CN106053295A - 一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，该球型动态贯入仪包括上半球(2)、下半球(3)，上下半球之间垫O形密封圈(4)；该球型动态贯入仪中心设有一个空心螺柱(1)，上半球(2)、下半球(3)通过该空心螺柱(1)固定连接成一个完整的球型；在空心螺柱(1)内部放置惯性测试存储单元，空心螺柱(1)下端封闭且上端敞口，空心螺柱(1)上端通过螺塞(11)密封，螺塞(11)下端与惯性测试存储单元之间用密封圈(12)密封，同轴电缆(13)从空心螺柱(1)内部穿过螺塞(11)引出。该自落式球型动态贯入仪，能够快速、连续地贯入土中，使用简捷、经济、方便、快速、准确及可重复性高，为海洋岩土工程勘察、地基处理效果评估实践提供有力的检测与评价工具。

Description

一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪

技术领域

本发明涉及一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，属于岩土工程领域中一种动态测试近海海底粘土力学特性、并评价其强度的半自动化原位测试装置。

背景技术

海底表层超软土的力学特性评价对于深水油气田开发至关重要。通常，海底沉积物具有质软、细粒沉积、强度低(＜20kPa)等特点，这使得室内实验取得扰动小、高质量的土样非常困难且成本较高，室内测试土样应力产生了扰动，不能代表土层的原始状态指标，很大程度地降低土体参数的工程应用价值，测试土体为软粘土的工况下更显著。对于软土的工程特性评价更多地依赖于原位测试试验。

孔压静力触探技术(CPTU)在传统的静力触探装置上安装了孔压传感器，可同时测试出土的锥尖阻力、侧壁摩阻力与孔隙水压力，实践表明，可通过测得的参数去估算土体的不排水抗剪强度、土体承载力等指标。

当测试土体为软粘土时，抗剪强度低，传统的静力触探技术以及室内测试技术不能有效、快速、精确地测量软粘土的不排水抗剪强度。孔压静力触探(CPTU)在海底高压环境下，贯入阻力引起负载增量测试精度降低，以及一些上覆土层压力对贯入阻力的影响，使其在超软土中随着海水深度的增加测试精度降低，此外，传统的海底孔压静力触探设备重，试验所需船舶条件高，测试时间长、成本较高。

本发明基于常规的孔压静力触探探头，提出了一种原位、自动化高的自落式球型动态贯入仪，这是一种更加方便、快速、准确、操作简单、经济的用于评价粘土强度的设备，为海洋岩土工程勘察与地基处理效果评估提供强有力的检测工具与评价手段。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪。

技术方案：本发明是一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，该球型动态贯入仪包括上半球、下半球，上下半球之间垫O形密封圈；该球型动态贯入仪中心设有一个空心螺柱，上半球、下半球通过该空心螺柱固定连接成一个完整的球型；在空心螺柱内部放置惯性测试存储单元，空心螺柱下端封闭且上端敞口，空心螺柱上端通过螺塞密封，螺塞下端与惯性测试存储单元之间用密封圈密封，同轴电缆从空心螺柱内部穿过螺塞引出。

所述的上半球、下半球均为不锈钢制作且直径为150-500mm。

所述的空心柱体外表面带螺纹，将上下两个半球连接在一起，空心柱体上端带有挂环。

所述的测试存储单元包括蓄电电池、三轴MEMS加速度计、16位三分量微机电***陀螺仪、ARM处理器、mbed微控制器、USB接口。

所述的三轴MEMS加速度计的分辨率为0.04m/s²，测试范围为：±16g。

所述的16位三分量微机电***陀螺仪的测量范围为±2000°/s；分辨率为0.07°。

所述的ARM处理器与mbed微控制器的处理速度＝400-1000Hz。

本发明用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪的装置，通过该装置自由下落，以一定的速度贯入到粘土或软粘土中，通过加速度的直接测试，数值积分转换计算，记录贯入的加速度、速度、位移。引入单一的承载力系数N，结合与雷诺数之间的关系，最终通过计算得到土的不排水抗剪强度。

有益效果：本发明提出用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，解决了现有测试技术中不能快速、准确、简单地评价粘土强度的难题，通过惯性测试单元引入球型探头，以自由下落动态贯入，自行收集数据、处理、储存。进行经济、快捷、方便地评价土的强度，该项技术可操作性强，重复性强，为近海岩土工程勘察及地基处理效果评价提供可靠准确、快捷经济的测试。

