專利名稱：一種灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋地質(zhì)勘測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置及方法。
背景技術(shù)：
灘淺海地區(qū)主要指沿海灘涂、潮間帶以及淺海地帶，水深范圍主要在0-10米，其具有重要的科研與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前已經(jīng)成為中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)的重要陣地。對(duì)灘淺海沉積物強(qiáng)度進(jìn)行原位測(cè)試，可以大大減少海洋工程勘察中鉆孔的數(shù)量，提高工程勘察的質(zhì)量與精度，經(jīng)濟(jì)效益明顯，使海洋工程地質(zhì)評(píng)價(jià)勘測(cè)周期也大為縮短。隨著開(kāi)發(fā)海洋油氣資源的持續(xù)進(jìn)行，沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試技術(shù)將被普遍應(yīng)用于灘淺海油氣開(kāi)發(fā)區(qū)的工程地質(zhì)調(diào)查。目前，用于海上作業(yè)的海底沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試技術(shù)在國(guó)外已非常成熟，并已廣泛應(yīng)用于海上工程領(lǐng)域，主要靠在配有吊車或A型吊架的調(diào)查船只上使用靜力觸探設(shè)備或結(jié)合鉆探來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是這些海底靜力觸探設(shè)備對(duì)載體(調(diào)查船)及鉆探設(shè)備的要求較高，探測(cè)深度大的測(cè)試設(shè)備一般要求裝載在大噸位的調(diào)查船上或鉆井平臺(tái)上，因此觸探設(shè)備的可移植性較差，無(wú)法在灘淺海地區(qū)使用，且設(shè)備的造價(jià)昂貴，使用成本高。而在國(guó)內(nèi)，海上作業(yè)的沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試技術(shù)還未被廣泛采用，且主要靠購(gòu)進(jìn)或者租借國(guó)外的儀器設(shè)備，而適合于灘淺海區(qū)沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試的設(shè)備則更加少見(jiàn)。因此為了了解灘淺海地區(qū)海底沉積物強(qiáng)度及地層變化情況，現(xiàn)階段一般采用大量的鉆探、取樣和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來(lái)替代，以滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的灘淺海油氣開(kāi)發(fā)的工程建設(shè)勘查需要。經(jīng)過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利名稱:水下巖土觸探設(shè)備及水下巖土勘探方法，專利申請(qǐng)?zhí)?00910244129.6，該發(fā)明雖提出了一種可在不同尺度深水中進(jìn)行巖土工程勘測(cè)的水下巖土靜力觸探設(shè)備以及采用該設(shè)備的水下巖土勘探方法，在一定程度上解決了海底強(qiáng)度原位測(cè)試時(shí)觸探設(shè)備可移植性差的問(wèn)題。但該方法涉及的儀器體積大，重量大，必須用大船進(jìn)行裝載，僅適用于深海的海底工程地質(zhì)勘查。所以，在灘淺海沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試技術(shù)方面，我國(guó)目前仍然沒(méi)有擁有自己獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和設(shè)備，這也一直是我國(guó)灘淺海地區(qū)資源開(kāi)采平臺(tái)、油氣輸送管線及海下電纜鋪設(shè)、港口、海岸基礎(chǔ)設(shè)施等工程建設(shè)中的瓶頸技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足或缺陷，提供一種灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置及方法，使其可在灘淺海環(huán)境下對(duì)海底沉積物進(jìn)行連續(xù)貫入強(qiáng)度測(cè)試。一種灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，包括裝有控制裝置的控制船，以及由控制船進(jìn)行控制的水下部分，其特征在于所述的控制船上還有充氣裝置(7)與真空發(fā)生裝置；所述的水下部分包括一個(gè)框架裝置，該框架裝置的底部中央設(shè)有貫入裝置、頂部中央設(shè)有液壓裝置；且框架裝置上還設(shè)有用于使水下部分從水底浮升至水面的空氣壓力艙；
