一種應用于海床液化的監(jiān)測探桿，屬于海洋工程。

背景技術(shù)：

1、海床，作為海洋的底部，其穩(wěn)定性對于海洋工程、海洋環(huán)境以及人類的活動都具有至關(guān)重要的意義。海床可能受到各種自然或人為因素的影響，其中海床液化是較為常見的一種現(xiàn)場，在實際海洋環(huán)境中，海洋液化對工程和環(huán)境問題具有重要影響。

2、在現(xiàn)有技術(shù)中針對海床液化的計算模型中，常將海床當作固態(tài)處理，然而在實際海洋環(huán)境中，海床容易在強烈波浪作用下的發(fā)生海床波致液化的現(xiàn)象，實際上，液化后的海床已經(jīng)變?yōu)榱黧w，粘性波動是其重要的流體特征，對其運動和力學行為的描述應該從流體力學的角度進行，并且在室內(nèi)水槽試驗、離心機試驗以及現(xiàn)場監(jiān)測中觀察到的液化深度自上而下的漸進發(fā)展是海床波致液化的重要特征。

3、目前，為了對海床波致液化自上而下漸進發(fā)展的特點進行數(shù)學描述，sassa結(jié)合雙層流體理論和多孔彈塑性模型開發(fā)了移動邊界模型，liu等在此基礎(chǔ)上考慮了液化土的粘性，所提出的模型均以下部未液化海床為固態(tài)，基于上部已液化海床對底施加的循環(huán)波壓力為動力源，解釋液化深度繼續(xù)向下發(fā)展的現(xiàn)象。雖然該方案解決了液化向下漸進發(fā)展的問題，但是其僅使用了波浪對底床壓力數(shù)據(jù)，在液化發(fā)展到一定深度后，因未考慮波動液化土體的近底水平速度較大而產(chǎn)生的拖曳沖刷作用，計算的液化深度還是偏小，不符合波致海床液化的物理實質(zhì)。

4、對于粉質(zhì)土海床，液化后土體的粘性很大，根據(jù)拖球法和落球法對液化粉質(zhì)土粘滯系數(shù)的測量，其值為1~10kpa·s的量級。高粘性流體因其內(nèi)部粘性耗散，波動能力驟減，其對底的波壓力是很小的，相應地難以使下部未液化海床因動力響應而累積較高的孔隙水壓力。而通過室內(nèi)水槽試驗觀察到清水波動對底床作用與液化土波動對未液化底床作用的不同：

5、清水波動對底床的作用主要通過近底水流施加于底床表面的剪切力，該剪切力作用于床面后使土顆粒受到拖曳力和上舉力而發(fā)生起動，這是傳統(tǒng)認識的水流沖刷泥沙的機制；然而，液化土體是一種包含大量懸浮土顆粒的高密度流體（密度可達1800?kg/m3），波動液化土中的土顆粒在近底的水平運動會對其下部未液化土體表面的土顆粒施加作用力，從而加速其起動，即波動的液化土對下部未液化土產(chǎn)生了固-固顆粒的摩擦作用，這將改變傳統(tǒng)認識的水流沖刷泥沙的機制。

6、通過室內(nèi)水槽試驗發(fā)現(xiàn)液化海床在其與下部未液化海床的界面處的水平速度不為零，處于波動狀態(tài)的高粘性液化粉質(zhì)土必然會對下伏未液化海床表面施加比水體更大的剪應力，從而拖曳和沖刷下部土體，這一界面剪應力或為粉質(zhì)土海床液化深度繼續(xù)向下發(fā)展的動力源，目前缺乏針對海床液化時剪應力檢測的技術(shù)方案。

