CN117947763A - 一种搭载在hov/rov上的深海自落式动力触探测试装置及方法 - Google Patents
一种搭载在hov/rov上的深海自落式动力触探测试装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117947763A CN117947763A CN202410093232.XA CN202410093232A CN117947763A CN 117947763 A CN117947763 A CN 117947763A CN 202410093232 A CN202410093232 A CN 202410093232A CN 117947763 A CN117947763 A CN 117947763A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- spherical
- penetrometer
- penetration
- soil
- formula
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 82
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 52
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 32
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 74
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 24
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 17
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 13
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 12
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims description 8
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 claims description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 4
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 238000013480 data collection Methods 0.000 claims description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 3
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 2
- 238000013500 data storage Methods 0.000 claims description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 6
- 230000002411 adverse Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
本发明公开了一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置及方法，该测试方法是利用球形贯入仪自重贯入海洋土中，以获得海洋土相关参数。装置包括：球形贯入仪与探杆，贯入仪利用自身重力进行贯入，通过惯性测量单元或力传感器与孔压传感器所采集的数据反演土体不排水抗剪强度；海床架以及释放装置，可从HOV/ROV上缓慢释放，以平稳姿态落到海床面上，避免了装置在自由落体过程中出现垂直度改变及旋转等不良现象。该发明解决了动力式原位触探装置在深远海中应用受限、测量精度不足的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋岩土工程原位测试领域；尤其涉及一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置及方法。
背景技术
近年来，由于原位触探测试技术具有不需取样、可连续测试、可靠性高等优点，在海洋岩土工程领域得到了广泛应用和发展。目前，在海洋岩土工程领域中应用较多的原位触探测试技术主要有锥形静力触探测试(CPT/CPTU)、十字板剪切测试(VST)、满流贯入试测试(T-bar/Ball-bar)及自落式动力触探测试(FFP)等。
