TWI614383B

TWI614383B - 海底量測之圓錐貫入試驗設備

Info

Publication number: TWI614383B
Application number: TW105134450A
Authority: TW
Inventors: 許懷後; 洪鵬智; 張宏毅
Original assignee: 建國科技大學
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-02-11
Also published as: TW201816233A

Description

海底量測之圓錐貫入試驗設備

本發明係屬一種海域土壤測量之試驗設備，尤指一種可以使用於深海探測之海底量測之圓錐貫入試驗設備。

台灣西南外海蘊藏天然氣水合物，西部海域更擁有充沛的海上風場，對於海洋能源的開發與運用必須進行工址調查，以建立海域工址特徵。由於颱風與地震的天然環境，台灣海域的大地工程探勘技術更顯現其重要性。基於能源產業的海域探勘需求，台灣海域工程基礎設計所進行之工址調查，必須評估水深達數百至數千公尺海域之工址特性是一項艱鉅的任務，要在如此深的海床取得高品質的岩芯並操作室內試驗困難度極高，現地試驗是獲得工址特性最直接的方式，因此深海圓錐貫入試驗更突顯其重要性。

圓錐貫入試驗(Cone Penetration Test,CPT)是一種廣泛使用的現地試驗方法。在1930年代，荷蘭人Pieter Barentsen為了調查當地軟弱土壤的厚度與承載力，發展出一套簡易且實用的機械式調查工具-荷蘭式圓錐貫入儀(Dutch cone penetrometer)。後來經過不斷地研究改良，在二次大戰期間電子式圓錐貫入儀(electric cone penetrometer)的出現，更大大提升其在探測資料擷取的準確度與完整性，而研究人員發現CPT可應用於較深的砂土層中，獲得有關該深度砂土層的承載力和剪力強度的結果。到了1965年，Fugro 首次將電子式圓錐貫入儀做為一般性土壤現地調查的工具，因而自此更廣泛地被使用。到了1970年代中期，挪威、瑞典與美國再將水壓計安裝於電子錐內，以進行孔隙水壓的量測，也就是目前所廣泛使用的水壓錐(piezocone penetrometer,CPTu)。

根據ASTM D5778標準的圓錐貫入試驗儀，其為底面直徑35.7mm(截面積10cm²)的圓錐體，錐頭角度呈60度，試驗時以20mm/sec的穩定速度將圓錐貫入土中。試驗過程除記錄圓錐貫入阻抗(cone tip resistance,q_C)，及作用在錐頭後方圓柱外壁之套管摩擦阻抗(sleeve friction,f_S)外，另可加裝水壓計(piezometer)量測土層中的孔隙水壓。CPT操作簡單、迅速，加上擷取資料具連續性，因此對現地土壤的量測與分析，提供很大的助益。

相較於陸地所使用之圓錐貫入試驗設備，海域操作圓錐貫入試驗所需面對的主要包括量測的感測參數精度之解析與周邊設備之支援系統。深海圓錐貫入儀的設計必須考量惡劣條件下的操作環境，其設備必須具備足夠量測精度、抗壓能力、耐腐蝕、防水、以及放置於船上甲板與海床的溫差變化對試驗性能的影響。

在量測的感測參數上，海域圓錐貫入試驗相同於陸地所使用之設備，均至少包含了CPTu的基本量測元件：圓錐貫入阻抗(cone tip resistance,q_C)、套管摩擦阻抗(sleeve friction,f_S)與水壓計(piezometer)。但是因為貫入海床時深海的高壓環境，使得感測參數反應實際地盤狀況的量測解析度更為重要。

不同於陸地環境，2000公尺深的海床現地試驗操作環境之靜水壓(hydrostatic pressure,u_S)即高達20MPa(200bar)，以一個截面積10cm²(直徑：35.7mm)的標準貫入錐而言，其貫入阻抗(q_C)在此高壓環境下，尚未貫入前可能就受力高達20kN，但是對於較軟弱之海底沉積物地盤而言，其實際之q_C值約在20~100kPa，亦即其周圍靜水壓的1/1000~1/200，同樣的量測範圍差異性亦發生在套管摩擦阻抗(f_S)與超額孔隙水壓(excess pore water pressure,△u)。

