CN109056688B - 一种水下可连续贯入的静力触探装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下可连续贯入的静力触探装置，能够有效实现对探杆的连续贯入，本发明的技术方案包括探杆、探头、海床基座、贯入支架、夹持油缸、探杆贯入机构、探杆回转机构及滑环，所述贯入支架设于海床基座上，探杆纵向穿过海床基座，夹持油缸水平设于贯入支架上，夹持油缸前端设置探杆贯入机构，所述探杆贯入机构能够夹持探杆并使探杆纵向运动，所述探杆上还套设有探杆回转机构，所述探杆和探头通过滑环连接。

Description

一种水下可连续贯入的静力触探装置

技术领域

本发明涉及静力触探装置，具体为一种水下可连续贯入的静力触探装置。

背景技术

静力触探作为岩土工程技术领域进行土体原位测试的一种方法，是利用给进装置将底部装有探头的探杆贯入土层，通过测量探头锥尖阻力和侧壁摩擦力等参数来评价土体的基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。随着现今高层及超高层建筑、拦海大坝、港口码头、人工岛礁、海上大型风电基建和大型跨海大桥等不断涌现，勘探深度越来越深，打深孔很需要深层静力触探资料，但深层静力触探操作稍有不慎最容易出现孔斜，老黏土贯入困难并会出现曲线失真和断杆等问题。针对这些问题，研究出一种既能够做深层静力触探，又安全高效的原位测试设备和应用方法显得十分必要和迫切。

发明内容

本发明提供了一种水下可连续贯入的静力触探装置，能够有效实现对探杆的连续贯入。

本发明的技术方案在于：包括探杆、探头、海床基座、贯入支架、夹持油缸、探杆贯入机构、探杆回转机构及滑环，所述贯入支架设于海床基座上，探杆纵向穿过海床基座，夹持油缸水平设于贯入支架上，夹持油缸前端设置探杆贯入机构，所述探杆贯入机构能够夹持探杆并使探杆纵向运动，所述探杆上还套设有探杆回转机构，所述探杆和探头通过滑环连接。

作为上述方案的优选，所述海床基座上设置两组正相对的贯入支架，每组贯入支架上水平设置一组夹持油缸，且两组夹持油缸的活塞杆正相对，活塞杆前端与探杆贯入机构连接。

作为上述方案的优选，所述探杆贯入机构为端面配置有驱动马达的摩擦轮，驱动马达与摩擦轮整体与夹持油缸的活塞杆活动连接。

作为上述方案的优选，所述探杆回转机构包括固定盘、回转组件及夹持组件，所述固定盘中央设有阶梯孔，所述阶梯孔内设置回转组件及夹持组件，回转组件包括相互啮合的蜗轮和蜗杆，蜗轮设于阶梯孔内的台阶上，蜗轮内孔侧壁设有两个楔形槽，楔形槽下端深度大于上端深度，且下端延伸至蜗轮内孔下端口处，所述夹持组件包括两夹持块、夹持轴推、驱动轴及轴承，所述两夹持块分别设于探杆两侧，位于蜗轮下方，夹持块内侧壁为凹陷的圆柱面，能够与探杆外壁配合，外侧壁设有一纵向的楔形块，所述楔形块能够与蜗轮内孔的楔形槽配合，夹持块的楔形块下端面设有一燕尾状滑块，所述轴承包括外环、内环及设于外环和内环之间的滚珠，所述内环上表面设有两处燕尾槽，所述燕尾槽长度方向沿内环径向，所述夹持块下端的燕尾状滑块与对应的燕尾槽配合，所述燕尾槽内靠近内环内孔的一侧封闭，该封闭侧与燕尾状滑块之间设有一组弹簧，所述轴承内环上端面高于外环上端面，内环下端面高于外环下端面，所述夹持轴推为一环形件，设于轴承下方，轴承外环下端面与夹持轴推上表面固定连接，所述夹持轴推外侧壁设有一块纵向齿条，所述齿条一侧设有与之啮合的齿轮，所述齿轮与驱动轴连接。

作为上述方案的优选，所述固定盘侧壁与蜗轮和夹持轴推对应的位置各设有一水平通孔，所述蜗杆和驱动轴分别穿过对应的通孔后连接驱动马达。

作为上述方案的优选，在两夹持块向上运动直至将探杆夹紧后，所述夹持轴推下端面与固定盘阶梯内孔的台阶面具有间隔。

作为上述方案的优选，所述探杆下端与滑环的转子连接，探头上端连接延长杆，延长杆上端与所述滑环的定子连接。

上述方案的有益效果在于：

1、相比于现有的采用油缸纵向对探杆向下推动的贯入方式，本技术方案通过双油缸水平夹持、双摩擦轮连续驱动能够实现对探杆的连续贯入，从而提高对探杆的贯入效率和贯入深度。

2、本技术方案中采用探杆回转机构带动探杆回转，慢速回转的情况下能够对发生倾斜的探头进行纠偏，减小探杆及探头的贯入倾斜度，进而降低发生断杆的故障率；在探杆快速回转的情况下，能够通过探杆侧壁与周围土层的摩擦将周围老黏土打散，以降低探杆侧壁摩擦力，减少探杆整体贯入阻力，增加贯入深度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2和图3为本发明中探杆回转机构的结构示意图。

