一种用于实验室与船载的全流动球型贯入装置及方法，属于海底软土力学性质测试技术领域，包括装置土力学性质量测系统、装置控制与数据采集系统、装置搭载与静力贯入系统。装置土力学性质量测系统基于试样破坏状态优化内置传感器类型、数量与位置，实现测试数据可靠真实；装置控制与数据采集系统基于工况要求，结合获取的数据进行智能判断并形成操作命令；装置搭载与静力贯入系统接受操作命令后，携带装置土力学性质量测系统，实现智能测试。三大系统实时互馈，不断更新并优化测试状态，协同工作，可完成各种复杂工况测试。本发明专利技术测得参数多、精度高、操作智能化、具体过载保护功能，解决了当前室内与船载海洋软土力学性质测试的不足。
A full flow ball penetration device and method for laboratory and ship
【技术实现步骤摘要】
一种用于实验室与船载的全流动球型贯入装置及方法
本专利技术属于海底软土力学性质测试
，涉及海底软土力学特性包括不排水抗剪强度、孔隙水压力、贯入阻力，尤其针对具有低强度、高含水量、高灵敏度特征的海底超软土。
技术介绍
随着海洋油气与深海矿产资源开采的大力推进，海洋工程设施包括海底管线、海洋基础、水下生产系统等的建设将如火如荼的展开。作为工程建设前期评估的核心工作，海床承载力、海底斜坡稳定性、海洋地质灾害风险评估是保证环境稳定与生产安全的前提。这些具体工作的展开都离不开海洋土的力学参数。因此，准确获取海洋土，尤其是浅表层海洋土的不排水抗剪强度、孔隙水压力、贯入阻力，具有重要科学意义与工程价值。当前，获取海洋土力学参数的方法主要有原位测试与室内实验两大类。在诸多原位测试方法中，十字板剪切试验(VST)、圆锥静力触探试验(CPT)与全流动贯入试验得到了最为广泛的应用。然而，原位测试虽可避免取样与运输过程对土体的扰动，并能保持测试过程中的应力环境，但其测试费用极高，操作复杂，受环境因素影响大，精度难以保证，测试过程稳定性差。作为在不同沉积环境与应力历史条件下所形成的天然材料，土体的土性、物理性质、力学性质等有较大差异，这些在原位测试中都难以精细化考虑。因此，将海洋土样取样后，开展精细化的室内与船载测试是有效的解决途径。室内测试主要包括三轴剪切试验、直剪试验、无侧限抗压试验、室内十字板剪切试验等。这些测试技术手段主要针对强度高、含水量低、易于制样的海洋土体。但是，这些室内测试手段具有以下缺点：制样困难、耗样量大、测试周期长、测试精度低、获取的土力学参数不足、难以实现连续测试等。对于低强度、高含水量、高灵敏度的海洋(超)软土，更加难以开展测试，并给出准确评价。目前，具有较准确理论解的全流动贯入仪已被初步应用于室内测试。然而，现有的全流动贯入仪整体性较差、测试精度较低、稳定性不佳、智能化程度不够、孔隙水压力与土体破坏状态匹配不足、实现循环测试较为困难，更重要的是浅表层土体测试还存在理论缺陷等，难以满足海洋土力学性质评价的需要。更为重要的是，在海上作业中包括：海洋地质勘察、工程建设、科学考察，急需对海洋土的力学特性进行高效、及时、准确的获取，以指导进一步的海上作业。然而，当前鲜有用于船载的全流动贯入装置。因此，亟待研发一种适用于实验室与船载的全流动贯入装置，以解决上述问题。
技术实现思路
为了解决当前室内与船载海洋软土力学性质测试的不足，提供一种能测试海洋软土不排水抗剪强度、孔隙水压力、贯入阻力的装置，其具有传感器精度高、球型探头功能可定制化、装置可智能化控制、协调性强、稳定性高，并详细阐述其原理与使用方法，以期满足海洋土力学性质评价的需要。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种用于实验室与船载的全流动球型贯入装置，包括装置土力学性质量测系统、装置控制与数据采集系统、装置搭载与静力贯入系统。