惟，目前對於海域大地工程所使用的深海圓錐貫入儀，其q_C與f_S使用荷重元(load cell)之量測模式，在貫入海床時同時感應了該深度水壓力以及貫入阻抗值，其感測精度是否能夠濾除高水壓力的影響，而呈現貫入阻抗值(q_C與f_S)，是該荷重元解析度的一大挑戰。另外，f_S是藉由連接套筒的環片將側向摩擦阻抗轉換為軸向壓力進行量測，在同一軸桿上安裝此兩種壓力式感測器，在圓錐貫入時同時受力變形下，其荷重元所呈現q_C與f_S相互間因為配置形式的影響，必須仔細評估與提出其標定或修正曲線。另外，為了符合高壓環境中所要求的量測精度，在如此高壓力差異的狀態下，其設備必須具備足夠量測精度，仍有待克服。

有鑑於上述習知的缺失，本發明人乃集思創作用於結合採用壓差感測計(differential pressure transducer)搭配特殊機構設計，來進行感測參數的量測，並進行圓錐貫入試驗的方法。此設計構想，可以利用壓差感測計對於海床等靜水壓環境下，壓力變化的敏感度特性，達到高壓環境中所要求的量測精度。是以，如何開發一種更具理想實用性之創新結構，實是消費者所殷切企盼，亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向。有鑑於此，發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。

在高壓環境中所要求的量測精度，在如此高的壓力差異的狀態下，其設備必須具備足夠量測精度。

運用壓差感測計對於海床等靜水壓環境下，壓力變化的敏感度特性，達到高壓環境中所要求的量測精度，並進而設計其感測器壓力機構之圓錐貫入設備。

本發明係提供一種海底量測之圓錐貫入試驗設備，其係包含有，一第一管體，該第一管體之前端係設有一貫入錐頭，該貫入錐頭的後端係設有一貫入阻抗壓差感測器，該貫入錐頭之側邊並開設有一水壓入口，該水壓入口會連接有一第一水壓管路，該第一管體之末端係設有一限位部，該限位部上係卡設有一推動塊，一第二管體，該第二管體之前端係組設於該推動塊上，該第二管體並設有一摩擦阻抗壓差感測器，該第二管體內並設有一第二水壓管路，該第二水壓管路會連通有一水壓室，該水壓室內係設有一孔隙水壓壓差感測器，一海水壓力管，該海水壓力管係有一入口設於該第二管體之末端，該海水壓力管並分別與該貫入阻抗壓差感測器、摩擦阻抗壓差感測器及孔隙水壓壓差感測器相連通者。

本發明運用壓差感測器分別來對於貫入阻抗、摩擦阻抗及孔隙水壓(excess pore pressure,△u)分別進行量測，壓差感測計的功能在於反應壓差感測計探頭兩端不同封閉環境的壓力差異值，傳遞貫入過程中的壓力增量(q_C、f_S與△u)變化來精確且連續的取得相關的資料。

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明於後，相信本發明上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。