锥形静力触探测试(CPT)装置类型主要以海床式(seabed)与钻井式(Downhole)为主，其特点包括装置质量大，可深海作业，贯入深度大等。海床式静力触探的主要技术要点是：坐底装置稳定支撑于海床表面上，将探头由坐底装置内伸出，直接连续的贯入海底，检测土体对探头的贯入阻力应力。钻井式静力触探的主要特点是将钻探与静力触探方式相结合，触探操作时贯入装置设置于钻杆内部并将探头从钻杆底部经钻头贯入海底土体，而钻探主要负责扫除触探已经完成的土层以便开始下一循环周期的触探操作。
满流贯入测试与CPT相比，能够从土表面贯入至深层，获得连续的强度剖面且贯入时土体能够在探头周围充分流动，显著减少了校正轴侧摩阻力的需要，其结果相对准确。满流贯入测试装置中以T形贯入仪(T-bar)与球型贯入仪(Ball-bar)最为常见。与T-bar相比，Ball-bar在土质不均匀的情况下测量精度更高。Randolph等用极限分析方法，给出了Ball-bar在土中贯入过程Nb的上下限解答，对于完全光滑(球体与土之间的摩擦系数α＝0)的情况，Nb的上下限解分别为11.80和10.98；而对于完全粗糙(α＝1)的情况下，Nb的上下限解分别为15.54和15.10。但是无论是满流贯入测试还是锥形静力触探测试都需要使用海洋静力触探贯入设备，如自升式平台、套管式平台、海床式、下孔式和潜水舱式等。此类贯入设备虽能提供较大的贯入力，但几乎都需要大型船只作为运载平台并配备有大型起重机或绞车，并存在体积大，质量大，操作复杂，耗时长，综合成本高等问题。同时，海洋静力触探贯入设备作业深度有限，存在使用成本随作业深度快速上升的问题，在深远海探测中适用性较低。
自落式动力触探测试(FFP)装置作为作为一种新型的便携式动力触探装置，不需要体型巨大、质量沉重的静力触探贯入设备，操作轻便灵活，一般长几十厘米至几米，重几千克至几百千克不等，近年来广泛应用于海洋沉积物分层、海洋边坡稳定分析、海洋环境调查、海洋灾害防治、港口疏浚、水雷掩藏及浮动式风电系统锚固基础设计等领域。但是现有FFP装置都是通过搭载在船舶上的悬吊装置进行释放，装置释放后会进行自由落体运动，随后与泥面接触开始贯入到海洋土中。而Chow等指出，FFP装置在自由落体过程中垂直度容易发生改变且容易出现旋转等现象。并且在现场实验以及离心机试验中，FFP装置都是采用加速度传感器所采集的下落以及贯入过程中的加速度值来反演相关参数的，而Chow在FFP的研究中指出，仅仅依靠加速度传感器的测试结果来反演土性参数是不太可靠的。
综上所述，静力压入式触探装置(CPT，满流贯入测试)需要借助海洋静力触探贯入设备进行测量，在深海中应用受到较大限制。自落式动力触探测试(FFP)装置虽然操作轻便灵活，使用成本低，但存在自由落体过程中自身姿态容易发生改变，测试结果可靠性低等问题。
发明内容
本发明是针对现有技术的不足，提供了一种针对于现有自落式动力触探测试(FFP)装置自由落体过程中自身姿态容易发生改变，测试结果可靠性低等问题，本发明将海床架与动力贯入仪相结合，提出一种可搭载在载人潜水器或缆遥控式潜水器(HOV/ROV)上的且可维持自身姿态的自落式动力触探测试(FFP)装置，如图1所示。装置易于操作，经济高效，测试精度高，解决了动力式原位触探装置在深远海中应用受限、测量精度不足的技术问题。
本发明的技术方案如下：一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置，包括两个部分：
一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置，包括两个部分：
第一部分包括球形贯入仪、探杆、海床架、释放装置、孔压传感器、力传感器、惯性测量单元、数据存储器、电源、插销开孔和同轴电缆；
所述连接球形贯入仪与探杆通过球形贯入仪连接，所述探杆设置于海床架上，所述球形贯入仪的中间部位设置一个孔压传感器，用于测量球形贯入仪贯入海床后周围土体的孔压变化；所述球形贯入仪与探杆的连接处设置一个力传感器，所述力传感器用于测量球形贯入仪在贯入海床过程中受到的阻力；所述探杆中段放置一个惯性测量单元，所述惯性测量单元用于测量球形贯入仪与探杆在贯入过程中的加速度以及相对角速度；所述探杆上部放置一个数据存储器和一个电源；所述探杆的另一端通过插销开孔与释放装置连接；所述球形贯入仪与探杆之间通过密封垫圈和螺纹连接且球形贯入仪与探杆整体通过同轴电缆实现信号连接与能量传输；
第二部分包括用于维持触探装置自身姿态稳定的海床架以及释放装置，海床架包括底座，垂直度限制器，连接杆，悬吊装置固定器以及挂钩；所述释放装置主要包括插销杆，插销杆固定器，机械手挂钩以及安装绳。