所述的装置土力学性质量测系统通过内置可优化设计并独立设置的高精度传感器，实时将测试过程中的工作状态与测试数据反馈于装置控制与数据采集系统中。所述的装置控制与数据采集系统接受来自装置土力学性质量测系统的工作状态与测试数据后，结合预先设置的测试工况，进行智能化判断，然后形成操作命令施加于装置搭载与静力贯入系统，同时将数据存储、备份并上传。所述的装置搭载与静力贯入系统接受来自装置控制与数据采集系统的操作命令后，携带装置土力学性质量测系统，实现智能化测试。三大系统实时互馈，不断更新并优化测试状态，实现协同工作，达到所需的复杂工况测试目的，如图1所示。所述的装置土力学性质量测系统包括可伸缩探杆1、高精度微型压力传感器2、固接点3、刚性短杆4、球型探头5、高精度微型孔隙水压力传感器6、进水孔7。所述的可伸缩探杆1为刚性L型可伸缩圆杆，其内部为空心结构，可根据贯入深度自动调整探杆长度，空心结构具有容纳高精度微型压力传感器2与传感器数据传输线8的空间，水平段的端部通过连接螺栓12和装置搭载与静力贯入系统中的水平连接件13相连接，竖直段的端部通过刚性短杆4与球型探头5相连，起到将球型探头5压入试样中的作用；所述的高精度微型压力传感器2为可根据所需的测试精度与量程更换的高精度压力传感器，可采用光纤光栅压力传感器、压电压力传感器、应变片压力传感器等，其置于可伸缩探杆1的竖直段，并通过固接点3与可伸缩探杆1固接在一起，达到侧面固定两端悬臂的工作状态；所述的固接点3可采用焊接技术或特种胶水黏结技术，实现将高精度微型压力传感器2与可伸缩探杆1固接；所述的刚性短杆4为刚性中空短杆，一端与高精度微型压力传感器2相连，另一端与球型探头5相连，传感器数据传输线8从其内部通过，短杆直径应小于可伸缩探杆1的直径，达到与可伸缩探杆1无接触，并要求在工作外力作用下其变形可忽略，其作用为将球型探头5受到的贯入阻力施加于高精度微型压力传感器2上；所述的球型探头5由中空的两个刚性半球组成，可直接合成完整的规则球体，其内壁任何位置均可放置高精度微型孔隙水压力传感器6，球型探头5外壁直接与试样接触，是最重要的测试组件之一；所述的可优化设计空间位置的高精度微型孔隙水压力传感器6可根据所需的测试精度更换不同类型、不同量程的孔隙水压力传感器，可采用光纤光栅渗压计等，基于优化定制，使其能紧紧贴附于球型探头5的内壁上，并通过球型探头5表面的进水孔7来测试贯入过程中试样的孔隙水压力，通过改变高精度微型孔隙水压力传感器6的位置可实现测试球型探头5贯入过程中不同位置的孔隙水压力；所述的进水孔7为球型探头5表面的圆形小孔，可根据高精度微型孔隙水压力传感器6的要求改变孔径、形状、位置等信息。所述的装置控制与数据采集系统包括传感器数据传输线8、数据采集仪9、微型计算机10、控制器19、驱动器20、电源21、连接线22。所述的传感器数据传输线8一端与高精度微型压力传感器2及高精度微型孔隙水压力传感器6相连，另一端与数据采集仪9相连，起到实时传输高精度微型压力传感器2与高精度微型孔隙水压力传感器6测得数据的作用；所述的数据采集仪9需要根据不同的传感器类型来选择，将高精度微型压力传感器2与高精度微型孔隙水压力传感器6测得的数据进行实时存储与自动更新，并通过连接线22传输给微型计算机10；所述的微型计算机10是控制系统的核心，将所需测试的工况信息输入其中，可根据内部软件进行判断，并通过连接线22将操作命令施加于控制器19上，还能实时存储并处理来自数据采集仪9的数据，进而与阈值对比后，智能确定当前测试土样的信息与装置的工作状态，自动判断试验是否继续进行，保证装置测试安全，避免过载损害；所述的控制器19接受来自微型计算机10的操作命令，并将指令施加于驱动器20；所述的驱动器20进一步接受控制器19的操作命令，将指令施加于步进电机17，驱动器的选取应与步进电机17相匹配；所述的电源21为整个控制装置提供电力支撑，并能匹配不同的工作环境，尤其是船载环境；所述的连接线22起到信号传输与电力输送的作用。