10‧‧‧第一管體

11‧‧‧貫入錐頭

12‧‧‧貫入阻抗壓差感測器

121‧‧‧貫入阻抗上腔室

122‧‧‧貫入阻抗下腔室

13‧‧‧貫入橡皮單元

131‧‧‧限位槽

132‧‧‧貫入橡皮圓錐頭

133‧‧‧貫入不鏽鋼圓形薄片

14‧‧‧限位環

15‧‧‧水壓入口

151‧‧‧第一水壓管路

16‧‧‧限位部

17‧‧‧推動塊

18‧‧‧摩擦橡皮單元

181‧‧‧摩擦橡皮圓錐頭

182‧‧‧摩擦不鏽鋼圓形薄片

20‧‧‧第二管體

21‧‧‧摩擦阻抗壓差感測器

211‧‧‧摩擦阻抗上腔室

212‧‧‧摩擦阻抗下腔室

22‧‧‧第二水壓管路

23‧‧‧水壓室

24‧‧‧孔隙水壓壓差感測器

241‧‧‧孔隙水壓上腔室

242‧‧‧孔隙水壓下腔室

25‧‧‧水壓橡皮單元

251‧‧‧水壓槽

252‧‧‧水壓橡皮圓錐頭

253‧‧‧水壓不鏽鋼圓形薄片

30‧‧‧海水壓力管

31‧‧‧入口

40‧‧‧傾斜度感測元件

50‧‧‧溫度感測元件

60‧‧‧資料擷取系統

第1圖係本發明之外觀圖。

第2圖係本發明之內部結構示意圖。

第3圖係本發明之貫入阻抗壓差感測器之局部示意圖。

第4圖係本發明之摩擦阻抗壓差感測器之局部示意圖。

第5圖係本發明之孔隙水壓壓差感測器之局部示意圖。

首先，如第1及2圖所示，係本發明之較佳實施例之外觀圖及內部結構示意圖，惟此等實施例僅供說明之用，在專利申請上並不受此結構之限制。

該圓錐貫入設備係包含有，如第1及2圖所示，係包括：一第一管體10，該第一管體10之前端係設有一貫入錐頭11，該貫入錐頭11的後端係設有一貫入阻抗壓差感測器12，請再配合第3圖所示，其係為貫入阻抗壓差感測器之局部示意圖，該貫入阻抗壓差感測器12兩端分別設有一貫入阻抗上腔室121及一貫入阻抗下腔室122，該貫入阻抗上腔室121及貫入阻抗下腔室122內設耐高壓矽膠油膏，該貫入阻抗壓差感測器12與貫入錐頭11連接端設有一貫入橡皮單元13，其係由一限位槽131及一貫入橡皮圓錐頭132，該第一管體10底部係設有一限位環14，該限位槽131係可卡限於該限位環14上而有一限制位置的位移，該貫入橡皮圓錐頭132之頂部並設有一貫入不鏽鋼圓形薄片133，該貫入不鏽鋼圓形薄片133並與該貫入橡皮圓錐頭132之頂部相接觸，該貫入不鏽鋼圓形薄片133設於該貫入阻抗下腔室122底部，該貫入錐頭11之側邊並開設有一水壓入口15，該水壓入口 15會連接有一第一水壓管路151，該第一管體10之末端係設有一限位部16，該限位部16上係卡設有一推動塊17，該推動塊17上設有一摩擦橡皮單元18，請再配合第4圖所示，其頂端係設有一摩擦橡皮圓錐頭181，該摩擦橡皮單元18之頂部並設有一摩擦不鏽鋼圓形薄片182，該摩擦不鏽鋼圓形薄片182係與該摩擦橡皮圓錐頭181之頂部相接觸者；一第二管體20，該第二管體20之前端係組設於該推動塊17上，該第二管體20並設有一摩擦阻抗壓差感測器21，請配合參閱第4圖所示，其係為摩擦阻抗壓差感測器之示意圖，該摩擦阻抗壓差感測器21兩端分別設有一摩擦阻抗上腔室211及一摩擦阻抗下腔室212，該摩擦阻抗上腔室211與摩擦阻抗下腔室212內設耐高壓矽膠油膏，該摩擦不鏽鋼圓形薄片182係設於該摩擦阻抗下腔室212之底部，該第二管體20內並設有一第二水壓管路22與第一水壓管路151相連通，該第二水壓管路22會連通有一水壓室23，該水壓室23內係設有一孔隙水壓壓差感測器24，請配合參閱第5圖所示，其係為孔隙水壓壓差感測器24之示意圖，該孔隙水壓壓差感測器24兩端分別設有一孔隙水壓上腔室241及一孔隙水壓下腔室242，該孔隙水壓上腔室241與該孔隙水壓下腔室242內設耐高壓矽膠油膏，該水壓室23內並設有一水壓橡皮單元25，其底部係設有一水壓槽251，而頂部係設有一水壓橡皮圓錐頭252，該水壓橡皮單元25之頂部係設有一水壓不鏽鋼圓形薄片253係與該水壓橡皮圓錐頭252之頂部相接觸；三海水壓力管30，該等海水壓力管30係有一入口31設於該第二管體20之末端，該海水壓力管30之另端並分別與該貫入阻抗壓差感測器12的貫入阻抗上腔室121、摩擦阻抗壓差感測器21的摩擦阻抗上腔室211及孔隙水壓壓差感測器24的孔隙水壓上腔室241相連通者，而可提供一外界水壓作為參考壓力；一傾斜度感測元件40，一溫度感測元件50及一資料擷取系統60，其係裝設於該第二管體20內。

