一种具有取回土样功能的球型触探探头

1.本发明涉及土木工程海洋勘测研究技术领域，尤其涉及一种具有取回土样功能的球型触探探头。


背景技术：

2.我国跨海通道的建设和沿海城市的发展日新月异，海洋工程由传统的海岸防护、围海造路向跨海大桥、海底隧道、海上油气钻井平台、海底矿物采掘等方向发展，海洋工程规模与难度不断增大，对海洋工程设计过程中的敏感性、安全性、耐久性提出了更高的要求，因此发展和完善海洋岩土工程勘查技术迫在眉睫。
3.通常，深海沉积的软土具有天然含水率高、孔隙率大、抗剪强度低、灵敏度高的特点，传统的静力触探技术可以通过量测系统测试探头的端阻力、侧摩阻力、土的孔隙水压力等，进而确定土的刚度、容许承载力、变形模量等力学性质。但是，近年来随着某些海域水质的污染导致土体环境质量恶化，海底软粘土是一种非常复杂的工程材料，土中元素种类、含量及存在形式对土的物理、化学性质产生不同程度的影响，进而影响桩基的耐腐蚀性、耐久性等，了解土中重金属污染物的含量对工程勘查有着十分重要的意义。工程实践中海底取土流程难度较大且造价较高，因此，工程中亟待出现一种可取回土样的新型触探探头，来实现探头的精确性、多功能、多领域性，从而推动海洋岩土工程的发展。


