[發明專利]帶有推進器的自由落體式球形貫入儀

有效

• 申請號: 201711448424.4
• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN108152170B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 劉君
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N11/12
• 分類號: G01N11/12
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;溫福雪

1.一種帶有推進器的自由落體式球形貫入儀的操作方法，其特征在于，所述的帶有推進器的自由落體式球形貫入儀包括兩部分：

第一部分包括球形貫入儀(1)和用來連接球形貫入儀(1)與推進器(3)的連接桿(2)；球形貫入儀(1)的中間部位設置孔壓傳感器(1a)，用來測量球形貫入儀(1)貫入海洋土后周圍土體的孔壓變化情況；球形貫入儀(1)與連接桿(2)的一端通過力傳感器(2b)連接，力傳感器(2b)用來測量球形貫入儀(1)在貫入海洋土過程中受到的阻力；連接桿(2)的另一端通過外螺紋(2a)與推進器(3)連接；連接桿(2)使球形貫入儀(1)與推進器(3)之間保持一定的距離，以防止推進器(3)影響球形貫入儀(1)周邊土體的流動形式；連接桿(2)面積的確定以避免對球形貫入儀(1)的測量值產生影響為原則；

第二部分為用于提高貫入儀沉貫深度的推進器(3)，所述的推進器(3)包括一個圓柱體中軸(3b)，其前端為橢球形，尾部為流線型，以減小其在水中自由下落以及貫入海洋土過程中的阻力；該圓柱體中軸(3b)的長度根據實際測量需求調整，圓柱形中軸的長度；所述的圓柱體的尾部設置有四片尾翼，用于提高推進器(3)下落過程中的方向穩定性，該尾翼尺寸根據實際需求調整；所述的推進器(3)的前端設有內螺紋(3a)，與連接桿(2)的外螺紋(2a)配合連接；推進器(3)頂部留有用來放置加速度傳感器(3c)、數據采集儀(3f)、電源(3e)以及相關的控制設備的空間，推進器(3)頂部裝有加速度傳感器(3c)，數據導線從推進器(3)頂部出來連接到采集儀(4)；所述的推進器的尾部設置有安裝繩(3h)和回收繩(3g)，完成測量后，通過拉緊回收繩(3g)回收推進器(3)以及貫入儀，并導出所采集的數據；

所述操作方法的步驟如下：

步驟1、安裝推進器(3)與球形貫入儀(1)，通過螺紋連接兩部分，并確保球形貫入儀(1)的重心與推進器(3)的軸線重合，以提高球形貫入儀(1)在自由落體以及貫入海洋土過程中的方向穩定性，避免出現大的偏角，從而提高球形貫入儀(1)的貫入速度以及貫入深度；連接傳感器與數據采集儀(3f)或采集儀(4)；

步驟2、通過安裝繩(3h)將組裝好的球形貫入儀(1)懸掛在海床表面以上預定高度位置，釋放回收繩(3g)，靜置待球形貫入儀(1)穩定，開啟測量以及采集裝置，準備開始數據采集；

步驟3、釋放安裝繩(3h)，讓球形貫入儀(1)開始自由落體，直至其貫入海洋土中，達到靜置狀態；貫入完成后，讓球形貫入儀(1)在海洋土中停留一段時間，以采集球形貫入儀(1)周邊土體中孔壓的變化情況；

步驟4、數據采集完畢后，通過回收繩(3g)回收球形貫入儀(1)，并導出數據采集儀(3f)或采集儀(4)所采集記錄的數據，進行數據分析；

首先，通過加速度傳感器(3c)記錄數據分析球形貫入儀(1)的貫入速度以及沉貫深度，球形貫入儀(1)的速度由公式(1)計算得到，其沉貫深度由公式(2)計算得到，

式中，a為加速度傳感器(3c)測量到的貫入儀豎向加速度，v為貫入儀豎向速度，s_t為貫入儀的豎向位移；

土體強度通過力傳感器(2b)以及加速度傳感器(3c)的測量結果進行反演，具體過程如下：

對球形貫入儀(1)在貫入海洋土過程中的受力用式(3)表示：

(m+m′)a＝W_b+F_m-F_N-F_D-F_b (3)

式中，m為球形貫入儀(1)的質量；a為加速度傳感器(3c)測量值；W_b為球形貫入儀(1)在水中的浮重量；F_m為力傳感器(2b)測量值；F_N為球形貫入儀(1)受到海洋土的端承阻力；F_D為球形貫入儀(1)貫入海洋土體過程中受到的拖曳阻力；F_b為球形貫入儀(1)受到的海洋土體上覆壓力，為球形貫入儀(1)沒入土中的體積與土體浮重度γ'的乘積；需要考慮附加質量m'的作用，其按照式(4)進行計算，

m′＝C_mm_soil (4)

式中，C_m為附加質量系數，取為C_m＝0.5；m_soil為球形貫入儀(1)排開土體的質量，按照式(5)進行計算，

m_soil＝V_ballρ_soil (5)

式中，V_ball為球形貫入儀(1)排開土體的體積，ρ_soil為土體的密度；

在考慮球形貫入儀(1)動力貫入過程中土體率效應的情況下，式(3)中的端承阻力F_N用式(6)表示，

F_N＝R_fN_cs_uA_t (6)

式中，N_c為球形貫入儀(1)的端部承載能力系數，與摩擦系數α有關；s_u為所測土體在參考應變率下的不排水抗剪強度；A_t為球形貫入儀(1)的投影面積；R_f為土體的率效應系數，用式(7)的指數型率效應公式表達，

式中，為土體的切應變率，用球形貫入儀(1)的速度v與直徑D的比值來表達；為參考切應變率；β為率效應參數，其取值為0.034～0.14；

R_f用式(8)表示：

R_f＝f₁(v,β,α,R_en) (8)

上式中非牛頓流體雷諾數R_en如式(9)所示：

因此，率效應系數R_f表達為：

R_f＝f₁(v,β,α,ρ_soil,s_u) (10)

球形貫入儀(1)的端部承載能力系數N_c是與摩擦系數α相關的，如式(11)所示：

N_c＝f₂(α)＝A₁+A₂α+A₃α² (11)

式中A₁～A₃為待定系數，通過數值模擬的方法進行確定；

式(3)中F_D為在海洋土中貫入過程中的拖曳阻力，用式(12)計算，

式中，C_D為拖曳阻力系數；

球形貫入儀(1)的拖曳阻力系數用式(13)表達：

C_D＝f₃(α,R_en)＝f₃(α,ρ_soil,v,s_u) (13)

綜合式(3)～(13)得，通過測得的加速度a和阻力F_m計算土體強度的表達式如式(14)所示，

上式中f₁、f₂以及f₃中的相關系數通過數值模擬方法來確定；式(14)W_b、F_b在測量過程中計算得到，F_m、a分別為力傳感器和加速度傳感器的測量值，v由加速度傳感器測量值通過積分得到，而β、α以及s_u為待測量的參數，根據測量數值利用最小二乘法進行反演；

通常海洋土的不排水抗剪強度會隨著深度線性增加，因此s_u表示為：

s_u＝s_u0+kz (15)

式中，s_u0為土表面的不排水抗剪強度，z為距離海洋土表面的距離，k為強度梯度；結合式(14)和式(15)，利用球形貫入儀(1)所采集的在貫入海洋土過程中的加速度數據以及力傳感器數據，反演出土體強度參數s_u0、k以及率效應參數β、摩擦系數α。