為供進一步瞭解本發明構造特徵，運用手段技術及所預期達成之功效，茲將本發明使用方式加以敘述，相信當可由此而對發明作有更深入且具體之瞭解，如下所述；請配合參閱第3圖所示，當該圓錐貫入設備要進行量測時，其前端的貫入錐頭11會先與海底接觸，該貫入錐頭11貫入海底時，其表面會因與海底接觸產生貫入阻抗與變形，表面的變形量會推動該貫入橡皮單元13，使該貫入橡皮單元13產生推力，而使該貫入橡皮單元13可以在限位槽131之預定距離內移動，該貫入橡皮單元13頂部的貫入橡皮圓錐頭132會頂住該貫入不鏽鋼圓形薄片133上推來推動貫入阻抗下腔室122內的矽膠油膏，透過貫入阻抗下腔室122的壓力變化與貫入阻抗上腔室121連通至海水壓力管30上端入口31的海水壓力兩相比較，其可使該貫入阻抗壓差感測器12可以測得上腔室與下腔室壓力的變化差異，進而可以得知貫入錐頭11貫入時的壓力變化，而可測得錐尖阻抗，並將數值傳送到資料擷取系統60內進行記錄，另外，因為該貫入橡皮單元13係以該貫入橡皮圓錐頭132以尖端接觸的方式與貫入不鏽鋼圓形薄片133相接觸，使不鏽鋼圓形薄片133中央有較大之變形量，其壓力變化會比較靈敏；接著，請參閱第4圖所示，該第一管體10貫入海底的地面時，外環周會與土壤產生摩擦阻力，使第一管體10會產生一上推的反作用力，此時，在第一管體10後方限位部16會將該推動塊17往上推動，形成一軸向的推力，使該摩擦橡皮單元18產生一推力，該摩擦橡皮單元18的摩擦橡皮圓錐頭181會推動該摩擦不鏽鋼圓形薄片182，使該摩擦不鏽鋼圓形薄片182會推動該摩擦阻抗下腔室212，使該摩擦阻抗下腔室212內的矽膠油膏產生一壓力變化，透過摩擦阻抗下腔室212的壓力變化與摩擦阻抗上腔室211連通至海水壓力管30上端入口31的海水壓力兩相比較，使該摩擦阻抗壓差感測器21可以測得上腔室與下腔室壓力的變化差異，進而可以得知貫入時管體的周側摩擦阻抗的大小，並將數值傳送到資料擷取系統60內進行記錄，另外，因為該摩擦橡皮單元18係以該摩擦橡皮圓錐頭181以尖端接觸的方式與摩擦不鏽鋼圓形薄片182相接觸，使不鏽鋼圓形薄片182中央有較大之變形量，其壓力變化會比較靈敏；同時，請配合參閱第5圖所示，該貫入錐頭11側邊的水壓入口15，在貫入錐頭11貫入海底時，海水從水壓入口15進入的水壓會導入至第一水壓管路151及第二水壓管路22後再進入至水壓室23內，透過水壓推動該孔隙水壓橡皮單元25底部之水壓槽251來產生壓力的變化，該水壓推動該水壓槽251後會帶動該水壓橡皮圓錐頭252來推動該水壓不鏽鋼圓形薄片253來推動該孔隙水壓下腔室242，透過孔隙水壓下腔室242的壓力變化與孔隙水壓上腔室241連通至海水壓力管30上端入口31的海水壓力兩相比較，使該孔隙水壓壓差感測器24可以得知海底水壓與由該海水壓力管30進入的水壓的壓差為何，並將數值傳送到資料擷取系統60內進行記錄；另外，該傾斜度感測元件40與溫度感測元件50可以記錄貫入過程中，第一管體10與第二管體20的傾斜角度及海底溫度，並記錄至資料擷取系統60。

