一种海洋浅层土体特性探测系统的制作方法

本实用新型涉及海洋浅层土的原位测试和现场勘察领域，具体来说涉及一种海洋浅层土体特性探测系统。

背景技术：

21世纪是海洋的世纪。目前，随着陆地资源的过度开发，人口的急剧膨胀，环境问题的日益恶化，世界沿海各国纷纷将投资的目光转移到了海洋，加快了对海洋的开发和利用，并且将其对海洋的开发能力作为衡量该国综合科技能力的重要标准。海洋的开发主要是指对海洋资源的开发以及对海洋及其空间的综合利用。为保证海洋开发工程的顺利进行，施工前须进行海上勘探，通过各种勘探手段探明海底的地质构成和土体特性，为海洋开发工程提供设计的基础资料，在海洋岩土工程领域主要采用海上原位测试技术探明海底的土体特性。

目前，随着海洋油气资源的兴起，海底管道成为了海上油气输送的主要手段，对于工作水深较深的管道(大于300m)，由于海底复杂地质条件及工程造价的限制，通常将管道直接铺设于海底，该铺设条件下，海底浅层土体对管道的约束作用是造成管道发生整体屈曲，威胁管道在位稳定性的主要因素。裸置于海底的管道首先在自重的作用下，产生一定的沉降，嵌入到土体中，管道运营时，在高温高压的联合作用下发生热膨胀产生附加应力，由于热膨胀和泊松效应的作用，管道内壁产生较大的轴向压力，但由于周围地基土体对管道的约束作用限制了管道自由变形，使管道内的轴向压力无法因变形而释放，随着温-压荷载的升高，管道内的轴向压力逐渐累积，当累计的轴向压力大于管道临界屈曲荷载时，管道发生整体屈曲，威胁管道的在位稳定性。因此，在有效控制海底管道的整体屈曲问题中，确定地基土体对管道的约束力具有重要意义。鉴于海洋浅层土对管道在位稳定性的重要意义，海底管道在铺设前期需进行现场勘测，确定海洋浅层土体的工程特性，确保管线的安全与稳定性。

目前，较为常用的海上原位测试技术主要包括静力触探技术(Cone Penetration Testing-CPT)和全流动贯入技术(主要包括T-bar贯入技术和ball-bar贯入系统等)。静力触探探测得到的砂土工程特性较精确，但当探测粘土的工程特性时，由于受到孔隙水压力的影响，探测的结果需要进行修正，修正结果显示，探测产生误差有时会是真实值得数倍之多，因此静力触探不适用于粘性土体特性的探测；全流动贯入系统虽然可进行粘土抗剪强度的确定，但由于受到端部效应的影响，在确定海洋浅层土体特性的过程中其探测结果误差较大。

因此，为了准确测定海洋浅层土体的力学特性，为海底管道的工程设计提供有效设计参数，本专利详细说明了一种新型的海洋浅层土体特性的探测系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够探测海洋浅层土体特性的测试系统，通过测定触探杆贯入地基土体过程中对周边土体产生的挤土作用力，评估海洋浅层土体的抗剪强度指标(固结排水强度)，阐明海洋浅层土的力学特性，以建立管道在自重作用下嵌入土体后产生的土抗力模型，分析高温高压联合作用下海底管道的在位稳定性。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种海洋浅层土体特性探测系统，包括一触探杆，触探杆的下端为锥面结构，触探杆与驱动器连接，运用驱动器对触探杆施加竖向荷载，为触探杆刺入地基土体中提供动力；触探杆周围分布有多个测力杆，测力杆竖直插入地基土体中，所述测力杆上布置有多个压力传感器，用以探测触探杆在入土过程中对周边土体产生的挤土力。

在上述技术方案中，测力杆埋置的深度大于触探杆的贯入深度。

在上述技术方案中，测力杆埋设在预测区域位置，呈圆形分布，触探杆位于圆形中心。

在上述技术方案中，所述测力杆通过数据线连接动静态应变采集仪，动静态应变采集仪连接到计算机，动静态应变采集仪将采集到的测力杆的测量数据传送给计算机，计算机根据测力杆测定的触探杆贯入地基土体过程中对周边土体产生的挤土作用力，评估海洋浅层土体的抗剪强度指标，阐明海洋浅层土的力学特性，以建立管道在自重作用下嵌入土体后产生的土抗力模型，分析高温高压联合作用下海底管道的在位稳定性。

