一种自由下落式触探模拟装置及方法与流程

[0001]
本发明涉及海洋地质探测技术领域，尤其涉及一种自由下落式触探模拟装置及方法。


背景技术：

[0002]
静力触探是获得土体物理力学性质的最为理想原位测试方法之一，在确定地基承载力、不排水抗剪强度等方面得到广泛应用。近年来，在陆地静力触探技术基础之上，国内外相继研发了海上静力触探测试装备，并得到应用。由于海上静力触探对测试装备、搭载船只等要求较高，限制了其进一步广泛应用，轻巧灵便的自由下落式触探测试技术应运而生。
[0003]
自由下落式触探的工作原理是贯入装置在一定高度释放，其依靠自身重力以一定速度插入沉积物中，在沉积物阻力作用下，贯入装置速度逐渐降低直至为零。通过贯入过程中获得的加速度、锥尖阻力、侧摩阻力及孔隙水压力等数据，获取海底浅层沉积物强度参数。
[0004]
在现场进行测试相对于室内试验不仅费时费力，而且成本较高，因此，研究高精度的室内试验，以积累相关数据，成为迫切需要解决的问题。现有技术中在进行动力贯入试验时，由于探杆需要贯入试样，试样的顶部需要与外界接触，导致试样的部分面积缺少压力，不能真实模拟实际工况。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种自由下落式触探模拟装置及方法，以更精确地模拟实际工况。
[0006]
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
[0007]
一种自由下落式触探模拟装置，包括：
[0008]
底座；
[0009]
固结仓，设置于所述底座上，所述固结仓包括外壳和位于所述外壳内的内壳，所述内壳用于盛放试样，所述内壳与所述外壳之间形成水腔；
[0010]
导向管，一端与所述内壳固定连接且连通所述内壳的内部，另一端伸出所述外壳之外；
[0011]
压力补偿组件，设置于所述固结仓的上方，能够通过所述导向管向所述内壳内的试样施加竖向压力；
[0012]
调节支架，设置于所述底座上，包括第一支撑架和与所述第一支撑架连接的导轨，所述第一支撑架的高度可调节，所述导轨在竖直平面内的角度可调节；
[0013]
触探组件，与所述导轨滑动连接且通过锁紧件锁紧，所述触探组件包括探杆和探头，所述探杆正对所述导向管设置，所述探头能够贯入所述试样中。
[0014]
其中，所述内壳包括上盖、下盖以及设置于所述上盖与所述下盖之间的柔性隔水膜，所述导向管的下端与所述上盖固定连接。
[0015]
其中，所述外壳包括顶盖、底盖以及设置于所述顶盖与所述底盖之间的侧壁，所述顶盖上设置有与所述水腔相连通的进气孔和进水孔，所述侧壁的底部设置有与所述水腔相连通的排水孔。
[0016]
其中，所述顶盖上开设有安装孔，所述导向管穿设于所述安装孔中且所述导向管能够与所述顶盖锁紧固定。
[0017]
其中，所述压力补偿组件包括第二支撑架、气缸和转接板，所述第二支撑架与所述底座连接，所述气缸设置于所述第二支撑架上，所述气缸的输出端与转接板固定连接，所述转接板与所述导向管固定连接。
[0018]
其中，所述气缸设置有至少两个，至少两个所述气缸绕所述外壳的周向均匀间隔设置，每个所述气缸的输出端均与所述转接板连接。
[0019]
其中，所述第一支撑架包括固定架和移动架，所述固定架与所述底座固定连接，所述固定架上沿竖直方向开设有多个第一螺纹孔，所述移动架上开设有第二螺纹孔，所述第二螺纹孔与所述第一螺纹孔之间能够通过螺栓连接。
[0020]
其中，所述导轨与所述移动架之间通过调节机构连接，所述调节机构包括沿竖直方向间隔设置的两组调节组件，所述调节组件包括：
[0021]
支撑杆，与所述移动架固定连接；
[0022]
螺杆，穿设于所述支撑杆且与所述支撑杆螺接；
[0023]
转接块，与所述导轨固定连接，所述转接块上设置有容置槽，所述螺杆的一端插入所述容置槽内。
[0024]