具体地，所述球形贯入仪，探杆，海床架，释放装置均由不锈钢制成，具有耐腐蚀性、抗氧化、耐热性以及高刚度，使得触探装置不易因为较大冲击荷载而发生变形。
具体地，所述球形贯入仪的投影面积与探杆横截面积之比大于10。
具体地，所述惯性测量单元包括三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计，用于精确测得球形贯入仪与探杆的加速度与角速度。
本发明还提供了一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置的测试方法，步骤如下：
(1)通过释放装置连接球形贯入仪、探杆和海床架，确保球形贯入仪的重心，探杆的轴线与海床架的重心在一条竖直线上，以保证触探装置在释放过程以及贯入过程中的稳定性，避免出现较大的偏角；
(2)通过安装绳与机械手挂钩，将触探装置固定在载人潜水器或缆遥控式潜水器(ROV/HOV)装置的机械手上，开启触探装置的测量以及采集设备，准备开始数据采集，释放ROV/HOV装置，待其移动到目标探测地点上方，静置一段时间；
(3)缓慢释放安装绳，使触探装置以较为平稳的姿态落到海床面上，避免对海床面造成较大扰动；待触探装置稳定后，通过机械手拔出插销杆，球形贯入仪从泥面开始贯入，直至其在土中达到静止状态；贯入完成后，让球形贯入仪在土中停留一段时间，以采集球形贯入仪周边土体中孔压的变化情况；
(4)数据采集完毕后，通过安装绳回收球形贯入仪与探杆、导出孔压传感器、力传感器、惯性测量单元所采集的数据，进行数据分析。
进一步地，所述步骤(4)的数据分析具体为：
(4.1)首先，通过惯性测量单元所测得数据，分析球形贯入仪的贯入速度与贯入深度；球形贯入仪的贯入速度可通过式(1)计算得到；球形贯入仪的贯入深度可通过式(2)计算得到：
式中，a为惯性测量单元所测得的竖向加速度；v为球形贯入仪的竖向速度；S为球形贯入仪的竖向位移；
(4.2)其次，利用通过惯性测量单元所测得加速度数据反演或者通过孔压传感器所测得孔压数据与力传感器所测得反力数据反演；
(4.2.1)利用通过惯性测量单元所测得加速度数据反演：
球形贯入仪在贯入土体过程中所受合力如式(3)所示：
(m+m′)a＝Wb-Frisist-Fb (3)
式中，m为球形贯入仪的质量；m′为附加质量，为随球形贯入仪共同加速或减速的土体的质量；a为惯性测量单元所测得的竖向加速度；Wb为球形贯入仪在水中的浮重；Frisist为贯入阻力；Fb为土体产生的浮托力，为球形贯入仪没入土中的体积与土体浮重度γ’的乘积；Frisist为贯入阻力，由拖曳阻力FD与土体端承阻力FN组成，计算公式分别为式(4)与式(5)所示：
FN＝NcsuAp (5)
式(4)中，CD为拖曳阻力系数，与贯入仪几何形状、表面粗糙度以及流体雷诺系数有关；ρ为土体密度；Ap为球形贯入仪的投影面积；v为球形贯入仪的竖向速度；
式(5)中，Nc为承载力系数，需根据实际情况进行合理取值；su为土体抗剪强度；Ap为球形贯入仪的投影面积；
m′为附加质量，可按照式(6)进行计算：
m′＝Cmmsoil (6)
式中，Cm为附加质量系数，通常取为Cm＝0.5；msoil为球形贯入仪排开土体的质量，为球形贯入仪没入土中的体积与土体密度ρ的乘积；
综合式(1)～式(6)，通过测得的加速度a计算土体强度的表达式，如式(7)所示：
(4.2.2)通过孔压传感器所测得孔压数据与力传感器所测得反力数据反演：
球形贯入仪在贯入土体过程中所受合力如式(8)所示:
FtipAp/At+u(1-αball)Ap＝FN+Fb+FD (8)
式中，Ftip为力传感器(2a)所测得数据；Ap为球形贯入仪的投影面积；At为球形贯入仪上部短杆的横截面积；u为孔压传感器所测得数据；αball为不等面积比；FN为土体端承阻力，计算方法与前述相同；Fb为土体产生的浮托力，计算方法与前述相同；FD为拖曳阻力，计算方法与前述相同；
αball为不等面积比，可按式(9)进行计算：
αball＝Di 2/D2 (9)
式中，Di为安装孔压计内收的直径；D为球形贯入仪1的直径；
综合式(4)，式(5)，式(8)，式(9)通过测得的孔压u和阻力Ftip计算土体强度的表达式，如式(10)所示：
本发明的有益效果如下：
本发明提出的一种可搭载在载人潜水器或缆遥控式潜水器(HOV/ROV)上的且可维持自身姿态的自落式动力触探测试(FFP)装置，解决了国内现有用于海洋原位测试装置不能经济，高效，准确的探测深远海域海床超软土工程特性的缺陷。通过自重贯入的球形贯入仪，可进行自动数据采集、存储，可准确、经济、快速地评价深远海域海床超软土工程特性，为海洋岩土工程勘察实践提供强有力的测试工具。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是海床架与动力贯入仪相结合的自落式动力触探测试装置三维示意图；
