一种海床式十字板剪切试验装置的制作方法

本发明涉及海上工程勘察技术领域，具体为一种海床式十字板剪切试验装置。

背景技术：

海上工程勘察是指为海洋工程建筑目的而进行的地质勘察，主要工作范围在浅海域。通过大量物探、水上钻探、海底取样、原位测试等手段，还可采用遥控式潜水员水下钻探、遥控式取心器、十字板试验和孔内压力仪等方法，对水下沉积物的物理力学性质、物质组成以及水下滑坡的分布等进行全面的分析，为建筑场地的选择和建筑物的结构设计提供可靠的地质资料，以确保海洋工程的安全。

目前，在工程勘察中，国内海上十字板剪切试验采用的十字板剪切试验设备，但仍存在一定的不足：由于海上作业受到波浪、潮汐、水流等因素的影响，试验时只能把回转装置固定于套管上进行十字板剪切试验，以人工施加压力下压探头，采用这样的试验工艺，不可避免的受到波浪、水流的影响，造成试验成果偏差；另外由于是人力下压探杆和探头，将会造成下压力不平衡从而探杆和探头不竖直，造成试验成果偏差，并会造成下压力不足，遇到相对的硬夹层工作效率大大降低；还有就是由于现有设备中回转装置是固定在套管之上的，试验只能在潮汐变化小、波浪小的时段进行，影响进度，而采用回转装置固定于套管上进行十字板剪切试验的工艺适用水深范围有限，水深大的场区无法作业，综合来说，目前用于海上的十字板剪切试验设备存在试验成果偏差、工作效率低及适用水深有限的情况。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种海床式十字板剪切试验装置，解决了海上十字板人力下压探杆和探头导致剪切试验的精度、效率低及适用水深有限的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种海床式十字板剪切试验装置，包括：

海床平台和控制台；

底座，所述底座设置于所述海床平台的底部，所述底座顶部的两侧分别设置有驱动结构和电磁阀结构，所述驱动结构包括电机和第一液压油箱，所述第一液压油箱位于所述底座顶部的右侧，且所述第一液压油箱的顶部设置有液压泵，所述电机的外部套设有电机水密罩，所述电磁阀结构包括液压电磁阀组和第二液压油箱；

慢速旋转结构，所述慢速旋转结构设置于所述海床平台上，所述海床平台上设置有快速旋转结构；

液压缸，两个所述液压缸均设置于所述底座顶部的中部，所述底座顶部的两侧均设置有导向柱；

水压力平衡结构，所述水压力平衡结构设置于所述海床平台顶部的左侧，所述海床平台上设置有触探结构，所述触探结构包括试验数据采集仪和探杆。

进一步地，所述液压电磁阀组设置在所述第二液压油箱的顶部，且所述第二液压油箱设置在所述底座顶部的左侧，所述液压电磁阀组的外部套设有阀组水密罩。

进一步地，所述探杆活动连接于所述海床平台的内部，所述探杆的底端设置有探头，所述实验数据采集仪与所述探杆的顶端通过实验数据传输电缆连接。

进一步地，所述海床平台顶部的两侧均设置有起吊滑轮组，所述底座的底部设置有扩大裙板，所述慢速旋转结构位于所述快速旋转结构的上方，且所述慢速旋转结构与所述快速旋转结构的顶部均开设有探杆孔。

