一種新型海洋淺層土體特性探測系統及其評估方法與流程
2023-04-23 22:38:01
本發明涉及海洋淺層土的原位測試和現場勘察領域，具體來說涉及一種新型海洋淺層土體特性探測系統及其評估方法。
背景技術：
21世紀是海洋的世紀。目前，隨著陸地資源的過度開發，人口的急劇膨脹，環境問題的日益惡化，世界沿海各國紛紛將投資的目光轉移到了海洋，加快了對海洋的開發和利用，並且將其對海洋的開發能力作為衡量該國綜合科技能力的重要標準。海洋的開發主要是指對海洋資源的開發以及對海洋及其空間的綜合利用。為保證海洋開發工程的順利進行，施工前須進行海上勘探，通過各種勘探手段探明海底的地質構成和土體特性，為海洋開發工程提供設計的基礎資料，在海洋巖土工程領域主要採用海上原位測試技術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，對於工作水深較深的管道(大於300m)，由於海底複雜地質條件及工程造價的限制，通常將管道直接鋪設於海底，該鋪設條件下，海底淺層土體對管道的約束作用是造成管道發生整體屈曲，威脅管道在位穩定性的主要因素。裸置於海底的管道首先在自重的作用下，產生一定的沉降，嵌入到土體中，管道運營時，在高溫高壓的聯合作用下發生熱膨脹產生附加應力，由於熱膨脹和泊松效應的作用，管道內壁產生較大的軸向壓力，但由於周圍地基土體對管道的約束作用限制了管道自由變形，使管道內的軸向壓力無法因變形而釋放，隨著溫-壓荷載的升高，管道內的軸向壓力逐漸累積，當累計的軸向壓力大於管道臨界屈曲荷載時，管道發生整體屈曲，威脅管道的在位穩定性。因此，在有效控制海底管道的整體屈曲問題中，確定地基土體對管道的約束力具有重要意義。鑑於海洋淺層土對管道在位穩定性的重要意義，海底管道在鋪設前期需進行現場勘測，確定海洋淺層土體的工程特性，確保管線的安全與穩定性。
目前，較為常用的海上原位測試技術主要包括靜力觸探技術(Cone Penetration Testing-CPT)和全流動貫入技術(主要包括T-bar貫入技術和ball-bar貫入系統等)。靜力觸探探測得到的砂土工程特性較精確，但當探測粘土的工程特性時，由於受到孔隙水壓力的影響，探測的結果需要進行修正，修正結果顯示，探測產生誤差有時會是真實值得數倍之多，因此靜力觸探不適用於粘性土體特性的探測；全流動貫入系統雖然可進行粘土抗剪強度的確定，但由於受到端部效應的影響，在確定海洋淺層土體特性的過程中其探測結果誤差較大。
因此，為了準確測定海洋淺層土體的力學特性，為海底管道的工程設計提供有效設計參數，本專利詳細說明了一種新型的海洋淺層土體特性的探測系統。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種新型海洋淺層土體特性探測系統及其評估方法，通過測定觸探杆貫入地基土體過程中對周邊土體產生的擠土作用力，評估海洋淺層土體的抗剪強度指標(固結排水強度)，闡明海洋淺層土的力學特性，以建立管道在自重作用下嵌入土體後產生的土抗力模型，分析高溫高壓聯合作用下海底管道的在位穩定性。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種海洋淺層土體特性探測系統，包括一觸探杆，觸探杆的下端為錐面結構，觸探杆與驅動器連接，運用驅動器對觸探杆施加豎向荷載，為觸探杆刺入地基土體中提供動力；觸探杆周圍分布有多個測力杆，測力杆豎直插入地基土體中，所述測力杆上布置有多個壓力傳感器，用以探測觸探杆在入土過程中對周邊土體產生的擠土力。
在上述技術方案中，測力杆埋置的深度大於觸探杆的貫入深度。
