一种有缆探杆自动接杆系统及静力触探试验方法

摘要

本发明提供一种有缆探杆自动接杆系统，包括静力触探探头、有缆探杆、正多边形筒状绞盘、绞盘滚轴丝杆、支架、液压马达、接杆折杆转换器、数据采集器。有缆探杆由多个探杆单元依次铰链连接而成，有缆探杆可以一定倾斜角盘绕在正多边形筒状绞盘上。绞盘滚轴丝杆由支架支撑并由液压马达驱动，液压马达在带动正多边形筒状绞盘转动的同时，绞盘滚轴丝杆驱动正多边形筒状绞盘沿绞盘滚轴丝杆轴向运动，保证正多边形筒状绞盘在转动过程中有缆探杆在固定位置上通过接杆折杆转换器。静力触探探头通过数据采集电缆与数据采集器连接。本发明具有性能稳定、操作简便、系统成本低的优点，可大幅度提高水下岩土工程原位测试速度，降低水下原位测试的试验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程原位测试技术领域，具体是一种有缆探杆自动接杆系统及静力触探试验方法。

背景技术

随着海上风能利用、潮汐能开发、油气资源开发等海洋资源开发工程的大规模建设，为保证海上构筑物的安全稳定，必须确定海上构筑物地基—海洋土的工程性质。同时，在江河湖泊等涉水工程中，大量的涉水建筑物、水底隧道工程建设也必须进行水下勘察以掌握江河湖底土层的工程性质。水下地基土的工程性质测试是土力学的难点问题。经长期的岩土工程实践，原位测试技术成为了水下岩土工程勘察与地基评价中的重要手段之一，尤其是水下静力触探试验技术得到广泛应用。

静力触探试验Static Cone Penetration Test，简称CPT是岩土工程勘察中常用的测试方法，是利用准静力以恒定的贯入速度将一定规格和形状的圆锥探头通过一系列探杆压入土中，同时测记贯入过程中探头所受到的阻力，根据测得的贯入阻力大小来间接判断土的物理力学性质并进行分层的现场试验方法。陆上静力触探试验相对比较简单，也比较成熟。但水下静力触探试验非常复杂。水下静力触探设备主要由以荷兰为代表的欧美少数几个国家制造。该类设备有个共同特点：水下工作平台非常笨重，往往以水下工作平台自重作为反力系统，在船上进行投放时，对船上起重设备要求高；在设备投放安装及探杆贯入地基过程中，在船上进行人工接杆，为防止地基表面以上探杆在自重、水流、潮汐和海浪作用下生折断，往往在水下工作平台上搭建高度与水深相同的探杆支承塔，是一件费工费时又非常危险的工作。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种有缆探杆自动接杆系统及静力触探试验方法，可以实现水下静力触探试验过程中有缆探杆的自动接杆，该系统具有性能稳定、操作简便、系统成本低的优点，可大幅度提高水下岩土工程原位测试速度，降低水下原位测试的试验成本。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种有缆探杆自动接杆系统，包括静力触探探头、有缆探杆、正多边形筒状绞盘、绞盘滚轴丝杆、支架、液压马达、接杆折杆转换器、数据采集器，有缆探杆由多个探杆单元依次铰链连接而成，有缆探杆可以一定倾斜角盘绕在正多边形筒状绞盘上，静力触探探头与有缆探杆的首端连接，正多边形筒状绞盘穿设绞盘滚轴丝杆上，绞盘滚轴丝杆由支架支撑并由液压马达驱动，液压马达在带动正多边形筒状绞盘转动的同时，绞盘滚轴丝杆驱动正多边形筒状绞盘沿绞盘滚轴丝杆轴向运动，保证正多边形筒状绞盘在转动过程中有缆探杆在固定位置上通过接杆折杆转换器，静力触探探头与数据采集电缆的一端连接，数据采集电缆的另一端穿过有缆探杆后与数据采集器连接，接杆折杆转换器用于在有缆探杆下行时将上下两节探杆单元依次接杆，上行时将上下两节探杆单元依次转折。

上述技术方案中，每个探杆单元的长度与正多边形筒状绞盘的边长相同或接近。

上述技术方案中，探杆单元中贯穿设有穿孔，用于穿入数据采集电缆。

上述技术方案中，有缆探杆的相邻探杆单元的铰接部设有滑移套筒、上限位平台、下限位平台，上限位平台和下限位平台分别为滑移套筒上下滑动的界限，其中上限位平台位于相邻探杆单元的铰接部的上端，下限位平台位于相邻探杆单元的铰接部的下端。

上述技术方案中，当铰连接的有缆探杆下行，两杆连接部分通过接杆折杆转换器，滑移套筒相对探杆上移至上限位平台，铰连接的有缆探杆为接杆状态；当铰连接的有缆探杆上行，两杆连接部分通过接 杆折杆转换器，滑移套筒相对探杆下移至下限位平台，铰连接的有缆探杆为折杆状态。

