一种沉积物力学原位测量装置

技术领域

本申请涉及海洋环境工程领域，特别涉及一种沉积物力学原位测量装置。

背景技术

海底沉积物是海洋水体与海底直接接触的界面，也是人类认识、探测以及开发利用海底首先面对的对象。海底沉积物的物质属性是海底环境监测、海底资源开发以及海洋工程的重要方面。通过对沉积物进行贯入阻力测量，为海底装备的埋设和放置提供沉积物的承载能力计算的关键数据。通过对沉积物进行剪切强度测量，为海底移动装备的运动设计，海底长期布放装备的沉降设计等提供必要的核心数据。

相关技术中，沉积物力学测量装置通常在机架坐底后直接进行测量，无法进行压入式测量，甚至振动压入式测量，无法为某些特定作业场景提供数据支持，如海底履带车行走，导致测量具有局限性。

发明内容

本申请实施例提供一种沉积物力学原位测量装置，以解决相关技术中沉积物力学测量装置无法进行压入式测量，导致测量局限性大的问题。

第一方面，提供了一种沉积物力学原位测量装置，其包括：

外框；

内框，其组设于所述外框内，且其底端开设有检测口；

第一驱动机构，其一端与所述外框连接，另一端与所述内框连接，并用于驱动所述内框沿所述外框的高度方向移动，以使所述内框伸出所述外框外；

力学测量机构，其安装于所述内框内，可向下探出所述检测口测量沉积物的力学特性；

开合组件，其组设于所述内框的底端，且其包括第二驱动机构和至少一压板，所述第二驱动机构与所述压板连接，并用于驱动所述压板运动，以打开或关闭所述检测口。

一些实施例中，该沉积物力学原位测量装置还包括：

位移传感器，其两端分别设于所述外框和内框上，并用于检测所述内框的底端与所述外框的底端之间的第一距离；

近底层表面测量机构，其组设于所述外框上，并用于检测所述外框的底端与海底-海水分界面之间的第二距离；

控制器，其与所述位移传感器和所述近底层表面测量机构均相连，并用于根据所述第一距离和所述第二距离，得到所述内框压入沉积物内的实际压入量。

一些实施例中，所述控制器还与所述第一驱动机构相连，并用于根据所述实际压入量与预设压入量之间的关系，判断是否停止压入，并控制所述第一驱动机构执行相应的动作；以及，还用于控制所述第一驱动机构的驱动力，以使所述内框按预设接地比压压入沉积物中。

一些实施例中，采用如下公式计算所述实际压入量H

H

式中：h为所述第二距离；H为所述第一距离。

一些实施例中，该沉积物力学原位测量装置还包括振动机构，所述振动机构设于所述内框上，并用于驱动所述内框振动。

一些实施例中，所述第一驱动机构包括：

油缸缸体，其与所述外框连接；

驱动杆，其一端伸入所述油缸缸体内，另一端与所述内框连接，并用于驱动所述内框上下移动。

一些实施例中，所述开合组件包括两个压板，所述第二驱动机构用于驱动两个所述压板相互靠近至闭合于所述检测口上；或相互远离，以打开所述检测口。

一些实施例中，所述第二驱动机构包括：

双向丝杆，其横设于所述内框的底端；

两个套筒，两个所述套筒分别螺接于所述双向丝杆的两端；且两个所述套筒分别与两个所述压板连接；

第一驱动器，其与所述双向丝杆连接，并用于驱动所述双向丝杆旋转，以带动两个所述压板相互靠近或远离。

一些实施例中，该沉积物力学原位测量装置还包括取样机构，所述取样机构安装于所述内框内，所述内框底端还开设有取样口，所述取样机构可向下探出所述取样口获取沉积物管状样品。

一些实施例中，所述内框通过导向机构滑设于所述外框上，所述导向机构包括：

导向杆，其竖直连接于所述外框内；

滑套，其一端与所述内框固定连接，另一端套设于所述导向杆上，并可沿所述导向杆的轴向滑动。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：本申请实施例的沉积物力学原位测量装置的内框不是在重力作用下下降，而是通过第一驱动机构的驱动实现下降，并压入沉积物中，可以实现内框压入量或接地比压大小的控制，大大提高沉积物原位测量状态与实际作业状态的相似度充分满足特定作业场景的力学数据测量需求。