技术实现要素：

4.为解决工程实践中海底取土流程难度较大、造价较高等问题，本发明提出了一种具有取回土样功能的球型触探探头，其针对海洋软土的特性和近几年海洋环境污染的特点，提供了可取回土样的球型触探探头方案，提高勘测工作的便捷性、可靠性,并实现探头取回土样的多功能性,实现触探探头的多领域性。
5.本发明的技术方案如下：一种具有取回土样功能的球型触探探头，包括球型探头体，所述球型探头体固定于连接柱上，所述连接柱通过转接头与探杆连接，连接柱外部套设有摩擦套筒，连接柱内设有侧摩擦阻力传感器，侧摩擦阻力传感器与摩擦筒同时作用测量球型探头的侧摩擦阻力，所述球型探头体包括可拆卸连接的上半球和下半球，上半球为空心结构，上半球表面开设有多个土样收集口，且上半球内设有与土样收集口对应的土样收集开关，土样收集开关控制土样收集口的开闭，实现土样的收集和密封取回，所述下半球内设有端阻力传感器和多个孔压传感器，所述孔压传感器外设有孔压过滤环，端阻力传感器用于检测探头的贯入阻力，孔压过滤环则对土层孔隙水进行过滤渗入，通过孔压传感器检测孔隙水压力。
6.进一步的，所述上半球为半球体和圆柱体一体成型的结构，上半球和下半球通过螺纹丝扣可拆卸连接，方便将收回的土样从球型探头体中取出。
7.进一步的，所述孔压传感器设有13个，球型探头体底部设有1个孔压传感器，球型探头体赤道圈位置设有6个孔压传感器，6个孔压传感器沿圆周向均匀分布，赤道圈与球型
探头体底部之间的中间位置设有6个孔压传感器，此处6个孔压传感器也沿圆周向均匀分布。
8.进一步的，所述球型探头体赤道圈位置的6个孔压传感器外设有孔压过滤环a，赤道圈与球型探头体底部之间的中间位置的6个孔压传感器外设有孔压过滤环b，孔压过滤环将孔压传感器包裹。
9.进一步的，所述端阻力传感器通过橡胶密封圈密封连接在下半球内，橡胶密封圈防止水和泥土的进入，且橡胶密封圈几乎不传递力。
10.进一步的，所述端阻力传感器和孔压传感器均与1号数据储存收发装置连接，传感器和数据储存收发装置之间为有线连接，可在球型探头内设置穿线通道进行走线。
11.进一步的，所述土样收集开关包括叶片和控制杆，控制杆贯穿探杆、转接头和连接柱内，叶片位于上半球，叶片设有多个且与土样收集口对应，转接头内设有卡扣，所述控制杆上设有凹槽，凹槽与卡扣配合限制控制杆的转动角度，进而控制叶片的位置。
12.进一步的，所述凹槽设有两个且对称设置，两凹槽开口对应的弧度角均为45
°
，凹槽两端分别设置开口端和闭口端，开口端包括1号凹槽和3号凹槽，闭口端包括2号凹槽和4号凹槽，所述卡扣设有两个且对称设置，逆时针旋转控制杆，使卡扣与1号凹槽和3号凹槽相抵时，叶片位于相邻两个土样收集口之间，此时土样收集开关处于打开状态，顺时针旋转控制杆，使卡扣与2号凹槽和4号凹槽相抵时，叶片一一覆盖于各土样收集口处，此时土样收集开关处于关闭状态。
13.进一步的，所述连接柱内还设有温度传感器、倾角传感器和2号数据储存收发装置，侧摩擦阻力传感器、温度传感器和倾角传感器分别与2号数据储存收发装置连接，温度传感器测量探头贯入过程中探头内部的温度，对实时值进行补偿和修正，倾角传感器测量贯入过程中触探探头的倾斜角度，对贯入深度和倾斜角度进行修正。
14.进一步的，所述1号数据储存收发装置和2号数据储存收发装置均为无线装置，且1号数据储存收发装置和2号数据储存收发装置的内部均设有数据储存、收发芯片，数据储存收发装置接收传感器检测到的测量结果，并将收集到的结果转换为数字信号，实时传递到地面。
15.本发明的具有以下有益效果：本发明通过提供一种具有取回土样功能的球型触探探头，可在土体勘探的同时在指定深度取出土样，取出的土样密封保存，避免了与其他土层的土体、海水、人等直接接触，提高了测试数据的准确性，并通过后期土样检测修正土体参数及桩基的设计与计算，提高勘测工作的便捷性、可靠性，实现球型触探探头的多功能性，从而推动海洋岩土勘探技术的发展。
附图说明
16.图1为本发明的整体示意图；图2为本发明内部结构示意图；图3为土样收集开关的俯视图；图4为卡扣与凹槽的放大示意图；图中标号，1-球型探头体、1.1-下半球、1.2-上半球、1.3-螺纹丝扣、1.4-橡胶密封圈、2-连接柱、3-摩擦套筒、4-转接头、4.1-卡扣、5-端阻力传感器、6-孔压过滤环、6.1-孔压
传感器、7-土样收集口、8-土样收集开关、8.1-叶片、8.2-控制杆、8.3-凹槽、8.4-1号凹槽、8.5-2号凹槽、8.6-3号凹槽、8.7-4号凹槽、9-探杆、10.1-侧摩阻力传感器、10.2-温度传感器、10.3-倾角传感器、11.1-1号数据储存收发装置、11.2-2号数据储存收发装置。
具体实施方式