7、申請?zhí)枮?02410030707.0，申請日為2024年1月9日，專利名稱為“一種海床液化變形監(jiān)測和預警裝置及方法”的中國發(fā)明專利中公開了一種技術(shù)方案，在技術(shù)方案中設(shè)置監(jiān)測桿，并沿監(jiān)測桿滑動的設(shè)置有環(huán)形可滑動監(jiān)測艙，其內(nèi)設(shè)置有用于監(jiān)測海床上層土體的孔隙水壓力傳感器與土壓力傳感器，進一步利用終端系統(tǒng)，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)并發(fā)出相應的預警信息。然而在該技術(shù)方案中，可滑動監(jiān)測艙始終位于海床上層土體表面，并且在該技術(shù)方案中，也并未實現(xiàn)處于波動狀態(tài)的高粘性液化粉質(zhì)土所帶來的剪應力的監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)置有可伸縮設(shè)置的監(jiān)測板，利用監(jiān)測板表面的浮動板，處于波動狀態(tài)的高粘性液化粉質(zhì)土所帶來的剪應力會推動浮動板產(chǎn)生位移，利用與浮動板連接的傳感器實現(xiàn)了對海床剪應力的監(jiān)測，以便進一步對波致海床液化進行分析和研究的應用于海床液化的監(jiān)測探桿。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該應用于海床液化的監(jiān)測探桿，包括桿體，沿桿體的軸向依次布置有多個測量機構(gòu)，其特征在于：測量機構(gòu)包括設(shè)置在桿體內(nèi)的多組測量板，測量板在驅(qū)動機構(gòu)的帶動下沿桿體的徑向可伸縮的設(shè)置在桿體內(nèi)；在測量板的表面設(shè)置有測試腔，在測試腔的端口處浮動設(shè)置有浮動板，在測試腔內(nèi)設(shè)置有與浮動板相連，用于檢測浮動板浮動力的傳感器。

3、優(yōu)選的，傳感器為拉壓傳感器，在拉壓傳感器的感應端設(shè)置有擺動軸，擺動軸向上延伸至浮動板處，并與浮動板垂直固定。

4、優(yōu)選的，在傳感器的側(cè)部還設(shè)置有對浮動板進行支撐的支撐機構(gòu)。

5、優(yōu)選的，支撐機構(gòu)包括設(shè)置在傳感器兩側(cè)的軌道座，在軌道座內(nèi)分別卡裝有滾輪，滾輪包括間隔設(shè)置的兩個輪體，自兩個輪體之間引出擺動軸，擺動軸的延伸至浮動板的下表面處并垂直固定。

6、優(yōu)選的，驅(qū)動機構(gòu)包括設(shè)置在桿體頂部的驅(qū)動電機，驅(qū)動電機的電機軸與驅(qū)動軸同軸固定，驅(qū)動軸向下延伸至桿體的下部；在驅(qū)動軸上設(shè)置有與監(jiān)測板一一對應的驅(qū)動盤，驅(qū)動盤為偏心盤，驅(qū)動盤與監(jiān)測板接觸。

7、優(yōu)選的，在桿體的內(nèi)壁上設(shè)置有與監(jiān)測板一一對應的導向套，監(jiān)測板位于相應的導向套內(nèi)。

8、優(yōu)選的，在桿體的內(nèi)壁上還設(shè)置有與導向套一一相對而設(shè)的固定臺，在監(jiān)測板的四角處分別設(shè)置有一條復位彈簧，復位彈簧的另一端對固定在固定臺表面。

9、優(yōu)選的，在浮動板表面與測試腔之間的間隙處設(shè)置有攔沙膜，在測試腔內(nèi)還設(shè)置有環(huán)形的擋沙板，傳感器以及支撐機構(gòu)位于擋沙板內(nèi)側(cè)。

10、優(yōu)選的，在桿體的表面，沿桿體的軸向開設(shè)有若干檢測孔，在每一個檢測孔內(nèi)分別設(shè)置有壓力傳感器。

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果是：

12、在本應用于海床液化的監(jiān)測探桿中，設(shè)置有可伸縮設(shè)置的監(jiān)測板，利用監(jiān)測板表面的浮動板，處于波動狀態(tài)的高粘性液化粉質(zhì)土所帶來的剪應力會推動浮動板產(chǎn)生位移，利用與浮動板連接的傳感器實現(xiàn)了對海床剪應力的監(jiān)測，以便進一步對波致海床液化進行分析和研究。

13、在本應用于海床液化的監(jiān)測探桿中，通過設(shè)置定位體，避免驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動時發(fā)生擺動，提高了驅(qū)動軸的穩(wěn)定性。

