本發(fā)明涉及巖土工程原位測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)及靜力觸探試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著海上風(fēng)能利用、潮汐能開發(fā)、油氣資源開發(fā)等海洋資源開發(fā)工程的大規(guī)模建設(shè)，為保證海上構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定，必須確定海上構(gòu)筑物地基—海洋土的工程性質(zhì)。同時(shí)，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(shè)也必須進(jìn)行水下勘察以掌握江河湖底土層的工程性質(zhì)。水下地基土的工程性質(zhì)測(cè)試是土力學(xué)的難點(diǎn)問題。經(jīng)長期的巖土工程實(shí)踐，原位測(cè)試技術(shù)成為了水下巖土工程勘察與地基評(píng)價(jià)中的重要手段之一，尤其是水下靜力觸探試驗(yàn)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

靜力觸探試驗(yàn)Static Cone Penetration Test，簡(jiǎn)稱CPT是巖土工程勘察中常用的測(cè)試方法，是利用準(zhǔn)靜力以恒定的貫入速度將一定規(guī)格和形狀的圓錐探頭通過一系列探桿壓入土中，同時(shí)測(cè)記貫入過程中探頭所受到的阻力，根據(jù)測(cè)得的貫入阻力大小來間接判斷土的物理力學(xué)性質(zhì)并進(jìn)行分層的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。陸上靜力觸探試驗(yàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，也比較成熟。但水下靜力觸探試驗(yàn)非常復(fù)雜。水下靜力觸探設(shè)備主要由以荷蘭為代表的歐美少數(shù)幾個(gè)國家制造。該類設(shè)備有個(gè)共同特點(diǎn)：水下工作平臺(tái)非常笨重，往往以水下工作平臺(tái)自重作為反力系統(tǒng)，在船上進(jìn)行投放時(shí)，對(duì)船上起重設(shè)備要求高；在設(shè)備投放安裝及探桿貫入地基過程中，在船上進(jìn)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(tái)上搭建高度與水深相同的探桿支承塔，是一件費(fèi)工費(fèi)時(shí)又非常危險(xiǎn)的工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供一種有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)及靜力觸探試驗(yàn)方法，可以實(shí)現(xiàn)水下靜力觸探試驗(yàn)過程中有纜探桿的自動(dòng)接桿，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、系統(tǒng)成本低的優(yōu)點(diǎn)，可大幅度提高水下巖土工程原位測(cè)試速度，降低水下原位測(cè)試的試驗(yàn)成本。

本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)，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(dá)、接桿折桿轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器，有纜探桿由多個(gè)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(shè)絞盤滾軸絲桿上，絞盤滾軸絲桿由支架支撐并由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)在帶動(dòng)正多邊形筒狀絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，絞盤滾軸絲桿驅(qū)動(dòng)正多邊形筒狀絞盤沿絞盤滾軸絲桿軸向運(yùn)動(dòng)，保證正多邊形筒狀絞盤在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中有纜探桿在固定位置上通過接桿折桿轉(zhuǎn)換器，靜力觸探探頭與數(shù)據(jù)采集電纜的一端連接，數(shù)據(jù)采集電纜的另一端穿過有纜探桿后與數(shù)據(jù)采集器連接，接桿折桿轉(zhuǎn)換器用于在有纜探桿下行時(shí)將上下兩節(jié)探桿單元依次接桿，上行時(shí)將上下兩節(jié)探桿單元依次轉(zhuǎn)折。

上述技術(shù)方案中，每個(gè)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(shù)方案中，探桿單元中貫穿設(shè)有穿孔，用于穿入數(shù)據(jù)采集電纜。

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

上述技術(shù)方案中，當(dāng)鉸連接的有纜探桿下行，兩桿連接部分通過接桿折桿轉(zhuǎn)換器，滑移套筒相對(duì)探桿上移至上限位平臺(tái)，鉸連接的有纜探桿為接桿狀態(tài)；當(dāng)鉸連接的有纜探桿上行，兩桿連接部分通過接 桿折桿轉(zhuǎn)換器，滑移套筒相對(duì)探桿下移至下限位平臺(tái)，鉸連接的有纜探桿為折桿狀態(tài)。