所述的充氣裝置與真空發(fā)生裝置分別與空氣壓力艙相連接。另外，本發(fā)明的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置還具有如下附加技術(shù)特征中的至少一個(gè):上述空氣壓力艙是橫截面為圓形的圓筒狀皮囊，且所述的圓筒狀皮囊豎直設(shè)置在框架裝置上。 上述圓筒狀皮囊外還設(shè)有保護(hù)筒。上述保護(hù)筒表面設(shè)有排水孔。上述排水孔在保護(hù)筒表面的開(kāi)孔率是底部1/6的表面為3個(gè)/dm2、頂部1/6的表面為I個(gè)/dm2，底部至頂部之間的2/3的表面開(kāi)孔率在I 3個(gè)/dm2之間。上述框架裝置是一個(gè)長(zhǎng)方形框架，且所述圓筒狀皮囊設(shè)置在長(zhǎng)方形框架的四角，且每個(gè)角的設(shè)有至少4個(gè)圓筒狀皮囊；或者所述的長(zhǎng)方形框架分為前中后三段，所述圓筒狀皮囊設(shè)置在長(zhǎng)方形框架的前段和后段，且前后兩段的圓筒狀皮囊數(shù)量相等。上述排水孔的形狀為橢圓形；且橢圓形上半部設(shè)有朝向保護(hù)筒內(nèi)部的導(dǎo)流罩?；蛘呱鲜雠潘椎男螤顬閂形或U形；且所述的V形或U形的排水孔處設(shè)有朝向所述的保護(hù)筒內(nèi)部的導(dǎo)流罩。上述的貫入裝置，包括至少一個(gè)可續(xù)觸探桿、用于可續(xù)觸探桿的容納和導(dǎo)向的觸探桿容納艙、用于推進(jìn)可續(xù)觸探桿的觸探桿推進(jìn)艙、與觸探桿容納艙相連接的觸探桿下夾持裝置、與觸探桿推進(jìn)艙相連接的觸探桿上夾持裝置、可續(xù)觸探桿下端的觸探頭，以及用于將觸探桿推進(jìn)艙的位移數(shù)據(jù)準(zhǔn)確上傳至控制裝置的位移傳感器，和用于為可續(xù)觸探桿實(shí)際貫入深度定距離線性適時(shí)計(jì)數(shù)發(fā)訊，上傳至控制裝置，觸發(fā)強(qiáng)度參數(shù)的采集記錄的觸探深度發(fā)訊裝置。上述的圓筒狀皮囊，內(nèi)部設(shè)置壓力傳感器，用來(lái)將氣囊壓力數(shù)據(jù)上傳至控制裝置。上述框架裝置的前端還設(shè)有一個(gè)定向?qū)Я餮b置。上述空氣壓力艙的浮心高于框架裝置高度的1/2。利用上述裝置對(duì)灘淺海沉積物進(jìn)行強(qiáng)度原位檢測(cè)的方法，其特征在于包括以下步驟:I)用吊車將框架裝置吊入水中，通過(guò)空氣壓力艙使框架裝置50%以上的部分漂浮于水中，整個(gè)框架裝置通過(guò)纜繩與控制船相連；2)控制船行至第一個(gè)待檢測(cè)的灘淺海沉積物目標(biāo)點(diǎn)位的正上方，根據(jù)工作水深和預(yù)定勘查沉積物深度情況連接可續(xù)觸探桿至要求長(zhǎng)度；3)在控制船上啟動(dòng)真空發(fā)生裝置，通過(guò)向空氣壓力艙抽真空，使框架裝置利用自重沉入海底；4)在控制船上將水下部分的數(shù)據(jù)線經(jīng)其通訊接口連接于控制船上的控制裝置，完成傳感器檢查、初始值設(shè)置和確認(rèn)的程序任務(wù)；5)在控制船上通過(guò)控制裝置啟動(dòng)液壓裝置，通過(guò)液壓動(dòng)力作用實(shí)現(xiàn)觸探桿和觸探頭的連續(xù)下貫，觸探頭的錐尖阻力傳感器、側(cè)摩阻力傳感器連續(xù)輸出隨深度變化的錐尖阻力、側(cè)摩阻力和摩阻比的電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)電纜實(shí)時(shí)傳送到位于控制船上的控制裝置，根據(jù)各層土的強(qiáng)度值劃分測(cè)試點(diǎn)地層并定名，并確定灘淺海地基土的承載力和模量；6)到達(dá)預(yù)訂深度，停止下貫，通過(guò)液壓動(dòng)力作用控制觸探桿夾持裝置和觸探桿推進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)觸探桿和觸探頭的連續(xù)上提，至觸探頭離開(kāi)海床面；7)在控制船上啟動(dòng)充氣裝置，通過(guò)向空氣壓力艙充氣，使框架裝置上浮，至整體的50%以上的部分漂浮于水中；8)控制船將水下部分拖行至下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)位，重復(fù)步驟2)至7)直至完成所有目標(biāo)點(diǎn)位的檢測(cè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用一種灘淺海沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試方法，這種方法可用船在水中拖動(dòng)原位測(cè)試設(shè)備并為整個(gè)設(shè)備供電。