本發(fā)明涉及海洋淺層土的原位測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)勘察領(lǐng)域，具體來說涉及一種新型海洋淺層土體特性探測(cè)系統(tǒng)及其評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。目前，隨著陸地資源的過度開發(fā)，人口的急劇膨脹，環(huán)境問題的日益惡化，世界沿海各國紛紛將投資的目光轉(zhuǎn)移到了海洋，加快了對(duì)海洋的開發(fā)和利用，并且將其對(duì)海洋的開發(fā)能力作為衡量該國綜合科技能力的重要標(biāo)準(zhǔn)。海洋的開發(fā)主要是指對(duì)海洋資源的開發(fā)以及對(duì)海洋及其空間的綜合利用。為保證海洋開發(fā)工程的順利進(jìn)行，施工前須進(jìn)行海上勘探，通過各種勘探手段探明海底的地質(zhì)構(gòu)成和土體特性，為海洋開發(fā)工程提供設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，在海洋巖土工程領(lǐng)域主要采用海上原位測(cè)試技術(shù)探明海底的土體特性。

目前，隨著海洋油氣資源的興起，海底管道成為了海上油氣輸送的主要手段，對(duì)于工作水深較深的管道(大于300m)，由于海底復(fù)雜地質(zhì)條件及工程造價(jià)的限制，通常將管道直接鋪設(shè)于海底，該鋪設(shè)條件下，海底淺層土體對(duì)管道的約束作用是造成管道發(fā)生整體屈曲，威脅管道在位穩(wěn)定性的主要因素。裸置于海底的管道首先在自重的作用下，產(chǎn)生一定的沉降，嵌入到土體中，管道運(yùn)營時(shí)，在高溫高壓的聯(lián)合作用下發(fā)生熱膨脹產(chǎn)生附加應(yīng)力，由于熱膨脹和泊松效應(yīng)的作用，管道內(nèi)壁產(chǎn)生較大的軸向壓力，但由于周圍地基土體對(duì)管道的約束作用限制了管道自由變形，使管道內(nèi)的軸向壓力無法因變形而釋放，隨著溫-壓荷載的升高，管道內(nèi)的軸向壓力逐漸累積，當(dāng)累計(jì)的軸向壓力大于管道臨界屈曲荷載時(shí)，管道發(fā)生整體屈曲，威脅管道的在位穩(wěn)定性。因此，在有效控制海底管道的整體屈曲問題中，確定地基土體對(duì)管道的約束力具有重要意義。鑒于海洋淺層土對(duì)管道在位穩(wěn)定性的重要意義，海底管道在鋪設(shè)前期需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，確定海洋淺層土體的工程特性，確保管線的安全與穩(wěn)定性。

目前，較為常用的海上原位測(cè)試技術(shù)主要包括靜力觸探技術(shù)(Cone Penetration Testing-CPT)和全流動(dòng)貫入技術(shù)(主要包括T-bar貫入技術(shù)和ball-bar貫入系統(tǒng)等)。靜力觸探探測(cè)得到的砂土工程特性較精確，但當(dāng)探測(cè)粘土的工程特性時(shí)，由于受到孔隙水壓力的影響，探測(cè)的結(jié)果需要進(jìn)行修正，修正結(jié)果顯示，探測(cè)產(chǎn)生誤差有時(shí)會(huì)是真實(shí)值得數(shù)倍之多，因此靜力觸探不適用于粘性土體特性的探測(cè)；全流動(dòng)貫入系統(tǒng)雖然可進(jìn)行粘土抗剪強(qiáng)度的確定，但由于受到端部效應(yīng)的影響，在確定海洋淺層土體特性的過程中其探測(cè)結(jié)果誤差較大。

