本發(fā)明涉及巖土工程測試，尤其涉及一種自落式多功能原位測試裝置及方法。

背景技術：

1、河湖底泥作為儲存水體污染物的重要載體，在開展大區(qū)域水環(huán)境治理工作時，勘察的首要任務就是查明底泥的分布范圍、厚度和獲取其力學指標。河湖底泥普遍分布面積廣，勘察工作量大，工期緊，且底泥的固有特性(如高靈敏度、呈流塑狀等)導致傳統(tǒng)鉆探方法難以滿足經(jīng)濟、高效的勘測要求。

2、傳統(tǒng)的原位測試裝置雖然可以快速、連續(xù)地對基本保持天然狀態(tài)的原位巖土體進行試驗，但測試平臺布置困難，且較多依賴于人工，自動化程度低。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種自落式多功能原位測試裝置及方法，能夠解決現(xiàn)在原位測試裝置的測試平臺布置困難，自動化程度低的技術問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設計了一種自落式多功能原位測試裝置，包括沿土體貫入方向由上向下依次設置的動力系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、貫入系統(tǒng)，

3、所述動力系統(tǒng)包括運動尾翼、連接桿、電機，所述連接桿的內(nèi)部為中空結(jié)構，所述電機設置在連接桿的內(nèi)壁，所述運動尾翼設置在連接桿的頂部；

4、所述剪切系統(tǒng)包括剪切板、動力軸，所述動力軸沿連接桿長度方向設置在連接桿的內(nèi)部，動力軸的頂部與電機的輸出端連接，所述剪切板沿連接桿長度方向活動設置在連接桿的外部，剪切板的兩端通過橫向連桿與動力軸連接；

5、所述貫入系統(tǒng)包括觸探探頭，所述觸探探頭設置在連接桿的底部。

6、作為優(yōu)選方案，所述剪切板由兩塊弧形板組成，兩塊弧形板的兩端分別與橫向連桿的末端鉸接，兩個橫向連桿的中部與動力軸剛性連接。

7、進一步地，兩塊弧形板合起來拼接成一個閉合的圓筒，兩塊弧形板展開后的長度即為被測試土體的有效剪切直徑。

8、進一步地，所述觸探探頭包括本體和兩個探針，所述兩個探針分別設置在本體的兩端，探針的測頭指向本體的外側(cè)。

9、進一步地，所述探針為圓錐體，錐尖角為鈍角。

10、作為優(yōu)選方案，所述動力系統(tǒng)還包括信息收集器，所述信息收集器設置在本體內(nèi)部。

11、作為優(yōu)選方案，所述剪切系統(tǒng)還包括與信息收集器電連接的扭矩傳感器，所述扭矩傳感器設置在連接桿的內(nèi)壁，扭矩傳感器位于剪切板的上方。

12、作為優(yōu)選方案，所述貫入系統(tǒng)還包括與信息收集器電連接的運動傳感器，所述運動傳感器設置在本體內(nèi)部。

13、本發(fā)明還設計了一種自落式多功能原位測試方法，包括以下步驟，

14、載運設備將上述自落式多功能原位測試裝置運輸至測試點，該測試裝置提升一定高度，通過下落式自由落體運動貫入被測試土體；該測試裝置下落時，運動尾翼根據(jù)其阻力大小調(diào)整方向，使觸探探頭保持豎向下落；

15、觸探探頭的探針貫入土體時承受一定阻力，運動傳感器記錄加速度大小和運動情況，并傳送至信息收集器；

16、電機產(chǎn)生動力使兩塊弧形剪切板打開，并提供扭矩使其轉(zhuǎn)動；當轉(zhuǎn)動若干次后，軟弱土體已經(jīng)完全擾動，其阻力會逐漸減小至一個定值，扭矩傳感器記錄最大扭矩值和終止扭矩值，并傳輸至信息收集器；

17、將信息收集器收集的數(shù)據(jù)導出分析，得到土體的分類、不排水抗剪強度和靈敏度。

18、作為優(yōu)選方案，所述不排水抗剪強度的計算方法如下，

19、當剪切系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時，在土體阻力作用下，兩塊弧形剪切板張開，切削土體，剪切范圍呈圓柱體狀，該圓柱體有效剪切直徑d＝8d/3，剪切側(cè)面為圓柱體側(cè)面，兩塊弧形剪切板張開后破壞時力矩m1為：

20、m1＝cuπdh×0.5d

21、圓柱體端面的力矩m2為：

22、

23、被測試土體破壞時的力矩m為：

24、

25、得出被測試土體的不排水抗剪強度cu為：

26、

27、式中，d為剪切系統(tǒng)的直徑，d為圓柱體的有效剪切直徑，h為圓柱體的高度，m1為剪切板張開后破壞時力矩，m2為圓柱體端面的力矩，m為被測試土體破壞時的力矩，cu為被測試土體的不排水抗剪強度。

