一种深海自容式静力触探探头及其探测方法

1.本发明涉及深海检测设备领域，特别是涉及一种深海自容式静力触探探头及其探测方法。


背景技术：

2.海底沉积物是海洋工程地质学的主要研究对象，其特点是高塑性、高含水量、松散、和高敏感性等，沉积物性质的研究对于海洋环境调查、海底资源勘探、海洋开发利用、揭示海底地形沉降机理、海底灾害预警等各方面具有重要意义，由于海洋工程地质环境的特殊性，尤其是深海，常规取样难度较大，并且会扰动原状土体，仅仅依赖单一的土体钻探取样手段无法完全确定沿线地层土体变化情况，并且浪费时间与静力，海底土体室内试验具有较长的发展历史，然而受到样本小、抗干扰性较差、失水率高等劣势条件限制，因此导致测量所得的土力学指标“失真”，不具备有效的参考价值，而海底土体一般为新近沉积物，厚度大、饱和松散且容易扰动，普通的钻探取样与室内试验都难以真实的反应原状土的性质，为此以静力触探为代表的原位测试逐渐进入海洋领域，
3.静力触探是一种操作简单、经济高效、测量数据可靠的土体原位测量方法，是当前土体工程领域最具应用前景的原位探测方法，在工程勘察、地质灾害研究等方面有着广阔的应用前景，它将一种金属的探头以匀速压入土层中，并根据贯入的阻力来确定其物理力学特性，静力触探的优点在于勘探与测试兼顾、速度快、数据连续、再变现性好、操作省力等。
4.目前，静力触探技术在陆地和浅海的研究应用已趋于成熟，但是，针对深海海底较为复杂的工程地质环境，传统的静力触探探头已经无法满足测量需求，并且工程要求的测试精度和准确性要求越来越高，要求设备在一次测试中尽可能得到更多岩土层的信息，实现在一次性测量中获取岩土的多项物理和力学参数，以提供测量精度更高、更可靠、更全面的地层信息，从而很好地进行土层分类，因此，研究深海多功能静力触探探头具有十分重要的实际意义，静力触探探头是静力触探的核心部分，用于测试沉积物的锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力和电阻率等，在深海实际作业过程中，由于海洋环境复杂，探杆需要自动对接，常规的带缆结构对作业的自动对接产生极大阻碍，极易发生缆绳缠绕的事故，此外，在深海数十兆帕的压力下测量几十千帕的孔压对于传感器的要求也达到了十分苛刻的地步。
5.申请号为“201611092442.9”，名称为“一种静力触探探头”的发明专利公开了一种静力触探探头，包括外壳体、位于外壳体内的芯轴、与芯轴下端连接的孔压传感器安装座以及套设在芯轴上的锥尖阻力测试组件，但是其仅仅能够测量锥头阻力，无法测量套筒所受的摩擦力，获取的数据有限。
6.申请号为“201811314307.3”，名称为“一种可用于深海中的孔压静力触探探头”的发明专利公开了一种静力触探探头，除测量锥头阻力外，还能够测量摩擦筒所受的摩擦力，其采用的是锥头阻力以及摩擦筒摩擦力分开测试的方式，但是其测量摩擦筒摩擦力时，锥头在受力较大的情况下会传递一部分力给第二变形柱，会在一定程度上影响摩擦力的测量
精确度，而且其第二变形柱整体设置在密封腔室两侧，增加了整体结构的径向尺寸，在海底环境复杂的场景中的适应能力将大大减弱。
7.因此人们亟需一种功能性高，测量精确度高，适用范围广的深海自容式静力触探探头。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种深海自容式静力触探探头及其探测方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过设置第一变形柱与第二变形柱，配合环形凸起的设置，使得能够精确测量锥头阻力以及套筒摩擦力，而且第一变形柱以及第二变形柱沿远离海底的方向上依次连接，有利于减少径向尺寸，提高本装置的适用范围。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种深海自容式静力触探探头及其探测方法，包括摩擦套筒、锥头、用于与探杆连接的连接件、沿远离海底的方向上依次连接且设置在所述摩擦套筒内的第一变形柱和第二变形柱，所述摩擦套筒内壁上设置有用于承托所述第二变形柱的环形凸起，所述第一变形柱远离所述第二变形柱的一端与所述锥头连接，所述第二变形柱远离所述第一变形柱的一端与所述连接件连接，所述连接件与所述锥头分别抵接在所述摩擦套筒的两端，所述第一变形柱以及所述第二变形柱的中部均设置有至少一个测力传感器。
