一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器

1.本发明专利属于沉积物柱状样取样器和土工力学参数原位测试器技术领域，具体涉及一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器。


背景技术：

2.在进行海洋沉积学和海洋工程地质学的研究时，需要获取一定长度的海底沉积物样品，才能获取长时间尺度的古环境和古气候信息。获取海底柱状沉积物的方法有很多，目前常用的有重力柱取样器、活塞取样器。以上两种取样器在大部分海域使用效率较高，但对于海底胶结程度较高或含沙量较高的海底（如南海东沙附近118
°
e，21
°
n）取样效率极低。
3.目前重力柱取样成功率不高，主要有两个原因，第一由于海底海流较强或者地形不平坦，导致重力柱取样器在触底时无法保持竖直状态，重力柱在往海底下放过程中容易倾斜，一旦倾斜，取样器触底时容易倾倒，导致无法取到理想的柱状样品。第二个原因是，部分海域含沙量较高或沉积物硅质胶结、钙质胶结程度较高，导致底质较硬，柱状取样器难以插入到此类的海底沉积物中。2018年，申请人及所在团队曾先后四次组织航次前往南海东沙附近进行地质调查，耗资达五百万元。但由于此处沉积物胶结作用比较强，且含沙量较高，十几次重力柱作业只获取了两根不到一米的柱状样品，取样效率极低，耗费了大量的人力、物力、财力，仍无法满足项目的要求，因此设计一种专门适用于胶结程度较高或含沙量较高底质的柱状取样器。此外，由于海底的沉积物从海底取到海面之后，压力、温度、盐度等参数都会发生一定程度的变化，导致沉积物的土工力学等参数会与原始状态具有较大的差异，因此发明一款用于原位测试土工力学的装置能够获取海底沉积物原始状态的土工力学参数。
4.本发明依靠自身重力和振动的推力，插入比较硬的沉积物中，特别是针对含砂量较高的沉积物以及胶结程度较强的沉积物，且能够做到原位测试沉积物的土工力学参数。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决背景技术中提到的问题，本发明提出了一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器，其采用的技术方案如下：一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器，包括牵引座、配重组件、震动组件、取样筒组件、检测组件、封口组件、配重校正盘和取样头，其中所述牵引座整体结构为上部为吊环结构，下部为连接盖，牵引座通过吊环结构连接缆绳，下部与配重组件顶部固定，所述配重组件上部连接牵引座，下部连接取样筒组件，内部安装震动组件，所述取样筒组件上部连接配重组件，左右两侧安装检测组件，下部连接封口组件，所述配重校正盘套装在取样筒组件和检测组件外侧，配重校正盘底面可解除取样头上端面，配重校正盘顶面开有安装孔，所述取样头安装在封口组件底部；在使用本发明时，在插入的过程中，当配重校正盘接触到海底后，将沿着取样外筒外侧柱面和传感器安装滑杆逐渐向上滑动，但是配重校正盘的底面将与取样外筒一直保持垂直状态，从而保证插入的角度保持与海底面垂直。
6.所述配重组件主要由承重主体、承重盘、配重铅块、锁紧螺母和锁紧螺钉组成，其中所述承重主体内侧上部为上下两个安装仓，内侧下部为滑动仓，滑动仓顶部中间位置开有安装孔，承重主体外侧为台阶型，上部小径段开有多条轴向安装滑轨，下部大径段均布开有多条腰孔，承重主体顶部连接牵引座，所述承重盘中间开有圆孔和滑槽，承重盘安装在承重主体外侧上部的小径段，下端面压紧在承重主体外侧下部的大径段顶面，承重盘的中间滑槽卡在承重主体外侧滑轨上，所述配重铅块中间开有圆孔和滑槽，配重铅块安装在承重主体外侧上部的小径段，可依据实际需要调整配重铅块的数量，所述锁紧螺母安装在承重主体外侧滑轨内的滑槽中，根据配重铅块的数量调整上下位置，所述锁紧螺钉与锁紧螺母螺纹连接，螺柱端部压紧承重主体外侧滑轨内的滑槽，螺帽柱面压紧配重铅块以实现配重铅块的快速固定；在使用本发明之前，首先通过调整配重铅块数量快速实现配重的大小并实现快速固定。