所述浮力生消裝置可控制所述框架裝置在水中的起落，既可使整個(gè)設(shè)備下沉到海底進(jìn)行靜力觸探，又可在靜力觸探結(jié)束后使整個(gè)設(shè)備浮出水面。本發(fā)明克服了現(xiàn)有的能潛入水中的用于檢測(cè)灘淺海沉積物的簡(jiǎn)易設(shè)備無(wú)法適應(yīng)高強(qiáng)度、高效率檢測(cè)的問(wèn)題。本發(fā)明的工作水深范圍為(TlOm，使用本發(fā)明的方法可以在大型調(diào)查船無(wú)法駛進(jìn)的灘淺海區(qū)域進(jìn)行海底沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試，可以大大提高工作效率。使用本發(fā)明的方法還可以多次、重復(fù)在不同海底區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)，大大降低了工作總成本。實(shí)踐證明本發(fā)明是一種簡(jiǎn)單有效且測(cè)試精度準(zhǔn)確可靠的灘淺海原位測(cè)試方法，勘查測(cè)試海底沉積物深度為10m，能夠滿足灘淺海地區(qū)氣資源開(kāi)采平臺(tái)、油氣輸送管線及海下電纜鋪設(shè)、港口、海岸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的勘探深度要求。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的水下部分的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的水下部分的俯視圖(圖中不含貫入裝置與液壓裝置)。圖4是本發(fā)明的空氣壓力艙的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的保護(hù)筒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明的保護(hù)筒的排水孔的示意圖；其中，圖6A是橢圓形排水孔，圖6B是V形排水孔，圖6C是U形排水孔。圖7是本發(fā)明的貫入裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明的控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖9是本發(fā)明的檢測(cè)方法的流程框圖。圖10是本發(fā)明的一個(gè)灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)曲線圖(海底沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)結(jié)果曲線)。其中，1、框架裝置，2、空氣壓力艙，21、充氣排氣管，22、圓筒狀皮囊，23、保護(hù)筒，24、排水孔，25、導(dǎo)流罩，3、貫入裝置，31、可續(xù)觸探桿，32、觸探桿容納艙，33、觸探桿下夾持裝置，34、觸探桿上夾持裝置，35、觸探桿推進(jìn)艙，36、觸探頭，4、液壓裝置，5、控制裝置，6、控制船，7、充氣裝置，8、真空發(fā)生裝置。
具體實(shí)施例方式如附圖1所示，本發(fā)明的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置主要包括:控制船6，用于控制整個(gè)裝置的水下部分，所述控制船6上安裝有控制裝置5、充氣裝置7與真空發(fā)生裝置8 ；所述的水下部分包括框架裝置1，用于為灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置提供反力并由船體在水中拖行；空氣壓力艙2，設(shè)置在框架裝置I內(nèi)，并與所述的充氣裝置7和真空發(fā)生裝置8相連接，用于為框架裝置I提供和消除浮力，能夠使整個(gè)水下部分從水底浮生至水面；貫入裝置3，設(shè)置在框架裝置I內(nèi)，用于對(duì)灘淺海海底沉積物強(qiáng)度進(jìn)行原位貫入測(cè)試；液壓裝置4，設(shè)置在框架裝置I內(nèi)，用于為所述貫入裝置3提供夾持力與推進(jìn)力?？