其中，所述探杆远离所述探头的一端设置有连接块，所述连接块与所述导轨滑动连接且能够通过锁紧销固定，所述连接块上设置有配重块。
[0025]
一种自由下落式触探模拟方法，采用上述的自由下落式触探模拟装置，包括：
[0026]
在内壳中盛放试样，在水腔中充水，并对试样进行真空饱和处理；
[0027]
通过压力补偿组件向内壳内的试样施加竖向压力；
[0028]
调节第一支撑架的高度使得触探组件位于设定高度处，调节导轨在竖直平面内的角度使得探杆沿竖直方向设置；
[0029]
拆卸锁紧件，以释放触探组件，探杆在重力作用下竖直向下移动进入导向管，探头贯入固结仓的试样中以获得力学参数。
[0030]
本发明的有益效果：
[0031]
本发明提出的自由下落式触探模拟装置，通过压力补偿组件向内壳内的试样施加竖向压力，能够补偿由于导向管与外界连通导致的试样顶部缺少压力的情况，使得模拟工况更接近实际工况，获得的参数更精确。通过控制水腔中水的压力和压力补偿组件施加的竖向力，能够模拟各种工况的真实地层下土的应力状态。导轨在竖直平面内的角度可调节，以使得探杆保持在竖直方向，第一支撑架的高度可调节，便于改变触探组件的贯入速度，能够模拟多种工况。
附图说明
[0032]
图1是本发明实施例提供的自由下落式触探模拟装置的示意图；
[0033]
图2是本发明实施例提供的自由下落式触探模拟装置的部分结构示意图一；
[0034]
图3是本发明实施例提供的自由下落式触探模拟装置的部分结构示意图二。
[0035]
图中：
[0036]
1、底座；
[0037]
21、外壳；211、顶盖；212、底盖；213、侧壁；
[0038]
22、内壳；221、上盖；222、下盖；223、柔性隔水膜；
[0039]
23、水腔；
[0040]
3、导向管；
[0041]
4、触探组件；41、探杆；42、探头；43、配重块；
[0042]
5、压力补偿组件；51、第二支撑架；511、纵梁；512、横梁；52、气缸；53、转接板；
[0043]
61、第一支撑架；611、固定架；612、移动架；
[0044]
62、导轨；
[0045]
63、调节组件；631、支撑杆；632、螺杆；633、转接块；
[0046]
7、连接块；
[0047]
8、限位块。
具体实施方式
[0048]
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0049]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0050]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0051]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0052]
参见图1至图3，本发明实施例提供一种自由下落式触探模拟装置，包括底座1、固结仓、导向管3和触探组件4，固结仓设置于底座1上，固结仓包括外壳21和位于外壳21内的内壳22，内壳22用于盛放试样，内壳22与外壳21之间形成水腔23；导向管3一端与内壳22固定连接且连通内壳22的内部，另一端伸出外壳21之外；触探组件4包括探杆41和探头42，探杆41正对导向管3设置，探头42能够贯入试样中。
[0053]
自由下落式触探模拟装置还包括压力补偿组件5和调节支架，压力补偿组件5设置于固结仓的上方，能够通过导向管3向内壳22内的试样施加竖向压力；调节支架设置于底座1上，包括第一支撑架61和与第一支撑架61连接的导轨62，第一支撑架61的高度可调节，导
轨62在竖直平面内的角度可调节；触探组件4与导轨62滑动连接且通过锁紧件锁紧。
[0054]
