CN219568809U - 自钻式动力触探装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自钻式动力触探装置及系统。本实用新型的技术方案为：一种自钻式动力触探装置，具有探杆、装于探杆下端的钻头和装于探杆上端的吊耳，探杆内装有自钻模块，用于获取触探装置受力数据的力传感模块和用于获取触探装置姿态数据的姿态监测模块；所述自钻模块安装于所述探杆的中部腔体内，具有能沿探杆轴向移动的自钻支架和撞锤；所述自钻支架上端经弹性机构Ⅰ连接中部腔体的顶部，自钻支架上装有驱动机构，驱动机构经沿探杆轴线布置的传动杆连接位于自钻支架下方的撞锤。本实用新型适用于海洋土体原位测试领域。

Description

自钻式动力触探装置及系统

技术领域

本实用新型涉及一种自钻式动力触探装置及系统。适用于海洋土体原位测试领域。

背景技术

随着海洋大规模开发，众多以海底土体为基础的海洋工程应运而生，掌握海底沉积物的物理性质和力学性质对海洋工程的建设至关重要。深海海底的浅层沉积物以饱和软土为主，具有不排水抗剪强度低、高含水量、饱和松散且容易扰动等特点。由于常规取样对原位土体扰动比较大，影响室内试验结果准确性，为了详细掌握海底土体的相关特性，海洋土体原位测试在海洋地质调查和海洋工程勘察中广泛应用。

海洋土体原位测试技术主要包括静力触探和动力触探。相较于静力触探，动力触探不需要依赖庞大的工程船和繁杂的贯入设备，有便捷、经济、高效的优势。随着海上新建风电场规模不断扩大，导致同一风场海床土体性质存在较大空间变异性，需要在同一海域进行较密集的原位测试，动力触探优势借此发挥。但传统的动力触探贯入海床深度受限，仅能得到浅部土体性质。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种自钻式动力触探装置、系统及其使用方法、数据解译方法。

本实用新型所采用的技术方案是：一种自钻式动力触探装置，其特征在于：具有探杆、装于探杆下端的钻头和装于探杆上端的吊耳，探杆内装有自钻模块，用于获取触探装置受力数据的力传感模块和用于获取触探装置姿态数据的姿态监测模块；

所述自钻模块安装于所述探杆的中部腔体内，具有能沿探杆轴向移动的自钻支架和撞锤；

所述自钻支架上端经弹性机构Ⅰ连接中部腔体的顶部，自钻支架上装有驱动机构，驱动机构经沿探杆轴线布置的传动杆连接位于自钻支架下方的撞锤；

所述撞锤上端制有与所述传动杆适配的驱动孔，驱动孔内壁上制有平行探杆轴线的竖向轨道，以及以竖向轨道上端为起点、以竖向轨道下端为终点螺旋下降的螺旋轨道；所述传动杆侧壁上制有能与竖向轨道和螺旋轨道适配的突起部；