在上述技術方案中，測力杆埋設在預測區域位置，呈圓形分布，觸探杆位於圓形中心。
在上述技術方案中，所述測力杆通過數據線連接動靜態應變採集儀，動靜態應變採集儀連接到計算機，動靜態應變採集儀將採集到的測力杆的測量數據傳送給計算機，計算機根據測力杆測定的觸探杆貫入地基土體過程中對周邊土體產生的擠土作用力，評估海洋淺層土體的抗剪強度指標，闡明海洋淺層土的力學特性，以建立管道在自重作用下嵌入土體後產生的土抗力模型，分析高溫高壓聯合作用下海底管道的在位穩定性。
所述的海洋淺層土體特性探測系統的計算方法：地基土體受到觸探杆貫入的影響而被擠開，形成半徑為a的孔穴，孔穴內壁的壓強為pu，靠近孔穴附近的土體受到較強的擠壓作用而形成塑性區，最大塑性區半徑為R，最大塑性區以外的土體為受觸探杆影響而形成彈性區，
測力杆測定的擠土作用力，可由球孔擴張理論和擬靜力方法計算得到，將觸探杆自重G與驅動荷載P除以圓錐側面面積所得壓強p的水平向分量px作為球孔擴張後的孔穴內壁壓強pu；
根據彈塑性理論，球孔擴張中土體滿足如下平衡微分方程：
式中：r為計算點到球心的距離，σr和σθ分別為計算點的徑向應力和環向應力。
當r＝a時，
σr＝pu (2)
塑性區內土體滿足摩爾-庫倫屈服條件：
式中：c為土體的粘聚力，為土體內摩擦角。
將公式(3)代入公式(1)中求解微分方程，並結合邊界條件公式(2)可得：
利用孔穴的體積變化等於彈性區體積變化加上塑性區體積變化可得：
式中：uR為塑性區邊界沿徑向的位移，R為土體最大塑性區的半徑，Δ為塑性區平均體積應變；
化簡公式(5)，得：
由於uR的高階項對計算結果影響較小，故在此略去uR2、uR3等高階項，化簡公式(6)得：
由彈性力學知識可得，塑性區邊界沿徑向的位移uR為：
uR＝δR (8)
式中：σ0為計算點土體的初始應力，μ為土體的泊松比，E為土體彈性模量。
將土體考慮成均質土體，則
其中：Z為計算點到球心的豎向距離，A1為球心處土體的初始應力，γ'為土體浮容重，K0為土體側壓力係數；
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)
觸探杆在刺入土體過程中，測力杆受到的擠土作用力，通過測力杆可以測定出孔穴內壁壓強pu和塑性區邊界沿徑向的位移uR，根據上述解析解中土體在塑性區內任一點的土體位移值反算土體的抗剪強度指標c和
本發明的優點和有益效果為：
本發明填補了現場勘察海洋淺層土體特性的空白，可有效應用於裸置海底管道鋪設工程的前期勘測，為海底管道穩定性的設計提供更可靠的設計參數。本發明根據測定土體受到的水平擠土作用力(應力和應變)評估土體的強度特性，有效減小了土體擾動對表層土體特性測定結果的影響。
附圖說明
圖1一種新型的海洋淺層土體特性的探測系統示意圖
圖2觸探杆示意圖
圖3測力杆示意圖
圖4是本發明的探測系統的計算模型的俯視圖
圖5是本發明的探測系統的計算模型的側視圖
圖6觸探杆擠土過程中的受力圖
圖中：1、測力杆；2、觸探杆；3、地基土體；4、動靜態應變採集儀；5、數據線；6、計算機；7、驅動器，8、壓力傳感器。
具體實施方式
下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。