所述的海洋浅层土体特性探测系统的计算方法：地基土体受到触探杆贯入的影响而被挤开，形成半径为a的孔穴，孔穴内壁的压强为p_u，靠近孔穴附近的土体受到较强的挤压作用而形成塑性区，最大塑性区半径为R，最大塑性区以外的土体为受触探杆影响而形成弹性区，

测力杆测定的挤土作用力，可由球孔扩张理论和拟静力方法计算得到，将触探杆自重G与驱动荷载P除以圆锥侧面面积所得压强p的水平向分量p_x作为球孔扩张后的孔穴内壁压强p_u；

根据弹塑性理论，球孔扩张中土体满足如下平衡微分方程：

式中：r为计算点到球心的距离，σ_r和σ_θ分别为计算点的径向应力和环向应力。

当r＝a时，

σ_r＝p_u (2)

塑性区内土体满足摩尔-库伦屈服条件：

式中：c为土体的粘聚力，为土体内摩擦角。

将公式(3)代入公式(1)中求解微分方程，并结合边界条件公式(2)可得：

利用孔穴的体积变化等于弹性区体积变化加上塑性区体积变化可得：

式中：u_R为塑性区边界沿径向的位移，R为土体最大塑性区的半径，Δ为塑性区平均体积应变；

化简公式(5)，得：

由于u_R的高阶项对计算结果影响较小，故在此略去u_R²、u_R³等高阶项，化简公式(6)得：

由弹性力学知识可得，塑性区边界沿径向的位移u_R为：

u_R＝δR (8)

式中：σ₀为计算点土体的初始应力，μ为土体的泊松比，E为土体弹性模量。

将土体考虑成均质土体，则

其中：Z为计算点到球心的竖向距离，A₁为球心处土体的初始应力，γ'为土体浮容重，K₀为土体侧压力系数；

将公式(8)、(9)代入公式(7)中可知：

记K₃＝(1+Δ)a³，则公式(10)可表示为：

K₁R⁴+K₂R³-K₃＝0 (11)

触探杆在刺入土体过程中，测力杆受到的挤土作用力，通过测力杆可以测定出孔穴内壁压强p_u和塑性区边界沿径向的位移u_R，根据上述解析解中土体在塑性区内任一点的土体位移值反算土体的抗剪强度指标c和

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型填补了现场勘察海洋浅层土体特性的空白，可有效应用于裸置海底管道铺设工程的前期勘测，为海底管道稳定性的设计提供更可靠的设计参数。本实用新型根据测定土体受到的水平挤土作用力(应力和应变)评估土体的强度特性，有效减小了土体扰动对表层土体特性测定结果的影响。

附图说明

图1一种新型的海洋浅层土体特性的探测系统示意图

图2触探杆示意图

图3测力杆示意图

图4是本实用新型的探测系统的计算模型的俯视图

图5是本实用新型的探测系统的计算模型的侧视图

图6触探杆挤土过程中的受力图

图中：1、测力杆；2、触探杆；3、地基土体；4、动静态应变采集仪；5、数据线；6、计算机；7、驱动器，8、压力传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

参见附图1，本实用新型所涉及的海洋浅层土体特性探测系统，包括一触探杆2，触探杆2的下端为锥面结构(图2)触探杆2与驱动器7连接，运用驱动器7对触探杆2施加竖向荷载，为触探杆刺入地基土体3中提供动力；触探杆2周围分布有多个测力杆1，测力杆1竖直插入地基土体3中，测力杆1埋置的深度需大于触探杆2的贯入深度，所述测力杆1上布置有多个压力传感器8(图3)，用以探测触探杆2在入土过程中对周边土体产生的挤土力；所述测力杆1通过数据线5连接动静态应变采集仪4，动静态应变采集仪4连接到计算机6，动静态应变采集仪4将采集到的测力杆1的测量数据传送给计算机4，计算机4根据测力杆1测定的触探杆贯入地基土体过程中对周边土体产生的挤土作用力，评估海洋浅层土体的抗剪强度指标(固结排水强度)，阐明海洋浅层土的力学特性，以建立管道在自重作用下嵌入土体后产生的土抗力模型，分析高温高压联合作用下海底管道的在位稳定性。