本发明基于所测加速度数据，通过一个简单的框架可分析计算球贯入过程中的岩土剪切阻力与流体拖拽阻力。

本发明能够定量地计算并评价粘土的不排水抗剪强度，为海洋岩土工程勘察与地基处理效果评价提供更加有效的方法。

附图说明

图1是本发明采用的一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪侧面图；

其中有：空心螺柱1、上半球2、下半球3、O形密封圈4、蓄电电池5、三轴MEMS加速度计6、16位三分量微机电***陀螺仪7、ARM处理器8、mbed微控制器9、USB接口10、螺塞11、密封圈12、同轴电缆13。

图2是本发明采用一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪立面图。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明的用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪装置，主要包括空心螺柱1、上半球2、下半球3、O形密封圈4、蓄电电池5、三轴MEMS加速度计6、16位三分量微机电***陀螺仪7、ARM处理器8、mbed微控制器9、USB接口10、螺塞11、密封圈12、同轴电缆13。空心螺柱将上下两个半球拴住，测试存储单元(三分量微机电***陀螺仪、ARM处理器、mbed微控制器、USB接口、三轴加速度计、蓄电电池)安装在空心螺柱内，空心螺柱下端密封且上端敞口，空心柱体上端通过螺塞密封，螺塞下端与惯性测试存储单元用密封圈密封，同轴电缆贯穿空心螺柱，空心螺柱上端带有挂环，可将绳与整个装置拴住，一起运动，该装置在自由下落时，通过测试储存单元中的加速度计测试采集其加速度，通过数值积分得到速度、位移。本发明设计了一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪的装置，通过该装置自由下落，以一定的速度贯入到粘土或软粘土中，通过加速度的直接测试，数值积分转换计算，记录贯入的加速度、速度、位移。引入单一的承载力系数N，结合与雷诺数之间的关系，最终通过计算得到土的不排水抗剪强度。

所述落球直径为150-500cm。

所述三轴加速度计，分辨率为为0.04m/s²，测试范围为：±16g。

所述陀螺仪：测量范围为±2000°/s；分辨率为0.07°。

所述微型处理器及微控制器的处理速度＝400-1000Hz。

本发明的一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，对于给定某一深度h，其土的不排水抗剪强度s_u，可通过下式计算：

$s_u=\frac{\mathrm{Fss}-(\mathrm{dv}/\mathrm{dt})(m+C_m{m}_{\mathrm{soil}})}{{\mathrm{NA}}_p{[(v/D)/{(v/D)}_{\mathrm{ref}}]}^{\mathrm{\β}}}$

式中Fss是球嵌入土中的重量，dv/dt是加速度值，v是速度(由数值积分获得)，D为球的直径，m为球的质量，C_m＝0.5，(v/D)_ref取0.18s^-1，β为0.07，A_p为整个球投影体积，h为给定的深度，N为单一承载力因子，可由下式计算：

C_D为拖拽系数，Re_{non-Newtonian}为雷诺数，

N_c为承载力系数。

Fss的计算可通过土的重度与置换土的体积的乘积得到，置换土的体积等于球嵌入的体积加上球贯入过程中形成的空腔体积V₁.空腔可近似看做一个倒锥的体积。Fss＝γ_土·(V_嵌入+V₁)，

Claims (7)

1.一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，其特征在于该球型动态贯入仪包括上半球(2)、下半球(3)，上下半球之间垫O形密封圈(4)；该球型动态贯入仪中心设有一个空心螺柱(1)，上半球(2)、下半球(3)通过该空心螺柱(1)固定连接成一个完整的球型；在空心螺柱(1)内部放置惯性测试存储单元，空心螺柱(1)下端封闭且上端敞口，空心螺柱(1)上端通过螺塞(11)密封，螺塞(11)下端与惯性测试存储单元之间用密封圈(12)密封，同轴电缆(13)从空心螺柱(1)内部穿过螺塞(11)引出。

2.根据权利要求1所述的一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，其特征在于所述的上半球(2)、下半球(3)均为不锈钢制作且直径为150-500mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，其特征在于所述的空心柱体外表面带螺纹，将上下两个半球连接在一起，空心柱体上端带有挂环。

4.根据权利要求1所述的一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，其特征在于所述的测试存储单元包括蓄电电池(5)、三轴MEMS加速度计(6)、16位三分量微机电***陀螺仪(7)、ARM处理器(8)、mbed微控制器(9)、USB接口(10)。

5.根据权利要求4所述的一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，其特征在于所述的三轴MEMS加速度计的分辨率为0.04m/s²，测试范围为：±16g。

6.根据权利要求4所述的一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，其特征在于所述的16位三分量微机电***陀螺仪(7)的测量范围为±2000°/s；分辨率为0.07°。

7.根据权利要求4所述的一种用于评价粘土强度的自落式球型动态贯入仪，其特征在于所述的ARM处理器与mbed微控制器的处理速度＝400-1000Hz。