图2是海床架与动力贯入仪相结合的自落式动力触探测试装置正视图；
图3是动力贯入仪与探杆正面示意图；
图4是动力贯入仪正面示意图；
图5是海床架及释放装置示意图。
附图标记：1-球形贯入仪；2-探杆；3-海床架；4-释放装置；1a-孔压传感器；2a-力传感器；2b-惯性测量单元；2c-数据存储器；2d-电源；2e-插销开孔；2f-同轴电缆；3a-底座；3b-垂直度限制器；3c-连接杆；3d-固定器；3e-挂钩；4a-插销杆；4b-插销杆固定器；4c-机械手挂钩；4d-安装绳。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
如图1-图2所示，一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置，包括两个部分：
第一部分包括球形贯入仪1、探杆2、海床架3、释放装置4、孔压传感器1a、力传感器2a、惯性测量单元2b、数据存储器2c、电源2d、插销开孔2e和同轴电缆2f；
所述连接球形贯入仪1与探杆2通过球形贯入仪1连接，所述探杆2设置于海床架3上，所述球形贯入仪1的中间部位设置一个孔压传感器1a，用于测量球形贯入仪1贯入海床后周围土体的孔压变化；所述球形贯入仪1与探杆2的连接处设置一个力传感器2a，所述力传感器2a用于测量球形贯入仪1在贯入海床过程中受到的阻力；所述探杆2中段放置一个惯性测量单元2b，所述惯性测量单元2b用于测量球形贯入仪1与探杆2在贯入过程中的加速度以及相对角速度；所述探杆2上部放置一个数据存储器2c和一个电源2d；所述探杆2的另一端通过插销开孔2e与释放装置4连接；所述球形贯入仪1与探杆2之间通过密封垫圈和螺纹连接且球形贯入仪1与探杆2整体通过同轴电缆2f实现信号连接与能量传输；
第二部分包括用于维持触探装置自身姿态稳定的海床架3以及释放装置4，海床架包括底座3a，垂直度限制器3b，连接杆3c，悬吊装置固定器3d以及挂钩3e；所述释放装置4主要包括插销杆4a，插销杆固定器4b，机械手挂钩4c以及安装绳4d。
本发明还提供了一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试方法，步骤如下：
步骤一：通过插销释放装置4连接球形贯入仪1，探杆2与海床架3，确保球形贯入仪1的重心，探杆2的轴线与海床架3的重心重合，以保证触探装置在自由落体以及贯入过程中的稳定性，避免出现较大的偏角。
步骤二：如图5所示，通过安装绳4d与机械手挂钩4c，将触探装置固定在载人潜水器或缆遥控式潜水器(ROV/HOV)装置的机械手上，开启触探装置的测量以及采集装置，准备开始数据采集。释放ROV/HOV装置，待其移动到目标探测地点上方，静置一段时间。
步骤三：缓慢释放安装绳，使触探装置以较为平稳的姿态落到海床面上，避免对海床面造成较大扰动。待触探装置稳定后，通过机械手拔出插销杆4a，球形贯入仪1从泥面开始贯入，直至其在土中达到静止状态。贯入完成后，让球形贯入仪1在土中停留一段时间，以采集球形贯入仪1周边土体中孔压的变化情况。
步骤四：数据采集完毕后，通过安装绳4d回收球形贯入仪1与探杆2，如图3所示，导出孔压传感器1a，力传感器2a，惯性测量单元2b所采集的数据，进行数据分析。
数据分析：
首先，通过惯性测量单元2b所测得数据，分析球形贯入仪1的贯入速度与贯入深度。球形贯入仪1的贯入速度可通过式(1)计算得到；球形贯入仪1的贯入深度可通过式(2)计算得到。
式中，a为惯性测量单元2b所测得的竖向加速度；v为球形贯入仪1的竖向速度；S为球形贯入仪1的竖向位移。
其次，土体强度反演方法有两种，一种是通过惯性测量单元2b所测得加速度数据反演，另一种则是通过孔压传感器1a所测得孔压数据与力传感器2a所测得反力数据反演。两种方法具体过程如下
1.加速度数据反演
球形贯入仪1在贯入土体过程中所受合力如式(3)所示：
(m+m′)a＝Wb-Frisist-Fb (0)
式中，m为球形贯入仪1的质量；m′为附加质量，为随球形贯入仪1共同加速或减速的土体的质量；a为惯性测量单元2b所测得的竖向加速度；Wb为球形贯入仪1在水中的浮重；Frisist为贯入阻力；Fb为土体产生的浮托力，为球形贯入仪1没入土中的体积与土体浮重度γ’的乘积。
Frisist为贯入阻力，由拖曳阻力FD与土体端承阻力FN组成，计算公式分别为式(4)与式(5)所示：
FN＝NcsuAp (0)
式(4)中，CD为拖曳阻力系数，与贯入仪几何形状、表面粗糙度以及流体雷诺系数有关；ρ为土体密度；Ap为球形贯入仪1的投影面积。