上述技术方案中，所述接杆折杆转换器为环状圆筒型构件，其内径与滑移套筒的外径相同，接杆折杆转换器的圆筒内侧在0°、90°、180°、270°方向设有四个弹簧拨珠，上限位平台、下限位平台对应设有碰珠定位珠，有缆探杆在液压装置下压力作用下通过接杆折杆转换器时滑移套筒在弹簧拨珠推动下向上运动直至到达上限位平台时停止，并由上限位平台的碰珠定位珠固定；探杆在液压马达带动下向上通过接杆折杆转换器时，滑移套筒在弹簧拨珠推动下向下运动直至到达下限位平台时停止，并由下限位平台的碰珠定位珠固定。

上述技术方案中，探杆单元上还设有探杆贯入卡口，作为探头贯入地基液压装置的夹持位置。

一种岩土工程原位静力触探试验方法，其特征在于使用上述有缆探杆自动接杆系统进行，所述方法包括如下步骤：

试验准备阶段：将连接静力触探探头的数据采集电缆穿过所有的铰连接的有缆探杆中的穿孔，将有缆探杆以一定倾斜角盘绕在正多边形筒状绞盘上，将数据采集电缆与数据采集器连接后，将有缆探杆自动接杆系统吊装至工作地面；

试验探杆贯入阶段：在试验贯入过程中，有缆探杆在液压装置下压力作用下通过接杆折杆转换器，滑移套筒上滑至上限位平台使有缆探杆上下两节探杆单元依次接杆，当正多边形筒状绞盘转动的同时，绞盘滚轴丝杆驱动正多边形筒状绞盘沿绞盘滚轴丝杆轴向运动，此时完成有缆探杆的接杆和同样深度的贯入试验，按照以上流程，有缆探杆不断接杆和下压，直至达到试验所需的贯入深度，在贯入过程中数据采集器实时测记静力触探探头所受到的阻力；

试验探杆上拔阶段：在试验上拔过程中，有缆探杆在液压装置上拔力作用下通过接杆折杆转换器，滑移套筒下滑至下限位平台，由液压马达带动，有缆探杆上下两节依次转折后，以一定倾斜角盘绕在正多边形筒状绞盘上，直至所有有缆探杆上拔完毕，此时试验结束。

本发明完全由机械装置实现有缆探杆的接杆和折杆的转换，具有性能稳定、操作简便、系统成本低的优点，主要用于水下岩土工程原位测试，也可适用于陆上岩土工程原位测试。

附图说明

图1为本发明有缆探杆自动接杆系统其中一个实施例的结构示意图；

图2为本发明中有缆探杆的结构示意图，其中图2(a)为贯入地基时的结构示意图，图2(b)为上拔时的结构示意图；

图3为本发明中接杆折杆转换器的结构示意图，其中图3a为接杆折杆转换器的俯视图，图3b为接杆折杆转换器的侧面剖视图；

图4为本发明有缆探杆自动接杆系统工作状态示意图，其中图4a为试验准备阶段的结构示意图，图4b为试验探杆贯入阶段的结构示意图，图4c为贯入结束时的结构示意图。

图中：1—静力触探探头；2—有缆探杆；3—正多边形筒状绞盘；4—绞盘滚轴丝杆；5—支架；6—液压马达；7—接杆折杆转换器；8—数据采集器；9—滑移套筒；10—上限位平台；11—下限位平台；12—碰珠定位珠；13—穿孔；14—探杆贯入卡口；15—电缆，16—弹簧拨珠。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。下面通过参考附图描述的技术方案是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1为本发明有缆探杆自动接杆系统其中一个实施例的结构示意图，所述有缆探杆自动接杆系统包括静力触探探头1、有缆探杆2、正多边形筒状绞盘3、绞盘滚轴丝杆4、支架5、液压马达6、接杆折杆转换器7、数据采集器8。

静力触探探头1通过螺纹与铰连接的有缆探杆2首端连接，铰连接的有缆探杆2以一定倾斜角盘绕在正多边形筒状绞盘3上(本实施例为正六边形)，尾端与正多边形筒状绞盘3固定。有缆探杆2由多 个相同长度的探杆单元依次铰链连接而成，每个探杆单元的长度与正多边形筒状绞盘3的边长相同或接近，以使得有缆探杆2盘绕时每个探杆单元与正多边形筒状绞盘3的外壁对应贴合。

