一種有纜探桿自動接桿系統及靜力觸探試驗方法與流程

本發明涉及巖土工程原位測試技術領域，具體是一種有纜探桿自動接桿系統及靜力觸探試驗方法。

背景技術：

隨著海上風能利用、潮汐能開發、油氣資源開發等海洋資源開發工程的大規模建設，為保證海上構筑物的安全穩定，必須確定海上構筑物地基—海洋土的工程性質。同時，在江河湖泊等涉水工程中，大量的涉水建筑物、水底隧道工程建設也必須進行水下勘察以掌握江河湖底土層的工程性質。水下地基土的工程性質測試是土力學的難點問題。經長期的巖土工程實踐，原位測試技術成為了水下巖土工程勘察與地基評價中的重要手段之一，尤其是水下靜力觸探試驗技術得到廣泛應用。

靜力觸探試驗Static Cone Penetration Test，簡稱CPT是巖土工程勘察中常用的測試方法，是利用準靜力以恒定的貫入速度將一定規格和形狀的圓錐探頭通過一系列探桿壓入土中，同時測記貫入過程中探頭所受到的阻力，根據測得的貫入阻力大小來間接判斷土的物理力學性質并進行分層的現場試驗方法。陸上靜力觸探試驗相對比較簡單，也比較成熟。但水下靜力觸探試驗非常復雜。水下靜力觸探設備主要由以荷蘭為代表的歐美少數幾個國家制造。該類設備有個共同特點：水下工作平臺非常笨重，往往以水下工作平臺自重作為反力系統，在船上進行投放時，對船上起重設備要求高；在設備投放安裝及探桿貫入地基過程中，在船上進行人工接桿，為防止地基表面以上探桿在自重、水流、潮汐和海浪作用下生折斷，往往在水下工作平臺上搭建高度與水深相同的探桿支承塔，是一件費工費時又非常危險的工作。

技術實現要素：

針對現有技術的上述不足，本發明提供一種有纜探桿自動接桿系統及靜力觸探試驗方法，可以實現水下靜力觸探試驗過程中有纜探桿的自動接桿，該系統具有性能穩定、操作簡便、系統成本低的優點，可大幅度提高水下巖土工程原位測試速度，降低水下原位測試的試驗成本。

本發明的目的是通過如下技術方案實現的：

一種有纜探桿自動接桿系統，包括靜力觸探探頭、有纜探桿、正多邊形筒狀絞盤、絞盤滾軸絲桿、支架、液壓馬達、接桿折桿轉換器、數據采集器，有纜探桿由多個探桿單元依次鉸鏈連接而成，有纜探桿可以一定傾斜角盤繞在正多邊形筒狀絞盤上，靜力觸探探頭與有纜探桿的首端連接，正多邊形筒狀絞盤穿設絞盤滾軸絲桿上，絞盤滾軸絲桿由支架支撐并由液壓馬達驅動，液壓馬達在帶動正多邊形筒狀絞盤轉動的同時，絞盤滾軸絲桿驅動正多邊形筒狀絞盤沿絞盤滾軸絲桿軸向運動，保證正多邊形筒狀絞盤在轉動過程中有纜探桿在固定位置上通過接桿折桿轉換器，靜力觸探探頭與數據采集電纜的一端連接，數據采集電纜的另一端穿過有纜探桿后與數據采集器連接，接桿折桿轉換器用于在有纜探桿下行時將上下兩節探桿單元依次接桿，上行時將上下兩節探桿單元依次轉折。

上述技術方案中，每個探桿單元的長度與正多邊形筒狀絞盤的邊長相同或接近。

上述技術方案中，探桿單元中貫穿設有穿孔，用于穿入數據采集電纜。

上述技術方案中，有纜探桿的相鄰探桿單元的鉸接部設有滑移套筒、上限位平臺、下限位平臺，上限位平臺和下限位平臺分別為滑移套筒上下滑動的界限，其中上限位平臺位于相鄰探桿單元的鉸接部的上端，下限位平臺位于相鄰探桿單元的鉸接部的下端。

上述技術方案中，當鉸連接的有纜探桿下行，兩桿連接部分通過接桿折桿轉換器，滑移套筒相對探桿上移至上限位平臺，鉸連接的有纜探桿為接桿狀態；當鉸連接的有纜探桿上行，兩桿連接部分通過接 桿折桿轉換器，滑移套筒相對探桿下移至下限位平臺，鉸連接的有纜探桿為折桿狀態。

上述技術方案中，所述接桿折桿轉換器為環狀圓筒型構件，其內徑與滑移套筒的外徑相同，接桿折桿轉換器的圓筒內側在0°、90°、180°、270°方向設有四個彈簧撥珠，上限位平臺、下限位平臺對應設有碰珠定位珠，有纜探桿在液壓裝置下壓力作用下通過接桿折桿轉換器時滑移套筒在彈簧撥珠推動下向上運動直至到達上限位平臺時停止，并由上限位平臺的碰珠定位珠固定；探桿在液壓馬達帶動下向上通過接桿折桿轉換器時，滑移套筒在彈簧撥珠推動下向下運動直至到達下限位平臺時停止，并由下限位平臺的碰珠定位珠固定。