28、本發(fā)明的有益效果：

29、本發(fā)明涉及的自落式多功能原位測試裝置作為一種新型便攜式原位測試設備，具有操作簡便，測試方式靈活等優(yōu)勢。自落式多功能原位測試裝置在測試時，測試裝置通常先進行自由下落運動，以一定的速度貫入到水底軟弱沉積物中，通過對下落貫入過程中的加速度等運動參數(shù)進行測試，可以用于沉積物的工程地質(zhì)特性分析，通過剪切測試，可以進一步評價如不排水抗剪強度與靈敏度等水底軟弱沉積物巖土工程特性。與傳統(tǒng)的貫入儀和剪切儀相比，自落式原位測試裝置無需借助外部的加載裝置，測量更加便捷，既可以降低勘測成本也可提高勘測效率。在軟弱沉積物類型劃分和沉積物力學指標測定。測試平臺布置方便，測試效率和準確性高。

30、本發(fā)明涉及的測試方法將本裝置吊裝至測試點投擲，使其自由下落，可以貫入至軟弱土層中，測試和記錄其貫入軟弱土過程中的運動參數(shù)，獲取土層特性；通過打開弧形剪切板，使其轉(zhuǎn)動，獲取軟弱土層不排水抗剪強度。測試過程簡單，不需要過多依靠人工，自動化程度高。

31、因此，本發(fā)明能夠解決現(xiàn)在原位測試裝置的測試平臺布置困難，自動化程度低的技術問題。

技術特征：

1.一種自落式多功能原位測試裝置，其特征在于：包括沿土體貫入方向由上向下依次設置的動力系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、貫入系統(tǒng)，

2.根據(jù)權利要求1所述的一種自落式多功能原位測試裝置，其特征在于：所述剪切板(5)由兩塊弧形板組成，兩塊弧形剪切板(5)的兩端分別與橫向連桿(10)的末端鉸接，兩個橫向連桿(10)的中部與動力軸(6)剛性連接。

3.根據(jù)權利要求2所述的一種自落式多功能原位測試裝置，其特征在于：兩塊弧形板合起來拼接成一個閉合的圓筒，兩塊弧形板展開后的長度即為被測試土體的有效剪切直徑。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種自落式多功能原位測試裝置，其特征在于：所述觸探探頭(8)包括本體(81)和兩個探針(82)，所述兩個探針(82)分別設置在本體(81)的兩端，探針(82)的測頭指向本體(81)的外側(cè)。

5.根據(jù)權利要求4所述的一種自落式多功能原位測試裝置，其特征在于：所述探針(82)為圓錐體，錐尖角為鈍角。

6.根據(jù)權利要求4所述的一種自落式多功能原位測試裝置，其特征在于：所述動力系統(tǒng)還包括信息收集器(4)，所述信息收集器(4)設置在本體(81)內(nèi)部。

7.根據(jù)權利要求6所述的一種自落式多功能原位測試裝置，其特征在于：所述剪切系統(tǒng)還包括與信息收集器(4)電連接的扭矩傳感器(7)，所述扭矩傳感器(7)設置在連接桿(2)的內(nèi)壁，扭矩傳感器(7)位于剪切板(5)的上方。

8.根據(jù)權利要求6所述的一種自落式多功能原位測試裝置，其特征在于：所述貫入系統(tǒng)還包括與信息收集器(4)電連接的運動傳感器(9)，所述運動傳感器(9)設置在本體(81)內(nèi)部。

9.一種自落式多功能原位測試方法，其特征在于：包括以下步驟，

10.根據(jù)權利要求9所述的一種自落式多功能原位測試方法，其特征在于：所述不排水抗剪強度的計算方法如下，

技術總結(jié)
本發(fā)明涉及巖土工程測試技術領域，尤其涉及一種自落式多功能原位測試裝置及方法，該測試裝置由貫入系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、動力系統(tǒng)三部分組成。貫入系統(tǒng)包含紡錘形全流觸探探頭、運動傳感器。剪切系統(tǒng)包含兩個弧形剪切板、動力軸、扭矩傳感器。動力系統(tǒng)包含運動尾翼、電機、蓄電池和信息收集器。將本裝置吊裝至測試點投擲，使其自由下落，可以貫入至軟弱土層中，測試和記錄其貫入軟弱土過程中的運動參數(shù)，獲取土層特性；通過打開弧形剪切板，使其轉(zhuǎn)動，獲取軟弱土層不排水抗剪強度。測試平臺布置方便，測試效率和準確性高。不需要過多依靠人工，自動化程度高。因此，本發(fā)明能夠解決現(xiàn)在原位測試裝置的測試平臺布置困難，自動化程度低的技術問題。

技術研發(fā)人員：蔡俊,王小波,徐復興,朱萌,鄭誠,徐偉,吳蒙蒙
受保護的技術使用者：長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9