正多边形筒状绞盘3穿设绞盘滚轴丝杆4上，绞盘滚轴丝杆4由支架5支撑并由液压马达6驱动，液压马达6驱动绞盘滚轴丝杆4转动，进而带动正多边形筒状绞盘3转动。液压马达6在带动正多边形筒状绞盘3转动的同时，绞盘滚轴丝杆4驱动正多边形筒状绞盘3沿绞盘滚轴丝杆4轴向运动，保证正多边形筒状绞盘3在转动过程中有缆探杆2在固定位置上通过接杆折杆转换器7。接杆折杆转换器7位于支架5中间位置，静力触探探头1通过数据采集电缆15与数据采集器8相连实现数据采集，数据采集电缆15位于静力触探探头1和有缆探杆2中。所述数据采集电缆15穿过所有铰连接的有缆探杆2后从绞盘滚轴丝杆4中心穿出，在正六边形筒状绞盘3转动数转条件下，数据采集电缆15可正常工作。

如图2(a)和图2(b)所示为铰连接的有缆探杆2结构示意图，有缆探杆2的相邻探杆单元的铰接部设有滑移套筒9、上限位平台10、下限位平台11、碰珠定位珠12、探杆贯入卡口14。上限位平台10和下限位平台11分别为滑移套筒9上下滑动的界限，其中上限位平台10位于相邻探杆单元的铰接部的上端，即位于上节探杆单元的下部位置，下限位平台11位于相邻探杆单元的铰接部的下端，即位于下节探杆单元的上部位置。上限位平台10和下限位平台11可设计为卡槽结构，当滑移套筒9滑移到卡槽内即受阻不能继续移动，实现限位功能。探杆单元中贯穿设有穿孔13，用于穿入数据采集电缆15；碰珠定位珠12用于在接杆状态下固定滑移套筒9；探杆贯入卡口14为探头贯入地基液压装置的夹持位置。

如图3(a)和图3(b)所示，所述接杆折杆转换器7为环状圆筒型构件，其内径与滑移套筒9的外径相同，接杆折杆转换器7的圆筒内侧在0°、90°、180°、270°方向设有四个弹簧拨珠16。当铰连接的有缆探杆2下行，两杆连接部分通过接杆折杆转换器7，滑移 套筒9相对探杆上移至上限位平台10，铰连接的有缆探杆2为接杆状态。当铰连接的有缆探杆2上行，两杆连接部分通过接杆折杆转换器7，滑移套筒9相对探杆下移至下限位平台11，铰连接的有缆探杆2为折杆状态。所述接杆折杆转换器7的厚度需保证滑移套筒9滑移至上限位平台10位置时，铰连接的有缆探杆2在两杆连接处横截面的抗弯刚度与探杆贯入卡口14处的横截面抗弯刚度一致。

在现场试验贯入地基过程中，有缆探杆2在液压装置下压力作用下通过接杆折杆转换器7时滑移套筒9在弹簧拨珠16推动下向上运动直至到达上限位平台10时停止，并由碰珠定位珠12固定，此时上下两节探杆由滑移套筒9连接形成一个整体，其工作状态如图2(a)所示。现场试验探杆上拔过程中，探杆2在液压马达6带动下通过接杆折杆转换器7时，滑移套筒9在弹簧拨珠16推动下向下运动直至到达下限位平台11时停止，并由碰珠定位珠12固定，此时滑移筒9全部位于下一节静力触探杆上，上下两节探杆可进行转折，其工作状态如图2(b)所示。

下面结合图4有缆探杆自动接杆系统工作状态示意图描述本发明系统的组装和工作流程。

试验准备阶段：将连接静力触探探头1的数据采集电缆15穿过所有的铰连接的有缆探杆2中的穿孔13。将有缆探杆2以一定倾斜角盘绕在正多边形筒状绞盘3上，此时有缆探杆自动接杆装置工作状态如图4(a)所示。将数据采集电缆15与数据采集器8连接后，将有缆探杆自动接杆系统吊装至工作地面。

试验探杆贯入阶段：在试验贯入过程中，有缆探杆2在液压装置(未示出)下压力作用下通过接杆折杆转换器7，滑移套筒9上滑至上限位平台10使有缆探杆2上下两节探杆单元依次接杆。当正多边形筒状绞盘3转动的同时，绞盘滚轴丝杆4驱动正多边形筒状绞盘3沿绞盘滚轴丝杆4轴向运动，此时完成有缆探杆2的接杆和同样深度的贯入试验，对应的工作状态如图4(b)所示。按照以上流程，有缆探杆2不断接杆和下压，直至达到试验所需的贯入深度，在贯入过 程中数据采集器8实时测记静力触探探头1所受到的阻力。在设备所允许的最大贯入深度条件下，此时有缆接杆自动接杆装置工作状态如图4(c)所示。

试验探杆上拔阶段：在试验上拔过程中，有缆探杆2在液压装置(未示出)上拔力作用下通过接杆折杆转换器7，滑移套筒9下滑至下限位平台11，由液压马达6带动，有缆探杆2上下两节依次转折后，以一定倾斜角盘绕在正多边形筒状绞盘3上，直至所有有缆探杆2上拔完毕，有缆探杆自动接杆系统工作状态恢复如图4(a)所示，此时试验结束。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。