10.优选的，所述静力触探探头还包括第一基座、第二基座和第三基座，所述第一基座以及所述第二基座的直径大于所述第一变形柱的直径，所述第二基座以及所述第三基座的直径大于所述第二变形柱的直径，所述第一变形柱通过所述第一基座与所述锥头连接，所述第一变形柱通过所述第二基座与所述第二变形柱连接，所述第二变形柱通过所述第三基座与所述连接件连接，所述环形凸起的设置使所述摩擦套筒内腔分为大径腔和小径腔，所述小径腔靠近海底设置，所述第一基座以及所述第一变形柱位于所述小径腔内，所述第二基座、所述第二变形柱以及所述第三基座位于所述大径腔内，所述环形凸起通过所述第二基座承托所述第二变形柱。
11.优选的，所述第一变形柱的外径小于所述小径腔的内径，且所述第一变形柱与所述所述小径腔的内壁的间隔大于测力传感器的厚度，所述第二变形柱的外径小于所述大径腔的内径，且所述第二变形柱与所述大径腔的内壁的间隔大于测力传感器的厚度。
12.优选的，所述第一基座的外径与所述小径腔的内径相同，所述第二基座、所述第三基座的外径均与所述大径腔的内径相同。
13.优选的，所述第一变形柱通过水压检测盒与所述第二基座连接，所述水压检测盒中部设置有传感器封闭柱，所述传感器封闭柱的中部设置有压差传感器，所述传感器封闭柱对应所述压差传感器的两个传感头设置有流通通道，所述水压检测盒内设置有将整体腔室分为孔隙水腔和海水腔的分隔板，两个所述流通通道分别位于所述孔隙水腔和所述海水腔内，所述锥头与所述摩擦套筒之间设置有孔隙水进水口，所述第一基座与所述水压检测盒上开设有与所述孔隙水腔连通的孔隙水通道，所述连接件与所述摩擦套筒之间设置有海水进水口，所述第三基座、所述第二基座与所述水压检测盒上开设有与所述海水腔连通的海水通道。
14.优选的，所述孔隙水进水口以及所述海水进水口处均设置有透水石。
15.优选的，两个所述流通通道的通道口均密封连接有油囊，所述油囊内填充有硅油。
16.优选的，所述连接件包括电子舱以及防护套筒，所述电子舱与所述第三基座远离所述第二变形柱的一端连接，且所述电子舱的外沿抵接所述摩擦套筒，所述防护套筒一端与所述电子舱远离所述第三基座的一端连接，另一端与所述探杆螺纹连接，所述第一变形柱、传感器封闭柱、第二基座、第二变形柱和第三基座均中空设置，所述测力传感器以及所述压差传感器均通过中空通道将数据传递至所述电子舱内的数据采集板，所述电子舱靠近所述防护套筒的一端设置有水密接插头，所述数据采集板与所述水密接插头连接，所述外界终端的连接电缆穿过所述探杆内腔与所述水密接插头连接。
17.优选的，所述测力传感器为应变片式传感器。
18.本发明还提供一种深海自容式静力触探探头的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
19.s1：电缆穿过探杆内，一端连接外界终端，另一端连接水密接插头，将探杆旋拧在防护套筒上；
20.s2：控制探杆向海底运动，带动静力触探探头向下运功，锥头贯入土体时，锥头受力挤压，锥尖阻力通过第一基座传导给第一变形柱，第一变形柱受力变形发生形变，设置在第一变形柱上的应变式传感器阻值发生变化，对应电压的变化通过数据线反映到电子舱内数据采集板，经处理得到锥尖阻力数值曲线；
21.s3：静力触探探头贯入土体过程中，摩擦套筒有向静力触探探头运动方向相反方向运动的趋势，摩擦套筒内的台阶与第二基座相接触，将摩擦力通过第二基座传导给第二变形柱，同时，锥头贯入时力也会经由第一基座、第一变形柱、水压检测盒作用到第二基座，配合摩擦力共同挤压第二变形柱，设置在第二变形柱上的应变式传感器感受形变，将数据通过内部数据线传输至电子舱内数据采集板，经处理得到侧壁摩擦力与锥头阻力的复合数值曲线；
22.s4：在测量孔隙水压力时，静力触探探头刺破土体的一瞬间，土体中蕴藏的孔隙水通过透水石进入孔隙水通道内，经由孔隙水通道进入孔隙水腔，挤压油囊中的硅油进入流通通道内；对应地，海水经由透水石进入海水通道内，经过海水通道进入海水腔内，挤压压差传感器另一端的油囊中的硅油进入另一流通通道内，位于传感器封闭柱内的压差传感器感受到两侧压力，压差传感器将测得的压差数据通过数据线传递至电子舱内数据采集板，完成超孔隙水压力测量；