进一步地，所述液压缸活塞杆的顶部与所述慢速旋转结构内部的两侧通过螺杆螺纹连接，所述导向柱的顶端贯穿所述慢速旋转结构的内部并与所述海床平台的顶部固定连接。

进一步地，所述海床平台上的液压系统分别通过液压管与驱动结构、电磁阀结构、慢速旋转结构和快速旋转结构的输入端连接，所述控制台的输出端与所述海床平台通过电缆连接。

进一步地，所述慢速旋转结构和快速旋转结构的内部均设置有液压夹紧和松开组件、液压马达，所述慢速旋转结构的内部设置有蜗轮减速箱。

进一步地，所述海床平台的外表面上设置有耐磨防护层，所述耐磨防护层的一侧设置有耐腐蚀层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该海床式十字板剪切试验装置，通过设置控制台与整个海床平台连接，形成程序控制海床式十字板剪切试验和静力触探试验两用装置，使得海床平台同时具有贯入和起拔探杆探头功能、夹紧和松开探杆功能、规范要求的试验转速的慢转功能以及用于完全破坏土体进行重塑试验的快转功能，代替了传统设备中人工进行探杆操作，实现自动化多功能操作，很好的避免了人工操作时导致实验精度和效率低的问题；

通过设置快速旋转机构和慢速旋转机构，利用两者的夹紧和松开相配合实现海床平台连续贯入的功能，另外通过设置起吊滑轮组，可采用勘察船把海床平台吊放在海床面上后，并采用放置于勘察船上的控制台发出指令进行十字板剪切试验，消除波浪、水流对十字板剪切试验的不良影响，提高十字板剪切试验的精度和效率，且适用水深的范围更大。

附图说明

图1为本发明海床式十字板剪切试验装置第一实施例的结构示意图；

图2为本发明海床式十字板剪切试验装置内部的结构示意图；

图3为本发明海床式十字板剪切试验装置内部结构的侧视图；

图4为图1所示的慢速旋转结构内部的结构示意图；

图5为图1所示的快速旋转结构内部的结构示意图；

图6为本发明海床式十字板剪切试验装置中控制台内部的控制图；

图7为本发明海床式十字板剪切试验装置中海床平台的液压控制图；

图8为本发明海床式十字板剪切试验装置第二实施例的结构示意图。

图中：1-海床平台、2-控制台、3-底座、4-驱动结构、41-电机、42-第一液压油箱、43-液压泵、44-电机水密罩、5-电磁阀结构、51-液压电磁阀组、52-第二液压油箱、53-阀组水密罩、6-慢速旋转结构、7-快速旋转结构、8-液压缸、9-导向柱、10-水压力平衡结构、11-触探结构、111-实验数据采集仪、112-探杆、113-探头、12-起吊滑轮组、13-扩大裙板、14-探杆孔、15-液压夹紧和松开组件、16-液压马达、17-蜗轮减速箱、18-耐磨防护层、19-耐腐蚀层、20-勘测船。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种海床式十字板剪切试验装置，包括：

海床平台1和控制台2；

底座3，所述底座3设置于所述海床平台1的底部，所述底座3顶部的两侧分别设置有驱动结构4和电磁阀结构5，所述驱动结构4包括电机41和第一液压油箱42，所述第一液压油箱42位于所述底座3顶部的右侧，且所述第一液压油箱42的顶部设置有液压泵43，所述电机41的外部套设有电机水密罩44，所述电磁阀结构5包括液压电磁阀组51和第二液压油箱52；

慢速旋转结构6，所述慢速旋转结构6设置于所述海床平台1上，所述海床平台1上设置有快速旋转结构7；

液压缸8，两个所述液压缸8均设置于所述底座3顶部的中部，所述底座3顶部的两侧均设置有导向柱9；

水压力平衡结构10，所述水压力平衡结构10设置于所述海床平台1顶部的左侧，所述海床平台1上设置有触探结构11，所述触探结构11包括实验数据采集仪111和探杆112。

通过勘察船上的卷扬和塔架，利用钢丝绳把海床平台1放置于测试点海床位置，通过放置于勘察船上的控制台2控制海床平台1工作；

驱动结构4为整个海床平台1上的液压系统提供的动力支持，电机41通过电缆供电，电机水密罩44对电机41起到很好的防水作用，电机41的输出端与液压泵43的输入端连接，电磁阀结构5用于控制海床平台1上的液压系统，液压电磁阀组51外部的阀组水密罩53对其起到很好的防水作用；

