海底沉积物取样与力学性质原位测试装置及其工作方法

1.本发明涉及海底沉积物探测技术领域，具体而言，特别涉及一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置及其工作方法。


背景技术：

2.海底沉积物力学性质原位测试以及样品获取是海底油气资源勘探、海洋环境监查与海洋工程建设必不可少的环节。
3.随着海洋强国战略的推进，我国海洋油气资源开发、海洋工程建设等项目增多，勘察建设难度增大，对海底沉积物详细物理力学参数的需求增加、精确度增加。常规海底沉积物物理力学参数的获取方法为先取样，然后室内试验测试，由于海底沉积物含水量大、灵敏度度高、易扰动等特定使得常规的取样、室内试验测试获取的沉积物的力学参数不具备原位信息，其工程应用价值大大降低。常规海底沉积物原位探测手段多以大型静力触探测试为主，测试费用高，测试速度慢，且对表层沉积物扰动大，大大降低了沉积物物理力学参数测试的效率，不足以满足日益增长的沉积物物理力学参数的需求。


技术实现要素：

4.为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置及其工作方法。
5.本发明是通过如下技术方案实现的：一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置，包括控制舱、配重、取样管、沉积物力学性质监测系统和沉积物取样系统,控制舱上部为固定缆绳的提头，控制舱的外壁装有导流叶片；控制舱的内部置有控制系统电路板、加速度传感器、姿态传感器和电池，控制系统电路板固定在控制舱内部顶端，姿态传感器固定在控制系统电路板下方，通过导线与控制系统电路板与电池相连接，加速度传感器固定在控制舱的内部左下方，通过导线与控制系统电路板与电池相连接；电池固定在控制舱的内部右下方。
6.配重为多组中心镂空配重盘而成，其中心镂空为取样管壁内沉积物力学性质监测系统提供与控制舱的连接通道；配重上方与控制舱连接处具有与外部连通的空腔；沉积物力学性质监测系统置于取样管管壁内侧，沉积物力学性质监测系统包括锥尖阻力传感器、侧壁阻力传感器和孔隙水压力传感器，锥尖阻力传感器通过传动轴以螺纹的形式连接刀头内的锥头，侧壁阻力传感器通过l形连通轴连接设置在取样管外侧的摩擦板，孔隙水压力传感器的外部紧邻透水石，透水石穿过取样管壁与沉积物直接接触；沉积物取样系统包括取样管和刀头，取样管内部置有可自由拆装的pvc管， pvc管的最上方置有防沉积物冒顶的顶帽。
7.作为优选方案，导流叶片为3片，相邻两片呈120度角，均匀分布在控制舱外部。
8.作为优选方案，配重为多组中间镂空圆盘堆砌而成。
9.作为优选方案，顶帽的材质为不锈钢材料。
10.进一步地，顶帽的上部为网状结构，四周为普通钢板围绕而成。
11.作为优选方案，刀头为c型圆弧刀口，内部置有防漏花瓣，刀头的豁口处有小于豁口的锥头，通过螺纹固定在传动轴上，刀头上部利用螺纹固定在取样管上。
12.一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置的工作方法,具体包括以下步骤：s1：将地质绞车的缆绳绕过a架，通过转环与提头相连，同时打开控制系统电路板开关，开始记录设备的加速度传感器、姿态传感器、锥尖阻力传感器、侧壁阻力传感器和孔隙水压力传感器数据；s2：将地质绞车按照最大释放速度布放测试装置，直至测试装置触底，并持续释放1分钟，此时加速度传感器会记录测试装置从入水到静止时的加速度变化，得到海底沉积物的锥尖阻力，侧壁阻力和孔隙水压力；s3：通过以下公式计算沉积物的力学性质：考虑速度效应的拟静态锥尖阻力为：其中，为拟静态锥尖阻力；为锥尖阻力传感器所测锥尖阻力；为速度，由加速度的姿态传感器所测；为直径，下标为参考值，为经验常量。
13.沉积物拟侧壁阻力为：其中，为拟静态侧壁阻力；为侧壁阻力传感器实测侧壁阻力。
14.海底沉积物不排水抗剪强度为：其中，m为本装置总质量，a为姿态传感器所测加速度；z为贯入深度；产生侧壁阻力的面积，表达式为。
15.沉积物的贯入阻力因子为： 其中，为孔压传感器所测超孔隙水压力，n为阻力因子，可广泛应用于海底静力触探测试中。
16.本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：1.通过本发明可以实现海底沉积物取样，同时获得海底沉积物的锥尖阻力、侧壁阻力与孔隙水压力以及该设备贯入沉积物过程中的加速度变化，通过特有的转化公式速率效应影响下的锥尖阻力、侧壁阻力数据转化为常规的静力触探测试的数据，以此监测海底沉积物的地基承载力、不排水抗剪强度等力学性质指标，克服了常规沉积物力学性质监测与取样严重依赖特有装置、成本高、测试不够便捷等弊端。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的剖面结构示意图；图3为刀头结构图；图4为配重于控制舱连接的空腔，其中，图1至图中附图标记与部件之间的对应关系为：1提头；2控制舱；3导流叶片；4配重；5取样管；6刀头；7控制系统电路板；8姿态传感器；9电池；10 加速度传感器；11顶帽；12 pvc管；13孔压传感器；14 透水石；15侧壁阻力传感器；16 摩擦壁；17锥尖阻力传感器；18 传动轴；19 锥头；20 c型刀头。