所述的装置搭载与静力贯入系统包括测倾器11、连接螺栓12、水平连接件13、可移动铰接件14、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于实验室与船载的全流动球型贯入装置，其特征在于，包括装置土力学性质量测系统、装置控制与数据采集系统、装置搭载与静力贯入系统；所述的装置土力学性质量测系统通过内置高精度传感器，实时将测试过程中的工作状态与测试数据反馈于装置控制与数据采集系统中，装置控制与数据采集系统接受数据后，结合预先设置的测试工况，进行智能化判断，形成操作命令施加于装置搭载与静力贯入系统，同时将数据存储、备份并上传；所述的装置搭载与静力贯入系统接受操作命令后，携带装置土力学性质量测系统，实现智能化测试；/n所述的装置土力学性质量测系统包括可伸缩探杆(1)、高精度微型压力传感器(2)、固接点(3)、刚性短杆(4)、球型探头(5)、高精度微型孔隙水压力传感器(6)、进水孔(7)；所述的可伸缩探杆(1)为刚性L型可伸缩圆杆，其内部为空心结构，能够根据贯入深度自动调整探杆长度，可伸缩探杆(1)水平段的端部通过连接螺栓(12)与装置搭载与静力贯入系统中的水平连接件(13)相连接，竖直段的端部通过刚性短杆(4)与球型探头(5)相连接，用于将球型探头(5)压入试样中；所述的高精度微型压力传感器(2)可更换，放置于可伸缩探杆(1)的竖直段内，通过固接点(3)与可伸缩探杆(1)固接，达到侧面固定两端悬臂的工作状态；所述的刚性短杆(4)的一端与高精度微型压力传感器(2)相连，另一端与球型探头(5)相连，传感器数据传输线(8)从其内部通过，刚性短杆(4)与可伸缩探杆(1)无接触，用于将球型探头(5)受到的贯入阻力施加于高精度微型压力传感器(2)；所述的球型探头(5)由中空的两个刚性半球组成，其外壁直接与试样接触，其内壁放置可优化设计空间位置的高精度微型孔隙水压力传感器(6)，高精度微型孔隙水压力传感器(6)通过球型探头(5)表面的进水孔(7)测试贯入过程中试样的孔隙水压力；/n所述的装置控制与数据采集系统包括传感器数据传输线(8)、数据采集仪(9)、微型计算机(10)、控制器(19)、驱动器(20)、电源(21)、连接线(22)；所述的传感器数据传输线(8)一端与高精度微型压力传感器(2)及高精度微型孔隙水压力传感器(6)相连，另一端与数据采集仪(9)相连，数据采集仪(9)通过连接线(22)与微型计算机(10)连接，微型计算机(10)与控制器(19)连接；所述的微型计算机(10)通过连接线(22)将操作命令施加于控制器(19)上，并能实时存储、处理来自数据采集仪(9)的数据，进而与阈值对比后，智能确定当前测试土样的信息与装置的工作状态，自动判断试验是否继续进行；所述的控制器(19)将操作命令由驱动器(20)施加于步进电机(17)；所述的电源(21)为整个控制装置提供电力支撑，并能匹配不同的工作环境；/n所述的装置搭载与静力贯入系统包括测倾器(11)、连接螺栓(12)、水平连接件(13)、可移动铰接件(14)、连接滑块(15)、滚珠丝杆(16)、步进电机(17)、支撑平台(18)；所述的测倾器(11)布设于可伸缩探杆(1)的水平段，用于测试可伸缩探杆(1)的倾斜角度，保证可伸缩探杆(1)竖直贯入；所述的连接螺栓(12)通过平面旋转，使球型探头(5)能达到测试试样不同位置的目的；所述的水平连接件(13)通过可移动铰接件(14)与连接滑块(15)相连；所述的连接滑块(15)处于滚珠丝杆(16)上；所述的滚珠丝杆(16)通过可移动铰接件(14)与支撑平台(18)相连，能够在水平方向调整滚珠丝杆(16)的位置；所述的步进电机(17)置于滚珠丝杆(16)顶端，接受来自驱动器(20)的命令，精确控制可伸缩探杆(1)的贯入速度；所述的支撑平台(18)为整个装置搭载与静力贯入系统的骨架，起到支撑与维护稳定的作用。/n...
