，利用磁致伸缩位移传感器与压簧的配合，当滑动挡块上下两边水压存在压差时，会带动磁环向压力低的一端运动，磁致伸缩位移传感器接收到位置改变的信号并进行测量，就可以将深海高压环境下贯入锥头所受的孔隙水压力转换为内部环境的力，避免了海底高围压环境对微小压力测量的影响，大大提高了本发明的测量精度和使用寿命。

本发明能用于深海海底沉积物锥尖阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压的原位测量和观测，可对海洋底质的物理性质进行测量和变化情况进行评估，对于海洋固体资源的开发及装备设计具有重要意义。

附图说明

图1为本发明竖剖面的结构示意图。

图2为图1中A处的放大结构示意图。

图3为图1中B处的放大结构示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、管体；11、外螺纹段；12、上海水通道；

2、信号传输缆；21、水密接头；

3、侧壁摩擦力测量组件；31、耐压密封罐；32、摩擦筒；33、第一拉压传感器；34、第一内磁体；35、第一外磁体；36、基座；311、电缆安装孔；

4、锥尖阻力测量组件；41、贯入锥头；42、第二拉压传感器；43、第二内磁体；44、第二外磁体；45、挡圈；46、支撑杆；411、容置腔；412、孔隙水通道；413、圆柱段；414、倒圆锥段；4111、上测量腔；4112、下测量腔；441、下海水通道；

5、孔隙水压力测量组件；51、透水石；52、磁致伸缩位移传感器；53、压簧；54、滑动挡块；55、密封圈；56、安装座；57、限位块；521、波导管；522、磁环；

6、橡胶圈。

具体实施方式

从图1至图3可以看出，本发明这种用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，包括管体1、信号传输缆2、侧壁摩擦力测量组件3、锥尖阻力测量组件4和孔隙水压力测量组件5，信号传输缆2置于管体1内，侧壁摩擦力测量组件3、锥尖阻力测量组件4和孔隙水压力测量组件5设在管体1底部；其中，

侧壁摩擦力测量组件3包括耐压密封罐31、摩擦筒32、第一拉压传感器33、第一内磁体34、第一外磁体35和基座36，耐压密封罐31紧密插装在管体1底部中心位置处，摩擦筒32间隙套装在耐压密封罐31外，基座36紧密卡装在耐压密封罐31内侧顶部，第一拉压传感器33固定在基座36底部并呈环形，第一拉压传感器33用于测量侧壁摩擦力，第一内磁体34固定在第一拉压传感器33底部并与耐压密封罐31内壁间隙布置，第一外磁体35嵌装在摩擦筒32内壁上，第一内磁体34和第一外磁体35内外对应布置成耦合状态，第一内磁体34和第一外磁体35用于测量侧壁阻力；

锥尖阻力测量组件4包括贯入锥头41、第二拉压传感器42、第二内磁体43、第二外磁体44、挡圈45和支撑杆46，贯入锥头41可上下移动的间隙套装在耐压密封罐31底部外，贯入锥头41通过挡圈45与耐压密封罐31底部卡装连接，在耐压密封罐31下方的贯入锥头41内设有容置腔411，第二拉压传感器42、第二内磁体43和支撑杆46均置于耐压密封罐31内，支撑杆46竖直插装在基座36底部中心位置处，第二拉压传感器42固定在支撑杆46底部并用于测量锥尖阻力，第二内磁体43固定在第二拉压传感器42底部并低于第一内磁体34布置，第二外磁体44水平固定在容置腔411内侧上部，第二外磁体44的顶面与耐压密封罐31底面平行且间隙布置，第二内磁体43和第二外磁体44用于测量锥尖阻力；

