CN103410134B - 一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针，该探针的上部为不锈钢探杆（1），不锈钢探杆（1）的下方设有摩擦套筒（2），第一孔压过滤环（4.1）设置在摩擦套筒（2）下方，在第一孔压过滤环（4.1）的下方设有延伸锥体（5），延伸锥体（5）用来连接不锈钢探杆（1）和延伸探杆（6），延伸探杆（6）下方设置有第二孔压过滤环（4.2），第二孔压过滤环（4.2）下端为锥形探头（8）；在不锈钢探杆（1）内部设有第一孔隙水压力传感器（3.1），在延伸探杆（6）中设有测斜仪（7）和第二孔隙水压力传感器（3.2）。采用该锥形探针具有原位、快速、准确等特点，为海洋土勘察、海洋资源开发等领域低渗透性、欠固结海洋土基本特性的评价提供有力的测试工具。

Description

一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针

技术领域

本发明涉及一种可测海洋欠固结土孔隙水压力的锥形探针，属于岩土工程和海洋工程领域中一种能够原位、准确地分析测试土体孔隙水压力的静力触探装置。

背景技术

伴随着海洋资源的不断开发与利用，海洋地质勘探越来越受到人们的关注，其中如何有效、可靠的测试土体孔隙水压力是海洋岩土工程勘探中的热门问题之一。海洋土由于其特殊的高压沉积环境，大多呈欠固结状态且土体渗透系数很低。现有测量土体孔隙水压力的方法主要有两种：一种是现场原位取样，通过相关室内试验测定。这种方法存在取样困难、扰动大、费用高等无法避免的局限性。同时海洋土体的原位取样对取样技术和质量有着更高的要求，通常难以得到较为满意的结果；另一种方法是现场原位测试，即孔压静力触探技术。静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力等，可用来确定土的某些基本特性。静力触探技术至今已有80多年的历史，国际上广泛应用静力触探部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样，我国也于20世纪60年代将此项技术应用于工程勘察。孔压静力触探的测试原理是利用探头贯入土体，导致土中应力发生改变，然后进行孔压消散试验，评价土体中孔隙水压力的变化。传统的孔压静力触探技术在对海洋土的孔隙水压力测试时变得不切实际，因为土体呈欠固结状态且渗透性低，使得孔压消散试验时间通常高于24h，探头尺寸的影响使得测试结果可靠度较低，难以满足要求。基于上述问题，本发明提出了一种可用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针，该探针用于海洋欠固结土孔隙水压力测试时，具有快速(孔压消散时间一般小于1h)、可靠和连续等特点，为海洋土基本特性的评价提供有效的测试方法。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对现有勘探技术无法快速、准确的原位测定海洋欠固结土体孔隙水压力的缺陷，提出一种可用于岩土工程、海洋工程领域的可测试海洋土孔隙水压力的锥形探针。利用该锥形探针进行相关海洋欠固结土孔隙水压力消散试验，可在一小时内有效测定土体孔隙水压力变化。

技术方案：本发明的一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针的上部为不锈钢探杆，不锈钢探杆的下方设有摩擦套筒，第一孔压过滤环设置在摩擦套筒下方，在第一孔压过滤环的下方设有延伸锥体，延伸锥体用来连接不锈钢探杆和延伸探杆，延伸探杆下方设置有第二孔压过滤环，第二孔压过滤环下端为锥形探头；在不锈钢探杆内部设有第一孔隙水压力传感器，在延伸探杆中设有测斜仪和第二孔隙水压力传感器。

不锈钢探杆的直径为35.6mm。

延伸锥体的长度为80mm、锥角为20°。

延伸探杆长度为160mm、直径为7.4mm。

锥形探头的锥角为30°，锥底截面积为43mm²。

所述第一孔隙水压力传感器与第二孔隙水压力传感器为两种不同类型的孔隙水压力传感器；第一孔压过滤环与第二孔压过滤环为两种不同类型的孔压过滤环。

所述第二孔压过滤环的高度为7.4mm。

本发明的用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探头，其锥形探头部分基于传统静力触探设备，主要由延伸锥体、孔隙水压力传感器、孔压过滤器和锥形探头等组成。延伸探杆上的孔压过滤环设置于锥尖之后，并与探杆直径同高。锥形探头贯入海洋欠固结土体中进行孔压消散试验时，锥形探针的设计使得土体固结速率增加、孔隙水压力消散时间减小(整个孔压消散试验通常在1h内完成)，两个不同部位的孔压传感器同时记录土体中孔隙水压力的变化，对记录的孔压消散数据通过有效应力—固结耦合模型分析，得到土体原位孔隙水压力。