具体实施方式
19.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
21.下面结合图1至图4对本发明的实施例的海底沉积物取样与力学性质原位测试装置及其工作方法进行具体说明。
22.如图1、图2所示，本发明提出了一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置，包括控制舱2、配重4、取样管5、沉积物力学性质监测系统和沉积物取样系统,控制舱2上部为固定缆绳的提头1便于缆绳的固定，控制舱2的外壁装有导流叶片3，导流叶片为3片，相邻两片呈120度角，均匀分布在控制舱外部，防止装置布放时发生倾斜；控制舱2的内部置有控制系统电路板7、加速度传感器10、姿态传感器8和电池9，控制系统电路板7固定在控制舱2内部顶端，姿态传感器8固定在控制系统电路板7下方，用于监测设备贯入沉积物时的姿态，确保原位监测数据的准确。通过导线与控制系统电路板7与电池9相连接，加速度传感器10用于固定在控制舱2的内部左下方，监测设备贯入沉积物过程中的加速度变化，用于计算沉积物力学性质；通过导线与控制系统电路板7与电池9相连接；电池9固定在控制舱2的内部右下方，保证整个装置的电量供应。
23.配重4为多组中心镂空配重盘而成，其中心镂空为取样管5壁内沉积物力学性质监测系统提供与控制舱2的连接通道；如图4所示，配重4上方与控制舱2连接处具有与外部连通的空腔，用于解决因沉积物取样而产生的排水问题；配重4为多组中间镂空圆盘堆砌而成。
24.沉积物力学性质监测系统置于取样管5管壁内侧，沉积物力学性质监测系统包括锥尖阻力传感器17、侧壁阻力传感器15和孔隙水压力传感器13，锥尖阻力传感器17通过传动轴18以螺纹的形式连接刀头20内的锥头19，侧壁阻力传感器15通过l形连通轴连接设置在取样管5外侧的摩擦板16，孔隙水压力传感器13的外部紧邻透水石14，透水石14穿过取样
管5壁与沉积物直接接触；沉积物取样系统包括取样管5和刀头20，刀头20为c型圆弧刀口，内部置有防漏花瓣，刀头20的豁口处有略小于豁口的小圆柱形锥头19，如附图3所示，通过螺纹固定在传动轴上，刀头20上部利用螺纹固定在取样管5上。取样管5内部置有可自由拆装的pvc管12，便于取样后样品的存储于运输，pvc管12的最上方置有防沉积物冒顶的顶帽11。顶帽11的材质为不锈钢材料,顶帽11的上部为网状结构，四周为普通钢板围绕而成.上部网状结构便于pvc管12内水体流出，该装置可在一定范围内上下移动，当沉积物取满时，顶帽会被沉积物顶置控制舱下壁，实现防冒顶的功能。
25.一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置的工作方法,具体包括以下步骤：s1：将地质绞车的缆绳绕过a架，通过转环与提头1相连，同时打开控制系统电路板7开关，开始记录设备的加速度传感器10、姿态传感器8、锥尖阻力传感器17、侧壁阻力传感器15和孔隙水压力传感器13数据；s2：将地质绞车按照最大释放速度布放测试装置，直至测试装置触底，并持续释放1分钟，此时加速度传感器10会记录测试装置从入水到静止时的加速度变化，得到海底沉积物的锥尖阻力，侧壁阻力和孔隙水压力；s3：通过以下公式计算沉积物的力学性质：传统静力触探测试沉积物力学性质所得锥尖阻力为恒速（2m/s）贯入土体所得；考虑到本装置贯入土体时速度是一个变量，因此考虑速度效应的拟静态锥尖阻力为：其中，为拟静态锥尖阻力；为锥尖阻力传感器17所测锥尖阻力；为速度，由加速度的姿态传感器8所测；为直径，下标为参考值，为经验常量。
26.沉积物拟侧壁阻力为：其中，为拟静态侧壁阻力；为侧壁阻力传感器15实测侧壁阻力。
27.海底沉积物不排水抗剪强度为：其中，m为本装置总质量，a为姿态传感器8所测加速度；z为贯入深度；产生侧壁阻力的面积，表达式为。
28.沉积物的贯入阻力因子为： 其中，为孔压传感器13所测超孔隙水压力，n为阻力因子，可广泛应用于海底静力触探测试中。
29.在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语
“
上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
31.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。