本发明属于土体流变检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于检测海底沉积物的液化后流变特性的原位测量装置。
背景技术：
土体流变特性是指土体液化后表现出的一系列类似流体的性质。原位测试是在岩土原来所处的位置上或基本上在原位状态和应力条件下对岩土性质进行的测试。一般情况下，由于有效应力的存在，土体的孔隙水压力小于总应力。然而，在波浪荷载的作用下，海床土中的孔隙水压力会不断升高，当孔隙水压力增大到与总应力相等时，海床土中的有效应力等于零，土骨架丧失了作用力，土颗粒“悬浮”在水中，这时土变成像流体一样的物质，丧失抗剪强度和承载能力，这就是海床土的液化现象。海床土液化失稳，对海洋环境及海洋工程都会带来巨大破坏，甚至引发海底滑坡等一系列地质灾害，给人类的生命带来巨大威胁。目前国内外学者通过试验研究、解析研究和数值分析研究，发现液化土是一种“剪切稀化”非牛顿流体：即随着剪切速率的增加，表观黏度逐渐降低。所以，分析液化现场原位海床土体的失稳破坏情况，了解现场原位海床土剪切流变性质，对保证极端海况下海洋工程结构物安全和预防地质灾害都有重要意义。
在液化土体流变性质的分析中，表观黏度和流动曲线都是重要的参数。表观黏度是表示流体的内摩擦的物理量，是一层流体对另一层流体作相对运动的阻力，定义为剪应力与剪切速率的比值。剪切速率是由于流体的层流速度不同而形成的一种速度梯度，流动较慢的液层阻滞流动较快液层的运动，定义为剪应变与时间的比值。流动曲线是表示流体的剪切速率与剪应力的关系曲线。
海底环境千变万化，有许多超出现在人们认知的未知影响因素，特别是海底沉积物所处的环境更为复杂。因此，要研究液化海底沉积物的流变特性，就必须对海底沉积物进行现场原位检测，才能解决工程实际问题，预防地质灾害。然而，现有用于检测流体表观黏度的测量装置仅限于实验室应用环境，例如旋转黏度计、毛细管黏度计、落球黏度计等。其中，旋转黏度计的原理是使流体在狭缝间产生剪切流动，测量流动过程中的扭矩来计算流体的表观黏度。毛细管黏度计是使流体在重力作用下缓慢流过一个标定好的玻璃毛细管黏度计，通过测量流体流过黏度计的时间来反映流体的黏度。落球黏度计的原理是将一个刚性球放入盛满流体的透明量筒里，刚性球凭重力下落，测量刚性球在流体中匀速通过时的速度来计算流体的表观黏度。此外，在模型试验研究土体流变特性方面，国内外学者也做了一系列探索性工作，例如，申请号为201110321240.8的中国发明专利公开了一种用于实验室的智能土工剪切流变仪；申请号为201610081275.1的中国发明专利申请公开了一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，这些专利申请技术都是用来研究土体流变特性的，但只能适用于实验室环境。
上述土体流变特性测量方法之所以不适用于原位测量海底沉积物的流变特性的原因是：
(1)现有装置的结构本身不适合现场使用，操作复杂且用时较长；
(2)现有装置在测量之前必须先提取土样，然后将土样放在一个特定的容器内。这样会严重扰动土体，破坏了原有海底沉积物的状态；
(3)现有装置只能针对单一的均质土，而实际海底沉积物液化过程十分复杂，可能出现分层现象。因此，现有装置无法测量出不同深度海底沉积物的流变特性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种全新结构的海底沉积物液化后流变特性原位测量装置。该装置适合现场使用、且操作简单，可以测量出不同深度海底沉积物液化后的流变特性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，包括用于插入到海底沉积物中的十字板头、连杆、电机、扭矩传感器、角位移传感器和控制模块；所述连杆的底部连接所述十字板头；所述电机用于驱动所述连杆旋转，进而驱动所述十字板头旋转；所述扭矩传感器的一端通过联轴器连接所述电机的转轴，另一端连接所述连杆的顶部，用于检测连杆的扭矩；所述角位移传感器用于检测十字板头的转过角度；所述控制模块接收扭矩传感器输出的扭矩信号以及角位移传感器输出的角位移信号，进而换算出扭矩值和转过角度，利用公式