刂蒲b置5，設(shè)置在船上，用于所述空氣壓力艙2、貫入裝置3、液壓裝置4的狀態(tài)顯示和操作，并測(cè)量和處理沉積物強(qiáng)度參數(shù)。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明:如圖1 8所 示，本發(fā)明的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置包括水上部分和水下部分:水上部分——(I)控制裝置5，是由CPU、顯示器、存儲(chǔ)器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、通訊接口及系統(tǒng)程序組成的專用計(jì)算機(jī)，通訊接口包括連接甲板交流電源的電纜插排、連接水下液壓裝置和貫入裝置的數(shù)據(jù)通訊接口以及連接水下觸探頭數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)傳輸接口。(2)充氣裝置7如空氣壓縮機(jī)。(3)真空發(fā)生裝置8如真空泵。(4)控制船6，本發(fā)明實(shí)施例的控制船6僅需要12(Γ240馬力，可在IOm以下水深
的灘淺海地區(qū)進(jìn)行海底地質(zhì)勘查，并建立勘查數(shù)據(jù)與巖土特性的定量關(guān)系，對(duì)巖土工程特性進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。水下部分(如圖1 3所示)一(I)框架裝置1，可選用高強(qiáng)度耐腐蝕的鋼材結(jié)構(gòu)，用于容納和保護(hù)其中的空氣壓力艙2、貫入裝置3和液壓裝置4，并為整個(gè)水下部分坐底與液壓貫入進(jìn)行靜力觸探時(shí)提供足夠的反力，增強(qiáng)海底勘查的穩(wěn)定性。同時(shí)由于框架裝置I需要便于車輛運(yùn)輸，所述框架裝置的重量為I 2t。因此，在本發(fā)明的一個(gè)示例中，框架裝置I尺寸為2.5X2.2X2.0m,自重為1.5t?？蚣苎b置I還包括一個(gè)為水下部分導(dǎo)流的定向?qū)Я餮b置，所述的定向?qū)Я餮b置為船艏形，設(shè)置在框架裝置I的一端，可以減小框架裝置I在海水中漂浮行走時(shí)的海水阻力，增強(qiáng)設(shè)備穩(wěn)定性。(2)空氣壓力艙2，如圖1 4所示，空氣壓力艙2設(shè)有充氣排氣管21，所述空氣壓縮機(jī)經(jīng)由充氣排氣管21向所述空氣壓力艙2充氣至預(yù)定的壓力；所述真空泵經(jīng)由充氣排氣管21將空氣壓力艙2的氣體排出。可選地，空氣壓力艙2可以為橫截面為圓形的圓筒狀皮囊22-如圖4所示，且圓筒狀皮囊22豎直設(shè)置在框架裝置I上，該結(jié)構(gòu)使得無(wú)論充氣時(shí)或者排氣時(shí)都能夠使氣體位于空氣壓力艙2的頂部，從而使水下部分的重心始終處于框架裝置I的下半部，能夠顯出地提高水下部分上升或下降時(shí)的穩(wěn)定性，避免了水下部分在水中的側(cè)翻。圓筒狀皮囊22內(nèi)部還設(shè)置壓力傳感器(未標(biāo)出)，用來(lái)將氣囊壓力數(shù)據(jù)上傳至控制裝置5上。如圖5所示，空氣壓力艙2還包括保護(hù)筒23，且在該保護(hù)筒23上有許多排水孔24，用來(lái)對(duì)抗在海底形成的較大水壓差與氣壓差。上述排水孔24在保護(hù)筒23表面的開(kāi)孔率是底部1/6的表面為3個(gè)/dm2、頂部1/6的表面為I個(gè)/dm2，底部至頂部之間的2/3的表面排水孔率在I 3個(gè)/dm2之間。實(shí)驗(yàn)表明，自下而上開(kāi)孔率依次遞減的結(jié)構(gòu)要優(yōu)于開(kāi)孔率均勻的結(jié)構(gòu)。如圖6a所示，上述排水孔24的形狀為橢圓形；且橢圓形上半部設(shè)有朝向保護(hù)筒23內(nèi)部的導(dǎo)流罩25。或者如圖6b、圖6c所述，上述排水孔24的形狀為V形或U形；且所述的V形或U形的排水孔24處設(shè)有朝向所述的保護(hù)筒23內(nèi)部的導(dǎo)流罩25。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)有導(dǎo)流罩25的結(jié)構(gòu)要優(yōu)于單一的穿孔結(jié)構(gòu)；而V形或U形排水孔及其各自形狀的導(dǎo)流罩要優(yōu)于橢圓形排水孔及其導(dǎo)流罩，導(dǎo)流效果更好使得水下部分升降更加穩(wěn)定，且更易于加工。