本发明专利技术涉及一种自钻式动力触探装置、系统及其使用方法、数据解译方法。本发明专利技术的技术方案为：一种自钻式动力触探装置，具有探杆、装于探杆下端的钻头和装于探杆上端的吊耳，探杆内装有自钻模块，用于获取触探装置受力数据的力传感模块和用于获取触探装置姿态数据的姿态监测模块；所述自钻模块安装于所述探杆的中部腔体内，具有能沿探杆轴向移动的自钻支架和撞锤；所述自钻支架上端经弹性机构Ⅰ连接中部腔体的顶部，自钻支架上装有驱动机构，驱动机构经沿探杆轴线布置的传动杆连接位于自钻支架下方的撞锤。本发明专利技术适用于海洋土体原位测试领域。域。域。
【技术实现步骤摘要】
自钻式动力触探装置、系统及其使用方法、数据解译方法
[0001]本专利技术涉及一种自钻式动力触探装置、系统及其使用方法、数据解译方法。适用于海洋土体原位测试领域。
技术介绍
[0002]随着海洋大规模开发，众多以海底土体为基础的海洋工程应运而生，掌握海底沉积物的物理性质和力学性质对海洋工程的建设至关重要。深海海底的浅层沉积物以饱和软土为主，具有不排水抗剪强度低、高含水量、饱和松散且容易扰动等特点。由于常规取样对原位土体扰动比较大，影响室内试验结果准确性，为了详细掌握海底土体的相关特性，海洋土体原位测试在海洋地质调查和海洋工程勘察中广泛应用。
[0003]海洋土体原位测试技术主要包括静力触探和动力触探。相较于静力触探，动力触探不需要依赖庞大的工程船和繁杂的贯入设备，有便捷、经济、高效的优势。随着海上新建风电场规模不断扩大，导致同一风场海床土体性质存在较大空间变异性，需要在同一海域进行较密集的原位测试，动力触探优势借此发挥。但传统的动力触探贯入海床深度受限，仅能得到浅部土体性质。
技术实现思路
[0004]本专利技术要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种自钻式动力触探装置、系统及其使用方法、数据解译方法。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：一种自钻式动力触探装置，其特征在于：具有探杆、装于探杆下端的钻头和装于探杆上端的吊耳，探杆内装有自钻模块，用于获取触探装置受力数据的力传感模块和用于获取触探装置姿态数据的姿态监测模块；
[0006]所述自钻模块安装于所述探杆的中部腔体内，具有能沿探杆轴向移动的自钻支架和撞锤；
[0007]所述自钻支架上端经弹性机构Ⅰ连接中部腔体的顶部，自钻支架上装有驱动机构，驱动机构经沿探杆轴线布置的传动杆连接位于自钻支架下方的撞锤；
[0008]所述撞锤上端制有与所述传动杆适配的驱动孔，驱动孔内壁上制有平行探杆轴线的竖向轨道，以及以竖向轨道上端为起点、以竖向轨道下端为终点螺旋下降的螺旋轨道；所述传动杆侧壁上制有能与竖向轨道和螺旋轨道适配的突起部；
[0009]所述撞锤和自钻支架之间设有弹性机构Ⅱ，该弹性机构Ⅱ上端与自钻支架固定连接，弹性机构Ⅱ下端顶接撞锤。
[0010]所述力传感模块，包括：
[0011]锥头阻力传感器，用于测量该触探装置贯入土体过程中钻头所受到的锥尖阻力；
[0012]侧壁摩阻力传感器，用于测量该触探装置贯入土体过程中探杆所受到的侧壁摩阻力；
[0013]孔隙水压力传感器，用于测量该触探装置内孔压过滤环位置的孔隙水压力。
[0014]所述力传感模块，还包括：
[0015]温度传感器，用于获取该触探装置所处位置的温度。
[0016]所述姿态监测模块包括加速度传感器和陀螺仪。
[0017]所述弹性机构Ⅰ具有沿所述探杆轴线布置的伸缩杆和制动弹簧，其中伸缩杆上端连接中部腔体顶部，下端连接自钻支架；制动弹簧上端连接中部腔体顶部，下端连接自钻支架。
[0018]所述弹性机构Ⅱ为加载弹簧，该加载弹簧上端与所述自钻支架固定连接，下端顶接所述撞锤。
[0019]一种自钻式动力触探系统，其特征在于，包括：
[0020]作业船；
[0021]释放架，固定于所述作业船上，其上经缆绳安装释放器并经释放器连接所述自钻式动力触探装置的吊耳；
[0022]卷扬机，固定于所述作业船上，其上卷附的钢缆连接所述自钻式动力触探装置的吊耳；
[0023]控制终端，设置于所述作业船上，经电缆电连接所述力传感模块和姿态监测模块。
[0024]一种所述自钻式动力触探系统的使用方法，其特征在于：
[0025]S1、作业船运行到指定位置后，控制释放器释放自钻式动力触探装置；
[0026]S2、释放后的自钻式动力触探装置在海水中自由下落，以一定速度贯穿海床；
[0027]S3、启动驱动机构，带动传动杆转动，使传动杆上的突起部与撞锤上的螺旋轨道配合，使撞锤沿传动杆向上移动，并压紧弹性机构Ⅱ；
[0028]S4、传动杆上的突起部沿螺旋轨道移动到螺旋轨道的终点后，突起部进入竖向轨道，随后撞锤在其自身重力和弹性机构Ⅱ弹力作用下向下移动并撞击中部腔体的底部，使自钻式动力触探装置向下钻入土体；
[0029]S5、撞锤撞击中部腔体底部后被反弹，向上移动，压缩弹性机构Ⅰ和弹性机构Ⅱ；