孔隙水压力测量组件5包括透水石51、磁致伸缩位移传感器52、压簧53、滑动挡块54、密封圈55、安装座56和限位块57，透水石51嵌装在容置腔411下方的贯入锥头41上，安装座56固定在第二外磁体44底部中心位置处，磁致伸缩位移传感器52置于容置腔411内并竖直固定在安装座56中心位置处，限位块57设在容置腔411底部中心位置处，磁致伸缩位移传感器的波导管521底部插入限位块57并与容置腔411的底面上下对接，压簧53和滑动挡块54由上至下的依次套装在波导管521上，磁致伸缩位移传感器的磁环522嵌装在滑动挡块54内，滑动挡块54底面与限位块57顶面上下对接，滑动挡块54由限位块57支撑与容置腔411底面间隔布置，容置腔411由滑动挡块54分隔成独立布置的上测量腔4111和下测量腔4112，在贯入锥头41上设有连通透水石51与下测量腔4112的孔隙水通道412，在第二外磁体44上设有上下贯通布置的下海水通道441，下海水通道441位于安装座56外围，在管体1上至少轴对称设有两个上海水通道12，上海水通道12上端与管体1内壁相连通，上海水通道12下端与位于耐压密封罐和摩擦筒间的管体1底面相连通，海底表层海水依次通过上海水通道12、摩擦筒32与耐压密封罐31间的间隙、贯入锥头41与耐压密封罐31间的间隙、下海水通道441进入上测量腔4111；密封圈55有两个，两密封圈55分别连接在滑动挡块54的外壁与容置腔411的侧壁间、滑动挡块54的内壁与波导管521的侧壁间。

从图1至图3可以看出，第一外磁体35的顶面与摩擦筒32的顶面相平齐布置，在摩擦筒32底部与贯入锥头41顶部间、第一外磁体35顶部与管体1顶部间均设有橡胶圈6。

从图1和图2可以看出，贯入锥头41包括由上至下布置的圆柱段413和倒圆锥段414，容置腔411设于圆柱段顶部，透水石51嵌装在倒圆锥段414上。

从图1可以看出，在管体1顶部设有外螺纹段11。

从图1和图2可以看出，在信号传输缆2底部设有与耐压密封罐31顶部密封连接的水密接头21，在水密接头21下方的耐压密封罐31上设有电缆安装孔311，第一拉压传感器33的信号线和第二拉压传感器42的信号线穿过电缆安装孔311与水密接头21电连接，磁致伸缩位移传感器52的信号线依次穿过安装座56、第二外磁体44、耐压密封罐31、管体1与水密接头21电连接，磁致伸缩位移传感器52的信号线与管体1底面为密封连接。

在本发明中，滑动挡块54由尼龙材料制成。

本发明的测量原理如下：

1、锥尖阻力测量技术：

当本发明往下进行沉积物参数测量时，贯入锥头41受到沉积物施加的摩擦阻力，因贯入锥头41与耐压密封罐31间为间隙套装连接，贯入锥头41及第二外磁体44由摩擦阻力驱动向上运动，由于第二内磁体43和第二外磁体44已经存在耦合力的相互作用，第二外磁体44相对第二内磁体43向上运动使第二内磁体43所受的磁力发生改变，第二拉压传感器42对第二内磁体43上的磁力改变信号进行接收测量，所得数据即为锥尖阻力。

2、侧壁摩擦力测量技术：

在本发明的下降过程中，摩擦筒32侧壁受到沉积物施加的摩擦阻力，因摩擦筒32与耐压密封罐31间为间隙套装连接，摩擦筒32及第一外磁体35由摩擦阻力驱动向上运动，由于第一内磁体34和第一外磁体35已经存在耦合力的相互作用，第一外磁体35相对第一内磁体34向上运动使第一内磁体34所受的磁力发生改变，第一拉压传感器33对第一内磁体34上的磁力改变信号进行接收测量，所得数据即为侧壁摩擦力。

3、孔隙水压力测量技术：

在本发明中，滑动挡块54与容置腔411和波导管521为间隙配合，滑动挡块54能上下移动并通过密封圈55将上测量腔4111和下测量腔4112密封。在本发明的下降过程中，沉积物孔隙水通过透水石51沿孔隙水通道412进入下测量腔4112中，海底表层海水依次通过上海水通道12、摩擦筒32与耐压密封罐31间的间隙、贯入锥头41与耐压密封罐31间的间隙、下海水通道441进入上测量腔4111中，当下测量腔4112所受的压力大于上测量腔4111所受的压力时，滑动挡块54将克服压簧53的挤压力向上测量腔4111方运动，直至滑动挡块54上下两侧所受的压力相等时，磁环522由滑动挡块54带动向上测量腔4111一端运动，磁致伸缩位移传感器52的信号接收单元接收到磁环522位置改变的信号并进行测量，通过磁环522的位移距离和压簧53弹性系数即可准确得到孔隙水压力的大小。