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)計(jì)算，24個(gè)圓筒狀皮囊22可以提供大約2 3t的浮力，可以在海底靜力觸探結(jié)束后使框架裝置I順利浮出水面。該實(shí)施例如圖3所示，上述框架裝置I是一個(gè)長(zhǎng)方形框架，所述的長(zhǎng)方形框架分為前中后三段，所述圓筒狀皮囊22設(shè)置在長(zhǎng)方形框架的前段和后段，且前后兩段各有12支圓筒狀皮囊22。該實(shí)施例中，充氣排氣管21設(shè)置于圓筒狀皮囊22的頂部，圖中將充氣排氣管21示意在框架裝置I的一側(cè)。如圖2所述，所述空氣壓力艙2的浮心高于框架裝置I高度的1/2，以進(jìn)一步增強(qiáng)框架裝置在海上漂浮時(shí)的穩(wěn)定性。(3)貫入裝置3，如圖7所示，貫入裝置3包括至少一個(gè)可續(xù)觸探桿31、觸探桿容納艙32、觸探桿下夾持裝置33、觸探桿上夾持裝置34、觸探桿推進(jìn)艙35、觸探頭36、位移傳感器(未標(biāo)出)和觸探深度發(fā)訊裝置(未標(biāo)出)。其中，觸探桿容納艙32用于可續(xù)觸探桿31的容納和導(dǎo)向。觸探桿下夾持裝置33與觸探桿容納艙32相連接，用于將可續(xù)觸探桿31夾持并使所述可續(xù)觸探桿31與觸探桿容納艙32固定。觸探桿推進(jìn)艙35用于推進(jìn)可續(xù)觸探桿31。觸探桿上夾持裝置34與觸探桿推進(jìn)艙35相連接，用于將可續(xù)觸探桿31夾持并同觸探桿推進(jìn)艙35固定，為所述可續(xù)觸探桿31提供夾持力。觸探頭36與可續(xù)觸探桿31相連接，用于采集海底沉積物的強(qiáng)度參數(shù)。位移傳感器(未標(biāo)出)用于將觸探桿推進(jìn)艙35的位移數(shù)據(jù)準(zhǔn)確上傳至控制裝置5。觸探深度發(fā)訊裝置(未標(biāo)出)用于為可續(xù)觸探桿31的實(shí)際貫入深度定距離計(jì)數(shù)發(fā)訊，上傳至控制裝置5，觸發(fā)強(qiáng)度參數(shù)的采集記錄。(4)液壓裝置4，所述液壓裝置4與貫入裝置3相鄰設(shè)置，用于為液壓貫入提供夾持力與推進(jìn)力，并可簡(jiǎn)化液壓管路。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，液壓裝置4設(shè)置在框架裝置I的頂部，通過(guò)液壓管路控制觸探桿推進(jìn)艙35、觸探桿上夾持裝置34和觸探桿下夾持裝置33，從而控制可續(xù)觸探桿31和觸探頭36的下貫和上提。例如，液壓下貫過(guò)程為:首先通過(guò)控制裝置5啟動(dòng)液壓裝置4，通過(guò)液壓動(dòng)力控制觸探桿上夾持裝置34夾緊可續(xù)觸探桿31同觸探桿推進(jìn)艙35固定，觸探桿下夾緊裝置33為松開(kāi)狀態(tài)，然后控制觸探桿推進(jìn)艙35帶動(dòng)可續(xù)觸探桿31和觸探頭36向下貫入至最大推進(jìn)距離。此時(shí)觸探桿下夾持裝置33夾緊可續(xù)觸探桿31同觸探桿容納艙32固定，觸探桿上夾持裝置34松開(kāi)，然后控制觸探桿推進(jìn)艙35返回其初始位置，重復(fù)上述步驟至位移傳感器檢查到可續(xù)觸探桿31和觸探頭36下貫入海底預(yù)定深度?？衫m(xù)觸探桿31和觸探頭36的上提過(guò)程則相反。此外，還包括對(duì)所述液壓裝置4進(jìn)行密封的密封裝置，以在海底壓力下進(jìn)行密封，使得液壓裝置4可以在密封干燥的環(huán)境下工作。如圖8所示，控制裝置5是由CPU、顯示器、存儲(chǔ)器、通訊接口、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)及系統(tǒng)程序組成的專用計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)動(dòng)作程序、系統(tǒng)設(shè)置程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序。其中系統(tǒng)動(dòng)作程序主要完成浮力生消裝置、貫入裝置及液壓裝置的狀態(tài)顯示和相關(guān)動(dòng)作指令操作。系統(tǒng)設(shè)置程序主要完成測(cè)試文件的工程名稱、孔號(hào)、深度系數(shù)、測(cè)量日期、曲線生成、傳感器系數(shù)等參數(shù)設(shè)定。數(shù)據(jù)采集程序完成傳感器檢查、初始值設(shè)置以及強(qiáng)度數(shù)據(jù)的記錄和保存。數(shù)據(jù)處理程序主要完成數(shù)據(jù)文件的移動(dòng)、拷貝、刪除、重命名及作圖、打印等操作。