CN108318382B - 近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，包括一测量装置；所述测量过程包括布放步骤和数据获取步骤；布放步骤中，S1.首先通过辅助船将所述测量装置运至研究目标点位，使数据模块工作，通过缆绳、可控脱钩将起吊装置与测量装置连接，然后将测量装置吊至研究点位上方并使其保持竖直；S2.打开可控脱钩使测量装置在自由的重力作用下贯入海底沉积物内；回收步骤中，S3.待测量装置贯入并稳定后，通过起吊装置将其回收；S4.获取贯入深度数据和加速度数据。本发明综合了SPT、CPT等原位测量方法的优点，可对近海海底沉积物抗液化能力进行有效的测量及评价，为海岸带地质灾害的预防和治理提供准确的测量数据和研究基础。

Description

近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法

技术领域

本发明涉及海底沉积物检测方法，属于海底地质工程领域，具体涉及一种基于自由落体原理的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法。

背景技术

海洋沉积物是指各种海洋沉积作用所形成的海底沉积物的总称，以海水为介质沉积在海底的物质，沉积产生原因包括物理的、化学的和生物的多种因素，这些沉积物的形成过程往往不是孤立地进行，大多都是综合作用产生的地质体。传统上按所处区域的海水深度将沉积物划分为：0～20米为近岸沉积、20～200米为浅海沉积、200～2000米为半深海沉积、大于2000米为深海沉积。

近海海底沉积物的稳定性评价对于海岸带地质灾害的预防和治理有着重要的作用，其中，波浪作用下海底沉积物的液化是一种非常常见的近海地质灾害现象，发生液化后会造成海底土体失稳，危害人员安全和造成财产损失，严重的甚至会引发地质或海洋灾害。因此，如何对沉积的物理、力学性质进行高效、高质量的测试是一个重要的问题，海底沉积物抗液化能力的研究对于液化的预测和防治有着重要的作用，对保护海上工程设施及人民生命安全有着重要意义。

目前，海底沉积物抗液化能力判别或测量方法主要有：标准贯入法、静力触探法以及剪应力、剪应变及有效应力原理等方法。标准贯入法不够精确，只能初步进行抗液化能力的判断；静力触探法对测量设备和辅助船的规格有较高的要求；依靠钻探取得原装样品后进行实验室的物理力学参数测试，并根据现有液化评判公式或数值模式进行计算的方法，虽然有了较高的精确度，但是操作过程较为繁琐、复杂，而且该方法容易改变沉积物在原有位置的物理、力学状态，进而对试验结果造成影响。因此，现有的判别方法仍然存在较为费事、费力、成本高等问题。

如中国专利（申请公布号CN105953971A）公开了一种“基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测系统”，包括液化振动装置、孔隙水压力观测系统以及用于布放和回收的辅助船。液化振动装置包括振动箱、活塞振动系统、护筒、防沉降圆盘和透水的柔性材料；孔隙水压力观测系统包括孔隙水压力观测探杆内部设有孔隙水压力采集舱、孔隙水压力传感器，顶部设有浮体并连接孔压布放缆；布放时通过辅助船将液化振动装置和孔隙水压力观测系统至海床面，通过液化振动装置使海床土体发生局部液化，完成孔隙水压力观测系统的布放；通过辅助船上的控制系统调节控制液化振动装置的振动频率，可实现不同海床条件下孔隙水压力观测系统的布放。该发明采用振动液化原理对孔隙水压力进行测量，未涉及海底沉积物的测量问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，用于解决现有技术存在的问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：

近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，包括一测量装置，包括利用自由落体作用贯入海底沉积物内的探杆、配重仓和数据模块，所述配重仓安装在探杆上端，配重仓内用于放置配重块，其特征在于，所述探杆外侧安装深度测量部件，深度测量部件与探杆之间设有单向移动机构，所述单向移动机构在探杆贯入沉积物时深度测量部件可以向上移动、而在探杆从沉积物取出时能够将速度测量部件保持在上移的最后位置，用以获得探杆贯入沉积物的深度；所述数据模块包括加速度测量元件和供电模块，供电模块为加速度测量元件供电；