【技术特征摘要】
1.一种用于实验室与船载的全流动球型贯入装置，其特征在于，包括装置土力学性质量测系统、装置控制与数据采集系统、装置搭载与静力贯入系统；所述的装置土力学性质量测系统通过内置高精度传感器，实时将测试过程中的工作状态与测试数据反馈于装置控制与数据采集系统中，装置控制与数据采集系统接受数据后，结合预先设置的测试工况，进行智能化判断，形成操作命令施加于装置搭载与静力贯入系统，同时将数据存储、备份并上传；所述的装置搭载与静力贯入系统接受操作命令后，携带装置土力学性质量测系统，实现智能化测试；
所述的装置土力学性质量测系统包括可伸缩探杆(1)、高精度微型压力传感器(2)、固接点(3)、刚性短杆(4)、球型探头(5)、高精度微型孔隙水压力传感器(6)、进水孔(7)；所述的可伸缩探杆(1)为刚性L型可伸缩圆杆，其内部为空心结构，能够根据贯入深度自动调整探杆长度，可伸缩探杆(1)水平段的端部通过连接螺栓(12)与装置搭载与静力贯入系统中的水平连接件(13)相连接，竖直段的端部通过刚性短杆(4)与球型探头(5)相连接，用于将球型探头(5)压入试样中；所述的高精度微型压力传感器(2)可更换，放置于可伸缩探杆(1)的竖直段内，通过固接点(3)与可伸缩探杆(1)固接，达到侧面固定两端悬臂的工作状态；所述的刚性短杆(4)的一端与高精度微型压力传感器(2)相连，另一端与球型探头(5)相连，传感器数据传输线(8)从其内部通过，刚性短杆(4)与可伸缩探杆(1)无接触，用于将球型探头(5)受到的贯入阻力施加于高精度微型压力传感器(2)；所述的球型探头(5)由中空的两个刚性半球组成，其外壁直接与试样接触，其内壁放置可优化设计空间位置的高精度微型孔隙水压力传感器(6)，高精度微型孔隙水压力传感器(6)通过球型探头(5)表面的进水孔(7)测试贯入过程中试样的孔隙水压力；
所述的装置控制与数据采集系统包括传感器数据传输线(8)、数据采集仪(9)、微型计算机(10)、控制器(19)、驱动器(20)、电源(21)、连接线(22)；所述的传感器数据传输线(8)一端与高精度微型压力传感器(2)及高精度微型孔隙水压力传感器(6)相连，另一端与数据采集仪(9)相连，数据采集仪(9)通过连接线(22)与微型计算机(10)连接，微型计算机(10)与控制器(19)连接；所述的微型计算机(10)通过连接线(22)将操作命令施加于控制器(19)上，并能实时存储、处理来自数据采集仪(9)的数据，进而与阈值对比后，智能确定当前测试土样的信息与装置的工作状态，自动判断试验是否继续进行；所述的控制器(19)将操作命令由驱动器(20)施加于步进电机(17)；所述的电源(21)为整个控制装置提供电力支撑，并能匹配不同的工作环境；
所述的装置搭载与静力贯入系统包括测倾器(11)、连接螺栓(12)、水平连接件(13)、可移动铰接件(14)、连接滑块(15)、滚珠丝杆(16)、步进电机(17)、支撑平台(18)；所述的测倾器(11)布设于可伸缩探杆(1)的水平段，用于测试可伸缩探杆(1)的倾斜角度，保证可伸缩探杆(1)竖直贯入；所述的连接螺栓(12)通过平面旋转，使球型探头(5)能达到测试试样不同位置的目的；所述的水平连接件(13)通过可移动铰接件(14)与连接滑块(15)相连；所述的连接滑块(15)处于滚珠丝杆(16)上；所述的滚珠丝杆(16)通过可移动铰接件(14)与支撑平台(18)相连，能够在水平方向调整滚珠丝杆(16)的位置；所述的步进电机(17)置于滚珠丝杆(16)顶端，接受来自驱动器(20)的命令，...
【专利技术属性】
技术研发人员：年廷凯，郭兴森，谷忠德，赵维，贾永刚，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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