本發(fā)明的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)方法主要包括:水下部分由船拖至目標(biāo)點(diǎn)位后，靠框架裝置I自重沉入海底，以液壓貫入方式測(cè)試海床以下沉積物的強(qiáng)度，由于框架裝置I為灘淺海沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試設(shè)備的液壓貫入提供足夠的反力，從而 使灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置可以在海底進(jìn)行安全工作，并可獲得觸探頭強(qiáng)度測(cè)試參數(shù)，從而可根據(jù)各層土的強(qiáng)度值劃分測(cè)試點(diǎn)地層并定名，并確定灘淺海地基土的承載力和模量。下面結(jié)合圖9對(duì)本實(shí)施例的步驟做如下說(shuō)明:(I)連接整個(gè)原位測(cè)試設(shè)備，用吊車將框架裝置吊入水中，通過(guò)空氣壓力艙2使框架裝置I的509^100%漂浮于水中，整個(gè)框架裝置I通過(guò)纜繩與船體相連。(2)用船拖動(dòng)整個(gè)設(shè)備至目標(biāo)工作點(diǎn)，根據(jù)工作水深和預(yù)定勘查沉積物深度情況連接可續(xù)觸探桿31至要求長(zhǎng)度。(3)在船上啟動(dòng)真空泵，通過(guò)充氣排氣管21向框架裝置I中的空氣壓力艙2抽真空，使設(shè)備靠自重坐底。(4)在船上將水下觸探桿數(shù)據(jù)線經(jīng)其通訊接口連接于船上控制裝置5，完成傳感器檢查、初始值設(shè)置和確認(rèn)等程序任務(wù)。(5)在船上通過(guò)控制裝置5啟動(dòng)水下液壓裝置，通過(guò)液壓動(dòng)力作用帶動(dòng)的換向閥組，控制觸探桿上下夾持裝置和觸探桿推進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)觸探桿和觸探頭的連續(xù)下貫，觸探頭的錐尖阻力傳感器、側(cè)摩阻力傳感器連續(xù)輸出隨深度變化的錐尖阻力、側(cè)摩阻力和摩阻比的電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)電纜實(shí)時(shí)傳送到位于船上的控制裝置；根據(jù)各層土的強(qiáng)度值劃分測(cè)試點(diǎn)地層并定名，并確定灘淺海地基土的承載力和模量。(6)到預(yù)訂深度5m，停止下貫，通過(guò)液壓動(dòng)力作用帶動(dòng)換向閥組，控制觸探桿上下夾持裝置和觸探桿推進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)觸探桿和觸探頭的連續(xù)上提，至觸探頭離開(kāi)海床面。(7)在船上啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，通過(guò)充氣排氣管向框架裝置中的空氣壓力艙充氣，使框架裝置上浮，至整體的509^100%漂浮于水中。本發(fā)明在步驟(7)結(jié)束后，根據(jù)需要可以重復(fù)步驟(2) (7)。附圖10是上述實(shí)施例在水深I(lǐng)lm處，海底沉積物5m范圍內(nèi)的強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果圖，其中包括錐尖阻力、側(cè)摩阻力以及摩阻比隨深度變化曲線。根據(jù)錐尖阻力、側(cè)摩阻力和摩阻比的測(cè)量結(jié)果，可將該測(cè)試點(diǎn)的地層劃分為五層，各層土力學(xué)指標(biāo)描述如下:第①層:0 0.6m，層厚60cm，平均錐尖阻力為0.2MPa，平均側(cè)摩阻力為2kPa，摩阻比為1.0%。地基承載力為0.09MPa，壓縮模量為1.1MPa0推測(cè)該層為淤泥質(zhì)粉土。第②層:0.6 1.1m,層厚50cm,平均錐尖阻力為0.6MPa,平均側(cè)摩阻力為21.5kPa，摩阻比為3.6%，地基承載力為0.16MPa，壓縮模量為2.5MPa，推測(cè)該層為砂質(zhì)硬殼層。