有益效果：在开发海洋资源时，首先需要对海洋沉积土体的基本特性有着深刻认识，其中孔隙水压力是海洋土基本特性的重要参数之一。海洋土由于其特殊的沉积环境，如高围压、底层高渗透性等，使得土体表现出低渗透性、欠固结等特性。土体自身的特殊性以及深海沉积环境的差异性使得孔隙水压力的测试变得较为复杂。室内试验存在取样困难、费用高和扰动大等无法克服的局限性，传统孔压静力触探技术虽然能够有效的测试土体孔隙水压力，但对低渗透性、欠固结的海洋土测试时，仍存在孔压消散时间长，测试精度不够等缺陷。本发明解决了国内现有的孔压静力触探技术不能测量海洋欠固结土孔隙水压力的缺陷，可以快速、准确地测量深海土体的原位孔隙水压力变化。该项技术具有可靠性和连续性的特点。

附图说明

图1是本发明的元件装置图；

其中有：不锈钢探杆1，摩擦套筒2，第一孔隙水压力传感器3.1、第二孔隙水压力传感器3.2，第一孔压过滤环4.1、第二孔压过滤环4.2，延伸锥体5，延伸探杆6，测斜仪7，锥形探头8。

具体实施方式

本发明的可原位测试海洋欠固结土孔隙水压力的锥形探针顶部为不锈钢探杆1，不锈钢探杆1的下方设有摩擦套筒2，不锈钢探杆1内部设有第一孔隙水压力传感器3.1，第一孔压过滤环4.1设置在摩擦套筒2下方，延伸锥体5用来连接不锈钢探杆1和延伸探杆6，延伸探杆6下方依次设置有测斜仪7、第二孔隙水压力传感器3.2和第二孔压过滤环4.2，延伸探杆6的底端为锥形探头8。

不锈钢探杆1的直径为35.6mm。

延伸锥体5的长度为80mm、锥角为20°。

延伸探杆6长度为160mm、直径为7.4mm。

锥形探头8的锥角为30°，锥底截面积为43mm²。

本发明的用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探头，其锥形探头部分基于传统静力触探设备，主要由延伸锥体、孔隙水压力传感器、孔压过滤器和锥形探头等组成。延伸探杆6上的第二孔压过滤环42设置于锥形探头8的锥尖之后，并与延伸探杆6的直径相同。传统的孔压静力触探设备对欠固结、低渗透性海洋土进行孔压消散试验时，所需时间通常高于24h，且由于探头尺寸的影响，测试结果可靠度较差。锥形探头贯入海洋欠固结土体中进行孔压消散试验时，锥形探针的设计使得土体固结速率增加、孔隙水压力消散时间减小(整个孔压消散试验通常在1h内完成)，两个不同部位的孔压传感器同时记录土体中孔隙水压力的变化。

图1所示为测量的原理图。锥形探针贯入和孔压消散的过程中土体的应力—应变特性表现为非线性的过程，因此采用有效应力模型来分析土体的应力—应变特性。假定土体中孔隙水的流动遵循达西定律并且土体具有恒定的渗透系数，定义无量纲时间因子T为：

$T=\frac{{\mathrm{\σ}}^{\′}\mathrm{kt}}{{\mathrm{\γ}}_w{R}^2}$

式中，σ′为土体原位平均有效应力，单位pa；k为土体渗透系数，单位m/s；t为锥形探针停止贯入后的时间，单位s；γ_w为水的重度，单位N/m³；R为锥形探杆半径(对应孔隙水压力测量位置的探杆半径)，单位mm。

通过有效应力—固结耦合模型分析，得到探针贯入时土体中总应力和有效应力的变化，通过平衡条件计算得到土体中孔隙水压力。由于计算过程求解较为复杂，通常采用非线性有限元对试验数据进行处理，得到不同深度、不同时刻和不同探杆半径测得的孔隙水压力u(R,z,t)。

Claims (7)

1.一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针，其特征在于该探针的上部为不锈钢探杆（1），不锈钢探杆（1）的下方设有摩擦套筒（2），第一孔压过滤环（4.1）设置在摩擦套筒（2）下方，在第一孔压过滤环（4.1）的下方设有延伸锥体（5），延伸锥体（5）用来连接不锈钢探杆（1）和延伸探杆（6），延伸探杆（6）下方设置有第二孔压过滤环（4.2），第二孔压过滤环（4.2）下端为锥形探头（8）；在不锈钢探杆（1）内部设有第一孔隙水压力传感器（3.1），在延伸探杆（6）中设有测斜仪（7）和第二孔隙水压力传感器（3.2）。

2.根据权利要求1所述的一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针，其特征在于不锈钢探杆（1）的直径为35.6mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针，其特征在于延伸锥体（5）的长度为80mm、锥角为20°。

4.根据权利要求1所述的一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针，其特征在于延伸探杆（6）长度为160mm、直径为7.4mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针，其特征在于锥形探头（8）的锥角为30°，锥底截面积为43mm²。

6.根据权利要求1所述的一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针，其特征在于所述第一孔隙水压力传感器（3.1）与第二孔隙水压力传感器（3.2）为两种不同类型的孔隙水压力传感器；第一孔压过滤环（4.1）与第二孔压过滤环（4.2）为两种不同类型的孔压过滤环。

7.根据权利要求1所述的一种用于海洋欠固结土孔隙水压力测试的锥形探针，其特征在于所述第二孔压过滤环（4.2）的高度为7.4mm。