所述撞锤和自钻支架之间设有弹性机构Ⅱ，该弹性机构Ⅱ上端与自钻支架固定连接，弹性机构Ⅱ下端顶接撞锤。

所述力传感模块，包括：

锥头阻力传感器，用于测量该触探装置贯入土体过程中钻头所受到的锥尖阻力；

侧壁摩阻力传感器，用于测量该触探装置贯入土体过程中探杆所受到的侧壁摩阻力；

孔隙水压力传感器，用于测量该触探装置内孔压过滤环位置的孔隙水压力。

所述力传感模块，还包括：

温度传感器，用于获取该触探装置所处位置的温度。

所述姿态监测模块包括加速度传感器和陀螺仪。

所述弹性机构Ⅰ具有沿所述探杆轴线布置的伸缩杆和制动弹簧，其中伸缩杆上端连接中部腔体顶部，下端连接自钻支架；制动弹簧上端连接中部腔体顶部，下端连接自钻支架。

所述弹性机构Ⅱ为加载弹簧，该加载弹簧上端与所述自钻支架固定连接，下端顶接所述撞锤。

一种自钻式动力触探系统，其特征在于，包括：

作业船；

释放架，固定于所述作业船上，其上经缆绳安装释放器并经释放器连接所述自钻式动力触探装置的吊耳；

卷扬机，固定于所述作业船上，其上卷附的钢缆连接所述自钻式动力触探装置的吊耳；

控制终端，设置于所述作业船上，经电缆电连接所述力传感模块和姿态监测模块。

一种所述自钻式动力触探系统的使用方法，其特征在于：

S1、作业船运行到指定位置后，控制释放器释放自钻式动力触探装置；

S2、释放后的自钻式动力触探装置在海水中自由下落，以一定速度贯穿海床；

S3、启动驱动机构，带动传动杆转动，使传动杆上的突起部与撞锤上的螺旋轨道配合，使撞锤沿传动杆向上移动，并压紧弹性机构Ⅱ；

S4、传动杆上的突起部沿螺旋轨道移动到螺旋轨道的终点后，突起部进入竖向轨道，随后撞锤在其自身重力和弹性机构Ⅱ弹力作用下向下移动并撞击中部腔体的底部，使自钻式动力触探装置向下钻入土体；

S5、撞锤撞击中部腔体底部后被反弹，向上移动，压缩弹性机构Ⅰ和弹性机构Ⅱ；

S6、当撞锤的上移速度为0后，撞锤在其自身重力和弹性机构Ⅰ、Ⅱ弹力作用下再次向下移动并撞击中部腔体的底部，使自钻式动力触探装置再次向下钻入土体；

S7、撞锤重复步骤S5、S6，直至恢复平衡后置于中部腔体的底部；

S8、重复步骤S3～S7，直至自钻式动力触探装置向下钻入到指定深度。

一种基所述使用方法的数据解译方法，其特征在于：

获取步骤S3～S7过程中力传感模块采集的钻头所受到的锥尖阻力F_t和探杆所受到的侧壁摩阻力F_s，以及姿态监测模块采集的自钻式动力触探装置加速度数据；

基于如下公式解译土体强度S_u：

其中，m_h为撞锤质量；g为重力加速度；Δx为撞锤被驱动机构提升的高度，即弹性机构Ⅱ被压缩的距离；k为弹性机构Ⅱ的弹性系数；C_d为拖曳系数；ρ_s为土体饱和密度；A_tip为钻头投影面积；v为解译深度区间中触探装置平均贯入速度；ρ′为土体浮密度；V_s为触探装置排开土体体积；G为触探装置重力；z为触探装置贯入深度；F_s为侧壁摩阻力；d为触探装置一次撞击循环对应的总路程；d_p为装置一次撞击循环向下贯入总路程；N_kt为阻力系数；R_f为与瞬时速度和半径有关的应变率函数。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在探杆内安装自钻模块，利用自钻模块中的驱动机构经传动杆带动撞锤上移并压缩弹性机构Ⅱ，并利用竖向轨道使突起部移动到竖向轨道下端后与撞锤在竖向无接触，从而使撞锤在其自身重力和弹性机构Ⅱ弹力作用下向下撞击中部腔体底部，进而带动触探装置向下钻入土体，使触探装置可以在不需要外部加载的条件下钻进更深，浅部和深部土体性质均可解译，增加了动力触探的适用深度。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2为实施例中自钻式动力触探装置的结构示意图。

图3为实施例中自钻式动力触探装置自钻模块工作示意图。

图3中，(1)为初始状态；(2)为驱动机构提升撞锤压缩加载弹簧的状态；(3)为突起部运行到竖向轨道处后，撞锤和加载弹簧释放后锤击中部腔体底部使触探装置钻入土体的状态，触探装置向下贯入S1距离；(4)为由于后坐力，撞锤和加载弹簧再次充能，并压缩制动弹簧的状态，装置在土中向上轻微回弹S2距离；(5)为制动弹簧、加载弹簧和撞锤释放引发二次撞击的状态，触探装置向下贯入S3距离。