式(5)中，Nc为承载力系数，需根据实际情况进行合理取值；su为土体抗剪强度；Ap为球形贯入仪1的投影面积。
m′为附加质量，可按照式(6)进行计算：
m′＝Cmmsoil (0)
式中，Cm为附加质量系数，通常取为Cm＝0.5；msoil为球形贯入仪1排开土体的质量，为球形贯入仪1没入土中的体积与土体密度ρ的乘积。
综合式(1)～式(6)，通过测得的加速度a计算土体强度的表达式，如式(7)所示：
根据现有研究成果，反演su值时通常需要综合考虑土体应变率效应和应变软化效应。然而，目前对于这两种效应的影响尚未有足够成熟的研究结果可供参考。鉴于此，本发明在进行su值反演时，暂不考虑这两种效应的影响。
2.孔压数据反演
球形贯入仪1在贯入土体过程中所受合力如式(8)所示:
FtipAp/At+u(1-αball)Ap＝FN+Fb+FD (0)
式中，Ftip为力传感器2a所测得数据；Ap为球形贯入仪1的投影面积；At为球形贯入仪1上部短杆的横截面积，如图4所示；u为孔压传感器1a所测得数据；αball为不等面积比；FN为土体端承阻力，计算方法与前述相同；Fb为土体产生的浮托力，计算方法与前述相同；FD为拖曳阻力，计算方法与前述相同。
αball为不等面积比，可按式(9)进行计算：
αball＝Di 2/D2 (0)
式中，Di为安装孔压计内收的直径；D为球形贯入仪1的直径，如图4所示。
综合式(4)，式(5)，式(8)，式(9)通过测得的孔压u和阻力Ftip计算土体强度的表达式，如式(10)所示：
同理，根据现有研究成果，反演su值时通常需要综合考虑土体应变率效应和应变软化效应。然而，目前对于这两种效应的影响尚未有足够成熟的研究结果可供参考。鉴于此，本发明在进行su值反演时，暂不考虑这两种效应的影响。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置，包括两个部分：
第一部分包括球形贯入仪(1)、探杆(2)、海床架(3)、释放装置(4)、孔压传感器(1a)、力传感器(2a)、惯性测量单元(2b)、数据存储器(2c)、电源(2d)、插销开孔(2e)和同轴电缆(2f)；
所述连接球形贯入仪(1)与探杆(2)通过球形贯入仪(1)连接，所述探杆(2)设置于海床架(3)上，所述球形贯入仪(1)的中间部位设置一个孔压传感器(1a)，用于测量球形贯入仪(1)贯入海床后周围土体的孔压变化；所述球形贯入仪(1)与探杆(2)的连接处设置一个力传感器(2a)，所述力传感器(2a)用于测量球形贯入仪(1)在贯入海床过程中受到的阻力；所述探杆(2)中段放置一个惯性测量单元(2b)，所述惯性测量单元(2b)用于测量球形贯入仪(1)与探杆(2)在贯入过程中的加速度以及相对角速度；所述探杆(2)上部放置一个数据存储器(2c)和一个电源(2d)；所述探杆(2)的另一端通过插销开孔(2e)与释放装置(4)连接；所述球形贯入仪(1)与探杆(2)之间通过密封垫圈和螺纹连接且球形贯入仪(1)与探杆(2)整体通过同轴电缆(2f)实现信号连接与能量传输；
第二部分包括用于维持触探装置自身姿态稳定的海床架(3)以及释放装置(4)，海床架包括底座(3a)，垂直度限制器(3b)，连接杆(3c)，悬吊装置固定器(3d)以及挂钩(3e)；所述释放装置(4)主要包括插销杆(4a)，插销杆固定器(4b)，机械手挂钩(4c)以及安装绳(4d)。
2.根据权利要求1所述的一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置，其特征在于，所述球形贯入仪(1)，探杆(2)，海床架(3)，释放装置(4)均由不锈钢制成，具有耐腐蚀性、抗氧化、耐热性以及高刚度，使得触探装置不易因为较大冲击荷载而发生变形。
3.根据权利要求1所述的一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置，其特征在于，所述球形贯入仪(1)的投影面积与探杆(2)横截面积之比大于10。
4.根据权利要求1所述的一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置，其特征在于，所述惯性测量单元(2b)包括三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计，用于精确测得球形贯入仪(1)与探杆(2)的加速度与角速度。
5.一种如权利要求1-5所述的一种搭载在HOV/ROV上的深海自落式动力触探测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过释放装置(4)连接球形贯入仪(1)、探杆(2)和海床架(3)，确保球形贯入仪(1)的重心，探杆(2)的轴线与海床架(3)的重心在一条竖直线上，以保证触探装置在释放过程以及贯入过程中的稳定性，避免出现较大的偏角；
