一种用于海洋超软土原位测试的十字形全流触探探头的制作方法

本发明涉及一种用于海洋超软土原位测试的十字形全流触探探头，它是一种能获取海底/水底超软土强度及固结性质的特殊形态的原位测试装置，属于岩土工程和海洋工程技术领域。

背景技术：

国家在沿海地区的建设以及对海洋资源的开发方面有着越来越多的工程项目，诸如围海造陆、跨海大桥、海底隧道、海上风电、海上石油钻井平台、海底可燃冰钻采平台等等。在项目数量大幅度增多的同时，海洋工程也不断的由近海向远海，由浅海向深海发展，项目规模日益增大。这对海洋工程的安全性、耐久性，提出了更高的要求。

在海洋工程中，地形复杂、土体极易扰动，人工钻取土样无法精确反映水下土体的真实物理力学性质，在海底开展原位测试技术能够有效的解决这一问题，并为工程提供可靠的参考依据。但由于海上风浪、洋流等一系列环境的制约，很多原位测试技术或无法开展，或施工成本较高。海底静力触探技术是一种成本低廉、数据准确、可靠度高的有效海底勘察手段，近年从国外引进后在许多工程中得到应用。常规锥形探头在陆地触探及海底较硬土层中，能够得到良好的利用，测定出较为准确的数据。但由于常规探头截面尺寸较小，在海底/水下超软土中贯入过程中，受到的土体阻力及阻力的变化值都较小，这个较小的阻力及阻力变化值难以被端阻力传感器捕捉。

近年来，海洋工程发展越来越迅速，对海底土层的工程勘察精度要求越来越高，在海底静力触探这一技术引进国内以来，多采用与陆上勘察相同的常规探头。常规探头存在以下缺点：1、无法实现全流触探试验；2、截面积较小，在超软土中贯入过程中受端阻力及端阻力变化值较小，常常造成记录数据不精确，甚至无法读数情况。

技术实现要素：

针对海底/水下超软土静力触探试验中，探头在水下超软土层贯入过程中所受端阻力及端阻力变化值较小，难以精确测量，从而使土体的物理力学性质指标难以精确获取、对后续施工造成不便的问题，本发明提出了一种十字形全流触探探头，利用该探头的特殊形状和内部传感器组件，当探端随静力贯入系统被吊装至海底，贯入海底土层后，可以连续、精确地测定贯入深度处土层的相关参数，其具体技术方案如下：

一种用于海洋超软土原位测试的十字形全流触探探头，包括测试系统和探端，所述探端垂直固定于测试系统末端，所述探端呈十字形状，

所述测试系统上端与探杆相连，所述测试系统包括传感器、信号传输线和套设在探杆上的套筒，所述套筒包括摩擦套筒和端阻套筒，所述摩擦套筒设置于端阻套筒上方，所述传感器包括设置在摩擦套筒上摩阻压力传感器以及设置在端阻套筒上的端阻压力传感器和孔隙水压力传感器，所述摩阻压力传感器用于感应侧摩阻力，所述端阻套筒靠近探端一侧设置有孔压过滤环，所述孔压过滤环能够渗水并作用于孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器用于感应孔隙水压力，所述端阻压力传感器用于感应端阻力。

所述摩阻压力传感器、端阻压力传感器和孔隙水压力传感器均与信号传输线连接，其测试数据通过信号传输线传送出去，所述信号传输线依次穿过套筒和探杆，并引出自由端，自由端用于与数据接收和显示设备连接。

所述探端包括四个分支，且该四个分支均呈圆柱体形状。

所述探端正投影面积为150-250cm²。

所述探杆和探端的表面喷有防锈层。

所述防锈层由喷砂和/或喷漆制得。

本发明的工作原理是：

本发明使用时，探头通过探杆连接至海底静力触探设备，由船或其他运输工具将整体设备吊装至勘探场地，并下放至水下或海底。借由静力触探设备将该探头贯入土体之中，探头即可开展工作。

伴随贯入深度的不断增加，该探头可连续不断的测得侧摩阻力、端阻力、孔隙水压力等数据，其数据表现形式为摩阻压力传感器、端阻压力传感器、孔隙水压力传感器在不同条件下产生的不同电压值，即电信号，该电信号通过同轴的数据传输电缆进行传输；在接收装置记录其电信号后，通过一定处理，即可得到以上三组数据的测定值。通过经验公式对测压元件测定数据进行处理，可以得到土体的连续的应力-深度曲线，从而推算海底或水底软土的强度参数；通过对孔隙水压力传感器测定值进行处理，结合相关分析可以得到海底或水底软土的竖向固结参数。

本发明采用十字形探头，在稳定探头的同时扩大了探头面积，放大了探头受端阻力及端阻力变化值，便于测量系统精确测定。同时该探头形式在贯入超软土层过程中，能够便于土体绕流，具有实现全流触探试验功能。在对测试场地进行基础设计的前期勘察时，采用本发明的一种十字形全流静力触探探头，将更加便于快速准确的确定相关土质参数指标。