本实用新型的工作原理为：

参见附图4和附图5，地基土体3受到触探杆2贯入的影响而被挤开，形成半径为a的孔穴，孔穴内壁的压强为p_u，靠近孔穴附近的土体受到较强的挤压作用而形成塑性区，最大塑性区半径为R，最大塑性区以外的土体为受触探杆影响而形成弹性区，弹性区与塑性区交界面上的压强大小为σR，计算模型如图5所示，其中，l为测力杆处于塑性区范围内的长度，A点表示测力杆与泥面平行的点，B点表示测力杆处于最大土体塑性区边界上的点，A点与B点之间的测力杆位于球孔扩张形成的土体塑性区范围内，是受挤土效应影响较剧烈的部分，也是采用拟静力法分析时的主要水平向荷载施加区域。

测力杆测定的挤土作用力，可由球孔扩张理论和拟静力方法计算得到，其在挤土过程中的受力图如图6所示，将触探杆自重G与驱动荷载P除以圆锥侧面面积所得压强p的水平向分量p_x作为球孔扩张后的孔穴内壁压强p_u。

根据弹塑性理论，球孔扩张中土体满足如下平衡微分方程：

式中：r为计算点到球心的距离，σ_r和σ_θ分别为计算点的径向应力和环向应力。

当r＝a(a为触探杆贯入过程中土体形成的孔穴半径)时，

σ_r＝p_u (2)

塑性区内土体满足摩尔-库伦屈服条件：

式中：c为土体的粘聚力，为土体内摩擦角。

将公式(3)代入公式(1)中求解微分方程，并结合边界条件公式(2)可得：

利用孔穴的体积变化等于弹性区体积变化加上塑性区体积变化可得：

式中：u_R为塑性区边界沿径向的位移，R为土体最大塑性区的半径，Δ为塑性区平均体积应变。

化简公式(5)，得：

由于u_R的高阶项对计算结果影响较小，故在此略去u_R²、u_R³等高阶项，化简公式(6)得：

由弹性力学知识可得，塑性区边界沿径向的位移u_R为：

u_R＝δR (8)

式中：σ₀为计算点土体的初始应力，μ为土体的泊松比，E为土体弹性模量。

将土体考虑成均质土体，则

其中：Z为计算点到球心的竖向距离，A₁为球心处土体的初始应力，γ'为土体浮容重，K₀为土体侧压力系数。

将公式(8)、(9)代入公式(7)中可知：

记K₃＝(1+Δ)a³，则公式(10)可表示为：

K₁R⁴+K₂R³-K₃＝0 (11)

触探杆2在刺入土体过程中，测力杆1受到的挤土作用力，通过测力杆可以测定出孔穴内壁压强p_u和塑性区边界沿径向的位移u_R(u_R通过测力杆上的压力传感器8测定，即压力传感器8的应变量)，可根据上述解析解中土体在塑性区内任一点的土体位移值反算土体的抗剪强度指标c和

本项专利主要通过探测触探杆在贯入土体过程中，对周边土体产生的挤土作用力，并由此得到海洋浅层土体的工程参数，具体步骤如下：

将压力传感器均匀布置于测力杆上，并将测力杆埋设在预测区域位置，呈圆形分布；

将触探杆贯入土中：设定驱动器的贯入速率和位移，将触探杆在测力杆布置的中间位置按1mm/s速率刺入土体，保证在触探杆贯入土体过程中，土体处于排水状态，刺入深度为5m；当此过程中触探杆对海洋地基土体产生挤土作用力；

测定触探杆在刺入土体过程中，测力杆受到的挤土作用力，并对测定结果进行整理分析；

通过推导得到的挤土作用力解析解反算地基土体的工程参数。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。