1、吊耳；2、电缆孔；3、电缆；4、陀螺仪；5、加速度传感器；6.1、制动弹簧；6.2、伸缩杆；7、直流电机；8、减速器；9、传动杆；10、加载弹簧；11、突起部；12、螺旋轨道；13、撞锤；14、温度传感器；15、锥头阻力传感器；16、摩擦套筒；17、侧壁摩阻力传感器；18、孔隙水压力传感器；19、钻头；20、作业船；21、控制终端；22、释放架；23、释放器；24、自钻式动力触探装置；25、缆绳；26、卷扬机。

具体实施方式

如图1所示，本实施例一种自钻式动力触探系统，包括作业船，作业船上固定安装有释放架和卷扬机，其中释放架经缆绳悬吊有释放器，释放器上安装自钻式动力触探装置，卷扬机的上卷附的钢缆连接自钻式动力触探装置。本例中自钻式动力触探装置经电缆电路连接作业船上的控制终端。

如图2所示，本实施例中自钻式动力触探装置具有探杆，探杆下端装有钻头；探杆上端装有吊耳，触探装置经吊耳挂于释放器的挂钩上，并经吊耳连接卷扬机上的钢缆。

本实施例中钻头为铅制钻头，以增加其重量，起到降低装置重心的作用，防止装置在海水和海床下落过程中产生较大倾斜，保证装置的方向稳定性。钻头与探杆由螺纹连接，可以更换钻头形式。钻头形式包括圆锥钻头及全流式钻头。

本例中在探杆内部由上而下依次设有上部腔体、中部腔体和下部腔体，探杆内还设有从探杆顶端沿探杆轴线依次穿过上部腔体和中部腔体并延伸至下部腔体的电缆孔，电缆孔上端孔口设有密封圈。

本例中在上部腔体内装有用于获取触探装置姿态数据的姿态监测模块；中部腔体内装有驱动触探装置向下钻入的自钻模块；下部腔体内桩有用于获取触探装置受力数据的力传感模块；电缆孔内置有电缆，姿态监测模块、自钻模块和力传感模块经电缆电路连接作业船上的控制终端，电缆既要负责为自钻模块供电，又要负责传感器间的数据交互和控制终端的数据传回。

本实施例中姿态测量模块包括加速度传感器和陀螺仪，其中加速度传感器采集触探装置的加速度数据，后续可利用触探装置的加速度数据通过积分得到装置的速度和位移数据；陀螺仪可以获取触探装置的姿态信息。

本实施例中自钻模块具有均能沿探杆轴向移动的自钻支架和撞锤，其中自钻支架上端经弹性机构Ⅰ连接中部腔体的顶部，自钻支架上装有驱动机构，驱动机构包括直流电机和减速器，直流电机经减速器传动连接传动杆的上端，传动杆中孔，沿探杆轴线布置并套于中部腔体内的电缆段上，传动杆下端侧壁上制有突起部。

本例中弹性机构Ⅰ具有伸缩杆和制动弹簧，其中伸缩杆沿探杆轴线布置并套于中部腔体内的电缆段上，伸缩杆上下两端分别连接中部腔体顶部和自钻支架；制动弹簧套于伸缩杆上，通过伸缩杆防止其产生水平位移，制动弹簧上下两端分别连接中部腔体顶部和自钻支架。

本例中撞锤上端制有与传动杆适配的驱动孔，该撞锤经驱动孔套于中部腔体内的电缆段上，在驱动孔内壁上制有平行探杆轴线并与传动杆上突起部适配的竖向轨道，以及以竖向轨道上端为起点、以竖向轨道下端为终点螺旋下降并与传动杆上突起部适配的螺旋轨道。

本实施例中在撞锤和自钻支架之间设有弹性机构Ⅱ，采用加载弹簧，加载弹簧上端固定在上方的自钻支架上，加载弹簧下端顶接撞锤，不直接与撞锤相连，以保证撞锤有更多时间转移能量，提高机构效率。