慢速旋转结构6位于海床平台1内部的中间位置，通过与快速旋转结构7配合设置，实现对探杆112快速和慢速上升、下降时夹紧、松紧，实现对探杆112的控制；

两个液压缸8在底座2上对称设置，通过液压缸8上的活塞杆的升降控制慢速旋转结构6的升降，导向柱9起到对慢速旋转结构6升降的导向作用，导向柱9穿过慢速旋转结构6预留的孔中并与海床平台1的顶部框架通过螺丝固定，同时两个液压缸位于快速旋转结构7的两侧；

通过设置控制台2与整个海床平台1连接，形成程序控制海床式十字板剪切试验和静力触探试验两用装置，使得海床平台1同时具有贯入和起拔探杆探头功能、夹紧和松开探杆功能、规范要求的试验转速的慢转功能以及用于完全破坏土体进行重塑试验的快转功能，代替了传统设备中人工进行探杆操作，实现自动化多功能操作，很好的避免了人工操作时导致实验精度和效率低的问题；

通过设置快速旋转机构7和慢速旋转机构6，利用两者的夹紧和松开相配合实现海床平台1连续贯入的功能，另外通过设置起吊滑轮组13，可采用勘察船把海床平台1吊放在海床面上后，并采用放置于勘察船上的控制台发出指令进行十字板剪切试验，消除波浪、水流对十字板剪切试验的不良影响，提高十字板剪切试验的精度和效率，且适用水深的范围更大。

所述液压电磁阀组51设置在所述第二液压油箱52的顶部，且所述第二液压油箱52设置在所述底座3顶部的左侧，所述液压电磁阀组51的外部套设有阀组水密罩53。

阀组水密罩53对其内部的液压电磁阀组51起到很好的防水作用。

所述探杆活动连接于所述海床平台的内部，所述探杆112的底端设置有探头113，所述实验数据采集仪111与所述探杆112的顶端通过试验数据传输电缆连接。

探杆112在进行试验时才将其放入海床平台1中，依次穿过慢速旋转结构5和快速旋转结构6中适配的探杆孔14，其底部延伸可至底座3的底部。

所述海床平台1顶部的两侧均设置有起吊滑轮组12，所述底座3的底部设置有扩大裙板13，所述慢速旋转结构6位于所述快速旋转结构7的上方，且所述慢速旋转结构6与所述快速旋转结构7的顶部均开设有探杆孔14。

两个起吊滑轮组12分别位于海床平台1顶部的左右两侧，通过起吊设备与该起吊滑轮组12连接，可将整个海床平台1吊起并顺利放置在海中，慢速旋转结构6与快速旋转结构7中的探杆孔14位于同一竖直轴线上，确保探杆14可以顺利向下延伸。

所述液压缸8活塞杆的顶部与所述慢速旋转结构6内部的两侧通过螺杆螺纹连接，所述导向柱10的顶端贯穿所述慢速旋转结构6的内部并与所述海床平台1的顶部固定连接。

两个导向柱10分别与慢速旋转结构6以及快速旋转结构7内部的左右两侧活动连接，对两者均起到固定和限位的作用。

所述海床平台1上的液压系统分别通过液压管与驱动结构4、电磁阀结构5、慢速旋转结构6和快速旋转结构7的输入端连接，所述控制台2的输出端与所述海床平台1通过电缆连接。