14、在浮動板表面與測試腔之間的間隙處設(shè)置有攔沙膜，通過攔沙膜將浮動板與測試腔之間的間隙進行封閉，避免海床的沙土進入。

技術(shù)特征：

1.一種應用于海床液化的監(jiān)測探桿，包括桿體（2），沿桿體（2）的軸向依次布置有多個測量機構(gòu)，其特征在于：測量機構(gòu)包括設(shè)置在桿體（2）內(nèi)的多組測量板（4），測量板（4）在驅(qū)動機構(gòu)的帶動下沿桿體（2）的徑向可伸縮的設(shè)置在桿體（2）內(nèi)；在測量板（4）的表面設(shè)置有測試腔（16），在測試腔（16）的端口處浮動設(shè)置有浮動板（10），在測試腔（16）內(nèi)設(shè)置有與浮動板（10）相連，用于檢測浮動板（10）浮動力的傳感器。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應用于海床液化的監(jiān)測探桿，其特征在于：傳感器為拉壓傳感器（19），在拉壓傳感器（19）的感應端設(shè)置有傳動桿（14），傳動桿（14）向上延伸至浮動板（10）處，并與浮動板（10）垂直固定。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的應用于海床液化的監(jiān)測探桿，其特征在于：在傳感器的側(cè)部還設(shè)置有對浮動板（10）進行支撐的支撐機構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應用于海床液化的監(jiān)測探桿，其特征在于：支撐機構(gòu)包括設(shè)置在傳感器兩側(cè)的軌道座（17），在軌道座（17）內(nèi)分別卡裝有滾輪（18），滾輪（18）包括間隔設(shè)置的兩個輪體，自兩個輪體之間引出擺動軸（15），擺動軸（15）的延伸至浮動板（10）的下表面處并垂直固定。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應用于海床液化的監(jiān)測探桿，其特征在于：驅(qū)動機構(gòu)包括設(shè)置在桿體（2）頂部的驅(qū)動電機（1），驅(qū)動電機（1）的電機軸與驅(qū)動軸（5）同軸固定，驅(qū)動軸（5）向下延伸至桿體（2）的下部；在驅(qū)動軸（5）上設(shè)置有與監(jiān)測板（4）一一對應的驅(qū)動盤（7），驅(qū)動盤（7）為偏心盤，驅(qū)動盤（7）與監(jiān)測板（4）接觸。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應用于海床液化的監(jiān)測探桿，其特征在于：在桿體（2）的內(nèi)壁上設(shè)置有與監(jiān)測板（4）一一對應的導向套（6），監(jiān)測板（4）位于相應的導向套（6）內(nèi)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應用于海床液化的監(jiān)測探桿，其特征在于：在桿體（2）的內(nèi)壁上還設(shè)置有與導向套（6）一一相對而設(shè)的固定臺（12），在監(jiān)測板（4）的四角處分別設(shè)置有一條復位彈簧（11），復位彈簧（11）的另一端對固定在固定臺（12）表面。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應用于海床液化的監(jiān)測探桿，其特征在于：在浮動板（10）表面與測試腔（16）之間的間隙處設(shè)置有攔沙膜（13），在測試腔（16）內(nèi)還設(shè)置有環(huán)形的擋沙板（21），傳感器以及支撐機構(gòu)位于擋沙板（21）內(nèi)側(cè)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應用于海床液化的監(jiān)測探桿，其特征在于：在桿體（2）的表面，沿桿體（2）的軸向開設(shè)有若干檢測孔，在每一個檢測孔內(nèi)分別設(shè)置有壓力傳感器（3）。

技術(shù)總結(jié)
一種應用于海床液化的監(jiān)測探桿，屬于海洋工程技術(shù)領(lǐng)域。包括桿體（2），沿桿體（2）的軸向依次布置有多個測量機構(gòu)，其特征在于：測量機構(gòu)包括多組測量板（4），測量板（4）在驅(qū)動機構(gòu)的帶動下可伸縮的設(shè)置在桿體（2）內(nèi)；在測量板（4）的表面設(shè)置有測試腔（16），在測試腔（16）的端口處浮動設(shè)置有浮動板（10），在測試腔（16）內(nèi)設(shè)置有用于檢測浮動板（10）浮動力的傳感器。在本應用于海床液化的監(jiān)測探桿中，設(shè)置有可伸縮設(shè)置的監(jiān)測板，利用監(jiān)測板表面的浮動板，處于波動狀態(tài)的高粘性液化粉質(zhì)土所帶來的剪應力會推動浮動板產(chǎn)生位移，利用與浮動板連接的傳感器實現(xiàn)了對海床剪應力的監(jiān)測，以便進一步對波致海床液化進行分析和研究。

技術(shù)研發(fā)人員：劉志欽,任曉輝,任宇鵬,譚海東,許國輝
受保護的技術(shù)使用者：中國海洋大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6