(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210739597.6 (22)申请日 2022.06.28 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 韩云瑞　罗高峰　于龙　杨庆　 扈晓飞　刘源浩　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G01N 33/24(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种旋转式土与结构界面力学特性试验装 置及方法 (57)摘要 本发明提供了一种旋转式土与结构界面力 学特性试验装置及方法。 所提试验 方法通过持续 转动埋置于目标土层的筒型结构， 测量摩擦筒与 周围土体间的摩擦参数演变规律。 所提摩擦筒可 布设于传统静力触探仪顶端， 通过竖向贯入设 备， 将摩擦筒及配套结构贯入至目标土层深度。 通过在摩 擦筒上下两端安装 扭矩传感器， 获得摩 擦筒转动过程中的剪应力衰减规律。 通过安装于 锥尖的测力传感器， 获得触探仪触探过程中的土 体强度参数。 所提试验 方法的配套试验装置兼顾 传统静力触探仪的已有优点， 增加了测量结构 ‑ 界面摩擦特性测量的新功能。 采用本发明所提方 法， 仅需在传统静力触探试验的基础上进行转动 试验， 即可一次获得原位土体与结构物界面摩擦 参数演变规 律。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115078694 A 2022.09.20 CN 115078694 A 1.一种旋转式土与结构界面力学特性试验装置， 其特征在于， 该旋转式土与结构界面 参数试验装置包括作动器(4)和新型触探仪(5)； 作动器(4)通过拖缆(3)连接至拖船(1)上 的拖缆终端设备(2)， 作动器(4)的下表面上连接新型触探仪(5)； 作动器(4)位于海床表 面， 新型触探 仪(5)于作动器(4)带动下转动贯入至目标土层深度， 并进行 数据采集； 新型触探仪(5)分为外部结构和内部的传力杆(17)， 外部结构由自上而下依次连接且 均为中空的顶部套管(6)、 侧壁摩擦筒(7)、 底部套筒(8)和底端锥尖(9)组成； 侧壁摩擦筒 (7)与顶部套管(6)、 底部套筒(8)的连接处进行胶填； 传力杆(17)从顶部套管(6)的中空结 构伸入至底部套筒(8)， 传力杆(17)端部连接作动器(4)， 传力杆(17)与侧壁摩擦筒(7)间连 接传力叶片(16)， 作动器(4)通过传力杆(17)带动新型触探仪(5)转动； 两扭矩传感器固定 于传力杆(17)上， 分别位于顶部套管(6)的下部填胶处、 侧壁摩 擦筒(7)的下部填胶处； 锥尖 阻力测力杆(13)位于底部套筒(8)内且其内外筒壁分别与传力杆(17)、 底部套筒(8)相贴 合； 锥尖阻力传感器(13)为两组应变计， 两组应变片(14)对称粘接在锥尖阻力测力 杆(13) 外侧壁； 底部套筒(8)与底端锥尖(9)通过隔水的连接带连接， 底端锥尖(9)贯入阻力通过连 接带、 应变片(14)传输 至锥尖阻力传感器。 2.根据权利要求1所述的旋转式土与 结构界面参数试验装置， 其特征在于， 所述底部套 管(8)和侧壁摩擦 筒(7)通过底部扭矩传感器(12)的螺纹固定连接 。 3.根据权利要求1或2所述的旋转式土与结构界面参数试验装置， 其特征在于， 所述应 变片(14)采用全桥垂直应 变花的张贴组桥方式。 4.一种旋转式土与结构界面力学 特性试验方法， 其特 征在于， 具体步骤如下： 步骤1、 侧壁摩擦筒(7)置于目标土层位置， 其上下两端分别与扭矩传感器相连接， 以特 定角速度连续转动侧壁摩 擦筒(7)， 通过计算侧壁摩擦筒(7)转动过程中上下扭矩传感器的 差值， 获得土体与侧壁摩擦 筒(7)之间的界面摩擦参数衰减规 律； 步骤2、 侧壁摩擦筒(7)贯入至目标土层深度； 根据锥尖阻力传感器获取的锥尖阻力， 获 得土体的强度和渗透系数。 5.根据权利要求4所述的旋转式土与 结构界面力学特性试验方法， 其特征在于， 所述界 面摩擦参数衰减规 律根据不同土况进行不同计算方法； 土况为砂性土时， 土与结构之间的摩擦系数通过测量侧壁摩擦筒(7)的压力和摩擦力 获得； 触探试验过程中， 底端锥尖(9)的贯入阻力通过采集应变片(14)的电信号获得， 界面 摩擦力通过侧壁摩擦筒(7)上下两端的扭矩传感器获得； 根据库伦摩 擦准则， 摩 擦系数通过 下式计算： 其中： τ为侧壁摩擦筒(7)所受的摩擦应力， kPa； σN为侧壁摩擦筒(7)在转动过程中所受 到的压应力， kPa； σN＝K0γ′h 其中： K0为土体静置土压力系数； h为侧壁摩擦筒(7)所处试验深度， N； γ ′为土体浮重 度， N/m3； γ′与锥尖贯入阻力(qt)的关系按下式进行计算权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115078694 A 2侧壁摩擦 筒转动时间t后， 土体与结构间发生的累积摩擦位移为 S＝wtD/2 其中： w为新型触探 仪(5)的转动角速度， rad/s； D为侧壁摩擦 筒(7)直径， m； 土况为粘性土时， 饱和粘性土的界面摩擦衰减系数为 其中： τmax为侧壁摩擦 筒(7)初始转动时测得的最大剪应力。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115078694 A 3