第③層:1.1 3.lm，層厚200cm，平均錐尖阻力為0.2MPa，平均側(cè)摩阻力為5kPa，摩阻比為2.5%，地基承載力為0.09MPa，壓縮模量為1.1MPa，推測(cè)該層為淤泥質(zhì)粉土。第④層:3.I 3.7m，層厚60cm，平均錐尖阻力為0.7MPa，平均側(cè)摩阻力為6.0kPa，摩阻比為0.9%，地基承載力為0.15MPa，壓縮模量為2.8MPa，推測(cè)該層為砂質(zhì)硬殼層。第⑤層:3.7 5.0m，層厚130cm，平均錐尖阻力為0.1MPa，平均側(cè)摩阻力為4kPa，摩阻比為4%，地基承載力為0.07MPa，壓縮模量為0.7MPa，推測(cè)該層為粉質(zhì)粘土。由以上分析可以清楚看出，根據(jù)本發(fā)明的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試的方法能夠明顯反映灘淺海海底沉積物力學(xué)性質(zhì)的微小差異，如1.1 3.1m的淤泥質(zhì)粉土和3.7
5.0m的粉質(zhì)粘土，其測(cè)試精度和可靠性均優(yōu)于傳統(tǒng)的鉆探替代方法。由于本發(fā)明的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試方法可在大型科考船無(wú)法駛進(jìn)的灘淺海區(qū)域進(jìn)行海底沉積物強(qiáng)度測(cè)試并具有連續(xù)走航測(cè)試的特點(diǎn)，將其運(yùn)用與灘淺海地區(qū)海洋工程勘察中可以減少鉆孔的數(shù)量，在提高工作效率的同時(shí)，還可以大大降低工程勘察的費(fèi)用，在灘淺海地區(qū)氣資源開(kāi)采平臺(tái)、油氣輸送管線及海下電纜鋪設(shè)、港口、海岸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的地質(zhì)勘查中具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，包括裝有控制裝置(5)的控制船￠)，以及由控制船(6)進(jìn)行控制的水下部分，其特征在于所述的控制船(6)上還有充氣裝置(7)與真空發(fā)生裝置⑶； 所述的水下部分包括一個(gè)框架裝置(I)，該框架裝置(I)的底部中央設(shè)有貫入裝置(3)、頂部中央設(shè)有液壓裝置(4);且框架裝置(I)上還設(shè)有用于使水下部分從水底浮升至水面的空氣壓力艙(2); 所述的充氣裝置(7)與真空發(fā)生裝置(8)分別與空氣壓力艙(2)相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，其特征在于所述的空氣壓力艙(2)是橫截面為圓形的圓筒狀皮囊(22)，且所述的圓筒狀皮囊(22)豎直設(shè)置在框架裝置(I)上。
3.如權(quán)利要求2所述的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，其特征在于所述的圓筒狀皮囊(22)外還設(shè)有保護(hù)筒(23)。
4.如權(quán)利要求3所述的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，其特征在于所述的保護(hù)筒(23)表面設(shè)有排水孔(24)。
5.如權(quán)利要求2所述的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，其特征在于上述框架裝置(1)是一個(gè)長(zhǎng)方形框架，且所述圓筒狀皮囊(22)設(shè)置在長(zhǎng)方形框架的四角，且每個(gè)角的設(shè)有至少4個(gè)圓筒狀皮囊(22);或者所述的長(zhǎng)方形框架分為前中后三段，所述圓筒狀皮囊(22)設(shè)置在長(zhǎng)方形框架的前段和后段，且前后兩段的圓筒狀皮囊(22)數(shù)量相等。
6.如權(quán)利要求4所述的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，其特征在于上述排水孔(24)的形狀為V形或U形；且所述的V形或U形的排水孔(24)處設(shè)有朝向所述的保護(hù)筒(23)內(nèi)部的導(dǎo)流罩(25)。
7.如權(quán)利要求1所述的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，其特征在于所述的貫入裝置(3)，包括至少一個(gè)可續(xù)觸探桿(31)、用于可續(xù)觸探桿(31)的容納和導(dǎo)向的觸探桿容納艙(32)、用于推進(jìn)可續(xù)觸探桿(31)的觸探桿推進(jìn)艙(35)、與觸探桿容納艙(32)相連接的觸探桿下夾持裝置(33)、與觸探桿推進(jìn)艙(35)相連接的觸探桿上夾持裝置(34)、可續(xù)觸探桿(31)下端的觸探頭(36)，以及用于將觸探桿推進(jìn)艙(35)的位移數(shù)據(jù)準(zhǔn)確上傳至控制裝置(5)的位移傳感器，和用于為可續(xù)觸探桿(31)實(shí)際貫入深度定距離線性適時(shí)計(jì)數(shù)發(fā)訊，上傳至控制裝置(5)，觸發(fā)強(qiáng)度參數(shù)的采集記錄的觸探深度發(fā)訊裝置。