进一步的，在所述测量装置中还设置有机箱，所述控制模块安装在所述机箱内，所述电机、联轴器、扭矩传感器、角位移传感器、连杆、十字板头位于所述机箱的外部，在所述扭矩传感器的外部壳体上安装有支撑架，所述支撑架安装在机箱上，从而将电机、联轴器、扭矩传感器、角位移传感器、连杆、十字板头与机箱组装在一起。
为了控制十字板头插入到海底沉积物中，并对十字板头在海底沉积物中的插入深度进行精确测量，本发明可以采用以下两种优选方式：
其一，设计所述连杆为可伸缩式连杆，手动或自动控制所述连杆伸缩，以驱动所述十字板头插入到海底沉积物中或者从海底沉积物中收回；在所述连杆上沿连杆的长度方向设置刻度线，通过所述刻度线确定所述十字板头插入到海底沉积物的深度；
其二，在所述机箱上安装升降机构，将所述支撑架安装在所述升降机构上，通过所述升降机构驱动支撑架上下移动，进而驱动所述十字板头插入到海底沉积物中或者从海底沉积物中收回。利用所述控制模块控制所述升降机构运行，进而可以根据升降机构的运行状态确定出所述十字板头插入到海底沉积物的深度。
为了便于角位移传感器的安装，所述电机优选采用双轴电机，将其中一个转轴通过联轴器连接所述扭矩传感器，另一个转轴通过另一联轴器连接所述角位移传感器，所述连杆与所述电机的转轴同步旋转。
为了实现对电机转速的准确调节，本发明在所述测量装置中还设置有转速调节旋钮和转速传感器，所述转速调节旋钮安装在所述机箱上，并连接所述控制模块，所述控制模块根据通过转速调节旋钮输入的设定转速调节所述电机的转速；所述转速传感器安装在所述电机上，用于检测电机的转速，并生成转速信号发送至所述控制模块，所述控制模块根据接收到的转速信号调节电机的实际转速达到所述设定转速，以实现对电机转速的准确控制。
优选的，在所述机箱上设置有数据接口，连接所述控制模块，所述控制模块通过所述数据接口与外部设备交互数据。
进一步的，在所述机箱上还安装有显示屏，所述显示屏连接所述控制模块，用于显示所述扭矩值mmax、转过角度a及对应的时长t以及控制模块的计算结果等数据，以便于现场研究人员查阅测量装置的工作状态以及检测到的海底沉积物的液化流变特性。
为了使本发明的测量装置能够对水深大于5米的海底沉积物进行现场原位测量，本发明在所述测量装置中还设置有密封舱和通信模块；所述十字板头以及连杆的至少一部分伸出所述密封舱，测量装置的其它部件内置于所述密封舱中；所述通信模块内置于所述密封舱中，并连接所述控制模块，所述控制模块通过所述通信模块以有线方式或无线方式与远端的上位机通信，交互数据。
优选的，在所述密封舱上安装有数字水下高度计，用于检测所述测量装置到海底沉积物的距离，并生成检测信号发送至所述控制模块，所述控制模块将检测到的测量装置与海底沉积物的距离通过通信模块发送至上位机，以判断测量装置是否下降到海底沉积物上，进而确定何时启动测量装置对海底沉积物的液体流变特性进行检测。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的测量装置可以将十字板头直接插入到待测土体中，对待测土体的流变特性进行原位测量，操作简单，适合现场使用，不会破坏土体状态。本发明采用角位移传感器测量沉积物应变，现场使用相对稳定。将其应用在海洋监测领域，不仅可以在不改变海底沉积物原有的环境和状态的前提下，快速方便地测量出海底沉积物的流变特性，而且还可以根据十字板头插入到海底沉积物中的深度，测量出不同深度液化后海底沉积物的流变特性，进而得到海底沉积物流变特性的垂直分布，获得更加符合工程应用的参数。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明所提出的海底沉积物液化流变特性测量装置的一种实施例的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明所提出的海底沉积物液化流变特性测量装置的另一种实施例的结构示意图；