上述技術方案中，探桿單元上還設有探桿貫入卡口，作為探頭貫入地基液壓裝置的夾持位置。

一種巖土工程原位靜力觸探試驗方法，其特征在于使用上述有纜探桿自動接桿系統進行，所述方法包括如下步驟：

試驗準備階段：將連接靜力觸探探頭的數據采集電纜穿過所有的鉸連接的有纜探桿中的穿孔，將有纜探桿以一定傾斜角盤繞在正多邊形筒狀絞盤上，將數據采集電纜與數據采集器連接后，將有纜探桿自動接桿系統吊裝至工作地面；

試驗探桿貫入階段：在試驗貫入過程中，有纜探桿在液壓裝置下壓力作用下通過接桿折桿轉換器，滑移套筒上滑至上限位平臺使有纜探桿上下兩節探桿單元依次接桿，當正多邊形筒狀絞盤轉動的同時，絞盤滾軸絲桿驅動正多邊形筒狀絞盤沿絞盤滾軸絲桿軸向運動，此時完成有纜探桿的接桿和同樣深度的貫入試驗，按照以上流程，有纜探桿不斷接桿和下壓，直至達到試驗所需的貫入深度，在貫入過程中數據采集器實時測記靜力觸探探頭所受到的阻力；

試驗探桿上拔階段：在試驗上拔過程中，有纜探桿在液壓裝置上拔力作用下通過接桿折桿轉換器，滑移套筒下滑至下限位平臺，由液壓馬達帶動，有纜探桿上下兩節依次轉折后，以一定傾斜角盤繞在正多邊形筒狀絞盤上，直至所有有纜探桿上拔完畢，此時試驗結束。

本發明完全由機械裝置實現有纜探桿的接桿和折桿的轉換，具有性能穩定、操作簡便、系統成本低的優點，主要用于水下巖土工程原位測試，也可適用于陸上巖土工程原位測試。

附圖說明

圖1為本發明有纜探桿自動接桿系統其中一個實施例的結構示意圖；

圖2為本發明中有纜探桿的結構示意圖，其中圖2(a)為貫入地基時的結構示意圖，圖2(b)為上拔時的結構示意圖；

圖3為本發明中接桿折桿轉換器的結構示意圖，其中圖3a為接桿折桿轉換器的俯視圖，圖3b為接桿折桿轉換器的側面剖視圖；

圖4為本發明有纜探桿自動接桿系統工作狀態示意圖，其中圖4a為試驗準備階段的結構示意圖，圖4b為試驗探桿貫入階段的結構示意圖，圖4c為貫入結束時的結構示意圖。

圖中：1—靜力觸探探頭；2—有纜探桿；3—正多邊形筒狀絞盤；4—絞盤滾軸絲桿；5—支架；6—液壓馬達；7—接桿折桿轉換器；8—數據采集器；9—滑移套筒；10—上限位平臺；11—下限位平臺；12—碰珠定位珠；13—穿孔；14—探桿貫入卡口；15—電纜，16—彈簧撥珠。

具體實施方式

下面將結合本發明中的附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述。下面通過參考附圖描述的技術方案是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。

圖1為本發明有纜探桿自動接桿系統其中一個實施例的結構示意圖，所述有纜探桿自動接桿系統包括靜力觸探探頭1、有纜探桿2、正多邊形筒狀絞盤3、絞盤滾軸絲桿4、支架5、液壓馬達6、接桿折桿轉換器7、數據采集器8。

靜力觸探探頭1通過螺紋與鉸連接的有纜探桿2首端連接，鉸連接的有纜探桿2以一定傾斜角盤繞在正多邊形筒狀絞盤3上(本實施例為正六邊形)，尾端與正多邊形筒狀絞盤3固定。有纜探桿2由多 個相同長度的探桿單元依次鉸鏈連接而成，每個探桿單元的長度與正多邊形筒狀絞盤3的邊長相同或接近，以使得有纜探桿2盤繞時每個探桿單元與正多邊形筒狀絞盤3的外壁對應貼合。

正多邊形筒狀絞盤3穿設絞盤滾軸絲桿4上，絞盤滾軸絲桿4由支架5支撐并由液壓馬達6驅動，液壓馬達6驅動絞盤滾軸絲桿4轉動，進而帶動正多邊形筒狀絞盤3轉動。液壓馬達6在帶動正多邊形筒狀絞盤3轉動的同時，絞盤滾軸絲桿4驅動正多邊形筒狀絞盤3沿絞盤滾軸絲桿4軸向運動，保證正多邊形筒狀絞盤3在轉動過程中有纜探桿2在固定位置上通過接桿折桿轉換器7。接桿折桿轉換器7位于支架5中間位置，靜力觸探探頭1通過數據采集電纜15與數據采集器8相連實現數據采集，數據采集電纜15位于靜力觸探探頭1和有纜探桿2中。所述數據采集電纜15穿過所有鉸連接的有纜探桿2后從絞盤滾軸絲桿4中心穿出，在正六邊形筒狀絞盤3轉動數轉條件下，數據采集電纜15可正常工作。

