一種多功能水下動態(tài)貫入及原位測試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于近?，F(xiàn)場測試土體力學(xué)特性的多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，屬于巖土工程領(lǐng)域中一種能夠動態(tài)測試近海海底超軟土力學(xué)特性的半自動化原位測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]海底表層超軟土的力學(xué)特性對于開發(fā)深水油氣田的發(fā)展越來越重要。與此同時，其對于深水地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評估(特別是海底生物的減少)的重要性也日益增加。通常，海底沉積物具有質(zhì)軟、正常固結(jié)、細(xì)粒沉積、表面強(qiáng)度低(<20kPa)和隨著深度的強(qiáng)度增加(I?2kPa/m)的特點(diǎn)。這導(dǎo)致取得優(yōu)質(zhì)土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗非常困難且成本較高，使得設(shè)計參數(shù)的確定更多地依賴于現(xiàn)場原位測試所得到的數(shù)據(jù)。
[0003]孔壓靜力觸探(CPTU)試驗在超軟土中所測數(shù)據(jù)的精度可能隨海水深度的增加而減少。這部分由于(I)海底高壓力環(huán)境使得超軟土貫入阻力所導(dǎo)致的負(fù)載增量的測量精度降低，及(2)不等面積效應(yīng)和上覆土層壓力對貫入阻力的影響。傳統(tǒng)的靜態(tài)海底孔壓靜力觸探一般基于海底框架技術(shù)，有著設(shè)備笨重，測試步驟長，所需配套船舶條件高，測試費(fèi)用大等缺點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明基于常規(guī)的孔壓靜力觸探探頭，提出了一種具有原位、多功能、自動化程度高等特點(diǎn)的動態(tài)孔壓孔壓靜力觸探測試裝置，使得勘測過程方便、快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)，能夠為近海巖土工程勘測設(shè)計提供快捷有效成本低廉的測試參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)靜態(tài)海底孔壓靜力觸探其設(shè)備笨重，耗時長，所需配套條件困難，成本高等問題，提出一種能夠動態(tài)測試近海海底超軟土力學(xué)特性的半自動化孔壓原位觸探裝置。利用該測試裝置能夠快速有效地測定海底超軟土的工程力學(xué)特性，并自行進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、處理、儲存工作。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置由三部分組成，上部為金屬外殼密封室；中部為探桿;下部為多功能貫入儀，在金屬外殼密封室上設(shè)有外部數(shù)據(jù)接口與纜線掛孔，在密封室內(nèi)上部設(shè)有測斜儀、數(shù)據(jù)儲存芯片和微型處理器；中部設(shè)有電源;下部設(shè)有雙軸加速度計、溫度傳感器以及貫入測試數(shù)據(jù)接收模塊;探桿下部連接多功能貫入儀，多功能貫入儀包括摩擦筒、孔壓過濾環(huán)與探頭;孔壓過濾環(huán)位于摩擦筒與探頭的連接處，探頭與探桿直徑相同。
[0007]金屬外殼密封室外殼為鋼制，整體上部為圓柱形長70cm，直徑20cm，下部為圓臺形，高20cm，上直徑20cm，下直徑4.43cm。
[0008]所述測斜儀:頂角測量范圍:0°?15°;測量精度為±0.1° ;頂角分辨率為0.01°。
[0009]微型處理器及數(shù)據(jù)儲存芯片的處理速度MOHz。
[0010]直流電源，標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓5V，輸出電流I OOmA。_] 雙軸加速度計，量程分別為±1.78、±188、±7(^，靈敏度10001^/^、10001^/^、27V/go
[0012]圓錐探頭的錐角為60°，錐底截面積為15cm2，摩擦筒表面積為180cm2。
[0013]孔壓過濾環(huán)厚度為5_，探頭的有效面積比為0.8。
[0014]該原位測試裝置有效測試深度<500m，錐尖阻力量程為25MPa，側(cè)壁摩阻力量程為
0.25MPa，孔隙水壓力量程為IMPa。
[0015]有益效果:本發(fā)明解決了傳統(tǒng)靜態(tài)海底孔壓靜力觸探其設(shè)備笨重，耗時長，所需配套條件困難，成本高等問題，能夠方便、快速、精確、低成本地測定海底超軟土的工程力學(xué)性質(zhì)，并自行進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、處理、儲存工作。為近海巖土工程勘測設(shè)計提供快捷有效經(jīng)濟(jì)的測試參數(shù)。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的元件裝置圖；
[0017]其中有:金屬外殼密封室I，探桿2，多功能貫入儀3，外部數(shù)據(jù)接口4，測斜儀5，纜線掛孔6，數(shù)據(jù)儲存芯片7，微型處理器8，電源9，雙軸加速度計10，溫度傳感器11，貫入測試數(shù)據(jù)接收模塊12，摩擦筒13，孔壓過濾環(huán)14，圓錐探頭15
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明的多功能近海水下動態(tài)貫入原位測試裝置包括:
[0019]該裝置上部為金屬外殼密封室I;中部為探桿2;下部為多功能貫入儀3。上部金屬外殼密封室I，包含外部數(shù)據(jù)接口 4與纜線掛孔5，在密封室內(nèi)上部設(shè)有測斜儀6，數(shù)據(jù)儲存芯片7和微型處理器8;中部設(shè)有電源9;下部設(shè)有雙軸加速度計10，溫度傳感器11，貫入測試數(shù)據(jù)接收模塊12;探桿2下部連接摩擦筒13與探頭15;孔壓過濾環(huán)14位于摩擦筒13與探頭15的連接處，探頭與探桿直徑相同。