7.所述震动组件主要由震动电机、耐压电池、触发开关、隔板、复位弹簧、距离触发器和感应块组成，其中所述震动电机位于承重主体内侧上部的安装仓，利用螺钉安装在隔板上，所述耐压电池固定在承重主体内侧下部的安装仓，所述触发开关安装在承重主体内侧下部滑动仓的安装孔上，触发端朝下，所述隔板安装在承重主体内侧上部的上下两个安装仓之间，所述复位弹簧位于承重主体内侧下部的滑动仓中，复位弹簧顶部接触承重主体内侧下部滑动仓的顶面，复位弹簧底部接触取样外筒顶面，所述距离触发器安装在取样筒固定环下端面安装孔，所述感应块安装在配重校正盘上表面安装孔；在使用本发明之前，首先在几微米至几厘米范围内调整震动电机的振幅，调整距离触发器的触发感应距离，在使用本发明时，本发明下放入海触底时，当取样外筒的顶面将接触触发开关的触发端，从而控制震动电机工作，从而带动整体震动并逐渐增加插入的深度，当取样深度到达预设深度时，配重校正盘上表面的感应块将触发距离触发器，距离触发器将发送信号使得震动电机停止工作，当完成采样上提本发明时，取样外筒的顶面与触发开关的触发端脱离接触。
8.所述取样筒组件主要由取样外筒、取样内筒、取样筒固定环和限位销组成，其中所述取样外筒分为两部分，单个整体为半圆柱形，内侧中空，外柱面为上部小径，下部大径的台阶状，并在小径段开有销轴孔，在半圆柱断面位置向外侧有轴向凸起结构，两部分取样外筒组合成一个完整的圆柱，所述取样内筒采用透明材料制成，分为多个小段圆柱段拼接而成，组合后的取样内筒安装在取样外筒的组合体内部，所述取样筒固定环套装在取样外筒组合体的小径段，并且取样筒固定环的底面接触取样外筒大径段顶面，取样筒固定环的顶面可接触承重主体下端面，所述限位销为台阶状圆柱结构，大径段位于取样外筒下部腰孔外侧，小径段穿过取样外筒下部的腰孔，并安装在取样外筒小径段的销轴孔上；在使用本发明时，利用缆绳通过牵引座将本发明整体吊装起来，此时取样外筒组合体在自身重力和复位弹簧的弹力作用下位置下移，从而使得取样筒固定环的顶面与承重主体的底面脱离接触，同时限位销在取样外筒的带动下，运动到承重主体下部腰孔的下端，当入海触底时，在自身重力和下行冲击力的作用下，取样头、封口组件、检测组件和取样筒组件将逐次插入海底，同时承重主体压缩复位弹簧，从而使得承重主体相对取样外筒下移，当取样筒固定环的顶面接触承重主体的底面时，取样外筒的顶面将接触触发开关的触发端，当完成采样上提本发明时，缆绳通过牵引座带动承重主体上移，在自身重力、海底泥土的粘附力和复位弹簧的弹力作用下，承重主体相对于取样外筒位置上移，从而使得取样筒固定环的顶面与承重
主体的底面脱离接触，取样外筒的顶面与触发开关的触发端脱离接触，当限位销运动到承重主体下部腰孔的下端时，承重主体利用限位销可带动取样筒组件、检测组件、封口组件、配重校正盘和取样头同步上移，当本发明提取到船上时，通过取下限位销、传感器安装滑杆和封口组件，可将取样筒组件独立取下，再取下取样筒固定环即可快速分开取样外筒，由于取样内筒采用透明材料制成，直接进行观察，由于取样内筒是由多个小段圆柱段拼接而成，从而可实现分段提取，便于实现样品的快速分装和储存。
9.所述检测组件主要由传感器安装滑杆和土工力学检测探头组成，其中所述传感器安装滑杆内侧开有卡槽，外侧开有一排等距的传感器安装孔，传感器安装滑杆通过卡槽卡接固定在取样外筒组合体的轴向凸起上，并在传感器安装孔上安装多个土工力学检测探头；在使用本发明时，在采样过程中随着传感器安装滑杆不断插入海底，位于不同位置的土工力学检测探头可分别测量不同深度海底沉积物的土工力学参数。