图4是本发明所提出的海底沉积物液化流变特性测量装置的一种实施例的电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
如图1、图2、图4所示，本实施例的海底沉积物液化后流变特性原位测量装置主要由机箱1、电机2、连杆5、十字板头6、角位移传感器16、扭矩传感器4、控制模块等部分组成。其中，控制模块可以设置在机箱1的内部，电机2、连杆5、十字板头6、角位移传感器16、扭矩传感器4可以设置在机箱1的外部。在电机2的转轴上安装有联轴器3，通过联轴器3连接扭矩传感器4的一端，在扭矩传感器4的另一端连接连杆5，具体可连接连杆5的顶端，进而实现电机2对连杆5的转动驱动。将十字板头6连接在连杆5的底端，电机2通过驱动连杆5旋转，进而带动十字板头6旋转。在本实施例中，所述十字板头6用于插入到待测的土体中，例如插入到海底沉积物中，在十字板头6插入到海底沉积物的某一设定深度h后，控制十字板头6在该深度位置原地转动，并利用扭矩传感器4检测连杆5的扭矩，并生成检测信号(扭矩信号)发送至机箱1内部的控制模块，以换算出十字板头6破坏海床土体的扭矩值。由于通过扭矩传感器4检测到的扭矩值可以反映出十字板头6在海底沉积物所受的剪应力，因此，本实施例设计以下计算公式，计算出海底沉积物的剪应力τf：
公式中，d为十字板头6的直径，相当于十字板头6插入到海底沉积物中所形成的钻孔的直径；h为十字板头6的高度；mmax为十字板头6在插入到海底沉积物的某一深度h后，在该深度位置h转动时的扭矩值。在测量过程中，十字板头6必须全部插入到海底沉积物中后，再开始对海底沉积物的液化流变特性进行测量。
在本实施例中，为了方便角位移传感器16的安装固定，本实施例优选采用双轴电机2驱动连杆5同步转动，如图2所示。将双轴电机2的其中一个转轴21通过联轴器3连接扭矩传感器4，另一个转轴22连接角位移传感器16，具体可利用另一联轴器将双轴电机2的另一个转轴22与角位移传感器16连接在一起，通过检测电机转轴的转过角度获知十字板头6的转过角度。
由于十字板头6的转过角度可以反映应变，根据剪切速率的计算公式：剪切速率＝应变/时间，因此，可以通过控制模块控制电机2转动，并记录电机2的转动时长；然后，利用以下公式，即可计算出剪切速率s：
其中，a为十字板头6在插入到液化后的海底沉积物的某一深度h后，在该深度位置h转动时的转过角度；t为十字板头6在该深度位置h转动时对应的转动时长，剪切速率s为转过角度a与转过时长t的微分。
由于表观黏度定义为剪应力与剪切速率的比值，因此，可以计算出海底沉积物的表观黏度ηa：
根据计算出的剪应力τf以及剪切速率s即可绘制出海底沉积物的流动曲线。由此，便得到了海底沉积物在液化流变特性分析中的两个重要参数：表观黏度和流动曲线。
为了控制十字板头6在海底沉积物中的插入深度h，本实施例提出两种设计方案：
其一是，将所述连杆5设计成可伸缩式连杆，可以采用手动或者自动控制方式控制所述连杆5伸长或缩回，进而带动十字板头6插入到海底沉积物中或者从海底沉积物中收回。由于控制可伸缩式连杆5伸缩的技术目前已是成熟技术，因此本实施例在此不做详细阐述。在连杆5上设置刻度线，通过观察刻度线即可获得十字板头6的插入深度h。
其二是，在电机2或者扭矩传感器4上安装支撑架14，如图2所示，在机箱1的箱体上安装升降机构13，将支撑架14安装在所述升降机构13上，一方面可以实现电机2、联轴器3、扭矩传感器4、连杆5和十字板头6在机箱1上的外挂；另一方面通过控制模块控制所述升降机构13运行，以驱动支撑架14上下移动，进而控制十字板头6插入到海底沉积物中或者从海底沉积物中收回。所述升降机构可以采用多种形式，例如齿轮齿条啮合结构等，控制模块通过控制升降机构的运行状态，即可获知十字板头6的插入深度h。
改变十字板头6在海底沉积物中的插入深度h，即可测量出海底沉积物不同深度的液化流变特性，进而得到海底沉积物流变特性的垂直分布，获得更加符合工程应用的参数。