23.s5：外接终端通过计算获得所需海底数据。
24.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
25.1、本发明中第一变形柱与锥头连接，当锥头破土时，锥头受力挤压，锥头阻力传递到第一变形柱上，第一变形柱上的测力传感器对锥头阻力进行测量，而由于第二变形柱与第一变形柱连接，因此锥头阻力也会传递到第二变形柱上，同时摩擦套筒受到土体的摩擦力会通过环形凸起传递至第二变形柱，第二变形柱同时受到锥头阻力以及套筒摩擦力，第二变形柱上的测力传感器对两个力进行复合测量，后续可通过计算得到套筒摩擦力，相较于现有技术中单独测量锥头阻力以及套筒摩擦力，利用单独测量锥头阻力，复合测量套筒摩擦力的方式，减少了用于隔断锥头阻力对摩擦力测力元件的影响的特殊结构的设置，有利于节约成本，而且本技术中将第一变形柱以及第二变形柱沿远离海底的方向上依次连
接，减少了对侧向空间的占用，有利于减小整体探头的径向尺寸，能够适应海底环境复杂的场景，适用范围广，且径向尺寸越小，能够减少沉积物土体对整体结构的摩擦力，使其能够更深入的进入土体中，获得更多的数据。
26.2、本发明中第一变形柱的两侧分别设置第一基座和第二基座，第二变形柱的两侧设置第二基座和第三基座，使得力通过基座传递到变形柱上，由于变形柱两侧的基座的直径均大于中间的变形柱直径，因此传力会更加均匀，最终测得数据更加精确。
27.3、本发明中设置在第一变形柱上以及设置在第二变形柱上的测力传感器均不与摩擦套筒的内壁接触，使得摩擦套筒受到土体的摩擦力时，不会直接对测力传感器造成影响，保证测力传感器的测量精度。
28.4、本发明中通过设置在水压检测盒内的压差传感器，实时检测海水与孔隙水的压差，由于两侧数值很大的静水压力相互抵消，因此时测量海水压力与孔隙水压力的差值，即为超孔隙水压力，增加了装置的多功能性。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明深海自容式静力触探探头的结构示意图；
31.图2为图1中a处的结构放大图；
32.图3为图1中b处的结构放大图；
33.其中，1、摩擦套筒；2、锥头；3、连接件；4、第一变形柱；5、第二变形柱；6、环形凸起；7、应变片式传感器；8、第一基座；9、第二基座；10、第三基座；11、水压检测盒；12、传感器封闭柱；13、压差传感器；14、流通通道；15、孔隙水腔；16、海水腔；17、孔隙水进水口；18、孔隙水通道；19、海水进水口；20、海水通道；21、透水石；22、油囊；23、电子舱；24、防护套筒；25、水密接插头。
具体实施方式
34.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。
35.本发明的目的是提供一种深海自容式静力触探探头及其探测方法，以解决现有技术存在的问题，通过设置第一变形柱与第二变形柱，配合环形凸起的设置，使得能够精确测量锥头阻力以及套筒摩擦力，而且第一变形柱以及第二变形柱沿远离海底的方向上依次连接，有利于减少径向尺寸，提高本装置的适用范围。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.请参考如图1～3所示，提供一种深海自容式静力触探探头，包括摩擦套筒1、锥头
2、用于与探杆连接的连接件3、沿远离海底的方向上依次连接且设置在摩擦套筒1内的第一变形柱4和第二变形柱5，摩擦套筒1内壁上设置有用于承托第二变形柱5的环形凸起6，第一变形柱4通过环形凸起6的中部通孔与第二变形柱5连接，第一变形柱4远离第二变形柱5的一端与锥头2连接，第二变形柱5远离第一变形柱4的一端与连接件3连接，连接件3与锥头2分别抵接在摩擦套筒1的两端，第一变形柱4以及第二变形柱5的中部均设置有至少一个测力传感器，第一变形柱4与锥头2连接，当锥头2破土时，锥头2受力挤压，锥头阻力传递到第一变形柱4上，第一变形柱4上的测力传感器对锥头阻力进行测量，而由于第二变形柱5与第一变形柱4连接，因此锥头阻力也会传递到第二变形柱5