本申请实施例提供了一种沉积物力学原位测量装置，由于本申请实施例的沉积物力学原位测量装置能实现沉积物的直接测量和压入式测量，因此，能为海底装备的埋设和放置提供沉积物的承载能力计算的关键数据，以及能为海底移动装备的运动设计，海底长期布放装备的沉降设计等提供必要的核心数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的沉积物力学原位测量装置的结构示意图(内框部分伸出外框)；

图2为本申请实施例提供的沉积物力学原位测量装置的主视图(内框未伸出外框)；

图3为图2的A-A方向示意图；

图4为本申请实施例提供的沉积物力学原位测量装置的结构示意图(力学测量机构探出检测口、取样机构探出取样口)。

图中：1、外框；2、内框；20、检测口；21、取样口；22、导向机构；220、导向杆；221、滑套；3、第一驱动机构；30、油缸缸体；31、驱动杆；4、力学测量机构；5、开合组件；50、第二驱动机构；500、双向丝杆；501、套筒；51、压板；6、振动机构；7、位移传感器；8、近底层表面测量机构；9、取样机构。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，本申请实施例提供了一种沉积物力学原位测量装置，其包括外框1、内框2、第一驱动机构3、力学测量机构4和开合组件5，内框2组设于外框1内，且其底端开设有检测口20；第一驱动机构3一端与外框1连接，另一端与内框2连接，并用于驱动内框2沿外框1的高度方向移动，以使内框2伸出外框1外；力学测量机构4安装于内框2内，可向下探出检测口20测量沉积物的力学特性；开合组件5组设于内框2的底端，且其包括第二驱动机构50和至少一压板51，第二驱动机构50与压板51连接，并用于驱动压板51运动，以打开或关闭检测口20。

本申请实施例的沉积物力学原位测量装置能实现沉积物的直接测量和压入式测量，其中，直接测量的过程为：外框1坐底后，通过第二驱动机构50驱动压板51运动，以打开检测口20；然后启动力学测量机构4，使力学测量机构4移动至探出检测口20，并伸入沉积物中，以对沉积物进行原位检测。压入式测量的过程为：外框1坐底后，通过第一驱动机构3驱动内框2向下运动，以使内框2伸出外框1外，并使压板51压入沉积物中；然后，通过第二驱动机构50驱动压板51运动，以打开检测口20，露出被压过的沉积物；最后，启动力学测量机构4，使力学测量机构4探出检测口20，并贯入沉积物中，以对重压后的沉积物进行力学参数测量。

本申请实施例中的内框2不是在重力作用下下降，而是通过第一驱动机构3的驱动实现下降，并压入沉积物中，可以实现内框2压入量或接地比压的控制，大大提高沉积物原位测量状态与实际作业状态的相似度，充分满足特定作业场景的力学数据测量需求。

本申请实施例中的力学测量机构4包括贯入阻力测量机构和剪切强度测量机构，贯入阻力测量机构用于对沉积物进行贯入阻力测量，为海底装备的埋设和放置提供沉积物的承载能力计算的关键数据；剪切强度测量机构用于对沉积物进行剪切强度测量，为海底移动装备的运动设计，海底长期布放装备的沉降设计等提供必要的核心数据。力学测量机构4通过控制贯人电机和剪切电机根据土力学测量规范要求的贯入速度和剪切速度进行沉积物贯入阻力和剪切强度测量。

参见图1和图2所示，该沉积物力学原位测量装置还包括位移传感器7、近底层表面测量机构8和控制器，位移传感器7两端分别设于外框1和内框2上，并用于检测内框2的底端与外框1的底端之间的第一距离H；近底层表面测量机构8组设于外框1上，并用于检测外框1的底端与海底-海水分界面之间的第二距离h；控制器与位移传感器7和近底层表面测量机构8均相连，并用于根据第一距离H和第二距离h，得到内框2压入沉积物内的实际压入量。