在本实施例中，所述十字板头6可以直接形成在连杆5的底端，即与连杆5一体成型，也可以采用连接的方式固定连接在所述连杆5的底端。
本实施例在机箱1上还可以进一步安装显示屏12，连接所述控制模块，将控制模块换算出的扭矩值mmax和转过角度a及对应的转动时长t以及计算出的表观黏度ηa、生成的流动曲线显示在显示屏12上，以供研究人员观测。
为了能够改变电机2的转速，可以在机箱1上安装转速调节旋钮10，如图1所示，连接所述控制模块。研究人员可以通过操作转速调节旋钮10来设置电机的设定转速，进而通过控制模块对电机2的转速进行调节。为了使电机2的实际转速能够稳定在设定转速上，本实施例优选在所述电机2上安装转速传感器，用于检测电机2的实际转速，并生成检测信号(转速信号)发送至机箱1内部的控制模块，以换算出电机2的转速值。控制模块根据换算出的转速值调节电机2的转速，使所述转速值等于设定转速，继而实现对电机转速的准确控制。
本实施例在所述机箱1的顶部还可以进一步设置把手11，以便于研究人员携带。在机箱1的箱体上还可以设置数据接口7，例如usb接口等，结合图1、图4所示，连接所述控制模块，以便于将控制模块采集和计算出的测量数据传送至外部设备，实现测量装置与外部设备之间的数据交互。
在利用本实施例的测量装置对海滩潮间带或水深不足5米的浅海地区的海底沉积物液化后流变特性原位测量时，可以将机箱1放置在海面的搭载台上，将十字板头6伸入到海水中，并通过控制可伸缩式连杆5伸长或者启动升降机构13驱动支撑架14下移，从而将十字板头6插入到海底沉积物中，并到达所需的深度h。通过电机2控制十字板头6在海底沉积物中原地转动，对海底沉积物的液化流变特性进行现场原位检测。
图2所示的测量装置因受机箱1的高度或者连杆5伸缩长度的限制，不适合应用在水深大于5米的海域。为了能够对深海区域的海底沉积物进行原位测量，本实施例可以将图2所示的测量装置内置于一个密封舱15中，如图3所示，仅十字板头6和连杆5的至少一部分外露于密封舱15，以使十字板头6可以插入到海底沉积物中。同时，在机箱1中设置通信模块，如图4所示，连接所述控制模块。所述控制模块通过通信模块与甲板上或者远程的上位机以有线或者无线的方式通信，将控制模块采集和计算出的测量数据上传至上位机，供研究人员观测。同时，研究人员可以通过上位机将需要检测的海底沉积物深度发送至控制模块，以控制十字板头6的插入深度h。
在将图3所示的测量装置投放到深海区域后，为了准确地获悉测量装置是否着陆在海床上，本实施例在所述密封舱15上还进一步安装有数字水下高度计，以用于实时地检测所述测量装置到海底沉积物的距离。在投放测量装置前，启动测量装置运行，将测量装置投放到待测海域，数字水下高度计实时监测装置与沉积物的距离，并生成检测信号发送至控制模块。控制模块将检测到的距离通过通信模块实时上传至上位机，供研究人员判断测量装置的下降位置，并在观测到测量装置在海床上着陆时，下发命令给控制模块，以控制升降机构13驱动十字板头6下降，插入到海底沉积物中，并到达所需的插入深度，进而对海底沉积物的液化流变特性进行现场原位测量。
如图4所示，本实施例在机箱1中还可以进一步设置蓄电池、充电电路和电源转换电路，在机箱1的箱体上可以设置充电插口9和电源开关8，结合图1所示。将充电电路连接在充电插口9与蓄电池之间，在蓄电池的剩余电量不足时，可以在充电插口9上外接充电器，利用外部电源为蓄电池充电，利用蓄电池存储的电量为测量装置中的各用电负载供电。将电源开关8连接在蓄电池与电源转换电路之间，在需要启动测量装置运行时，闭合电源开关8，利用蓄电池为电源转换电路供电，通过电源转换电路将蓄电池输出的电压转换成各用电负载(例如控制模块、摄像头、显示屏12、电机2等)所需的工作电压，为各用电负载供电。
本实施例的测量装置结构简单，操作方便，既可应用在实验室环境，对海底沉积物的液体流变特性进行模拟检测，也可应用在现场环境，实现对待测海域中海底沉积物的原位测量。
当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。