參見附圖1，本發明所涉及的海洋淺層土體特性探測系統，包括一觸探杆2，觸探杆2的下端為錐面結構(圖2)觸探杆2與驅動器7連接，運用驅動器7對觸探杆2施加豎向荷載，為觸探杆刺入地基土體3中提供動力；觸探杆2周圍分布有多個測力杆1，測力杆1豎直插入地基土體3中，測力杆1埋置的深度需大於觸探杆2的貫入深度，所述測力杆1上布置有多個壓力傳感器8(圖3)，用以探測觸探杆2在入土過程中對周邊土體產生的擠土力；所述測力杆1通過數據線5連接動靜態應變採集儀4，動靜態應變採集儀4連接到計算機6，動靜態應變採集儀4將採集到的測力杆1的測量數據傳送給計算機4，計算機4根據測力杆1測定的觸探杆貫入地基土體過程中對周邊土體產生的擠土作用力，評估海洋淺層土體的抗剪強度指標(固結排水強度)，闡明海洋淺層土的力學特性，以建立管道在自重作用下嵌入土體後產生的土抗力模型，分析高溫高壓聯合作用下海底管道的在位穩定性。
本發明的工作原理為：
參見附圖4和附圖5，地基土體3受到觸探杆2貫入的影響而被擠開，形成半徑為a的孔穴，孔穴內壁的壓強為pu，靠近孔穴附近的土體受到較強的擠壓作用而形成塑性區，最大塑性區半徑為R，最大塑性區以外的土體為受觸探杆影響而形成彈性區，彈性區與塑性區交界面上的壓強大小為σR，計算模型如圖5所示，其中，l為測力杆處於塑性區範圍內的長度，A點表示測力杆與泥面平行的點，B點表示測力杆處於最大土體塑性區邊界上的點，A點與B點之間的測力杆位於球孔擴張形成的土體塑性區範圍內，是受擠土效應影響較劇烈的部分，也是採用擬靜力法分析時的主要水平向荷載施加區域。
測力杆測定的擠土作用力，可由球孔擴張理論和擬靜力方法計算得到，其在擠土過程中的受力圖如圖6所示，將觸探杆自重G與驅動荷載P除以圓錐側面面積所得壓強p的水平向分量px作為球孔擴張後的孔穴內壁壓強pu。
根據彈塑性理論，球孔擴張中土體滿足如下平衡微分方程：
式中：r為計算點到球心的距離，σr和σθ分別為計算點的徑向應力和環向應力。
當r＝a(a為觸探杆貫入過程中土體形成的孔穴半徑)時，
σr＝pu (2)
塑性區內土體滿足摩爾-庫倫屈服條件：
式中：c為土體的粘聚力，為土體內摩擦角。
將公式(3)代入公式(1)中求解微分方程，並結合邊界條件公式(2)可得：
利用孔穴的體積變化等於彈性區體積變化加上塑性區體積變化可得：
式中：uR為塑性區邊界沿徑向的位移，R為土體最大塑性區的半徑，Δ為塑性區平均體積應變。
化簡公式(5)，得：
由於uR的高階項對計算結果影響較小，故在此略去uR2、uR3等高階項，化簡公式(6)得：
由彈性力學知識可得，塑性區邊界沿徑向的位移uR為：
uR＝δR (8)
式中：σ0為計算點土體的初始應力，μ為土體的泊松比，E為土體彈性模量。
將土體考慮成均質土體，則
其中：Z為計算點到球心的豎向距離，A1為球心處土體的初始應力，γ'為土體浮容重，K0為土體側壓力係數。
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)
觸探杆2在刺入土體過程中，測力杆1受到的擠土作用力，通過測力杆可以測定出孔穴內壁壓強pu和塑性區邊界沿徑向的位移uR(uR通過測力杆上的壓力傳感器8測定，即壓力傳感器8的應變量)，可根據上述解析解中土體在塑性區內任一點的土體位移值反算土體的抗剪強度指標c和
本項專利主要通過探測觸探杆在貫入土體過程中，對周邊土體產生的擠土作用力，並由此得到海洋淺層土體的工程參數，具體步驟如下：
將壓力傳感器均勻布置於測力杆上，並將測力杆埋設在預測區域位置，呈圓形分布；
將觸探杆貫入土中：設定驅動器的貫入速率和位移，將觸探杆在測力杆布置的中間位置按1mm/s速率刺入土體，保證在觸探杆貫入土體過程中，土體處於排水狀態，刺入深度為5m；當此過程中觸探杆對海洋地基土體產生擠土作用力；
測定觸探杆在刺入土體過程中，測力杆受到的擠土作用力，並對測定結果進行整理分析；
通過推導得到的擠土作用力解析解反算地基土體的工程參數。
以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護範圍。