[發(fā)明專利]一種海底超軟土流變強度測試裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811322403.2
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN109238924B
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 年廷凱;郭興森;谷忠德;范寧;魯雙
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N11/14
• 分類號: G01N11/14;G01N11/12
• 代理公司: 21200 大連理工大學專利中心
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種海底超軟土流變強度測試裝置，其特征在于，所述的測試裝置包括運載平臺(1)、姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)(2)、流變強度測試裝置(3)、控制與貫入系統(tǒng)(4)、數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)(5)、槳式轉(zhuǎn)子(7)和自動伸縮探桿(8)；

所述的運載平臺(1)用于將流變強度測試裝置(3)運送到待測海域的海床表面并實現(xiàn)多次平穩(wěn)著陸與安全回收；

所述的姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)(2)為連桿結(jié)構(gòu)，運載平臺(1)通過姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)(2)與流變強度測試裝置(3)連接，且姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)(2)能夠在運載平臺(1)著陸后，接受來自控制與貫入系統(tǒng)(4)的信號，并將自身的姿態(tài)數(shù)據(jù)反饋給控制與貫入系統(tǒng)(4)，形成互饋，通過調(diào)整姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)(2)中連桿的長度與角度，保證流變強度測試裝置(3)的平整度，確保流變強度測試裝置(3)可豎直貫入海床中；

所述的流變強度測試裝置(3)通過數(shù)據(jù)與信號傳輸?shù)姆绞较嗷ミB接，協(xié)同工作，開展測試，其兩側(cè)分別設(shè)有控制與貫入系統(tǒng)(4)和數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)(5)，中部設(shè)有自動伸縮探桿(8)，所述的自動伸縮探桿(8)與槳式轉(zhuǎn)子(7)相接，槳式轉(zhuǎn)子(7)用于測試海底超軟土流變強度；

所述的控制與貫入系統(tǒng)(4)用于接受姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)(2)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，進而通過控制姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)(2)保證流變強度測試裝置(3)的工作位置；還控制攜帶槳式轉(zhuǎn)子(7)的自動伸縮探桿(8)貫入到同一站位、多個指定深度土層，并記錄貫入深度，測試完成后回收，進行下一站位的測試；還可通過兩種測試模式，實現(xiàn)槳式轉(zhuǎn)子(7)和自動伸縮探桿(8)的旋轉(zhuǎn)開展測試；還可接受數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)(5)的數(shù)據(jù)反饋；

所述的數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)(5)通過內(nèi)部的扭矩傳感器與旋轉(zhuǎn)位移傳感器，分別記錄受到的扭矩與旋轉(zhuǎn)的角速度，記錄并存儲數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給控制與貫入系統(tǒng)(4)，實現(xiàn)互饋控制。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海底超軟土流變強度測試裝置，其特征在于，所述的控制與貫入系統(tǒng)(4)的兩種測試模式分別為：以固定的強度梯度施加轉(zhuǎn)動力矩記錄角速度的應力控制模式，和以固定的剪切速率梯度施加角速度記錄轉(zhuǎn)動力矩的應變控制模式。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種海底超軟土流變強度測試裝置，其特征在于，所述的流變強度測試裝置(3)中部還設(shè)有能夠自動伸縮的固定邊界圓管(6)，固定邊界圓管(6)中軸線處設(shè)有槳式轉(zhuǎn)子(7)和自動伸縮探桿(8)；固定邊界圓管(6)與槳式轉(zhuǎn)子(7)同時插入多個深度的土層，進行兩種模式的測試。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種海底超軟土流變強度測試裝置，其特征在于，所述的槳式轉(zhuǎn)子(7)為四葉片結(jié)構(gòu)。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種海底超軟土流變強度測試裝置，其特征在于，所述的槳式轉(zhuǎn)子(7)為四葉片結(jié)構(gòu)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的測試裝置進行海底超軟土流變強度測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

首先，根據(jù)海底的水深，選擇合適的運載平臺( 1) ；再根據(jù)相關(guān)的工程背景，預先設(shè)置好測試模式、是否貫入固定邊界圓管(6)、槳式轉(zhuǎn)子( 7) 的尺寸與貫入深度；其次，將流變強度測試裝置( 3) 通過運載平臺( 1) 下放到指定地點，開展測試并回收裝置；最后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)( 5) 中的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的計算、處理與分析：

流變強度的計算公式為進一步可簡化為剪切速率的計算公式為與表觀粘度的計算公式為

其中，s_u為超軟土的流變強度，Pa；M'為裝置內(nèi)部的扭矩傳感器記錄的扭矩，N·m；d₀為自動伸縮探桿的直徑，m；h_w為自動伸縮探桿處于海水中的長度，m；μ_w為海水的粘度，Pa·s；為海水的剪切速率，s^-1；為同一站位上覆已測得土層流變強度的平均值，Pa；h_s為自動伸縮探桿處于土中的長度，m；H和D分別為槳式轉(zhuǎn)子的高度和直徑，m；為超軟土的剪切速率，s^-1；K_γ是剪切速率常數(shù)；ω為裝置內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)位移傳感器記錄的角速度，rad/s；r為四葉片槳式轉(zhuǎn)子的半徑，m；R為邊界圓管的半徑，m；μ_app為超軟土的表觀粘度，Pa·s。