10.所述封口组件主要由封口筒、上封口板、下封口板和封口弹簧组成，其中所述封口筒外侧为柱面，内侧的上部和下部为圆柱孔，中间为矩形孔，矩形孔与上下圆柱孔之间有平滑过渡，在矩形孔底部的左右侧开有安装孔，中上部开有滑槽，封口筒上部连接取样外筒组合体下部，封口筒下部安装取样头，所述上封口板一侧的左右两端各开有一个滑动圆柱凸台，中间开有弹簧连接孔，另一侧开有铰接孔，上封口板通过滑动圆柱凸台安装在封口筒矩形孔的滑槽上，上封口板利用销轴通过铰接孔与下封口板连接，所述下封口板一侧的左右两端各开有一个滑动圆柱凸台，中间开有弹簧连接孔，另一侧开有铰接孔，下封口板通过滑动圆柱凸台安装在封口筒矩形孔的安装孔上，下封口板利用销轴通过铰接孔与上封口板连接，所述封口弹簧一端连接上封口板的弹簧连接孔，另一端连接下封口板的弹簧连接孔；在使用本发明时，上封口板和下封口板在封口弹簧的弹力作用下，上封口板位置下移，同时上封口板和下封口板之间夹角减小，从而封闭下部端口，当本发明插入海底，样品经取样头进入到封口筒下部并接触到下封口板时，下封口板将向上翻起，同时带动上封口板上移，从而打开封口组件的通道，样品逐渐进入到取样内筒内，在取样外筒上移的过程中，在样品自身重力、底部真空吸力和封口弹簧的弹力作用下，上封口板位置下移，同时上封口板和下封口板之间夹角减小，从而封闭下部端口。
11.本发明具有如下优点：配重组件中通过锁紧螺母和锁紧螺钉的使用，可实现配重块快速调整和固定；震动组件的设计可通过控制振幅以适应硬底质样品的采样需求，并且可控制取样深度；取样筒组件中外筒的半圆柱设计，便于样品的快速提取，而内筒的小段拼接设计，并采用透明材料，便于样品的观察和快速分装、储存；检测组件的设计可实现原位测试海底沉积物的土工力学参数；封口组件的设计，可实现采样后自动封口，从而提高采样的成功率。
附图说明
12.图1：本发明一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器整体结构图，图2：本发明一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器正向视图，图3：本发明一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器中配重组件部分结构图，图4：本发明一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器中震动组件部
分结构图，图5：本发明一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器中取样筒组件部分结构图，图6：本发明一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器中检测组件部分结构图，图7：本发明一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器中封口组件部分结构图。
13.1.牵引座，2.配重组件，3.震动组件，4.取样筒组件，5.检测组件，6.封口组件，7.配重校正盘，8.取样头，2.1.承重主体，2.2.承重盘，2.3.配重铅块，2.4.锁紧螺母，2.5.锁紧螺钉，3.1.震动电机，3.2.耐压电池，3.3.触发开关，3.4.隔板，3.5.复位弹簧，3.6.距离触发器，3.7.感应块，4.1.取样外筒，4.2.取样内筒，4.3.取样筒固定环，4.4.限位销，5.1.传感器安装滑杆，5.2.土工力学检测探头，6.1.封口筒，6.2.上封口板，6.3.下封口板，6.4.封口弹簧。
具体实施方式
14.下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：如图1