本发明主要应用于深海底质表层沉积物的力学参数的测量，具备通用的机械接口和通用的数据传输信号接口，可搭载于各种海底底质测量作业装备上，能精确的测量海底沉积物锥尖阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力。

Claims (9)

1.一种用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，包括管体(1)和置于管体内的信号传输缆(2)，在管体底部设有侧壁摩擦力测量组件(3)、锥尖阻力测量组件(4)和孔隙水压力测量组件(5)，其特征在于：

所述侧壁摩擦力测量组件包括紧密插装在管体底部的耐压密封罐(31)、间隙套装在耐压密封罐外的摩擦筒(32)、用于测量侧壁摩擦力的第一拉压传感器(33)、用于测量侧壁阻力的第一内磁体(34)和第一外磁体(35)，第一拉压传感器通过基座(36)卡装在耐压密封罐内侧顶部，第一内磁体固定在第一拉压传感器底部并与耐压密封罐内壁间隙布置，第一外磁体嵌装在摩擦筒内壁上并与第一内磁体内外对应布置形成耦合状态；

所述锥尖阻力测量组件包括贯入锥头(41)、用于测量锥尖阻力的第二拉压传感器(42)、用于测量锥尖阻力的第二内磁体(43)和第二外磁体(44)，贯入锥头间隙套装在耐压密封罐底部并通过挡圈(45)与耐压密封罐底部相卡装，在耐压密封罐下方的贯入锥头内设有容置腔(411)，第二拉压传感器和第二内磁体均置于耐压密封罐内侧底部，第二拉压传感器通过支撑杆(46)与基座连接，第二内磁体固定在第二拉压传感器底部，第二外磁体置于容置腔内并与耐压密封罐底面间隙布置；

所述孔隙水压力测量组件包括透水石(51)、磁致伸缩位移传感器(52)、压簧(53)和滑动挡块(54)，透水石嵌装在容置腔下方的贯入锥头上，在贯入锥头上设有连通透水石与容置腔的孔隙水通道(412)，在管体上设有若干连通耐压密封罐与摩擦筒间间隙的上海水通道(12)，在第二外磁体上设有上下贯通布置的下海水通道(441)，磁致伸缩位移传感器竖直固定在第二外磁体底部，磁致伸缩位移传感器的波导管(521)与容置腔的底面上下对接，压簧和滑动挡块由上至下的依次套装在波导管上，磁致伸缩位移传感器的磁环(522)嵌装在滑动挡块内，在滑动挡块与容置腔间、滑动挡块与波导管间均设有密封圈(55)。

2.根据权利要求1所述的用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，其特征在于：在容置腔底部设有限位块(57)，波导管底部插入限位块，滑动挡块底面与限位块顶面上下对接，滑动挡块由限位块支撑与容置腔底面间隔布置，容置腔由滑动挡块分隔成独立布置的上测量腔(4111)和下测量腔(4112)，海水依次通过上海水通道、耐压密封罐与摩擦筒间的间隙、贯入锥头与耐压密封罐间的间隙、下海水通道进入上测量腔，下测量腔通过孔隙水通道与透水石连通。

3.根据权利要求1所述的用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，其特征在于：所述第一外磁体的顶面与摩擦筒的顶面相平齐布置，在摩擦筒与贯入锥头间、第一外磁体与管体间均设有橡胶圈(6)。

4.根据权利要求1所述的用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，其特征在于：所述磁致伸缩位移传感器通过安装座(56)固定在第二外磁体底部。

5.根据权利要求1所述的用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，其特征在于：所述贯入锥头包括由上至下布置的圆柱段(413)和倒圆锥段(414)，容置腔设于圆柱段顶部，透水石嵌装在倒圆锥段上。

6.根据权利要求1所述的用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，其特征在于：在管体顶部设有外螺纹段(11)。

7.根据权利要求1所述的用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，其特征在于：在信号传输缆底部设有与耐压密封罐顶部密封连接的水密接头(21)，在水密接头下方的耐压密封罐上设有电缆安装孔(311)，第一拉压传感器的信号线和第二拉压传感器的信号线穿过电缆安装孔与水密接头电连接。

8.根据权利要求1所述的用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，其特征在于：所述滑动挡块由尼龙材料制成。

9.根据权利要求7所述的用于测量深海海底沉积物贯入阻力的测量杆，其特征在于：所述磁致伸缩位移传感器的信号线依次穿过第二外磁体、耐压密封罐、管体与水密接头电连接。