如圖2(a)和圖2(b)所示為鉸連接的有纜探桿2結構示意圖，有纜探桿2的相鄰探桿單元的鉸接部設有滑移套筒9、上限位平臺10、下限位平臺11、碰珠定位珠12、探桿貫入卡口14。上限位平臺10和下限位平臺11分別為滑移套筒9上下滑動的界限，其中上限位平臺10位于相鄰探桿單元的鉸接部的上端，即位于上節探桿單元的下部位置，下限位平臺11位于相鄰探桿單元的鉸接部的下端，即位于下節探桿單元的上部位置。上限位平臺10和下限位平臺11可設計為卡槽結構，當滑移套筒9滑移到卡槽內即受阻不能繼續移動，實現限位功能。探桿單元中貫穿設有穿孔13，用于穿入數據采集電纜15；碰珠定位珠12用于在接桿狀態下固定滑移套筒9；探桿貫入卡口14為探頭貫入地基液壓裝置的夾持位置。

如圖3(a)和圖3(b)所示，所述接桿折桿轉換器7為環狀圓筒型構件，其內徑與滑移套筒9的外徑相同，接桿折桿轉換器7的圓筒內側在0°、90°、180°、270°方向設有四個彈簧撥珠16。當鉸連接的有纜探桿2下行，兩桿連接部分通過接桿折桿轉換器7，滑移 套筒9相對探桿上移至上限位平臺10，鉸連接的有纜探桿2為接桿狀態。當鉸連接的有纜探桿2上行，兩桿連接部分通過接桿折桿轉換器7，滑移套筒9相對探桿下移至下限位平臺11，鉸連接的有纜探桿2為折桿狀態。所述接桿折桿轉換器7的厚度需保證滑移套筒9滑移至上限位平臺10位置時，鉸連接的有纜探桿2在兩桿連接處橫截面的抗彎剛度與探桿貫入卡口14處的橫截面抗彎剛度一致。

在現場試驗貫入地基過程中，有纜探桿2在液壓裝置下壓力作用下通過接桿折桿轉換器7時滑移套筒9在彈簧撥珠16推動下向上運動直至到達上限位平臺10時停止，并由碰珠定位珠12固定，此時上下兩節探桿由滑移套筒9連接形成一個整體，其工作狀態如圖2(a)所示。現場試驗探桿上拔過程中，探桿2在液壓馬達6帶動下通過接桿折桿轉換器7時，滑移套筒9在彈簧撥珠16推動下向下運動直至到達下限位平臺11時停止，并由碰珠定位珠12固定，此時滑移筒9全部位于下一節靜力觸探桿上，上下兩節探桿可進行轉折，其工作狀態如圖2(b)所示。

下面結合圖4有纜探桿自動接桿系統工作狀態示意圖描述本發明系統的組裝和工作流程。

試驗準備階段：將連接靜力觸探探頭1的數據采集電纜15穿過所有的鉸連接的有纜探桿2中的穿孔13。將有纜探桿2以一定傾斜角盤繞在正多邊形筒狀絞盤3上，此時有纜探桿自動接桿裝置工作狀態如圖4(a)所示。將數據采集電纜15與數據采集器8連接后，將有纜探桿自動接桿系統吊裝至工作地面。

試驗探桿貫入階段：在試驗貫入過程中，有纜探桿2在液壓裝置(未示出)下壓力作用下通過接桿折桿轉換器7，滑移套筒9上滑至上限位平臺10使有纜探桿2上下兩節探桿單元依次接桿。當正多邊形筒狀絞盤3轉動的同時，絞盤滾軸絲桿4驅動正多邊形筒狀絞盤3沿絞盤滾軸絲桿4軸向運動，此時完成有纜探桿2的接桿和同樣深度的貫入試驗，對應的工作狀態如圖4(b)所示。按照以上流程，有纜探桿2不斷接桿和下壓，直至達到試驗所需的貫入深度，在貫入過 程中數據采集器8實時測記靜力觸探探頭1所受到的阻力。在設備所允許的最大貫入深度條件下，此時有纜接桿自動接桿裝置工作狀態如圖4(c)所示。

試驗探桿上拔階段：在試驗上拔過程中，有纜探桿2在液壓裝置(未示出)上拔力作用下通過接桿折桿轉換器7，滑移套筒9下滑至下限位平臺11，由液壓馬達6帶動，有纜探桿2上下兩節依次轉折后，以一定傾斜角盤繞在正多邊形筒狀絞盤3上，直至所有有纜探桿2上拔完畢，有纜探桿自動接桿系統工作狀態恢復如圖4(a)所示，此時試驗結束。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。