本实施例中在探杆上对应下部腔体套有摩擦套筒，该摩擦套筒外径略大于探杆直径，并与钻头的直径适配。下部腔体内的力传感模块包括锥头阻力传感器、侧壁摩擦阻力传感器、孔隙水压传感器及温度传感器，其中锥头阻力传感器可以测量贯入过程中钻头所受到的锥尖阻力；侧壁摩擦阻力传感器可以测量贯入过程中摩擦套筒所受的侧壁摩阻力；孔隙水压传感器可以测量孔压过滤环位置的孔隙水压力，孔压过滤环与孔隙水压传感器间由通道相连；温度传感器获取触探装置所处环境温度，用于补偿其他传感器的温漂。

本实施例中自钻式动力触探系统的使用方法，包括以下步骤：

S1、作业船运行到指定位置后、触探装置释放前，应将触探装置浸泡在水中一段时间，使孔隙水压过滤环达到饱和，并且释放高度要距海床小于100m，通过控制释放器的挂钩使触探装置释放。

S2、释放后的触探装置带着钢缆和电缆在海水中自由下落，以一定速度贯入海床。此过程可以通过加速度方法或者锥尖阻力法解译出海床浅层土体的强度，并可以观测此时孔隙水压消散50％所需时间得到土体渗透参数。

S3、待触探装置停止向下贯入后启动驱动机构，带动传动杆转动，使传动杆上的突起部绕传动杆轴线转动；初始时，突起部位于螺旋轨道起点(即竖向轨道上端)，撞锤置于中部腔体底部，随着突起部转动进入螺旋轨道后使撞锤沿传动杆向上移动，并压紧加载弹簧(见图3中(1)→(2))。

S4、传动杆上的突起部沿螺旋轨道移动到螺旋轨道的终点(即竖向轨道下端)后，突起部进入竖向轨道，此时突起部在竖向与撞锤无接触，随后撞锤在其自身重力和加载弹簧弹力作用下向下移动并撞击中部腔体的底部，使自钻式动力触探装置向下钻入土体(见图3中(2)→(3))。

S5、撞锤撞击中部腔体底部后被反弹，向上移动，压缩制动弹簧和加载弹簧，此时触探装置有上拔运动趋势，但由于土体摩擦、上覆土重的存在，在土中仅发生轻微的回弹(见图3中(3)→(4))或者没有回弹。

S6、当撞锤的上移速度为0后，撞锤在其自身重力和弹性机构Ⅰ、Ⅱ弹力作用下再次向下移动并撞击中部腔体的底部，使自钻式动力触探装置再次向下钻入土体(见图3中(4)→(5))。

S7、撞锤重复步骤S5、S6，直至恢复平衡后置于中部腔体的底部，完成一次撞击循环。后续可能存在多次锤击，但和前两次相比都非常轻微，本实施例中忽略不计。

S8、重复步骤S3～S7，直至自钻式动力触探装置向下钻入到指定深度。

S9、通过启动作业船上的卷扬机回卷钢缆，以将触探装置从土层中拔出并回收到船上，并用清水对电缆和装置进行冲洗，防止海水腐。

本实施例中自钻式动力触探装置所获取数据的解译可分为两部分，第一部分为传统动力触探的自由下落贯入土体的过程，可以使用加速度法或锥尖阻力法直接解译海床浅层土体强度；第二部分为自钻入较深层土体过程(对应步骤S3～S7)，可以基于能量守恒的方法解译。

本实施例中基于能量守恒的解译方法，包括：为触探装置提供向下钻入的机械能是明确的，主要为重锤提升的重力势能和加载弹簧被压缩的弹性势能；触探装置在钻入过程的受力也是明确的，受到重力、土体浮力、锥尖阻力、侧壁摩擦阻力和土体拖曳力的作用。同时，触探装置的运动轨迹是明确的，路程可以通过加速度传感器的二次积分得到，位移也可通过计算得到。由此可以列出能量守恒公式：