通过液压管将驱动结构4、电磁阀结构5、慢速旋转结构6和快速旋转结构7分别连接，实现一套完整的液压系统，通过控制台2控制海床平台1进行水下实验操作。

所述慢速旋转结构6和快速旋转结构7的内部均设置有液压夹紧和松开组件15、液压马达16，所述慢速旋转结构6的内部设置有蜗轮减速箱17。

慢速旋转结构6中，液压马达16与变速箱内的变速蜗杆涡轮组连接，蜗杆涡轮组与空心轴连接，空心轴与慢速旋转机构外壳之间设置轴承和轴用回转密封圈，通过减速涡轮组减速后，液压马达16的转速转换为十字板剪切试验的规范要求的探杆试验转速，空心轴底部与夹紧液压缸支架连接，轴套设置有慢速旋转结构6上液压管油接口和下液压管油接口，上液压管油接口和下液压管油接口分别与慢速旋转结构6上液压油环和下液压油环连通，实现轴套旋转时液压油也能流通工作的功能，上液压油环和下液压油环上下均设置有轴用回转密封圈，并均分别设置有与油环连通的油路，油路连通至夹紧液压缸支架的液压管接口，实现向夹紧液压缸供液压油油的功能，探杆112可穿过空心轴的探杆孔14；

快速旋转结构7中，设置有通孔径向球状液压马达16，通孔径向球状液压马达16的通孔内穿过锥形空心轴，液压马达16和空心轴之间采用可滑动的键和键槽连接，实现液压马达16带动空心轴回转的功能，空心轴底部设置有锥形卡瓦，液压马,16和空心轴底部设置下轴套，轴套内设置有卡瓦座，液压马达16上部的空心轴外安装上轴套，上轴套设置有上液压油接口和下液压油接口，通作液压阀控制空心轴上下滑动，当空心轴向下滑动时，底部的锥形卡瓦在卡瓦座作用下口径变小，实现夹紧探杆112的功能，当空心轴向上滑动时，底部的锥形卡瓦恢复原来的口径，实现松开探杆113的功能；

如图6中，控制台1由plc模块电源、继电器组、电子开关组、指示灯组和计数器组成，实现通过操作电子开关实施海床平台相应动作的功能，并能通过编程实现自动试验的功能，指标灯亮时表明对于的电子开关处于合上工作状态。

工作原理：

s1、把海床平台1与控制台2采用电缆连接并接通电源后，把探杆112装入探杆孔14中，在探杆112下端安装十字板剪切试验的探头113，使十字板剪切试验的探头113与扩大裙板13的高度一致，此时升降液压缸8应处于最高位置，在控制台2按下快速旋转结构7探杆夹紧按钮，快速旋转结构7的夹紧卡瓦动作夹紧探杆112，把安装好探杆112的海床平台1采用勘察船上的起吊设备与起吊滑轮组12连接并把海床平台1吊放至海床面，吊放的过程中逐根连接探杆112，海床平台1平稳放置于海床面后；

s2、在控制台2按下慢速夹紧按钮，此时慢速旋转结构6的夹紧液压缸工作，夹紧探杆112，再按下快速旋转松开按钮，使快速旋转结构7的锥形卡瓦松开探杆112，按下升降液压缸8下降按钮，控制升降液压缸8活塞杆下降，带动慢速旋转结构6下降，探杆112也随之下降，把探头113压入海底的土层中，与之同时升降液压下降到底部时控制台的计数器计数一次以记录探头入土深度，按下慢速旋转按钮，慢速旋转结构6带动探杆112和探头113按设定的满足规范要求的十字板剪切试验转速旋转进行原状土十字板剪切试验，按规定的时间间隔在试验数据采集仪中记录试验数据，获取原状土体被剪切破坏的峰值，完成原状土十字板剪切试验后，按下快速旋转松开夹紧按钮控制快速旋转结构7的锥形卡瓦夹紧探杆112；

s3、然后按下慢速旋转松开按钮，控制慢速旋转结构6的夹紧液压缸松开探杆112，再按下快速旋转按钮，控制快速选机构回转六圈，使得土体完全破坏，之后按下慢速旋转夹紧按钮控制慢速旋转结构6的夹紧液压缸夹紧探杆112，按下快速旋转松开按钮控制快速旋转结构7的锥形卡瓦松开探杆，等待几分钟待土体超孔隙水压力消散到一定程度重塑后，按下慢速旋转按钮，慢速旋转结构6带动探杆112和探头113按设定的满足规范要求的十字板剪切试验转速旋转进行重塑土十字板剪切试验，按规定的时间间隔在试验数据采集仪中记录试验数据，获取重塑土体被剪切破坏的峰值，通过事先编程，在控制台2按自动按钮，可以实现自动进行上述各个工作步骤；