(2)通过安装绳(4d)与机械手挂钩(4c)，将触探装置固定在载人潜水器或缆遥控式潜水器(ROV/HOV)装置的机械手上，开启触探装置的测量以及采集设备，准备开始数据采集，释放ROV/HOV装置，待其移动到目标探测地点上方，静置一段时间；
(3)缓慢释放安装绳，使触探装置以较为平稳的姿态落到海床面上，避免对海床面造成较大扰动；待触探装置稳定后，通过机械手拔出插销杆(4a)，球形贯入仪(1)从泥面开始贯入，直至其在土中达到静止状态；贯入完成后，让球形贯入仪(1)在土中停留一段时间，以采集球形贯入仪(1)周边土体中孔压的变化情况；
(4)数据采集完毕后，通过安装绳(4d)回收球形贯入仪(1)与探杆(2)、导出孔压传感器(1a)、力传感器(2a)、惯性测量单元(2b)所采集的数据，进行数据分析。
6.根据权利要求5所述的的测试方法，其特征在于，所述步骤(4)的数据分析具体为：
(4.1)首先，通过惯性测量单元(2b)所测得数据，分析球形贯入仪(1)的贯入速度与贯入深度；球形贯入仪(1)的贯入速度可通过式(1)计算得到；球形贯入仪(1)的贯入深度可通过式(2)计算得到：
式中，a为惯性测量单元(2b)所测得的竖向加速度；v为球形贯入仪(1)的竖向速度；S为球形贯入仪(1)的竖向位移；
(4.2)其次，利用通过惯性测量单元(2b)所测得加速度数据反演或者通过孔压传感器(1a)所测得孔压数据与力传感器(2a)所测得反力数据反演；
(4.2.1)利用通过惯性测量单元(2b)所测得加速度数据反演：
球形贯入仪(1)在贯入土体过程中所受合力如式(3)所示：
(m+m′)a＝Wb-Frisist-Fb (3)
式中，m为球形贯入仪(1)的质量；m′为附加质量，为随球形贯入仪(1)共同加速或减速的土体的质量；a为惯性测量单元(2b)所测得的竖向加速度；Wb为球形贯入仪(1)在水中的浮重；Frisist为贯入阻力；Fb为土体产生的浮托力，为球形贯入仪(1)没入土中的体积与土体浮重度γ’的乘积；
Frisist为贯入阻力，由拖曳阻力FD与土体端承阻力FN组成，计算公式分别为式(4)与式(5)所示：
FN＝NcsuAp (5)
式(4)中，CD为拖曳阻力系数，与贯入仪几何形状、表面粗糙度以及流体雷诺系数有关；ρ为土体密度；Ap为球形贯入仪(1)的投影面积；
式(5)中，Nc为承载力系数，需根据实际情况进行合理取值；su为土体抗剪强度；Ap为球形贯入仪(1)的投影面积；
m′为附加质量，可按照式(6)进行计算：
m′＝Cmmsoil (6)
式中，Cm为附加质量系数，通常取为Cm＝0.5；msoil为球形贯入仪(1)排开土体的质量，为球形贯入仪(1)没入土中的体积与土体密度ρ的乘积；
综合式(1)～式(6)，通过测得的加速度a计算土体强度的表达式，如式(7)所示：
(4.2.2)通过孔压传感器(1a)所测得孔压数据与力传感器(2a)所测得反力数据反演：球形贯入仪(1)在贯入土体过程中所受合力如式(8)所示:
FtipAp/At+u(1-αball)Ap＝FN+Fb+FD (8)
式中，Ftip为力传感器(2a)所测得数据；Ap为球形贯入仪(1)的投影面积；At为球形贯入仪(1)上部短杆的横截面积；u为孔压传感器(1a)所测得数据；αball为不等面积比；FN为土体端承阻力，计算方法与前述相同；Fb为土体产生的浮托力，计算方法与前述相同；FD为拖曳阻力，计算方法与前述相同；
αball为不等面积比，可按式(9)进行计算：
αball＝Di 2/D2 (9)
式中，Di为安装孔压计内收的直径；D为球形贯入仪(1)的直径；
综合式(4)，式(5)，式(8)，式(9)通过测得的孔压u和阻力Ftip计算土体强度的表达式，如式(10)所示：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410093232.XA CN117947763A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 一种搭载在hov/rov上的深海自落式动力触探测试装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410093232.XA CN117947763A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 一种搭载在hov/rov上的深海自落式动力触探测试装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117947763A true CN117947763A (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=90797735