本发明的有益效果是：

本发明能够针对海底/水下超软土层开展全流触探试验，准确的测定超软土层的相关物理力学性质参数，为海洋工程勘察和基础施工提供可靠参考依据，同时也在研发海底/水下超软土静力触探专用探头的道路上做出了新的尝试、为海底静力触探技术的发展提出了新的研究方向。

本发明独特的十字形探端在稳定探头的同时扩大了探头面积，放大了探头受端阻力及端阻力变化值，便于测试系统精确测定。

本发明为海底静力触探技术设计了一款全新的全流触探探头，填补了国内未有专用于海底/水下超软土全流触探专用探头的空缺。

本发明随着贯入超软土土层深度的变化，能够利用内部的孔隙水压力传感器、摩阻压力传感器和端阻压力传感器，连续不断的输出变化的电压值，并将这一微小变化值放大，便于测试系统捕捉记录。后续针对这一变化值进行相应处理，即可得到土体强度参数随深度变化的连续规律；具有全流触探的功能。同时，本发明能够连续测定随深度变化的孔隙水压力数据，结合经验公式，则可以得到比较准确的海底土体竖向固结参数。进一步对海底/水下超软土体的物理力学性质指标做出真实可靠的分析，为海洋工程施工提供切实可靠的参考依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是图1的俯视图，

图3是常规锥形探头与本发明十字形探头在实验室内模型槽试验结果对比图，

附图标记列表：1—探杆，2—探端，3—测试系统，31—摩阻压力传感器，32—端阻压力传感器，33—孔隙水压力传感器，34—孔压过滤环，35—套筒，351—摩擦套筒，352—端阻套筒，4—信号传输线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是本发明的结构示意图，图2是图1的俯视图，图中标记的部件名称依次为：探杆1，探端2，测试系统3，摩阻压力传感器31，端阻压力传感器32，孔隙水压力传感器33，孔压过滤环34，套筒35，摩擦套筒351，端阻套筒352，信号传输线4。

结合附图可见，本用于海洋超软土原位测试的十字形全流触探探头，其特征在于包括测试系统和探端，所述探端垂直固定于测试系统末端，所述探端呈十字形状，所述测试系统上端与探杆相连，所述测试系统包括传感器、信号传输线和套设在探杆上的套筒，所述套筒包括摩擦套筒和端阻套筒，所述摩擦套筒拼接于端阻套筒上方，所述传感器包括设置在摩擦套筒上摩阻压力传感器以及设置在端阻套筒上的端阻压力传感器和孔隙水压力传感器，所述摩阻压力传感器用于感应侧摩阻力，所述端阻套筒靠近探端一侧设置有孔压过滤环，所述孔压过滤环能够渗水并作用于孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器用于感应孔隙水压力，所述端阻压力传感器用于感应端阻力。本发明工作时，安装于海底静力触探设备上，由钢制绞绳从测量船吊装下放到指定的测试海域，再由静力触探设备贯入海底软土层指定深度进行测量。本发明能够测得其在海底软土层中所受到的端阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力。

所述摩阻压力传感器、端阻压力传感器和孔隙水压力传感器均与信号传输线连接，其测试数据通过信号传输线传送出去，所述信号传输线依次穿过套筒和探杆，并引出自由端，自由端用于与数据接收和显示设备连接。测试信号通过信号传输线进行传输。

所述探端包括四个分支，且该四个分支均呈圆柱体形状。所述探端正投影面积为150-250cm²。十字形状的探端，扩大了探端面积，放大本发明在海底/水下超软土中贯入过程中遇到的阻力及阻力变化值，使得这一数据更易被端阻力传感器捕捉并精准记录下来；十字形的探端呈多向轴对称形式，使得探头在超软土层中贯入过程中各向受力稳定，有效防止探杆倾斜造成测量不准情况发生。十字形探端为超软土在探头贯入过程中围绕探头绕流提供了途径，从而实现了全流触探的功能。在对测试场地进行基础设计的前期勘察时，采用本发明，将更加便于快速准确的确定相关土质参数指标。

所述探杆和探端的表面喷有防锈层。所述防锈层由喷砂和/或喷漆制得。防止本发明表面生锈，延长使用寿命和测试的准确性。

下面举一个本发明的具体尺寸实施例：

探杆直径为35.7mm，探端的正投影为面积200cm²的圆形。

孔压过滤环34厚度为5mm，摩擦套筒351高度为133.7mm。

图3是常规锥形探头与本发明十字形探头在实验室内模型槽试验结果对比图。由图可见，本发明能够在常规探头无法感知端阻力的超软土中正常工作，准确测量端阻力极其变化值，测试精度大大提高了。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。