s4、完成该测试点的重塑土十字板剪切试验后，按下快速旋转夹紧按钮控制快速旋转结构7的锥形卡瓦夹紧探杆112，按下慢速旋转松开按钮控制慢速旋转结构6的夹紧液压缸松开探杆112，按下升降液压缸上升按钮，控制升降液压缸的活塞杆上升带动慢速旋转结构6上升，此转态下探杆112和探头在原位不动，将液压缸8的活塞杆上升到顶部后，按下慢速旋转夹紧按钮控制慢速旋转结构6的夹紧液压缸夹紧探杆112，按下快速旋转松开按钮控制快速旋转结构7的锥形卡瓦松开探杆112，按下升降液压缸8下降按钮，控制升降液压缸8活塞杆下降，带动慢速旋转结构6下降，探杆112也随之下降，把探头113压入土层的下个测试点处，按上述流程进行第二测试点的十字板剪切试验，如此循环操作，进行各个测试点的十字板剪切试验；

s5、完成该测试孔的各个测试点的十字板剪切试验后，此时海床平台处于慢速旋转结构6夹紧探杆112、快速旋转结构7松开探杆112、升降液压活塞杆在底部的状态，按下升降液压缸8上升按钮，控制升降液压缸8活塞杆上升带动慢速旋转结构6上升，从而带动探杆112和探头113上升，升降液压8活塞杆上升至顶部后，按下快速旋转松开夹紧按钮控制快速旋转结构7的锥形卡瓦夹紧探杆112，再按下慢速旋转松开按钮，控制慢速旋转结构6的夹紧液压缸松开探杆112，按下升降液压缸下降按钮控制升降液压缸8活塞杆带动慢速旋转结构6下降，此状态下探杆112和探头113在原位不动，再按下慢速旋转夹紧、快速旋转松开、升降液压缸上升按钮，如上升循环起拔探杆112和探头至海床面；

s6、进行静力触探试验时把通过转换接手把十字板探头、电缆和数据采集器更换成静力触探探头、电缆和数据采集器，并且按上述步骤只进行下探杆112贯入程序，贯入过程通过船上数据采集器采集静力触探试验数据，即可进行静力触探试验。

第二实施例

请结合参阅图8，基于本发明的第一实施例提供的海床式十字板剪切试验装置，本发明的第二实施例提供另一种海床式十字板剪切试验装置，其中，第二实施例并不会妨碍第一实施例的技术方案的独立实施。

具体的，本发明的提供另一种海床式十字板剪切试验装置不同之处在于：

所述海床平台1的外表面上设置有耐磨防护层18，所述耐磨防护层18的一侧设置有耐腐蚀层19。

通过在整个海床平台1的外表面上设置耐磨防护层18，该耐磨防护层18主要为耐磨陶瓷涂料，具有极高的机械强度和刚度陶瓷耐磨涂料主要由耐磨骨料和结合系统组成，密度非常大，无大的宏观缺陷，强度可达130mpa，能够增加其外表面的硬度，在发生碰撞的时候也不会轻易出现破损，耐腐蚀层19为涂覆酚醛树脂，具有优越的耐腐蚀性能，可在保护海床平台1的外表面在长期处于水中时，不会轻易受到腐蚀，对其表面起到很好的保护作用，通过在海床平台1的外表面设置耐磨防护层18和耐腐蚀层19使得其具有很好的耐腐蚀和耐磨损性能，可以长期适应潮湿的水下工作，减少定期对其表面检修，节省了一定的人力物力，延长整个海床平台1的使用寿命。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。