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410093232.XA Pending CN117947763A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 一种搭载在hov/rov上的深海自落式动力触探测试装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117947763A (zh) |
-
2024
- 2024-01-23 CN CN202410093232.XA patent/CN117947763A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2019100321A4 (en) | A multistage penetrating in-situ device and method to observe sand waves on the seabed based on resistivity probe | |
| CN109579802B (zh) | 一种多级贯入式海底沙波原位观测装置及方法 | |
| CN111721575B (zh) | 应用于内波发育区的海底沙波长期观测装置及观测方法 | |
| CN113432648B (zh) | 深海内波诱发海底软粘土变形滑动长期观测系统及方法 | |
| CN108152170B (zh) | 带有推进器的自由落体式球形贯入仪 | |
| CN105676308A (zh) | 一种单井地下水渗流流速流向测量方法及测量仪 | |
| CN111947826B (zh) | 基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置及其工作方法 | |
| O'Loughlin et al. | Towards a simple design procedure for dynamically embedded plate anchors | |
| CN107700458A (zh) | 用于海洋超软土原位测试的梨形扩底全流触探探头 | |
| CN208845167U (zh) | 一种用于蠕滑变形阶段滑动面勘查的测斜仪 | |
| WO2011017754A1 (en) | Pipeline simulation device | |
| CN110424363B (zh) | 一种软土场地土体强度参数长距离连续测量方法 | |
| CN210294255U (zh) | 一种软土场地土体参数长距离连续测量装置 | |
| CN107747306A (zh) | 一种用于海洋超软土原位测试的十字形全流触探探头 | |
| US10962460B2 (en) | Free fall ball penetrometer with a booster | |
| CN207472306U (zh) | 一种带有液压吸力筒基础的原位管土作用测试系统 | |
| CN113833035A (zh) | 跨海大桥既有桩基监测预警系统及评估方法 | |
| Lambrakos | Marine pipeline soil friction coefficients from in-situ testing | |
| CN210294256U (zh) | 一种大范围软土场地土体参数连续测量装置 | |
| CN117947763A (zh) | 一种搭载在hov/rov上的深海自落式动力触探测试装置及方法 | |
| CN206591549U (zh) | 一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置 | |
| JP2020056728A (ja) | シュー装置、水底地盤貫入試験装置、および水底地盤貫入試験方法 | |
| Chow et al. | A comparative field study of free-fall cone and sphere penetrometers in soft sediment | |
| CN113108683B (zh) | 大口径井身结构三维刻画自动成像测量方法及装置 | |
| CN107059952A (zh) | 一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |