[发明专利]一种海底超软土流变强度测试装置及方法

权利要求书

1.一种海底超软土流变强度测试装置，其特征在于，所述的测试装置包括运载平台(1)、姿态调整系统(2)、流变强度测试装置(3)、控制与贯入系统(4)、数据采集与存储系统(5)、桨式转子(7)和自动伸缩探杆(8)；

所述的运载平台(1)用于将流变强度测试装置(3)运送到待测海域的海床表面并实现多次平稳着陆与安全回收；

所述的姿态调整系统(2)为连杆结构，运载平台(1)通过姿态调整系统(2)与流变强度测试装置(3)连接，且姿态调整系统(2)能够在运载平台(1)着陆后，接受来自控制与贯入系统(4)的信号，并将自身的姿态数据反馈给控制与贯入系统(4)，形成互馈，通过调整姿态调整系统(2)中连杆的长度与角度，保证流变强度测试装置(3)的平整度，确保流变强度测试装置(3)可竖直贯入海床中；

所述的流变强度测试装置(3)通过数据与信号传输的方式相互连接，协同工作，开展测试，其两侧分别设有控制与贯入系统(4)和数据采集与存储系统(5)，中部设有自动伸缩探杆(8)，所述的自动伸缩探杆(8)与桨式转子(7)相接，桨式转子(7)用于测试海底超软土流变强度；

所述的控制与贯入系统(4)用于接受姿态调整系统(2)的姿态数据，进而通过控制姿态调整系统(2)保证流变强度测试装置(3)的工作位置；还控制携带桨式转子(7)的自动伸缩探杆(8)贯入到同一站位、多个指定深度土层，并记录贯入深度，测试完成后回收，进行下一站位的测试；还可通过两种测试模式，实现桨式转子(7)和自动伸缩探杆(8)的旋转开展测试；还可接受数据采集与存储系统(5)的数据反馈；

所述的数据采集与存储系统(5)通过内部的扭矩传感器与旋转位移传感器，分别记录受到的扭矩与旋转的角速度，记录并存储数据，将数据传输给控制与贯入系统(4)，实现互馈控制。

2.根据权利要求1所述的一种海底超软土流变强度测试装置，其特征在于，所述的控制与贯入系统(4)的两种测试模式分别为：以固定的强度梯度施加转动力矩记录角速度的应力控制模式，和以固定的剪切速率梯度施加角速度记录转动力矩的应变控制模式。

3.根据权利要求1或2所述的一种海底超软土流变强度测试装置，其特征在于，所述的流变强度测试装置(3)中部还设有能够自动伸缩的固定边界圆管(6)，固定边界圆管(6)中轴线处设有桨式转子(7)和自动伸缩探杆(8)；固定边界圆管(6)与桨式转子(7)同时插入多个深度的土层，进行两种模式的测试。

4.根据权利要求1或2所述的一种海底超软土流变强度测试装置，其特征在于，所述的桨式转子(7)为四叶片结构。

5.根据权利要求3所述的一种海底超软土流变强度测试装置，其特征在于，所述的桨式转子(7)为四叶片结构。

6.根据权利要求1-5任一所述的测试装置进行海底超软土流变强度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，根据海底的水深，选择合适的运载平台( 1) ；再根据相关的工程背景，预先设置好测试模式、是否贯入固定边界圆管(6)、桨式转子( 7) 的尺寸与贯入深度；其次，将流变强度测试装置( 3) 通过运载平台( 1) 下放到指定地点，开展测试并回收装置；最后，根据数据采集与存储系统( 5) 中的数据，进行数据的计算、处理与分析：

流变强度的计算公式为进一步可简化为剪切速率的计算公式为与表观粘度的计算公式为

其中，s_u为超软土的流变强度，Pa；M'为装置内部的扭矩传感器记录的扭矩，N·m；d₀为自动伸缩探杆的直径，m；h_w为自动伸缩探杆处于海水中的长度，m；μ_w为海水的粘度，Pa·s；为海水的剪切速率，s^-1；为同一站位上覆已测得土层流变强度的平均值，Pa；h_s为自动伸缩探杆处于土中的长度，m；H和D分别为桨式转子的高度和直径，m；为超软土的剪切速率，s^-1；K_γ是剪切速率常数；ω为装置内部的旋转位移传感器记录的角速度，rad/s；r为四叶片桨式转子的半径，m；R为边界圆管的半径，m；μ_app为超软土的表观粘度，Pa·s。