上，同时摩擦套筒1受到土体的摩擦力会通过环形凸起6传递至第二变形柱5，第二变形柱5同时受到锥头阻力以及套筒摩擦力，第二变形柱5上的测力传感器对两个力进行复合测量，后续可通过计算得到套筒摩擦力，相较于现有技术中单独测量锥头阻力以及套筒摩擦力，利用单独测量锥头阻力，复合测量套筒摩擦力的方式，减少了用于隔断锥头阻力对摩擦力测力元件的影响的特殊结构的设置，有利于节约成本，而且本技术中将第一变形柱4以及第二变形柱5沿远离海底的方向上依次连接，减少了对侧向空间的占用，有利于减小整体探头的径向尺寸，能够适应海底环境复杂的场景，适用范围广，且径向尺寸越小，能够减少沉积物土体对整体结构的摩擦力，使其能够更深入的进入土体中，获得更多的数据。
38.静力触探探头还包括第一基座8、第二基座9和第三基座10，第一基座8以及第二基座9的直径大于第一变形柱4的直径，第二基座9以及第三基座10的直径大于第二变形柱5的直径，第一变形柱4通过第一基座8与锥头2连接，具体连接方式可为：锥头2靠近第一基座8的一端设置具有外螺纹的螺杆，第一基座8上设置于螺杆相匹配的螺纹孔，第一基座8与锥头2螺纹连接，第一变形柱4通过第二基座9与第二变形柱5连接，第一变形柱4与第一基座8和第二基座9的连接方式均为过盈配合连接，第二变形柱5通过第三基座10与连接件3连接，第二变形柱5与第二基座9和第三基座10的连接方式均为过盈配合连接，第三基座10与连接件3的连接方式为：连接件3靠近第三基座10的一端设置具有外螺纹的螺杆，第三基座10上设置于螺杆相匹配的螺纹孔，第三基座10与连接件3螺纹连接，第一变形柱4的两侧分别设置第一基座8和第二基座9，第二变形柱5的两侧设置第二基座9和第三基座10，使得力通过基座传递到变形柱上，由于变形柱两侧的基座的直径均大于中间的变形柱直径，因此传力会更加均匀，最终测得数据更加精确，环形凸起6的设置使摩擦套筒1内腔分为大径腔和小径腔，小径腔靠近海底设置，第一基座8以及第一变形柱4位于小径腔内，第二基座9、第二变形柱5以及第三基座10位于大径腔内，环形凸起6通过第二基座9承托第二变形柱5，即第二基座9的底面积大于小径腔的轴向截面积。
39.第一变形柱4的外径小于小径腔的内径，且第一变形柱4与小径腔的内壁的间隔大于测力传感器的厚度，第二变形柱5的外径小于大径腔的内径，且第二变形柱5与大径腔的内壁的间隔大于测力传感器的厚度，使得设置在第一变形柱4上以及设置在第二变形柱5上的测力传感器均不与摩擦套筒1的内壁接触，使得摩擦套筒1受到土体的摩擦力时，不会直接对测力传感器造成影响，保证测力传感器的测量精度。
40.为了提高整体结构的稳定性，第一基座8的外径与小径腔的内径相同，第二基座9、第三基座10的外径均与大径腔的内径相同。
41.由于在常规海底沉积物测量中需要测量孔隙水压力，为了实现装置的多功能性，
设置第一变形柱4通过水压检测盒11与第二基座9连接，具体连接方式为：第一变形柱4与水压检测盒11过盈配合连接，水压检测盒11与第二基座9螺纹连接。螺纹连接方式可为在水压检测盒11上设置螺杆、第二基座9上设置螺纹孔的螺纹连接，或者整体水压检测盒11的外壁设置外螺纹，第二基座9上设置相应的螺纹孔，从而进行螺纹连接，或者其他螺纹连接方式，水压检测盒11中部设置有传感器封闭柱12，传感器封闭柱12的中部设置有压差传感器13，具体设置方式可为嵌设，传感器封闭柱12对应压差传感器13的两个传感头设置有流通通道14，水压检测盒11内设置有将整体腔室分为孔隙水腔15和海水腔16的分隔板，两个流通通道14分别位于孔隙水腔15和海水腔16内，锥头2与摩擦套筒1之间设置有孔隙水进水口17，第一基座8与水压检测盒11上开设有与孔隙水腔15连通的孔隙水通道18，孔隙水通道18与第一变形柱4与摩擦套筒1内壁间预留的测力传感器安装空间相连通，连接件3与摩擦套筒1之间设置有海水进水口19，第三基座10、第二基座9与水压检测盒11上开设有与海水腔16连通的海水通道20，海水通道20与第二变形柱5与摩擦套筒1内壁间预留的测力传感器安装空间相连通，通过设置在水压检测盒11内的压差传感器13，实时检测海水与孔隙水的压差，由于两侧数值很大的静水压力相互抵消，因此时测量海水压力与孔隙水压力的差值，即为超孔隙水压力，增加了装置的多功能性。