因此，為了準(zhǔn)確測(cè)定海洋淺層土體的力學(xué)特性，為海底管道的工程設(shè)計(jì)提供有效設(shè)計(jì)參數(shù)，本專利詳細(xì)說明了一種新型的海洋淺層土體特性的探測(cè)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型海洋淺層土體特性探測(cè)系統(tǒng)及其評(píng)估方法，通過測(cè)定觸探桿貫入地基土體過程中對(duì)周邊土體產(chǎn)生的擠土作用力，評(píng)估海洋淺層土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(固結(jié)排水強(qiáng)度)，闡明海洋淺層土的力學(xué)特性，以建立管道在自重作用下嵌入土體后產(chǎn)生的土抗力模型，分析高溫高壓聯(lián)合作用下海底管道的在位穩(wěn)定性。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種海洋淺層土體特性探測(cè)系統(tǒng)，包括一觸探桿，觸探桿的下端為錐面結(jié)構(gòu)，觸探桿與驅(qū)動(dòng)器連接，運(yùn)用驅(qū)動(dòng)器對(duì)觸探桿施加豎向荷載，為觸探桿刺入地基土體中提供動(dòng)力；觸探桿周圍分布有多個(gè)測(cè)力桿，測(cè)力桿豎直插入地基土體中，所述測(cè)力桿上布置有多個(gè)壓力傳感器，用以探測(cè)觸探桿在入土過程中對(duì)周邊土體產(chǎn)生的擠土力。

在上述技術(shù)方案中，測(cè)力桿埋置的深度大于觸探桿的貫入深度。

在上述技術(shù)方案中，測(cè)力桿埋設(shè)在預(yù)測(cè)區(qū)域位置，呈圓形分布，觸探桿位于圓形中心。

在上述技術(shù)方案中，所述測(cè)力桿通過數(shù)據(jù)線連接動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變采集儀，動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變采集儀連接到計(jì)算機(jī)，動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變采集儀將采集到的測(cè)力桿的測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)力桿測(cè)定的觸探桿貫入地基土體過程中對(duì)周邊土體產(chǎn)生的擠土作用力，評(píng)估海洋淺層土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，闡明海洋淺層土的力學(xué)特性，以建立管道在自重作用下嵌入土體后產(chǎn)生的土抗力模型，分析高溫高壓聯(lián)合作用下海底管道的在位穩(wěn)定性。

所述的海洋淺層土體特性探測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算方法：地基土體受到觸探桿貫入的影響而被擠開，形成半徑為a的孔穴，孔穴內(nèi)壁的壓強(qiáng)為p_u，靠近孔穴附近的土體受到較強(qiáng)的擠壓作用而形成塑性區(qū)，最大塑性區(qū)半徑為R，最大塑性區(qū)以外的土體為受觸探桿影響而形成彈性區(qū)，

測(cè)力桿測(cè)定的擠土作用力，可由球孔擴(kuò)張理論和擬靜力方法計(jì)算得到，將觸探桿自重G與驅(qū)動(dòng)荷載P除以圓錐側(cè)面面積所得壓強(qiáng)p的水平向分量p_x作為球孔擴(kuò)張后的孔穴內(nèi)壁壓強(qiáng)p_u；

根據(jù)彈塑性理論，球孔擴(kuò)張中土體滿足如下平衡微分方程：

式中：r為計(jì)算點(diǎn)到球心的距離，σ_r和σ_θ分別為計(jì)算點(diǎn)的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。

當(dāng)r＝a時(shí)，

σ_r＝p_u (2)

塑性區(qū)內(nèi)土體滿足摩爾-庫倫屈服條件：

式中：c為土體的粘聚力，為土體內(nèi)摩擦角。

將公式(3)代入公式(1)中求解微分方程，并結(jié)合邊界條件公式(2)可得：

利用孔穴的體積變化等于彈性區(qū)體積變化加上塑性區(qū)體積變化可得：

式中：u_R為塑性區(qū)邊界沿徑向的位移，R為土體最大塑性區(qū)的半徑，Δ為塑性區(qū)平均體積應(yīng)變；

化簡(jiǎn)公式(5)，得：

由于u_R的高階項(xiàng)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，故在此略去u_R²、u_R³等高階項(xiàng)，化簡(jiǎn)公式(6)得：

由彈性力學(xué)知識(shí)可得，塑性區(qū)邊界沿徑向的位移u_R為：

u_R＝δR (8)