在试验时，在内壳22中盛放试样，在水腔23中充水，并对试样进行真空饱和处理；通过压力补偿组件5向内壳22内的试样施加竖向压力；调节第一支撑架61的高度使得触探组件4位于设定高度处，调节导轨62在竖直平面内的角度使得探杆41沿竖直方向设置；拆卸锁紧件，以释放触探组件4，探杆41在重力作用下竖直向下移动进入导向管3，探头42贯入固结仓的试样中以获得力学参数。
[0055]
通过压力补偿组件5向内壳22内的试样施加竖向压力，能够补偿由于导向管3与外界连通导致的试样顶部缺少压力的情况，使得模拟工况更接近实际工况，获得的参数更精确。通过控制水腔23中水的压力和压力补偿组件5施加的竖向力，能够模拟各种工况的真实地层下土的应力状态。导轨62在竖直平面内的角度可调节，以使得探杆41保持在竖直方向，第一支撑架61的高度可调节，便于改变触探组件4的贯入速度，能够模拟多种工况。
[0056]
内壳22包括上盖221、下盖222以及设置于上盖221与下盖222之间的柔性隔水膜223，导向管3的下端与上盖221固定连接。内壳22中用于盛放试样，柔性隔水膜223具有一定的弹性，不会对试样施加外力，使得试样所处的条件更接近实际工况。导向管3与上盖221之间螺纹连接且通过橡胶圈密封。
[0057]
外壳21包括顶盖211、底盖212以及设置于顶盖211与底盖212之间的侧壁213，顶盖211上设置有与水腔23相连通的进气孔和进水孔，侧壁213的底部设置有与水腔23相连通的排水孔。外壳21为有机玻璃材质，顶盖211与侧壁213之间通过螺钉紧固并通过橡胶圈密封。通过进气孔能够向水腔23内通气，进气孔通过阀门、导管与空气压缩机相连，通过进气孔可向水腔23中通入不同的气压，以模拟不同的应力条件。
[0058]
上盖221上开设有第一排水孔，顶盖211上开设有第二排水孔，水腔23内设置有管道，管道连通第一排水孔与第二排水孔。当内壳22受到挤压时，试样中的水通过第一排水孔、管道和第二排水孔排出。
[0059]
其中，第一排水孔可以设置多个，对应的第二排水孔和管道也设置有多个，以提高排水效率。
[0060]
顶盖211上开设有安装孔，导向管3穿设于安装孔中且导向管3能够与顶盖211锁紧固定。具体地，导向管3上设置有法兰，法兰与顶盖211之间设置有橡胶圈密封且通过螺钉锁紧。
[0061]
当压力补偿组件5对导向管3施压时，导向管3能够相对于顶盖211滑动，以将压力传递至内壳22的上盖221。在施压达到设定值时，可以将导向管3与顶盖211锁紧，以防导向管3移位。
[0062]
压力补偿组件5包括第二支撑架51、气缸52和转接板53，第二支撑架51与底座1连接，气缸52设置于第二支撑架51上，气缸52的输出端与转接板53固定连接，转接板53与导向管3固定连接。气缸52的输出端施力到转接板53，转接板53传力到导向管3，进而通过导向管3向内壳22中的试样施力。
[0063]
气缸52设置有至少两个，至少两个气缸52绕外壳21的周向均匀间隔设置，每个气缸52的输出端均与转接板53连接。各个气缸52的输出端同步运动，以同时向转接板53施力，保证导向管3受力均匀。
[0064]
第二支撑架51包括纵梁511和横梁512，两个纵梁511间隔设置，纵梁511的一端与
底座1固定连接，横梁512设置于两个纵梁511之间且与纵梁511固定设置，气缸52固定于横梁512上。
[0065]
调节支架包括固定架611和移动架612，固定架611与底座1固定连接，固定架611上沿竖直方向开设有多个第一螺纹孔，移动架612上开设有第二螺纹孔，第二螺纹孔与第一螺纹孔之间能够通过螺栓连接。通过将第二螺纹孔与不同的第一螺纹孔连接，能够改变固定架611和移动架612的相对位置，进而改变调节支架的高度，以调节触探组件4的下落高度。其中，第二螺纹孔的数量可以为一个，也可以为多个，在此不作限制。在本实施例中，固定架611为中空的钢管，移动架612的一端能够插入固定架611中。
[0066]