17.为使本发明更为清楚、明白，以下结合附图说明和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，应当理解，所给出的实施例仅仅为实现方式的一种，并不代表所有实施例。
18.结合附图1-4，本方案提供的一种具有取回土样功能的球型触探探头，包括球型探头体1、连接柱2和探杆9，所述球型探头体1固定在连接柱2上，连接柱2外部套有摩擦套筒3，连接柱2通过转接头4与探杆9连接，所述球型探头体1包括可拆卸的上半球1.2和下半球1.1，上半球1.2是半球体和圆柱体一体成型的空心结构，下半球1.1与上半球1.2通过螺纹丝扣1.3可拆卸连接，上半球1.2上方表面开设有4个土样收集口7，土样收集口7数量可根据使用需求改变，上半球1.2内设有与土样收集口7对应的土样收集开关8，用于控制土样收集口7的开闭，实现取回土样的功能并保持土样的密封性，所述下半球1.1内设置有端阻力传感器5和孔压传感器6.1，孔压传感器6.1外设有孔压过滤环6。
19.所述下半球体1.1内设置有孔压传感器13个，其中球型探头体1底部1个，在赤道圈处沿圆周向均匀设置有6个且均被孔压过滤环a包裹，赤道圈与底部之间的中间位置沿圆周向均匀设置有6个且均被孔压过滤环b包裹，下半球体1.1内的端阻力传感器5用于检测探头的贯入阻力，端阻力传感器5外部设置有橡胶密封圈1.4，防止水和泥土的进入，且所述橡胶圈1.4几乎不传力，所述13个孔压传感器6.1和端阻力传感器5均通过数据传输线与1号数据储存收发装置11.1连接，并在下半球1.1内设有用于走线的穿线通道，所述1号数据储存收发装置11.1将传感器检测到的测量结果转换为数字信号，实时通过无线的方式发送到地面，所述数据储存收发装置11.1内的芯片储存数据信息，实现测试数据的双重保护，以防数据会有部分丢失造成测量结果的不准确。
20.土样收集开关8包括叶8.1片和控制杆8.2，叶片8.1设置在上半球1.2内，叶片8.1设有4个且与土样收集口7对应，控制杆8.2贯穿探杆9、转接头4和连接柱2，并与叶片8.1固定连接，所述控制杆8.2上设置两个对称分布且开口对应的弧度角均为45
°
的凹槽8.3，转接头4内部设有相对称的两个卡扣4.1，所述凹槽8.3与转接头4内部的卡扣4.1相互作用控制控制杆8.2的转动，进而控制所述叶片8.1的位置，以控制所述土样收集口7的开启与闭合，逆时针转动控制杆8.2，使转接头4内部凸起的卡扣4.1与控制杆8.2上的1号、3号凹槽8.4、8.6相抵，土样收集口内覆盖的叶片旋8.1转到相邻两个收集口的中间，土样收集口7打开；将控制杆8.2顺时针旋转45
°
，使转接头4内部凸起的卡扣4.1与所述控制杆8.2上的2号、4号凹槽8.5、8.7相抵，在相邻两个收集口的中间叶片8.1旋转到与土样收集口7重合的部位，土样收集口7关闭。
21.连接柱2内设侧摩阻力传感器10.1、温度传感器10.2和倾角传感器10.3，所述侧摩阻力传感器10.1与摩擦筒3同时作用，用于测量球型探头的侧摩阻力，所述温度传感器10.2测量探头贯入过程中探头内部的温度，对实时值进行补偿和修正，所述倾角传感器10.3测量贯入过程中触探探头的倾斜角度，对贯入深度和倾斜角度进行修正，三种传感器检测到
的测量结果均通过数据传输线传输到2号数据储存收发装置11.2，所述2号数据储存收发装置11.2将收集到的结果转换为数字信号并实时传递到地面。
22.取回土样的操作步骤为：1. 将探头贯入到软土中指定深度，停止贯入；2.逆时针旋转土样收集开关的控制杆8.2，使转接头4内部的卡扣4.1与连接柱2上的1号、3号凹槽8.4、8.6相抵，土样收集口内覆盖的叶片8.1旋转到相邻两个土样收集口7的中间，土样收集口7打开；3.小范围内上下移动探头1-2次，使软土样通过土样收集口8进入上半球1.2的空腔内；4. 得到土样后顺时针转动控制杆45
°
，使转接头内部凸起的卡扣4.1与控制杆上的2号、4号凹槽8.5、8.7相抵，在相邻两个收集口7的中间叶片8旋转到与土样收集口7重合的部位，土样收集口7处于关闭状态。土样收集步骤完成。
23.5.将探头取回地面，将下半球1.1体拧下，取出土样并保存检验；6.将下半球体1.1与上半球体1.2通过螺纹丝扣1.3组装，可重复上述步骤进行另一地区或深度的探测和取样。
24.以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，但不受上述实施方式限制，应当明白，对于本领域的普通技术人员来说，可以在不脱离本发明精神和范围的前提下，对本发明进行各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。