式中：σ₀為計(jì)算點(diǎn)土體的初始應(yīng)力，μ為土體的泊松比，E為土體彈性模量。

將土體考慮成均質(zhì)土體，則

其中：Z為計(jì)算點(diǎn)到球心的豎向距離，A₁為球心處土體的初始應(yīng)力，γ'為土體浮容重，K₀為土體側(cè)壓力系數(shù)；

將公式(8)、(9)代入公式(7)中可知：

記K₃＝(1+Δ)a³，則公式(10)可表示為：

K₁R⁴+K₂R³-K₃＝0 (11)

觸探桿在刺入土體過程中，測(cè)力桿受到的擠土作用力，通過測(cè)力桿可以測(cè)定出孔穴內(nèi)壁壓強(qiáng)p_u和塑性區(qū)邊界沿徑向的位移u_R，根據(jù)上述解析解中土體在塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的土體位移值反算土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：

本發(fā)明填補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)勘察海洋淺層土體特性的空白，可有效應(yīng)用于裸置海底管道鋪設(shè)工程的前期勘測(cè)，為海底管道穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)提供更可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)。本發(fā)明根據(jù)測(cè)定土體受到的水平擠土作用力(應(yīng)力和應(yīng)變)評(píng)估土體的強(qiáng)度特性，有效減小了土體擾動(dòng)對(duì)表層土體特性測(cè)定結(jié)果的影響。

附圖說明

圖1一種新型的海洋淺層土體特性的探測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2觸探桿示意圖

圖3測(cè)力桿示意圖

圖4是本發(fā)明的探測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算模型的俯視圖

圖5是本發(fā)明的探測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算模型的側(cè)視圖

圖6觸探桿擠土過程中的受力圖

圖中：1、測(cè)力桿；2、觸探桿；3、地基土體；4、動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變采集儀；5、數(shù)據(jù)線；6、計(jì)算機(jī)；7、驅(qū)動(dòng)器，8、壓力傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

參見附圖1，本發(fā)明所涉及的海洋淺層土體特性探測(cè)系統(tǒng)，包括一觸探桿2，觸探桿2的下端為錐面結(jié)構(gòu)(圖2)觸探桿2與驅(qū)動(dòng)器7連接，運(yùn)用驅(qū)動(dòng)器7對(duì)觸探桿2施加豎向荷載，為觸探桿刺入地基土體3中提供動(dòng)力；觸探桿2周圍分布有多個(gè)測(cè)力桿1，測(cè)力桿1豎直插入地基土體3中，測(cè)力桿1埋置的深度需大于觸探桿2的貫入深度，所述測(cè)力桿1上布置有多個(gè)壓力傳感器8(圖3)，用以探測(cè)觸探桿2在入土過程中對(duì)周邊土體產(chǎn)生的擠土力；所述測(cè)力桿1通過數(shù)據(jù)線5連接動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變采集儀4，動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變采集儀4連接到計(jì)算機(jī)6，動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變采集儀4將采集到的測(cè)力桿1的測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)4，計(jì)算機(jī)4根據(jù)測(cè)力桿1測(cè)定的觸探桿貫入地基土體過程中對(duì)周邊土體產(chǎn)生的擠土作用力，評(píng)估海洋淺層土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(固結(jié)排水強(qiáng)度)，闡明海洋淺層土的力學(xué)特性，以建立管道在自重作用下嵌入土體后產(chǎn)生的土抗力模型，分析高溫高壓聯(lián)合作用下海底管道的在位穩(wěn)定性。

本發(fā)明的工作原理為：

參見附圖4和附圖5，地基土體3受到觸探桿2貫入的影響而被擠開，形成半徑為a的孔穴，孔穴內(nèi)壁的壓強(qiáng)為p_u，靠近孔穴附近的土體受到較強(qiáng)的擠壓作用而形成塑性區(qū)，最大塑性區(qū)半徑為R，最大塑性區(qū)以外的土體為受觸探桿影響而形成彈性區(qū)，彈性區(qū)與塑性區(qū)交界面上的壓強(qiáng)大小為σR，計(jì)算模型如圖5所示，其中，l為測(cè)力桿處于塑性區(qū)范圍內(nèi)的長(zhǎng)度，A點(diǎn)表示測(cè)力桿與泥面平行的點(diǎn)，B點(diǎn)表示測(cè)力桿處于最大土體塑性區(qū)邊界上的點(diǎn)，A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的測(cè)力桿位于球孔擴(kuò)張形成的土體塑性區(qū)范圍內(nèi)，是受擠土效應(yīng)影響較劇烈的部分，也是采用擬靜力法分析時(shí)的主要水平向荷載施加區(qū)域。