依此設計之貫入阻抗壓差感測器12、摩擦阻抗壓差感測器21及孔隙水壓壓差感測器24安裝於內部中空桿件(inner hollow bar)中，以雙重O型環於貫入阻抗壓差感測器12、摩擦阻抗壓差感測器21及孔隙水壓壓差感測器24兩端形成兩個各自獨立的貫入阻抗上腔室121、貫入阻抗下腔室122、摩擦阻抗上腔室211、摩擦阻抗下腔室212、孔隙水壓上腔室241及孔隙水壓下腔室242。貫入阻抗壓差感測器12、摩擦阻抗壓差感測器21及孔隙水壓壓差感測器24的功能在於反應壓差感測器兩端上腔室與下腔室不同封閉環境的壓力差異值，當此兩個封閉環境具有連通管道時，其壓力差值為0。利用此感測特性，設計與周圍海床操作環境之靜水壓(hydrostatic pressure,u_S)連通，形成貫入阻抗壓差感測器12、摩擦阻抗壓差感測器21及孔隙水壓壓差感測器24所在貫入阻抗上腔室121、貫入阻抗下腔室122、摩擦阻抗上腔室211、摩擦阻抗下腔室212、孔隙水壓上腔室241及孔隙水壓下腔室242內外等壓狀態，以消除靜水壓之影響效應，再利用矽膠油膏(silicon grease)，傳遞貫入過程中的壓力增量(excess pressure,△p)變化，並轉換為相對應的感測參數(q_C、f_S與△u)。

傳遞至該貫入阻抗壓差感測器12、摩擦阻抗壓差感測器21及孔隙水壓壓差感測器24的量測壓力是利用矽膠油膏(silicon grease)，傳遞貫入過程中的壓力增量(excess pressure,△p)變化，並轉換為相對應的感測參數(q_C、f_S與△u)。為了能夠即時反應現地壓力變化，該貫入阻抗壓差感測器12、摩擦阻抗壓差感測器21及孔隙水壓壓差感測器24兩端的貫入阻抗上腔室121、貫入阻抗下腔室122、摩擦阻抗上腔室211、摩擦阻抗下腔室212、孔隙水壓上腔室241及孔隙水壓下腔室242由內部充滿耐高壓矽膠油膏與貫入不鏽鋼圓形薄片133、摩擦不鏽鋼圓形薄片182及水壓不鏽鋼圓形薄片253所組成。

腔室接觸面的設計理論為彈性薄板理論(Timoshenko and Woinowsky-Krieger,1959)，腔室中的橫薄膜(diaphragm)(即貫入不鏽鋼圓形薄片133、摩擦不鏽鋼圓形薄片182及水壓不鏽鋼圓形薄片253)受到壓力時，則會產生線彈性變形，可以根據理論計算薄板壓力與變形。若壓力變化量大時，則可依量測需求做適當調整該貫入不鏽鋼圓形薄片133、摩擦不鏽鋼圓形薄片182及水壓不鏽鋼圓形薄片253之厚度。

內部充滿耐高壓矽膠油膏的功能在於阻絕海水滲入貫入阻抗壓差感測器12、摩擦阻抗壓差感測器21及孔隙水壓壓差感測器24之前端接觸面造成腐蝕損耗，並使壓力能夠平均分布於該貫入阻抗壓差感測器12、摩擦阻抗壓差感測器21及孔隙水壓壓差感測器24前端接觸面。

歸納上述的說明，藉由本發明結構的設計，具有上述眾多的優點及實用價值，因此本發明為一創意極佳之發明創作，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，故本發明已符合發明專利有關『新穎性』與『進步性』的要件，乃依法提出申請。