图4为夹持块的结构示意图。

图5为本发明中蜗轮蜗杆的安装示意图。

图6为本发明中齿轮齿条的安装示意图。

图7为本发明中探杆及探头倾斜时的状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实施例。

本实施例的结构包括探杆5、探头8、海床基座1、贯入支架10、夹持油缸4、探杆贯入机构、探杆回转机构2及滑环6，所述贯入支架10设于海床基座1上，探杆5纵向穿过海床基座1、探杆贯入机构和探杆回转机构2，夹持油缸4水平设于贯入支架10上，夹持油缸4前端设置探杆贯入机构，所述探杆贯入机构能够夹持探杆5并使探杆5纵向运动，所述探杆5上还套设有探杆回转机构2，所述探杆5和探头8通过滑环6连接。

在本实施例中，所述海床基座1上设置两组正相对的贯入支架10，每组贯入支架10上水平设置一组夹持油缸4，且两组夹持油缸4的活塞杆正相对，活塞杆前端与探杆贯入机构连接。

在本实施例中，所述探杆贯入机构为端面配置有驱动马达9的摩擦轮3，摩擦轮3与夹持油缸4的活塞杆活动连接。

在本实施例中，所述探杆回转机构2包括固定盘201、回转组件及夹持组件，所述固定盘201中央设有阶梯孔，所述阶梯孔内设置回转组件及夹持组件，回转组件包括相互啮合的蜗轮202和蜗杆206，蜗轮202设于阶梯孔内的台阶上，蜗轮202内孔侧壁设有两个楔形槽，楔形槽下端深度大于上端深度，且下端延伸至蜗轮202内孔下端口处，所述夹持组件包括两夹持块203、夹持轴推205、驱动轴207及轴承204，所述两夹持块203分别设于探杆5两侧，位于蜗轮202下方，夹持块203内侧壁为凹陷的圆柱面，能够与探杆5外壁配合，外侧壁设有一纵向的楔形块2031，所述楔形块2031能够与蜗轮202内孔的楔形槽配合，夹持块203的楔形块2031下端面设有一燕尾状滑块2032，所述轴承204包括外环2041、内环2042及设于外环2041和内环2042之间的滚珠，所述内环2042上表面设有两处燕尾槽2043，所述燕尾槽2043长度方向沿内环2042径向，所述夹持块203下端的燕尾状滑块2032与对应的燕尾槽2043配合，所述燕尾槽2043内靠近内环2042内孔的一侧封闭，该封闭侧与燕尾状滑块2032之间设有一组弹簧2044，所述轴承204内环2042上端面高于外环2041上端面，内环2042下端面高于外环2041下端面，所述夹持轴推205为一环形件，设于轴承204下方，轴承204外环2041下端面与夹持轴推205上表面固定连接，所述夹持轴推205外侧壁设有一块纵向齿条2051，所述齿条2051一侧设有与之啮合的齿轮2052，所述齿轮2052与驱动轴207连接。

作为上述方案的优选，所述固定盘侧壁与蜗轮202和夹持轴推205对应的位置各设有一水平通孔，所述蜗杆206和驱动轴207分别穿过对应的通孔后连接驱动马达。

作为上述方案的优选，在两夹持块203向上运动直至将探杆5夹紧后，所述夹持轴推205下端面与固定盘阶梯内孔的台阶面具有间隔。

在本实施例中，所述探杆5下端与滑环6的转子连接，探头8上端连接延长杆7，延长杆7上端与所述滑环6的定子连接。

连续贯入的工作原理如下：

在进行探杆5贯入时，两夹持油缸4向前推进，使两摩擦轮3通过侧壁的V形凹槽将探杆5夹持住，摩擦轮3上配置的驱动马达9驱动摩擦轮3相向转动，以带动探杆5向下贯入。这种贯入方式相对于现有的采用立式油缸向下推动探杆5贯入的方式，能够实现连续贯入，以提高贯入效率。

探杆回转原理如下：

在贯入过程中，在不需要带动探杆5回转时，夹持块203上端位于蜗轮202内孔的下部，此时两夹持块203未将探杆5夹紧，使得探杆5能够在贯入机构的作用下进行贯入。当需要将探杆5夹紧回转时，与驱动轴207连接的马达工作，驱动轴207前端齿轮带动齿条上升，齿条带动夹持轴推205向上运动，从而使轴承204上方的夹持块203沿楔形槽向上运动，直至使两夹持块203将探杆5夹紧，然后与蜗杆206连接的马达工作，蜗杆206带动蜗轮202回转，从而使两夹持块203带动探杆5回转。

回转结束后，齿轮齿条机构带动夹持轴推205向下运动，由于轴承204外环2041与夹持轴推205固定连接，轴承204内环2042与夹持块203通过燕尾槽2043卡合，因此夹持轴推205能够带动夹持块203向下运动，从而将探杆5松开，而且燕尾槽2043内的弹簧2044能够通过弹力将夹持块203向外推动，使夹持块203能够快速与探杆5分离。