8.如權(quán)利要求2所述的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，其特征在于所述的圓筒狀皮囊(22)，內(nèi)部設(shè)置壓力傳感器，用來(lái)將氣囊壓力數(shù)據(jù)上傳至控制裝置(5)。
9.如權(quán)利要求1所述的灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置，其特征在于上述空氣壓力艙(2)的浮心高于框架裝置(I)高度的1/2。
10.利用權(quán)利要求1所述的裝置對(duì)灘淺海沉積物進(jìn)行強(qiáng)度原位檢測(cè)的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)用吊車將框架裝置(I)吊入水中，通過(guò)空氣壓力艙(2)使框架裝置(I)50%以上的部分漂浮于水中，整個(gè)框架裝置(I)通過(guò)纜繩與控制船(6)相連； 2)控制船(6)行至第一個(gè)待檢測(cè)的灘淺海沉積物目標(biāo)點(diǎn)位的正上方，根據(jù)工作水深和預(yù)定勘查沉積物深度情況連接可續(xù)觸探桿至要求長(zhǎng)度； 3)在控制船(6)上啟動(dòng)真空發(fā)生裝置(8)，通過(guò)向空氣壓力艙(2)抽真空，使框架裝置(I)利用自重沉入海底； 4)在控制船(6)上將水下部分的數(shù)據(jù)線經(jīng)其通訊接口連接于控制船(6)上的控制裝置(5)，完成傳感器檢查、初始值設(shè)置和確認(rèn)的程序任務(wù)； 5)在控制船(6)上通過(guò)控制裝置(5)啟動(dòng)液壓裝置(4)，通過(guò)液壓動(dòng)力作用實(shí)現(xiàn)觸探桿和觸探頭的連續(xù)下貫，觸探頭的錐尖阻力傳感器、側(cè)摩阻力傳感器連續(xù)輸出隨深度變化的錐尖阻力、側(cè)摩阻力和摩阻比的電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)電纜實(shí)時(shí)傳送到位于控制船(6)上的控制裝置(5)，根據(jù)各層土的強(qiáng)度值劃分測(cè)試點(diǎn)地層并定名，并確定灘淺海地基土的承載力和模量； 6)到達(dá)預(yù)訂深度，停止下貫，通過(guò)液壓動(dòng)力作用控制觸探桿夾持裝置和觸探桿推進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)觸探桿和觸探頭的連續(xù)上提，至觸探頭離開(kāi)海床面； 7)在控制船(6)上啟動(dòng)充氣裝置(7)，通過(guò)向空氣壓力艙(2)充氣，使框架裝置(I)上浮，至整體的50%以上的部分漂浮于水中； 8)控制船(5)將水下部分拖行至下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)位，重復(fù)步驟2)至7)直至完成所有目標(biāo)點(diǎn)位的 檢測(cè)。
全文摘要
一種灘淺海沉積物強(qiáng)度原位檢測(cè)裝置及方法，包括有充氣裝置與真空發(fā)生裝置的控制船，設(shè)有貫入裝置、液壓裝置的框架裝置，該框架裝置上的空氣壓力艙分別與充氣裝置和真空發(fā)生裝置相連?？諝鈮毫ε撌菣M截面為圓形的圓筒狀皮囊且豎直設(shè)置，皮囊外還設(shè)有保護(hù)筒，保護(hù)筒表面設(shè)有排水孔，排水孔為橢圓形、V形或U形。其方法包括框架裝置由船拖至目標(biāo)點(diǎn)位靠自重沉入海底，以液壓貫入方式測(cè)試海床以下沉積物的強(qiáng)度，獲得觸探頭強(qiáng)度測(cè)試參數(shù)，根據(jù)各層土的強(qiáng)度值劃分測(cè)試點(diǎn)地層并定名，并確定灘淺海地基土的承載力和模量。本發(fā)明克服了大型調(diào)查船無(wú)法駛進(jìn)的灘淺海區(qū)域進(jìn)行海底沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試的不足，可重復(fù)在不同海底區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)，大大降低了成本，提高了效率。
文檔編號(hào)B63C11/52GK103144751SQ201310045448
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者賈永剛, 劉曉磊, 鄭杰文, 單紅仙, 郭磊, 郭騰飛 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)