[發(fā)明專利]帶有推進(jìn)器的自由落體式球形貫入儀

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711448424.4
• 申請(qǐng)日: 2017-12-27
• 公開（公告）號(hào): CN108152170B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉君
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N11/12
• 分類號(hào): G01N11/12
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;溫福雪

本發(fā)明屬于海洋工程技術(shù)領(lǐng)域，一種帶有推進(jìn)器的自由落體式球形貫入儀，為自由落體式動(dòng)力貫入儀，其測(cè)量過程不需借助其他的加載裝置，依靠貫入儀自身的動(dòng)能和重力勢(shì)能貫入海床土中進(jìn)行測(cè)量，操作過程簡(jiǎn)單；主要的測(cè)量?jī)x器為前端的球形貫入儀，在動(dòng)力貫入過程中主要受到土的端承阻力以及拖曳阻力、上覆土壓力的作用，利用加速度傳感器和力傳感器所采集的數(shù)據(jù)可以反演土體的相關(guān)參數(shù)，如土體強(qiáng)度以及率效應(yīng)參數(shù)等。通過附加推進(jìn)器能夠有效的提高貫入儀的貫入深度，增加測(cè)量?jī)x可測(cè)量的深度范圍，而且推進(jìn)器能夠提高貫入儀下落過程中的方向穩(wěn)定性，避免球形貫入儀發(fā)生旋轉(zhuǎn)。該測(cè)量?jī)x增加了力傳感器，結(jié)合加速度傳感器的測(cè)量值，可進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海洋工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有推進(jìn)器的自由落體式球形貫入儀，利用附加有推進(jìn)器的球形貫入儀通過自由落體的方式貫入土中所采集的數(shù)據(jù)來分析土體的相關(guān)參數(shù)。

背景技術(shù)

海洋空間和資源的開發(fā)與利用離不開海上結(jié)構(gòu)物，而任何結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期定位都需要與海床相連來固定，因此需要對(duì)海洋的地質(zhì)條件進(jìn)行詳盡的勘測(cè)，以確定海洋土的相關(guān)參數(shù)，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前用于確定海洋黏土土體強(qiáng)度以及其他參數(shù)的方法包括：CPT(錐形貫入儀)，十字板剪切實(shí)驗(yàn)，T-bar(T形貫入儀)，Ball-bar(球形貫入儀)以及FFP(自由落體式貫入儀)。

CPT是將錐形貫入儀以恒定的速度勻速壓入海床土體中，通過測(cè)得的尖端和側(cè)壁的阻力以及孔壓數(shù)據(jù)來分析土體的相關(guān)性質(zhì)，其測(cè)量結(jié)果通常需要經(jīng)過以下幾步的校準(zhǔn)：

(1)對(duì)孔隙水壓力進(jìn)行校準(zhǔn)；

(2)對(duì)上覆土壓力進(jìn)行校準(zhǔn)；

(3)選取適當(dāng)?shù)亩瞬砍休d能力系數(shù)，N_kt。

而在深海勘測(cè)中，上覆土壓力通常比較大，會(huì)影響校準(zhǔn)后的阻力值；而且 Ma等人用LDFE(大變形有限元)方法計(jì)算的結(jié)果表明CPT的端部承載能力系數(shù)會(huì)隨著土體剛度系數(shù)的增大而增大，給CPT數(shù)據(jù)的分析帶來不便。

T-bar和Ball-bar為全流式貫入儀，與CPT相比，其測(cè)量結(jié)果不需要對(duì)上覆土壓力進(jìn)行校準(zhǔn)。Ball-bar為球形測(cè)量?jī)x，而T-bar為圓柱形測(cè)量?jī)x，因此在土質(zhì)不均勻的情況下，T-bar容易產(chǎn)生較大的彎矩而影響測(cè)量的精度。T-bar和Ball-bar在貫入過程中，周圍土體會(huì)形成局部完全回流的流動(dòng)形式，因此可以得到其承載能力系數(shù)(N_b)的理論解答。Randolph等用極限分析方法，給出了球形貫入儀在土中貫入過程N(yùn)_b的上下限解答，對(duì)于完全光滑(球體與土之間的摩擦系數(shù)α＝0)的情況，N_b的上下限解分別為11.80和10.98；而對(duì)于完全粗糙(α＝1)的情況下，N_b的上下限解分別為15.54和15.10。Zhou等人用大變形有限元方法(LDFE) 計(jì)算了Ball-bar貫入時(shí)的承載能力系數(shù)，α＝0和1時(shí)，N_b的計(jì)算值分別為10.97 和15.19。

Ball-bar在使用過程中需要通過連接桿與加載裝置連接，而Randolph的理論分析結(jié)果沒有考慮連接桿的影響。Chung等人通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法，研究了不同桿-球面積比A_r(A_r＝A_shaft/A_ball，A_shaft為連接桿的橫截面積，A_ball為球的投影面積) 對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，得出A_r≤0.15時(shí)，連接桿對(duì)Ball-bar測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。Zhou等人用數(shù)值模擬的方法，計(jì)算分析了不同A_r值情況下Ball-bar的貫入阻力，得出A_r≤0.1時(shí)可以忽略連接桿的影響。