[发明专利]海底沉积物取样与力学性质原位测试装置及其测试方法

权利要求书

1.一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置的测试方法，通过海底沉积物取样与力学性质原位测试装置实现，该装置包括控制舱（2）、配重（4）、取样管（5）、沉积物力学性质监测系统和沉积物取样系统,其特征在于,控制舱（2）上部为固定缆绳的提头（1），控制舱（2）的外壁装有导流叶片（3），控制舱（2）的内部置有控制系统电路板（7）、加速度传感器（10）、姿态传感器（8）和电池（9），控制系统电路板（7）固定在控制舱（2）内部顶端，姿态传感器（8）固定在控制系统电路板（7）下方，通过导线与控制系统电路板（7）与电池（9）相连接，加速度传感器（10）固定在控制舱（2）的内部左下方，通过导线与控制系统电路板（7）与电池（9）相连接；电池（9）固定在控制舱（2）的内部右下方；

所述配重（4）为多组中心镂空配重盘而成，其中心镂空为取样管（5）壁内沉积物力学性质监测系统提供与控制舱（2）的连接通道；配重（4）上方与控制舱（2）连接处具有与外部连通的空腔；

所述沉积物力学性质监测系统置于取样管（5）管壁内侧，沉积物力学性质监测系统包括锥尖阻力传感器（17）、侧壁阻力传感器（15）和孔隙水压力传感器（13），锥尖阻力传感器（17）通过传动轴（18）以螺纹的形式连接刀头（20）内的锥头（19），侧壁阻力传感器（15）通过L形连通轴连接设置在取样管（5）外侧的摩擦板（16），孔隙水压力传感器（13）的外部紧邻透水石（14），透水石（14）穿过取样管（5）壁与沉积物直接接触；

所述沉积物取样系统包括取样管（5）和刀头（20），取样管（5）内部置有可自由拆装的PVC管（12），PVC管（12）的最上方置有防沉积物冒顶的顶帽（11）；

所述海底沉积物取样与力学性质原位测试装置的测试方法，具体包括以下步骤：

S1：将地质绞车的缆绳绕过A架，通过转环与提头（1）相连，同时打开控制系统电路板（7）开关，开始记录测试装置的加速度传感器（10）、姿态传感器（8）、锥尖阻力传感器（17）、侧壁阻力传感器（15）和孔隙水压力传感器（13）数据；

S2：将地质绞车按照最大释放速度布放测试装置，直至测试装置触底，并持续释放1分钟，此时加速度传感器（10）会记录测试装置从入水到静止时的加速度变化，得到海底沉积物的锥尖阻力，侧壁阻力和孔隙水压力；

S3：通过以下公式计算沉积物的力学性质：

考虑速度效应的拟静态锥尖阻力为：

其中为拟静态锥尖阻力；为锥尖阻力传感器(17)所测锥尖阻力；为速度，由姿态传感器（8）所测；为直径，下标为参考值，为经验常量；

沉积物拟侧壁阻力为：

其中，为拟静态侧壁阻力；为侧壁阻力传感器（15）实测侧壁阻力；

海底沉积物不排水抗剪强度为：

其中，m为本装置总质量，a为加速度传感器（10）所测加速度；z为贯入深度；产生侧壁阻力的面积，表达式为；

沉积物的贯入阻力因子为：

其中，为孔压传感器（13）所测超孔隙水压力，N为阻力因子，可广泛应用于海底静力触探测试中。

2.根据权利要求1所述的一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置,其特征在于,所述导流叶片（3）为3片，相邻两片呈120度角，均匀分布在控制舱（2）外部。

3.根据权利要求1所述的一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置,其特征在于,所述配重（4）为多组中间镂空圆盘堆砌而成。

4.根据权利要求1所述的一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置,其特征在于,所述顶帽（11）的材质为不锈钢材料。

5.根据权利要求3所述的一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置,其特征在于,所述顶帽（11）的上部为网状结构，四周为普通钢板围绕而成。

6.根据权利要求1所述的一种海底沉积物取样与力学性质原位测试装置,其特征在于,所述刀头（20）为C型圆弧刀口，内部置有防漏花瓣，刀头（20）的豁口处有小于豁口的锥头（19），通过螺纹固定在传动轴上，刀头（20）上部利用螺纹固定在取样管（5）上。