[0030]S6、当撞锤的上移速度为0后，撞锤在其自身重力和弹性机构Ⅰ、Ⅱ弹力作用下再次向下移动并撞击中部腔体的底部，使自钻式动力触探装置再次向下钻入土体；
[0031]S7、撞锤重复步骤S5、S6，直至恢复平衡后置于中部腔体的底部；
[0032]S8、重复步骤S3～S7，直至自钻式动力触探装置向下钻入到指定深度。
[0033]一种基所述使用方法的数据解译方法，其特征在于：
[0034]获取步骤S3～S7过程中力传感模块采集的钻头所受到的锥尖阻力F
t
和探杆所受到的侧壁摩阻力F
s
，以及姿态监测模块采集的自钻式动力触探装置加速度数据；
[0035]基于如下公式解译土体强度S
u
：
[0036][0037]其中，m
h
为撞锤质量；g为重力加速度；Δx为撞锤被驱动机构提升的高度，即弹性机构Ⅱ被压缩的距离；k为弹性机构Ⅱ的弹性系数；C
d
为拖曳系数；ρ
s
为土体饱和密度；A
tip
为钻头投影面积；v为解译深度区间中触探装置平均贯入速度；ρ
′
为土体浮密度；V
s
为触探装置排开土体体积；G为触探装置重力；z为触探装置贯入深度；F
s
为侧壁摩阻力；d为触探装置
一次撞击循环对应的总路程；d
p
为装置一次撞击循环向下贯入总路程；N
kt
为阻力系数；R
f
为与瞬时速度和半径有关的应变率函数。
[0038]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过在探杆内安装自钻模块，利用自钻模块中的驱动机构经传动杆带动撞锤上移并压缩弹性机构Ⅱ，并利用竖向轨道使突起部移动到竖向轨道下端后与撞锤在竖向无接触，从而使撞锤在其自身重力和弹性机构Ⅱ弹力作用下向下撞击中部腔体底部，进而带动触探装置向下钻入土体，使触探装置可以在不需要外部加载的条件下钻进更深，浅部和深部土体性质均可解译，增加了动力触探的适用深度。
附图说明
[0039]图1为实施例的结构示意图。
[0040]图2为实施例中自钻式动力触探装置的结构示意图。
[0041]图3为实施例中自钻式动力触探装置自钻模块工作示意图。
[0042]图3中，(1)为初始状态；(2)为驱动机构提升撞锤压缩加载弹簧的状态；(3)为突起部运行到竖向轨道处后，撞锤和加载弹簧释放后锤击中部腔体底部使触探装置钻入土体的状态，触探装置向下贯入S1距离；(4本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种自钻式动力触探装置，其特征在于：具有探杆、装于探杆下端的钻头和装于探杆上端的吊耳，探杆内装有自钻模块，用于获取触探装置受力数据的力传感模块和用于获取触探装置姿态数据的姿态监测模块；所述自钻模块安装于所述探杆的中部腔体内，具有能沿探杆轴向移动的自钻支架和撞锤；所述自钻支架上端经弹性机构Ⅰ连接中部腔体的顶部，自钻支架上装有驱动机构，驱动机构经沿探杆轴线布置的传动杆连接位于自钻支架下方的撞锤；所述撞锤上端制有与所述传动杆适配的驱动孔，驱动孔内壁上制有平行探杆轴线的竖向轨道，以及以竖向轨道上端为起点、以竖向轨道下端为终点螺旋下降的螺旋轨道；所述传动杆侧壁上制有能与竖向轨道和螺旋轨道适配的突起部；所述撞锤和自钻支架之间设有弹性机构Ⅱ，该弹性机构Ⅱ上端与自钻支架固定连接，弹性机构Ⅱ下端顶接撞锤。2.根据权利要求1所述的自钻式动力触探装置，其特征在于，所述力传感模块，包括：锥头阻力传感器，用于测量该触探装置贯入土体过程中钻头所受到的锥尖阻力；侧壁摩阻力传感器，用于测量该触探装置贯入土体过程中探杆所受到的侧壁摩阻力；孔隙水压力传感器，用于测量该触探装置内孔压过滤环位置的孔隙水压力。3.根据权利要求2所述的自钻式动力触探装置，其特征在于，所述力传感模块，还包括：温度传感器，用于获取该触探装置所处位置的温度。4.根据权利要求1所述的自钻式动力触探装置，其特征在于，所述姿态监测模块包括加速度传感器和陀螺仪。5.根据权利要求1所述的自钻式动力触探装置，其特征在于：所述弹性机构Ⅰ具有沿所述探杆轴线布置的伸缩杆和制动弹簧，其中伸缩杆上端连接中部腔体顶部，下端连接自钻支架；制动弹簧上端连接中部腔体顶部，下端连接自钻支架。6.根据权利要求1所述的自钻式动力触探装置，其特征在于：所述弹性机构Ⅱ为加载弹簧，该加载弹簧上端与所述自钻支架固定连接，下端顶接所述撞锤。7.一种自钻式动力触探系统，其特征在于，包括：作业船；释放架，固定于所述作业船上，其上经缆绳安装释放器并经释放器连接权利要求1～6任意一项所述自钻式动力触探装置的吊耳；卷扬机，固定于所述作业船上，其上卷附的钢缆连接所述自钻式动力触探装置的吊耳；控制终端，设置于所述作业船上，经电缆电连接所述力传感模块和姿态监测模块。8.一种权利要求7所述自钻式动力...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐成根，滕龙，吴新云，何奔，高鹏，江海涛，吴刚，王辉剑，孙德成，李雨杰，
申请(专利权)人：中广核如东海上风力发电有限公司，
类型：发明
国别省市：
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