42.为了避免海水以及孔隙水中的杂质进入到水通道以及水压检测盒11内造成堵塞的问题，在孔隙水进水口17以及海水进水口19处均设置有透水石21。
43.由于海水以及孔隙水具有一定的腐蚀性，为了避免其腐蚀压差传感器13的传感头，在两个流通通道14的通道口均密封连接有油囊22，油囊22内填充有硅油，两个油囊22尺寸相同且其内的油量相同，进入的海水以及孔隙水通过挤压油囊22中的硅油进入流通通道14，使流通通道14中的压强与外部水压一致，从而隔绝海水以及孔隙水对压差传感器13的影响，起到压力补偿的效果，同时，两侧测量使用相同的油囊22，也可以消除硅油粘滞阻力对测量的损耗。
44.连接件3包括电子舱23以及防护套筒24，电子舱23与第三基座10远离第二变形柱5的一端连接，连接方式为上述的螺杆、螺纹孔连接，且电子舱23的外沿抵接摩擦套筒1，防护套筒24一端与电子舱23远离第三基座10的一端连接，另一端与探杆螺纹连接，第一变形柱4、传感器封闭柱12、第二基座9、第二变形柱5和第三基座10均中空设置，测力传感器以及压差传感器13均通过中空通道将数据传递至电子舱23内的数据采集板，电子舱23靠近防护套筒24的一端设置有水密接插头25，数据采集板与水密接插头25连接，外界终端的连接电缆穿过探杆内腔与水密接插头25连接，探杆自动为连接电缆限位，使其不会发生缠绕的现象，且同时对连接电缆起到一定的保护作用，延长器使用寿命。
45.第一变形柱4以及第二变形柱5上的测力传感器为应变片式传感器7，且可设置一个或多个，当设置多个时，多个应变片式传感器7均匀的环设在第一变形柱4或第二变形柱5的中部。
46.本发明还提供一种深海自容式静力触探探头的探测方法，包括以下步骤：
47.s1：电缆穿过探杆内，一端连接外界终端，另一端连接水密接插头25，将探杆旋拧在防护套筒24上，启动外界升降机构，控制静力触探探头进入海水；
48.s2：通过外界控制单元控制探杆向海底运动，带动静力触探探头向下运功，当锥头2贯入土体时，锥头2受力挤压，锥尖阻力通过第一基座8传导给第一变形柱4，第一变形柱4
受力变形发生形变，设置在第一变形柱4上的应变式传感器阻值发生变化，对应电压的变化通过数据线反映到电子舱23内数据采集板，经处理得到锥尖阻力数值曲线，锥尖阻力数值曲线通过水密接插头25以及电缆传递至外界终端；
49.s3：静力触探探头贯入土体过程中，摩擦套筒1有向静力触探探头运动方向相反方向运动的趋势，摩擦套筒1内大径腔与小径腔形成的台阶与第二基座9相接触，将摩擦力通过第二基座9传导给第二变形柱5，同时，锥头2贯入时力也会经由第一基座8、第一变形柱4、水压检测盒11作用到第二基座9，配合摩擦力共同挤压第二变形柱5，设置在第二变形柱5上的应变式传感器感受形变，将数据通过内部数据线传输至电子舱23内数据采集板，经处理得到侧壁摩擦力与锥头阻力的复合数值曲线，侧壁摩擦力与锥头阻力的复合数值曲线通过水密接插头25以及电缆传递至外界终端；
50.s4：在测量孔隙水压力时，静力触探探头刺破土体的一瞬间，土体中蕴藏的孔隙水通过透水石21的过滤作用后进入孔隙水通道18内，经由孔隙水通道18进入孔隙水腔15，挤压油囊22中的硅油进入流通通道14内，硅油对压差传感器13的一端传感头施压；对应地，海水经由透水石21进入海水通道20内，经过海水通道20进入海水腔16内，挤压压差传感器13另一端的油囊22中的硅油进入另一流通通道14内，硅油对压差传感器13的另一端传感头施压，位于传感器封闭柱12内的压差传感器13感受到两侧压力，压差传感器13将测得的压差数据通过数据线传递至电子舱23内数据采集板，完成超孔隙水压力测量，该数据通过水密接插头25以及电缆传递至外界终端；
51.s5：外接终端接收数据后通过计算获得所需海底数据。
52.根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
53.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
54.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。