[發明專利]用于海上標準貫入試驗的落錘控制裝置及方法

在審

• 申請號: 201710157164.9
• 申請日: 2017-03-16
• 公開（公告）號: CN106948330A
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 胡建平;鈕建定;李孝杰;李慶慶
• 申請（專利權）人: 中交第三航務工程勘察設計院有限公司
• 主分類號: E02D1/02
• 分類號: E02D1/02
• 代理公司: 上海光華專利事務所31219
• 代理人: 雷紹寧

技術領域

本發明涉及一種用于工程現場的原位測試裝置及控制方法，具體地說，涉及一種用于海上標準貫入試驗的落錘控制裝置及方法。

背景技術

標準貫入試驗(Standard Penetration Test，簡稱SPT)是工程勘察中常用的一種原位測試手段，尤其適用于不易取得原狀試樣的砂性土層。SPT的試驗過程是，在現場用63.5kg的穿心錘,以76cm高度自由落錘，將標準貫入器先打入土中15cm，然后記錄再打入土中30cm的錘擊數(N)，根據30cm的標準貫入擊數(N)來判別土的物理力學性質。通過SPT可間接確定砂土的相對密度Dr，評定土的內摩擦角和黏性土的不排水抗剪強度c_u，估算地基基床反力系數k，確定樁基承載力，評價場地砂性土的液化可能性及等級。

有關SPT落距規定，中國《巖土工程勘察規范》(GB50021–2001，2009)為76±2cm；美國ASTM D1586-11為76±3cm；英國BS 1377-9:2007為76±3cm，其他勘察規范也有類似要求。陸域作業時，現有的勘探設備及方法能夠準確控制落距，但海域作業時，勘探設備固定在船載平臺上，在波浪起伏的海況下，無法控制穿心錘的落距，使得標準貫入擊數(N)失真。中國發明申請CN 104179164 A公開了一種“用標貫擊數N探測長江河口、砂嘴、砂島地層砂性土相對密度Dr的方法”，在長江口等水上采用SPT試驗，但未提到標準貫入落距如何控制。

現有技術中也公開了一種水上勘探解決方案，如專利號為201120385192.4的中國實用新型專利公開了一種“波浪補償分離式液壓鉆機用動力頭”，通過液壓電機與鉆頭分離式結構創新，采用動力和控制系統分離式軟連接，具有波浪補償的功能，適用于淺海工程勘探，但未涉及標準貫入落距控制。

文獻“波浪補償分離式液壓鉆機在海上勘察中的應用”(林吉兆,麥若綿,梁文成，港口科技，2014，(2):24-27.)闡述了港珠澳大橋島隧工程勘察中應用了波浪補償分離式鉆機，解決了勘探取樣，同樣也未涉及標準貫入落距控制的問題。

隨著海岸工程水工建筑、跨海橋梁、人工島隧等的建設，基礎設計越來越重視原位測試SPT所提供的貫入擊數(N)值。因此，業內迫切需要一種符合歐標(EU)、美標(ASTM)或國標(GB)等規范，解決海上標準貫入落距控制的難題，使陸域成熟的SPT延伸至海域，滿足海上工程地基設計的需求。

發明內容

本發明要解決的一個技術問題是提供一種可以用于海上標準貫入試驗的落錘控制裝置，以滿足現有規范的要求，為海上工程基礎設計提供準確的標準貫入擊數。

為了解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：一種用于海上標準貫入試驗的落錘控制裝置，包括鉆桿、鋼絲繩，以及連接在鋼絲繩末端的穿心錘，所述鋼絲繩的另一端與驅動裝置相連接，驅動裝置安裝在船體上，還包括波浪檢測模塊和控制模塊，所述波浪檢測模塊包括傾角傳感器和陀螺儀傳感器，傾角傳感器測得的船體傾斜角度、陀螺儀傳感器測得的船體角速度實時傳輸給控制模塊；控制模塊與所述波浪檢測模塊、驅動裝置相連接，控制模塊根據波浪檢測模塊測得的數據，計算出船體下一步的升沉變化量，并調節驅動裝置的運動量，帶動穿心錘獲得符合標準要求的落距。

優選地，還包括用于測量所述鋼絲繩張力的張力傳感器，所述張力傳感器與控制模塊相連接。

優選地，所述鉆桿上還連接有位置傳感器，所述位置傳感器與控制模塊相連接。

優選地，所述驅動裝置由液壓泵、伺服閥、液壓馬達和卷揚機組成，控制模塊輸出的控制信號調節伺服閥的流量和方向，從而控制液壓馬達的轉速和轉向。

本發明要解決的另一個技術問題是提供一種用于海上標準貫入試驗的落錘控制方法，包括以下步驟：

A、準備：采用船載勘探設備在海床上鉆孔至指定深度，然后將貫入器連在鉆桿下端，沿孔壁放入到孔底，把一根帶有錘墊的導向桿與鉆桿的上端旋緊，吊起穿心錘穿入導向桿，并落在錘墊上；

B、檢測：波浪檢測模塊中的傾角傳感器測得船體傾斜角度、陀螺儀傳感器測得船體角速度，并傳輸給控制模塊；

C、預測：控制模塊根據船體傾斜角度和角速度的變化，預測出船體下一步的升沉變化量；

D、提升：控制模塊控制驅動裝置，通過鋼絲繩提升穿心錘，并根據船體的升沉變化量，動態調整鋼絲繩的提升或下降，使穿心錘保持在76cm的提升高度，并不受船體波動的影響；

E、落錘：驅動裝置釋放鋼絲繩，執行一次自由落錘，并記錄貫入器入土深度及錘擊數；