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图7所示，本发明一种用于土工力学参数原位测试的振动式重力取样器，包括牵引座1、配重组件2、震动组件3、取样筒组件4、检测组件5、封口组件6、配重校正盘7和取样头8，其中所述牵引座1整体结构为上部为吊环结构，下部为连接盖，牵引座1通过吊环结构连接缆绳，下部与配重组件2顶部固定，所述配重组件2上部连接牵引座1，下部连接取样筒组件4，内部安装震动组件3，所述取样筒组件4上部连接配重组件2，左右两侧安装检测组件5，下部连接封口组件6，所述配重校正盘7套装在取样筒组件4和检测组件5外侧，配重校正盘7底面可解除取样头8上端面，配重校正盘7顶面开有安装孔，所述取样头8安装在封口组件6底部；所述配重组件2主要由承重主体2.1、承重盘2.2、配重铅块2.3、锁紧螺母2.4和锁紧螺钉2.5组成，其中所述承重主体2.1内侧上部为上下两个安装仓，内侧下部为滑动仓，滑动仓顶部中间位置开有安装孔，承重主体2.1外侧为台阶型，上部小径段开有多条轴向安装滑轨，下部大径段均布开有多条腰孔，承重主体2.1顶部连接牵引座1，所述承重盘2.2中间开有圆孔和滑槽，承重盘2.2安装在承重主体2.1外侧上部的小径段，下端面压紧在承重主体2.1外侧下部的大径段顶面，承重盘2.2的中间滑槽卡在承重主体2.1外侧滑轨上，所述配重铅块2.3中间开有圆孔和滑槽，配重铅块2.3安装在承重主体2.1外侧上部的小径段，可依据实际需要调整配重铅块2.3的数量，所述锁紧螺母2.4安装在承重主体2.1外侧滑轨内的滑槽中，根据配重铅块2.3的数量调整上下位置，所述锁紧螺钉2.5与锁紧螺母2.4螺纹连接，螺柱端部压紧承重主体2.1外侧滑轨内的滑槽，螺帽柱面压紧配重铅块2.3以实现配重铅块2.3的快速固定；所述震动组件3主要由震动电机3.1、耐压电池3.2、触发开关3.3、隔板3.4、复位弹簧3.5、距离触发器3.6和感应块3.7组成，其中所述震动电机3.1位于承重主体2.1内侧上部的安装仓，利用螺钉安装在隔板3.4上，所述耐压电池3.2固定在承重主体2.1内侧下部的安装仓，所述触发开关3.3安装在承重主体2.1内侧下部滑动仓的安装孔上，触发端朝下，所述隔板3.4安装在承重主体2.1内侧上部的上下两个安装仓之间，所述复位弹簧3.5位于承重主体2.1内侧下部的滑动仓中，复位弹簧3.5顶部接触承重主体2.1内侧下部
滑动仓的顶面，复位弹簧3.5底部接触取样外筒4.1顶面，所述距离触发器3.6安装在取样筒固定环4.3下端面安装孔，所述感应块3.7安装在配重校正盘7上表面安装孔；所述取样筒组件4主要由取样外筒4.1、取样内筒4.2、取样筒固定环4.3和限位销4.4组成，其中所述取样外筒4.1分为两部分，单个整体为半圆柱形，内侧中空，外柱面为上部小径，下部大径的台阶状，并在小径段开有销轴孔，在半圆柱断面位置向外侧有轴向凸起结构，两部分取样外筒4.1组合成一个完整的圆柱，所述取样内筒4.2采用透明材料制成，分为多个小段圆柱段拼接而成，组合后的取样内筒4.2安装在取样外筒4.1的组合体内部，所述取样筒固定环4.3套装在取样外筒4.1组合体的小径段，并且取样筒固定环4.3的底面接触取样外筒4.1大径段顶面，取样筒固定环4.3的顶面可接触承重主体2.1下端面，所述限位销4.4为台阶状圆柱结构，大径段位于取样外筒4.1下部腰孔外侧，小径段穿过取样外筒4.1下部的腰孔，并安装在取样外筒4.1小径段的销轴孔上；所述检测组件5主要由传感器安装滑杆5.1和土工力学检测探头5.2组成，其中所述传感器安装滑杆5.1内侧开有卡槽，外侧开有一排等距的传感器安装孔，传感器安装滑杆5.1通过卡槽卡接固定在取样外筒4.1组合体的轴向凸起上，并在传感器安装孔上安装多个土工力学检测探头5.2；所述封口组件6主要由封口筒6.1、上封口板6.2、下封口板6.3和封口弹簧6.4组成，其中所述封口筒6.1外侧为