其中，m_h为撞锤质量；Δx为撞锤被驱动机构提升的最高高度，即弹性机构Ⅱ被压缩的最大距离；F_D为土体拖曳力；F_B为土体浮力；F_s为侧壁摩阻力；F_t为锥尖阻力；G为触探装置重力；z为触探装置贯入深度(S1-S2+S3)；d为触探装置一次撞击循环对应的总路程(S1+S2+S3)；d_p为触探装置一次撞击循环向下贯入总路程(装置在土中可能会存在轻微回弹，S1+S3)。

本例中F_s可由侧壁摩阻力传感器测得，F_D、F_B由式(2)(3)可求，F_t与土体强度关系由式(4)可知。

F_b＝ρ′V_sg (2)

F_t＝s_uN_ktA_tipR_f (4)

其中，ρ′为土体浮密度；V_s为触探装置排开土体体积；ρ_s为土体饱和密度；C_d为拖曳系数；A_tip为钻头投影面积；N_kt为阻力系数；R_f为与瞬时速度和半径有关的应变率函数。

由式(1)(2)(3)(4)可得，土体强度表达式

Claims (7)

1.一种自钻式动力触探装置，其特征在于：具有探杆、装于探杆下端的钻头和装于探杆上端的吊耳，探杆内装有自钻模块，用于获取触探装置受力数据的力传感模块和用于获取触探装置姿态数据的姿态监测模块；

所述自钻模块安装于所述探杆的中部腔体内，具有能沿探杆轴向移动的自钻支架和撞锤；

所述自钻支架上端经弹性机构Ⅰ连接中部腔体的顶部，自钻支架上装有驱动机构，驱动机构经沿探杆轴线布置的传动杆连接位于自钻支架下方的撞锤；

所述撞锤上端制有与所述传动杆适配的驱动孔，驱动孔内壁上制有平行探杆轴线的竖向轨道，以及以竖向轨道上端为起点、以竖向轨道下端为终点螺旋下降的螺旋轨道；所述传动杆侧壁上制有能与竖向轨道和螺旋轨道适配的突起部；

所述撞锤和自钻支架之间设有弹性机构Ⅱ，该弹性机构Ⅱ上端与自钻支架固定连接，弹性机构Ⅱ下端顶接撞锤。

2.根据权利要求1所述的自钻式动力触探装置，其特征在于，所述力传感模块，包括：

锥头阻力传感器，用于测量该触探装置贯入土体过程中钻头所受到的锥尖阻力；

侧壁摩阻力传感器，用于测量该触探装置贯入土体过程中探杆所受到的侧壁摩阻力；

孔隙水压力传感器，用于测量该触探装置内孔压过滤环位置的孔隙水压力。

3.根据权利要求2所述的自钻式动力触探装置，其特征在于，所述力传感模块，还包括：

温度传感器，用于获取该触探装置所处位置的温度。

4.根据权利要求1所述的自钻式动力触探装置，其特征在于，所述姿态监测模块包括加速度传感器和陀螺仪。

5.根据权利要求1所述的自钻式动力触探装置，其特征在于：所述弹性机构Ⅰ具有沿所述探杆轴线布置的伸缩杆和制动弹簧，其中伸缩杆上端连接中部腔体顶部，下端连接自钻支架；制动弹簧上端连接中部腔体顶部，下端连接自钻支架。

6.根据权利要求1所述的自钻式动力触探装置，其特征在于：所述弹性机构Ⅱ为加载弹簧，该加载弹簧上端与所述自钻支架固定连接，下端顶接所述撞锤。

7.一种自钻式动力触探系统，其特征在于，包括：

作业船；

释放架，固定于所述作业船上，其上经缆绳安装释放器并经释放器连接权利要求1～6任意一项所述自钻式动力触探装置的吊耳；

卷扬机，固定于所述作业船上，其上卷附的钢缆连接所述自钻式动力触探装置的吊耳；

控制终端，设置于所述作业船上，经电缆电连接所述力传感模块和姿态监测模块。