当采用直接测量方式时，通过近底层表面测量机构8测量海底-海水分界面与外框1的底端的距离。

当采用压入式测量方式时，外框坐底后通过第一驱动机构3驱动内框2向下运动，以使内框2伸出外框1外，并使压板51压入沉积物中；采用近底层表面测量机构8测量此时海底-海水分界面与外框1的底端的第二距离，采用位移传感器7测量内框2的底端与外框1的底端之间的第一距离H；控制器根据第一距离H和第二距离h，判断内框2压入沉积物内的实际压入量，以实现对压入量的控制。

更进一步的，控制器还与第一驱动机构3相连，并用于根据实际压入量与预设压入量之间的关系，判断是否停止压入，并控制第一驱动机构3执行相应的动作。

也就是若实际压入量达到预设压入量，则判断停止压入，并控制第一驱动机构3停止运行；若实际压入量未达到预设压入量，则判断继续压入，直至实际压入量达到预设压入量为止。

控制器还可以通过调节第一驱动机构3的供油压力来控制第一驱动机构3的驱动力，从而可控制内框2按预设的接地比压压入沉积物中。

优选的，采用如下公式计算实际压入量H

H

式中：h为第二距离；H为第一距离。

可选的，参见图2所示，该沉积物力学原位测量装置还包括振动机构6，振动机构6设于内框2上，并用于驱动内框2振动。

本申请实施例的沉积物力学原位测量装置还具有振动压入式测量的功能，具体的测量过程为：外框1坐底后，通过第一驱动机构3驱动内框2向下运动，以使内框2伸出外框1外，并使压板51压入沉积物中；然后，启动振动机构6，驱动压板51振动，并可调节压板51的振动频率；再通过第二驱动机构50驱动压板51运动，以打开检测口20，露出被振动和压过的沉积物；最后，启动力学测量机构4，使力学测量机构4探出检测口20，并探入沉积物中，以对振动和重压后的沉积物进行力学参数测量。

可选的，参见图1所示，第一驱动机构3包括油缸缸体30和驱动杆31，油缸缸体30与外框1连接；驱动杆31一端伸入油缸缸体30内，另一端与内框2连接，并用于驱动内框2上下移动。

通过控制驱动杆31的伸出量和伸出速度来控制压板51在沉积物内的压入量和压入速度，实现压入量和压入速度的可调，提高沉积物测量状态与实际作业状态的相似度。

进一步的，开合组件5包括两个压板51，第二驱动机构50用于驱动两个压板51相互靠近至闭合于检测口20上；或相互远离，以打开检测口20。

更进一步的，第二驱动机构50包括双向丝杆500、两个套筒501和第一驱动器，双向丝杆500横设于内框2的底端；两个套筒501分别螺接于双向丝杆500的两端；且两个套筒501分别与两个压板51连接；第一驱动器与双向丝杆500连接，并用于驱动双向丝杆500旋转，以带动两个压板51相互靠近或远离。

具体的：第一驱动器驱动双向丝杆500正转，带动两个压板51同向移动，并相互靠近，以闭合在检测口20上；第一驱动器驱动双向丝杆500反转，带动两个压板51反向移动，并相互远离，以打开检测口20。

可选的，参见图3和图4所示，该沉积物力学原位测量装置还包括取样机构9，内框2的底端开设有取样口21，压板51还用于打开和关闭取样口21，取样机构9安装于内框2内，可向下探出所述取样口21获取沉积物管状样品。

取样机构9用于与力学测量机构4同时同地获取沉积物管状样品，用于在实验室测量贯入阻力和剪切强度，与原位测量参数进行比对和校准，提高数据可靠性。

可选的，内框2通过导向机构22滑设于外框1上，导向机构22包括导向杆220和滑套221，导向杆220竖直连接于外框1内；滑套221一端与内框2固定连接，另一端套设于导向杆220上，并可沿导向杆220的轴向滑动。

本申请实施例的沉积物力学原位测量装置具有以下优点：

1.可进行直接测量、压入式测量、振动压入式测量三种测量模式，且压入量和压入接地比压可控，振动频率可调，充分满足特定作业场景的力学数据测量需求。

2.可同时获取测量点的管状沉积物样品，供实验室分析复核原位测量数据使用，提高数据可靠性。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。