柱面，内侧的上部和下部为圆柱孔，中间为矩形孔，矩形孔与上下圆柱孔之间有平滑过渡，在矩形孔底部的左右侧开有安装孔，中上部开有滑槽，封口筒6.1上部连接取样外筒4.1组合体下部，封口筒6.1下部安装取样头8，所述上封口板6.2一侧的左右两端各开有一个滑动圆柱凸台，中间开有弹簧连接孔，另一侧开有铰接孔，上封口板6.2通过滑动圆柱凸台安装在封口筒6.1矩形孔的滑槽上，上封口板6.2利用销轴通过铰接孔与下封口板6.3连接，所述下封口板6.3一侧的左右两端各开有一个滑动圆柱凸台，中间开有弹簧连接孔，另一侧开有铰接孔，下封口板6.3通过滑动圆柱凸台安装在封口筒6.1矩形孔的安装孔上，下封口板6.3利用销轴通过铰接孔与上封口板6.2连接，所述封口弹簧6.4一端连接上封口板6.2的弹簧连接孔，另一端连接下封口板6.3的弹簧连接孔。
15.在使用本发明之前，首先在几微米至几厘米范围内调整震动电机3.1的振幅，调整距离触发器3.6的触发感应距离，并且通过调整配重铅块2.3数量快速实现配重的大小并实现快速固定，之后利用缆绳通过牵引座1将本发明整体吊装起来，此时取样外筒4.1组合体在自身重力和复位弹簧3.5的弹力作用下位置下移，从而使得取样筒固定环4.3的顶面与承重主体2.1的底面脱离接触，同时限位销4.4在取样外筒4.1的带动下，运动到承重主体2.1下部腰孔的下端，上封口板6.2和下封口板6.3在封口弹簧6.4的弹力作用下，上封口板6.2位置下移，同时上封口板6.2和下封口板6.3之间夹角减小，从而封闭下部端口；在使用本发明时，本发明下放入海触底时，在自身重力和下行冲击力的作用下，取样头8、封口组件6、检测组件5和取样筒组件4将逐次插入海底，同时承重主体2.1压缩复位弹簧3.5，从而使得承重主体2.1相对取样外筒4.1下移，当取样筒固定环4.3的顶面接触承重主体2.1的底面时，取样外筒4.1的顶面将接触触发开关3.3的触发端，从而控制震动电机3.1工作，从而带动整体震动并逐渐增加插入的深度；在插入的过程中，当配重校正盘7接触到海底后，将沿着取样外筒4.1外侧柱面和传感器安装滑杆5.1逐渐向上滑动，但是配重校正盘7的底面将与2取样外筒4.1一直保持垂直状态，从而保证插入的角度保持与海底面垂直，当本发明插入海底，样品经取样头8进入到封口筒6.1下部并接触到下封口板6.3时，下封口板6.3将向上翻
起，同时带动上封口板6.2上移，从而打开封口组件6的通道，样品逐渐进入到取样内筒4.2内，在采样过程中随着传感器安装滑杆5.1不断插入海底，位于不同位置的土工力学检测探头5.2可分别测量不同深度海底沉积物的土工力学参数；当取样深度到达预设深度时，配重校正盘7上表面的感应块3.7将触发距离触发器3.6，距离触发器3.6将发送信号使得震动电机3.1停止工作，当完成采样上提本发明时，缆绳通过牵引座1带动承重主体2.1上移，在自身重力、海底泥土的粘附力和复位弹簧3.5的弹力作用下，承重主体2.1相对于取样外筒4.1位置上移，从而使得取样筒固定环4.3的顶面与承重主体2.1的底面脱离接触，取样外筒4.1的顶面与触发开关3.3的触发端脱离接触，当限位销4.4运动到承重主体2.1下部腰孔的下端时，承重主体2.1利用限位销4.4可带动取样筒组件4、检测组件5、封口组件6、配重校正盘7和取样头8同步上移，在取样外筒4.1上移的过程中，在样品自身重力、底部真空吸力和封口弹簧6.4的弹力作用下，上封口板6.2位置下移，同时上封口板6.2和下封口板6.3之间夹角减小，从而封闭下部端口；当本发明提取到船上时，通过取下限位销4.4、传感器安装滑杆5.1和封口组件6，可将取样筒组件4独立取下，再取下取样筒固定环4.3即可快速分开取样外筒4.1，由于取样内筒4.2采用透明材料制成，直接进行观察，由于取样内筒4.2是由多个小段圆柱段拼接而成，从而可实现分段提取，便于实现样品的快速分装和储存。