导轨62与移动架612之间通过调节机构连接，调节机构包括沿竖直方向间隔设置的两组调节组件63，调节组件63包括支撑杆631、螺杆632和转接块633，支撑杆631与移动架612固定连接，螺杆632穿设于支撑杆631且与支撑杆631螺接；转接块633与导轨62固定连接，转接块633上设置有容置槽，螺杆632的一端插入容置槽内。通过转动螺杆632，使得螺杆632沿着支撑杆631作直线移动，螺杆632的一端推动转接块633，进而作用于导轨62，以调节导轨62在竖直平面内的角度。
[0067]
导轨62上设置有水准仪，通过水准仪便于观察导轨62在竖直平面内的角度，保证探杆41能够竖直下落。
[0068]
探杆41远离探头42的一端设置有连接块7，连接块7与导轨62滑动连接且能够通过锁紧销固定，当拔出锁紧销时，在探杆41的重力作用下，连接块7沿着导轨62向下滑动，由于探杆41的质量较大，探杆41的重力远大于连接块7与导轨62之间的摩擦力，因此摩擦力可以忽略不计，认为探杆41在做自由下落运动。
[0069]
连接块7上设置有配重块43，以改变探杆41的质量，保证探杆41的重心位于探杆41的中线上。具体地，配重块43呈盘状，探杆41上可以设置多个配重块43，根据需要调整配重块43的数量。探杆41的一端设置有螺纹，配重块43可以与探杆41螺纹连接，可根据实际需要选择配重块43的质量，实现不同重量的探杆41的贯入测试。
[0070]
导轨62的下端设置有限位块8，正常试验过程中，连接块7还未滑动到限位块8处，探杆41的速度即下降为0，但是限位块8的设置，可以防止连接块7脱离导轨62。
[0071]
导向管3穿设于限位块8上，导向管3的上端设置有限位螺母，能够锁紧固定导向管3，防止探杆41贯入过程中导向管3发生移位。
[0072]
探头42能够实时测量记录贯入过程中的加速度、锥尖阻力、侧摩阻力及孔隙水压力等指标，探头42为孔压双桥应变式探头，锥尖面积为10cm2。探杆41内部为空心以方便穿线。
[0073]
本发明实施例还提供一种自由下落式触探模拟方法，采用上述的自由下落式触探模拟装置，包括：
[0074]
在内壳22中盛放试样，在水腔23中充水，并对试样进行真空饱和处理；
[0075]
通过压力补偿组件5向内壳22内的试样施加竖向压力；
[0076]
调节第一支撑架61的高度使得触探组件4位于设定高度处，调节导轨62在竖直平面内的角度使得探杆41沿竖直方向设置；
[0077]
拆卸锁紧件，以释放触探组件4，探杆41在重力作用下竖直向下移动进入导向管3，探头42贯入固结仓的试样中以获得力学参数。
[0078]
其中，试样为泥浆或者砂土。对泥浆试样，进行饱和处理包括：用真空泵抽取泥浆中的气体，以实现真空饱和。对砂土试样，进行饱和处理包括：填充干砂，然后不断抽气充水用来实现砂土饱和。
[0079]
导向管3的一端与上盖221固定，导向管3穿设于顶盖211和限位块8，导向管3的中部与转接板53固定，气缸52通过转接板53向导向管3施力，力能够传递至上盖221，导向管3能够相对于顶盖211和限位块8滑动。
[0080]
空气压缩机通过外壳21的顶盖211上的进气孔向水腔23内加压，通过控制空气压力、气缸52压力和水的压力，模拟不同的地应力条件，使试样排水固结，直至试样的沉降速率满足要求。此时，可将导向管3与顶盖211之间锁紧固定。
[0081]
根据实验需求的贯入速度，调节第一支撑架61的高度。根据实验需求，调整配重块43的质量。调节导轨62在竖直平面内的角度，使得导轨62沿竖直方向延伸，将连接块7通过锁紧销与导轨62固定，使得探杆41沿竖直方向设置。
[0082]
拆卸锁紧件，即锁紧销，以释放触探组件4，探杆41在重力作用下竖直向下移动进入导向管3，探头42贯入固结仓的试样中以获得力学参数。
[0083]
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。