上述技術(shù)方案中，所述接桿折桿轉(zhuǎn)換器為環(huán)狀圓筒型構(gòu)件，其內(nèi)徑與滑移套筒的外徑相同，接桿折桿轉(zhuǎn)換器的圓筒內(nèi)側(cè)在0°、90°、180°、270°方向設(shè)有四個(gè)彈簧撥珠，上限位平臺(tái)、下限位平臺(tái)對(duì)應(yīng)設(shè)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(zhuǎn)換器時(shí)滑移套筒在彈簧撥珠推動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)上限位平臺(tái)時(shí)停止，并由上限位平臺(tái)的碰珠定位珠固定；探桿在液壓馬達(dá)帶動(dòng)下向上通過接桿折桿轉(zhuǎn)換器時(shí)，滑移套筒在彈簧撥珠推動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)下限位平臺(tái)時(shí)停止，并由下限位平臺(tái)的碰珠定位珠固定。

上述技術(shù)方案中，探桿單元上還設(shè)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(yàn)方法，其特征在于使用上述有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)進(jìn)行，所述方法包括如下步驟：

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段：將連接靜力觸探探頭的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集電纜與數(shù)據(jù)采集器連接后，將有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)吊裝至工作地面；

試驗(yàn)探桿貫入階段：在試驗(yàn)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(zhuǎn)換器，滑移套筒上滑至上限位平臺(tái)使有纜探桿上下兩節(jié)探桿單元依次接桿，當(dāng)正多邊形筒狀絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，絞盤滾軸絲桿驅(qū)動(dòng)正多邊形筒狀絞盤沿絞盤滾軸絲桿軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)完成有纜探桿的接桿和同樣深度的貫入試驗(yàn)，按照以上流程，有纜探桿不斷接桿和下壓，直至達(dá)到試驗(yàn)所需的貫入深度，在貫入過程中數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)測(cè)記靜力觸探探頭所受到的阻力；

試驗(yàn)探桿上拔階段：在試驗(yàn)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(zhuǎn)換器，滑移套筒下滑至下限位平臺(tái)，由液壓馬達(dá)帶動(dòng)，有纜探桿上下兩節(jié)依次轉(zhuǎn)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(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

本發(fā)明完全由機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)有纜探桿的接桿和折桿的轉(zhuǎn)換，具有性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、系統(tǒng)成本低的優(yōu)點(diǎn)，主要用于水下巖土工程原位測(cè)試，也可適用于陸上巖土工程原位測(cè)試。

附圖說明

圖1為本發(fā)明有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)其中一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中有纜探桿的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2(a)為貫入地基時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(b)為上拔時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中接桿折桿轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3a為接桿折桿轉(zhuǎn)換器的俯視圖，圖3b為接桿折桿轉(zhuǎn)換器的側(cè)面剖視圖；

圖4為本發(fā)明有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖，其中圖4a為試驗(yàn)準(zhǔn)備階段的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4b為試驗(yàn)探桿貫入階段的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4c為貫入結(jié)束時(shí)的結(jié)構(gòu)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(dá)；7—接桿折桿轉(zhuǎn)換器；8—數(shù)據(jù)采集器；9—滑移套筒；10—上限位平臺(tái)；11—下限位平臺(tái)；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(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。下面通過參考附圖描述的技術(shù)方案是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

圖1為本發(fā)明有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)其中一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，所述有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)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(dá)6、接桿折桿轉(zhuǎn)換器7、數(shù)據(jù)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(shí)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(gè)相同長度的探桿單元依次鉸鏈連接而成，每個(gè)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(shí)每個(gè)探桿單元與正多邊形筒狀絞盤3的外壁對(duì)應(yīng)貼合。