[0020]測試時將測試裝置通過纜線掛孔5穿過纜線與船舶連接，直接將測試裝置放入海水中以恒定2m/s的速度自由垂直貫入海底。通過雙軸加速度計10的豎直分量分析得到測試裝置多功能貫入儀部分3在貫入海底超軟土過程中的速度變化情況。并同時通過貫入測試數(shù)據(jù)接收模塊12采集下部多功能貫入儀3，通過摩擦筒13，孔壓過濾環(huán)14以及探頭15所測得的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力與孔隙水壓力。于此同時通過測斜儀6以及溫度傳感器11對測試時的外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控以排除受環(huán)境影響較大的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過微型處理器8進(jìn)行收集、分析后儲存于數(shù)據(jù)儲存芯片7。在測試結(jié)束后將測試裝置取出水面通過外部數(shù)據(jù)接口 4將處理的數(shù)據(jù)提取至PC端。
[0021]測試裝置上部金屬外殼密封室，包含外部數(shù)據(jù)接口與纜線掛孔。氣密外殼鋼制，表面噴漆，厚2.5cm。整體上部為圓柱形長70cm，直徑20cm，下部為圓臺形，高20cm，上直徑20cm，下直徑 4.43cm。
[0022]測斜儀:頂角測量范圍:0°?15°;測量精度為±0.1° ;頂角分辨率為0.01°。
[0023]微型處理器及其含有數(shù)據(jù)儲存芯片，處理速度MOHz。
[0024]直流電源，標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓5V，輸出電流I OOmA。
[0025]雙軸加速度計，量程分別為± I.7g、土 18g、±70g，靈敏度1000mV/g、1000mV/g、27V/go
[0026]圓錐探頭的錐角為60°，錐底截面積為15cm2，摩擦筒(13)表面積為180cm2。
[0027]孔壓過濾環(huán)厚度為5_，探頭的有效面積比為0.8。
[0028]測試裝置有效測試深度<500m，錐尖阻力量程為25MPa，側(cè)壁摩阻力量程為
0.25MPa，孔隙水壓力量程為IMPa。
[0029]該測試裝置保留并改進(jìn)了常規(guī)靜態(tài)靜力觸探的功能(可測錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、孔隙水壓力、傾斜、溫度等)，解決了其設(shè)備笨重，耗時長，所需配套條件困難，成本高等問題，能夠方便、快速、精確、低成本地測定海底超軟土的工程力學(xué)性質(zhì)，并自行進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、處理、儲存工作。為近海巖土工程勘測設(shè)計提供快捷有效經(jīng)濟(jì)的測試參數(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，其特征在于該裝置由三部分組成，上部為金屬外殼密封室；中部為探桿;下部為多功能貫入儀，在金屬外殼密封室(I)上設(shè)有外部數(shù)據(jù)接口(4)與纜線掛孔(6)，在密封室內(nèi)上部設(shè)有測斜儀(5)、數(shù)據(jù)儲存芯片(7)和微型處理器(8);中部設(shè)有電源(9);下部設(shè)有雙軸加速度計(10)、溫度傳感器(11)以及貫入測試數(shù)據(jù)接收模塊(12);探桿(2)下部連接多功能貫入儀(3)，多功能貫入儀(3)包括摩擦筒(13)、孔壓過濾環(huán)(14)與探頭(15);孔壓過濾環(huán)(14)位于摩擦筒(13)與探頭(15)的連接處，探頭(15)與探桿(2)直徑相同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，其特征在于金屬外殼密封室(I)外殼為鋼制，整體上部為圓柱形長70cm，直徑20cm，下部為圓臺形，高20cm，上直徑20cm，下直徑 4.43cm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，其特征在于所述測斜儀(5):頂角測量范圍:0°?15° ;測量精度為±0.1°;頂角分辨率為0.01°。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，其特征在于微型處理器(8)及數(shù)據(jù)儲存芯片(7)的處理速度>40Hz。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，其特征在于直流電源(9)，標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓5V，輸出電流100mA。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，其特征在于雙軸加速度計(1 )，量程分別 S±1.7g、±18g、±70g，靈敏度 1000mV/g、1000mV/g、27V/g。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，其特征在于圓錐探頭(15)的錐角為60°，錐底截面積為15 cm2，摩擦筒(13)表面積為180 cm2。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，其特征在于孔壓過濾環(huán)(14)厚度為5 mm，探頭的有效面積比為0.8。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，其特征在于該原位測試裝置有效測試深度<500m，錐尖阻力量程為25MPa，側(cè)壁摩阻力量程為0.25MPa，孔隙水壓力量程為IMPa。
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，該裝置主要由三部分組成，上部為金屬外殼密封室(1)；中部為探桿(2)；下部為多功能貫入儀(3)；上部由外部數(shù)據(jù)接口(4)，測斜儀(5)，纜線掛孔(6)，數(shù)據(jù)儲存芯片(7)，微型處理器(8)，電源(9)，雙軸加速度計(10)，溫度傳感器(11)，以及貫入測試數(shù)據(jù)接收模塊(12)組成；孔壓過濾環(huán)(14)位于摩擦筒(13)與探頭(15)的連接處。該多功能水下動態(tài)貫入原位測試裝置，具有原位、多功能、自動化程度高等特點(diǎn)，使得勘測過程方便、快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)，能夠為近海巖土工程勘測設(shè)計提供快捷有效的測試參數(shù)。
【IPC分類】G01N3/00
【公開號】CN105571931
【申請?zhí)枴緾N201510945574
【發(fā)明人】蔡國軍, 彭鵬, 劉松玉
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月16日