[發(fā)明專利]一種新型海洋土全流觸探系統(tǒng)及測試方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910014491.8
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109555099A
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發(fā)明（設計）人: 裴華富;孫安元;楊慶;楊鋼;趙維
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: E02D1/02
• 分類號: E02D1/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種新型海洋土全流觸探系統(tǒng)，其特征在于，所述的新型海洋土全流觸探系統(tǒng)包括橢圓截面探頭(1)、孔隙水壓傳感器(2)、光纖光柵(3)、鎂鋁合金變截面中空探桿(4)、壓阻式壓力傳感器(5)、帶密封線圈的塑膠軟管(6)、孔隙可調(diào)式移動滑塊(7)、滑塊定位螺栓(8)、波長解調(diào)設備(9)、壓力數(shù)采儀(10)、進步式電機(11)和直線模組(12)；

所述的橢圓截面探頭(1)為剛性材料，用于剪切土體；

所述的鎂鋁合金變截面中空探桿(4)為變截面中空圓柱，從頂部到底部分為大直徑非變截面區(qū)域、變截面區(qū)域及小直徑非變截面區(qū)域；鎂鋁合金變截面中空探桿(4)的底部與橢圓截面探頭(1)螺紋連接；鎂鋁合金變截面中空探桿(4)的頂部通過孔隙可調(diào)式移動滑塊(7)和滑塊定位螺栓(8)的配合固定在直線模組(12)的橫臂上；鎂鋁合金變截面中空探桿(4)的變截面區(qū)域及小直徑非變截面區(qū)域外部套裝有帶密封線圈的塑膠軟管(6)，消除變截面區(qū)域帶來的側向摩阻力，提高系統(tǒng)的測試精度實現(xiàn)；鎂鋁合金變截面中空探桿(4)的變截面區(qū)域是通過機械車床加工出來的，上部大直徑非變截面部分為的是提高探桿的剛度，減少變形；變截面區(qū)域的目的是為了縮小截面面積，提高貫入時桿身的應變量，增加測試精度；

所述的孔隙水壓傳感器(2)固定于橢圓截面探頭(1)底部中心的凹槽，孔隙水壓傳感器(2)的傳輸導線經(jīng)由鎂鋁合金變截面中空探桿(4)內(nèi)部，與壓力數(shù)采儀(10)相連；

所述的光纖光柵(3)對稱粘貼于鎂鋁合金變截面中空探桿(4)外部，用來測試橢圓截面探頭(1)貫入阻力及鎂鋁合金變截面中空探桿(4)側向摩阻力；光纖光柵(3)與波長解調(diào)設備(9)相連；

所述的直線模組(12)通過進步式電機(11)進行調(diào)節(jié)；

所述的壓阻式壓力傳感器(5)設置于孔隙可調(diào)式移動滑塊(7)和鎂鋁合金變截面中空探桿(4)的貼合處，用以測試鎂鋁合金變截面中空探桿(4)及橢圓截面探頭(1)的壓入阻力。

2.根據(jù)權利要求1所述的新型海洋土全流觸探系統(tǒng)，其特征在于，所述的橢圓截面探頭(1)底部中心凹槽表面進行噴砂處理。

3.一種用新型海洋土全流觸探系統(tǒng)的測試方法，其特征在于，橢圓截面探頭(1)在貫入過程中產(chǎn)生貫入阻力，引起鎂鋁合金變截面中空探桿(4)產(chǎn)生彈性變形，利用光纖光柵(3)測量大直徑非變截面區(qū)域及變截面區(qū)域的應變分別計算鎂鋁合金變截面中空探桿(4)的側摩阻力及橢圓截面探頭(1)貫入阻力；基于全流理論，利用塑性理論極限解獲得橢圓截面探頭(1)貫入阻力與軟土的不排水抗剪強度的算法公式，進而分析不同軸長比橢圓界面探頭1的阻力系數(shù)及阻力系數(shù)誤差的算法公式；壓阻式壓力傳感器(5)測量橢圓截面探頭(1)循環(huán)貫入、拔出過程中的孔隙水壓變化，信號由壓力數(shù)采儀(10)接收；

步驟如下：

(1)橢圓截面探頭(1)的貫入阻力由鎂鋁合金變截面中空探桿(4)下部的變截面區(qū)域的應力值計算：

Q＝Aσ

式中：σ探桿桿身應力，σ＝Eε；其中，ε探桿桿身應變值，E探桿的彈性模量；A鎂鋁合金變截面中空探桿下部變截面區(qū)域截面面積，其中d₁為探桿外徑，d₂為內(nèi)徑；

(2)軟土的不排水抗剪強度基于全流理論利用塑性理論的極限解得出：

式中：S軟土的不排水抗剪強度；Q探頭端阻力；L探頭長度；N探頭平均阻力系數(shù)，其中N_c為探頭完全光滑的的阻力系數(shù)，N_s為探頭完全粗糙的阻力系數(shù)；a橢圓截面探頭長軸；b橢圓截面探頭短軸；

(3)橢圓界面探頭1平均阻力系數(shù)與界面軸長比b/a相關，橢圓截面探頭(1)的平均阻力系數(shù)與軸長比的函數(shù)關系：

(4)建立橢圓截面探頭(1)截面軸長比、鎂鋁合金變截面中空探桿(4)的桿徑與軟土的不排水抗剪強度算法公式：

(5)鎂鋁合金變截面中空探桿(4)側向摩阻力的計算：在計算鎂鋁合金變截面中空探桿(4)側摩阻力時忽略鎂鋁合金變截面中空探桿(4)自身的重量；根據(jù)力的平衡原理，鎂鋁合金變截面中空探桿(4)x深度處的側摩阻力由鎂鋁合金變截面中空探桿(4)上部的壓阻式壓力傳感器(5)測得的壓力值P及由光纖光柵(3)測得的鎂鋁合金變截面中空探桿(4)x深度處的桿身應力σ_x計算，由得