探杆纠偏原理如下：

由于操作或土层的问题会出现孔斜，如图3所示，当通过探头8内设置的倾斜计(现有技术)检测到探头8已经开始发生微小倾斜时，夹持油缸4拉动摩擦轮3松开探杆5，两夹持块203将探杆5夹紧，然后蜗杆206带动蜗轮202慢速回转一周以上，以带动探杆5慢速回转，探杆5在回转的过程中通过探头8内的倾斜计实时监测探头8倾斜角度，找出探杆在回转过程中，探头倾斜角度的最小值，然后将探杆旋转角度调整到此位置，即可实现对探头的纠偏。其主要原因是：探杆本身是直杆，弯曲形变后具有回弹应力，并且在慢速转动一至两周的过程中总会遇到周围土阻力小的位置，而在土阻力小的位置，探杆会向中心靠拢，探杆在向中心靠拢的过程中，带动下端的延长杆及探头往中心靠拢(摆动)，以此达到减小探头倾斜角度的目的。

然后蜗轮202蜗杆206停止转动，夹持块203松开探杆5，上方摩擦轮3再次夹紧探杆5进行贯入操作。

减小摩擦阻力的原理如下：

当贯入阻力太大以致无法贯入时，摩擦轮3松开探杆5，两夹持块203夹紧探杆5，然后蜗轮202进行快速长时间旋转，将探杆5侧壁的摩擦阻力减小到最小，进而减小整体贯入阻力。

为不影响探头8的测试，在探头8上部规范距离设有滑环6，探杆5在旋转时，滑环6转子和探杆5内部线缆随着探杆5一起旋转，而滑环6定子和滑环6下方的延长杆7及探头8仍是静止不动的，因此能够有效避免探杆5旋转时，探头8需要同步旋转的问题。

该装置不仅可以进行连续贯入，还可以通过减少探杆5的侧壁摩擦力和倾斜角度，提高贯入深度，并可以减小出现断杆故障的发生概率。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (6)

1.一种水下可连续贯入的静力触探装置，其特征在于：包括探杆、探头、海床基座、贯入支架、夹持油缸、探杆贯入机构、探杆回转机构及滑环，所述贯入支架设于海床基座上，探杆纵向穿过海床基座，夹持油缸水平设于贯入支架上，夹持油缸前端设置探杆贯入机构，所述探杆贯入机构能够夹持探杆并使探杆纵向运动，所述探杆上还套设有探杆回转机构，所述探杆和探头通过滑环连接;所述探杆回转机构包括固定盘、回转组件及夹持组件，所述固定盘中央设有阶梯孔，所述阶梯孔内设置回转组件及夹持组件，回转组件包括相互啮合的蜗轮和蜗杆，蜗轮设于阶梯孔内的台阶上，蜗轮内孔侧壁设有两个楔形槽，楔形槽下端深度大于上端深度，且下端延伸至蜗轮内孔下端口处，所述夹持组件包括两夹持块、夹持轴推、驱动轴及轴承，所述两夹持块分别设于探杆两侧，位于蜗轮下方，夹持块内侧壁为凹陷的圆柱面，能够与探杆外壁配合，外侧壁设有一纵向的楔形块，所述楔形块能够与蜗轮内孔的楔形槽配合，夹持块的楔形块下端面设有一燕尾状滑块，所述轴承包括外环、内环及设于外环和内环之间的滚珠，所述内环上表面设有两处燕尾槽，所述燕尾槽长度方向沿内环径向，所述夹持块下端的燕尾状滑块与对应的燕尾槽配合，所述燕尾槽内靠近内环内孔的一侧封闭，该封闭侧与燕尾状滑块之间设有一组弹簧，所述轴承内环上端面高于外环上端面，内环下端面高于外环下端面，所述夹持轴推为一环形件，设于轴承下方，轴承外环下端面与夹持轴推上表面固定连接，所述夹持轴推外侧壁设有一块纵向齿条，所述齿条一侧设有与之啮合的齿轮，所述齿轮与驱动轴连接,所述探头上端连接延长杆，延长杆上端与所述滑环的定子连接。

2.根据权利要求1所述的静力触探装置，其特征在于：所述海床基座上设置两组正相对的贯入支架，每组贯入支架上水平设置一组夹持油缸，且两组夹持油缸的活塞杆正相对，活塞杆前端与探杆贯入机构连接。

3.根据权利要求2所述的静力触探装置，其特征在于：所述探杆贯入机构为端面配置有驱动马达的摩擦轮，摩擦轮及驱动马达整体与夹持油缸的活塞杆活动连接。

4.根据权利要求3所述的静力触探装置，其特征在于：所述固定盘侧壁与蜗轮和夹持轴推对应的位置各设有一水平通孔，所述蜗杆和驱动轴分别穿过对应的通孔后连接驱动马达。

5.根据权利要求4所述的静力触探装置，其特征在于：在两夹持块向上运动直至将探杆夹紧后，所述夹持轴推下端面与固定盘阶梯内孔的台阶面具有间隔。

6.根据权利要求1所述的静力触探装置，其特征在于：所述探杆下端与滑环的转子连接。