正多邊形筒狀絞盤3穿設(shè)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(dá)6驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)6驅(qū)動(dòng)絞盤滾軸絲桿4轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)正多邊形筒狀絞盤3轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓馬達(dá)6在帶動(dòng)正多邊形筒狀絞盤3轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，絞盤滾軸絲桿4驅(qū)動(dòng)正多邊形筒狀絞盤3沿絞盤滾軸絲桿4軸向運(yùn)動(dòng)，保證正多邊形筒狀絞盤3在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中有纜探桿2在固定位置上通過接桿折桿轉(zhuǎn)換器7。接桿折桿轉(zhuǎn)換器7位于支架5中間位置，靜力觸探探頭1通過數(shù)據(jù)采集電纜15與數(shù)據(jù)采集器8相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集電纜15位于靜力觸探探頭1和有纜探桿2中。所述數(shù)據(jù)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(zhuǎn)動(dòng)數(shù)轉(zhuǎn)條件下，數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)示意圖，有纜探桿2的相鄰探桿單元的鉸接部設(shè)有滑移套筒9、上限位平臺(tái)10、下限位平臺(tái)11、碰珠定位珠12、探桿貫入卡口14。上限位平臺(tái)10和下限位平臺(tái)11分別為滑移套筒9上下滑動(dòng)的界限，其中上限位平臺(tái)10位于相鄰探桿單元的鉸接部的上端，即位于上節(jié)探桿單元的下部位置，下限位平臺(tái)11位于相鄰探桿單元的鉸接部的下端，即位于下節(jié)探桿單元的上部位置。上限位平臺(tái)10和下限位平臺(tái)11可設(shè)計(jì)為卡槽結(jié)構(gòu)，當(dāng)滑移套筒9滑移到卡槽內(nèi)即受阻不能繼續(xù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)限位功能。探桿單元中貫穿設(shè)有穿孔13，用于穿入數(shù)據(jù)采集電纜15；碰珠定位珠12用于在接桿狀態(tài)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(zhuǎn)換器7為環(huán)狀圓筒型構(gòu)件，其內(nèi)徑與滑移套筒9的外徑相同，接桿折桿轉(zhuǎn)換器7的圓筒內(nèi)側(cè)在0°、90°、180°、270°方向設(shè)有四個(gè)彈簧撥珠16。當(dāng)鉸連接的有纜探桿2下行，兩桿連接部分通過接桿折桿轉(zhuǎn)換器7，滑移 套筒9相對(duì)探桿上移至上限位平臺(tái)10，鉸連接的有纜探桿2為接桿狀態(tài)。當(dāng)鉸連接的有纜探桿2上行，兩桿連接部分通過接桿折桿轉(zhuǎn)換器7，滑移套筒9相對(duì)探桿下移至下限位平臺(tái)11，鉸連接的有纜探桿2為折桿狀態(tài)。所述接桿折桿轉(zhuǎn)換器7的厚度需保證滑移套筒9滑移至上限位平臺(tái)10位置時(shí)，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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(zhuǎn)換器7時(shí)滑移套筒9在彈簧撥珠16推動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)上限位平臺(tái)10時(shí)停止，并由碰珠定位珠12固定，此時(shí)上下兩節(jié)探桿由滑移套筒9連接形成一個(gè)整體，其工作狀態(tài)如圖2(a)所示?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探桿上拔過程中，探桿2在液壓馬達(dá)6帶動(dòng)下通過接桿折桿轉(zhuǎn)換器7時(shí)，滑移套筒9在彈簧撥珠16推動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)下限位平臺(tái)11時(shí)停止，并由碰珠定位珠12固定，此時(shí)滑移筒9全部位于下一節(jié)靜力觸探桿上，上下兩節(jié)探桿可進(jìn)行轉(zhuǎn)折，其工作狀態(tài)如圖2(b)所示。

下面結(jié)合圖4有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖描述本發(fā)明系統(tǒng)的組裝和工作流程。

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段：將連接靜力觸探探頭1的數(shù)據(jù)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(shí)有纜探桿自動(dòng)接桿裝置工作狀態(tài)如圖4(a)所示。將數(shù)據(jù)采集電纜15與數(shù)據(jù)采集器8連接后，將有纜探桿自動(dòng)接桿系統(tǒng)吊裝至工作地面。

試驗(yàn)探桿貫入階段：在試驗(yàn)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(zhuǎn)換器7，滑移套筒9上滑至上限位平臺(tái)10使有纜探桿2上下兩節(jié)探桿單元依次接桿。當(dāng)正多邊形筒狀絞盤3轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，絞盤滾軸絲桿4驅(qū)動(dòng)正多邊形筒狀絞盤3沿絞盤滾軸絲桿4軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)完成有纜探桿2的接桿和同樣深度的貫入試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)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(dá)到試驗(yàn)所需的貫入深度，在貫入過 程中數(shù)據(jù)采集器8實(shí)時(shí)測(cè)記靜力觸探探頭1所受到的阻力。在設(shè)備所允許的最大貫入深度條件下，此時(shí)有纜接桿自動(dòng)接桿裝置工作狀態(tài)如圖4(c)所示。

試驗(yàn)探桿上拔階段：在試驗(yàn)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(zhuǎn)換器7，滑移套筒9下滑至下限位平臺(tái)11，由液壓馬達(dá)6帶動(dòng)，有纜探桿2上下兩節(jié)依次轉(zhuǎn)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(dòng)接桿系統(tǒng)工作狀態(tài)恢復(fù)如圖4(a)所示，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。