測(cè)力桿測(cè)定的擠土作用力，可由球孔擴(kuò)張理論和擬靜力方法計(jì)算得到，其在擠土過程中的受力圖如圖6所示，將觸探桿自重G與驅(qū)動(dòng)荷載P除以圓錐側(cè)面面積所得壓強(qiáng)p的水平向分量p_x作為球孔擴(kuò)張后的孔穴內(nèi)壁壓強(qiáng)p_u。

根據(jù)彈塑性理論，球孔擴(kuò)張中土體滿足如下平衡微分方程：

式中：r為計(jì)算點(diǎn)到球心的距離，σ_r和σ_θ分別為計(jì)算點(diǎn)的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。

當(dāng)r＝a(a為觸探桿貫入過程中土體形成的孔穴半徑)時(shí)，

σ_r＝p_u (2)

塑性區(qū)內(nèi)土體滿足摩爾-庫倫屈服條件：

式中：c為土體的粘聚力，為土體內(nèi)摩擦角。

將公式(3)代入公式(1)中求解微分方程，并結(jié)合邊界條件公式(2)可得：

利用孔穴的體積變化等于彈性區(qū)體積變化加上塑性區(qū)體積變化可得：

式中：u_R為塑性區(qū)邊界沿徑向的位移，R為土體最大塑性區(qū)的半徑，Δ為塑性區(qū)平均體積應(yīng)變。

化簡(jiǎn)公式(5)，得：

由于u_R的高階項(xiàng)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，故在此略去u_R²、u_R³等高階項(xiàng)，化簡(jiǎn)公式(6)得：

由彈性力學(xué)知識(shí)可得，塑性區(qū)邊界沿徑向的位移u_R為：

u_R＝δR (8)

式中：σ₀為計(jì)算點(diǎn)土體的初始應(yīng)力，μ為土體的泊松比，E為土體彈性模量。

將土體考慮成均質(zhì)土體，則

其中：Z為計(jì)算點(diǎn)到球心的豎向距離，A₁為球心處土體的初始應(yīng)力，γ'為土體浮容重，K₀為土體側(cè)壓力系數(shù)。

將公式(8)、(9)代入公式(7)中可知：

記K₃＝(1+Δ)a³，則公式(10)可表示為：

K₁R⁴+K₂R³-K₃＝0 (11)

觸探桿2在刺入土體過程中，測(cè)力桿1受到的擠土作用力，通過測(cè)力桿可以測(cè)定出孔穴內(nèi)壁壓強(qiáng)p_u和塑性區(qū)邊界沿徑向的位移u_R(u_R通過測(cè)力桿上的壓力傳感器8測(cè)定，即壓力傳感器8的應(yīng)變量)，可根據(jù)上述解析解中土體在塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的土體位移值反算土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和

本項(xiàng)專利主要通過探測(cè)觸探桿在貫入土體過程中，對(duì)周邊土體產(chǎn)生的擠土作用力，并由此得到海洋淺層土體的工程參數(shù)，具體步驟如下：

將壓力傳感器均勻布置于測(cè)力桿上，并將測(cè)力桿埋設(shè)在預(yù)測(cè)區(qū)域位置，呈圓形分布；

將觸探桿貫入土中：設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的貫入速率和位移，將觸探桿在測(cè)力桿布置的中間位置按1mm/s速率刺入土體，保證在觸探桿貫入土體過程中，土體處于排水狀態(tài)，刺入深度為5m；當(dāng)此過程中觸探桿對(duì)海洋地基土體產(chǎn)生擠土作用力；

測(cè)定觸探桿在刺入土體過程中，測(cè)力桿受到的擠土作用力，并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行整理分析；

通過推導(dǎo)得到的擠土作用力解析解反算地基土體的工程參數(shù)。

以上對(duì)本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。