所述测量过程包括布放步骤和数据获取步骤；

所述布放步骤中，S1.首先通过辅助船将所述测量装置运至研究目标点位，使数据模块工作，通过缆绳、可控脱钩将起吊设备与测量装置连接，然后将测量装置吊至研究点位上方并使其保持竖直；S2.打开可控脱钩使测量装置在自由的重力作用下贯入海底沉积物内；

所述数据获取步骤中，S3.待测量装置贯入并稳定后，通过起吊设备将其回收；S4.获取贯入深度数据和加速度数据。

如上所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，所述测量装置回收后将深度测量部件复位，对同一点位进行多次测量或者对多个点位进行测量以获得测量数据。

如上所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，所述布放步骤中探杆的贯入深度控制在其长度的50%~80%之间。

如上所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，所述探杆为柱体，所述深度测量部件包括圆环状受力板，受力板套设在探杆上，受力板上对称悬挂有沉块，沉块底面与探杆下端齐平。

如上所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，所述单向移动机构包括滚轮，滚轮通过第一转轴与深度测量部件连接，滚轮上固定安装有同轴的单向齿轮，所述单向齿轮外周设有限位柱和限位杆，限位杆的一端与单向齿轮的齿部活动接触，限位杆的另一端通过第二转轴与滚轮铰接，限位杆设在第二转轴的下侧。

如上所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，所述单向齿轮设在滚轮的内部，第二转轴端部伸出滚轮并安装复位装置，通过复位装置带动限位杆与单向齿轮分离以实现深度测量部件复位。

如上所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，所述单向移动机构包括弹簧和滚珠，深度测量部件上开有径向孔，径向孔内安装滚珠和弹簧，滚珠卡设在径向孔的内端口并与探杆滑动接触，所述弹簧为滚珠提供向内的挤压力，所述单向移动机构对称设置有多套。

如上所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，所述探杆上端通过螺纹结构与配重仓连接，其下端设有贯入探头；所述贯入探头为锥度角在30~150°之间的锥形头或球体。,

如上所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，所述配重仓为椭圆形仓体，配重仓外侧设有尾翼，所述尾翼为多块导流板，多块导流板对称竖向固定在配重仓上。

如上所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，所述数据模块设在配重仓内，加速度测量元件为微型即插即用型直流加速度计，用于将所述探杆下落过程获取的加速度数据记录并存储；所述供电模块由多块电池和电源开关构成。

本发明的优点是：

1、本发明具有方便操作、可重复性高等多方面优点，可以大幅节约测量所需的成本、减少人力物力的使用、提高测量效率和测量数据的准确性。

2、与现有的测量方法仍需要使用钻探取样、运输、制样、室内土工试验及数值计算等，使每一环节均存在干扰因素产生误差，影响测量数据的准确性，本方法可以直接从海上进行现场原位测量，消除多种人为误差。

3、本发明综合了SPT、CPT等原位测量方法的优点，可对近海海底沉积物抗液化能力进行有效的测量及评价，由于测量效率高且可以重复使用，因而能够及时获取沉积物的液化情况，为海岸带地质灾害的预防和治理提供准确的测量数据和研究基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。

图1是本发明使用的原位测量装置的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的A-A向放大剖视图；

图4是另一种所述速度测量部件的结构示意图；

图5是图4中所述单向移动机构的结构示意图；

图6中图1中所述配重仓的结构示意图；

图7是图6的B-B向剖视图；

图8是本发明原位测量装置的使用状态图（吊装后）；

图9是本发明原位测量装置的使用状态图（贯入后）。

图10是本发明的流程图。

附图标记：1-探杆，2-配重仓，21-配重块，3-尾翼，4-深度测量部件，41-沉块，5-单向移动机构，51-径向孔，52-滚珠，53-弹簧，54-滚轮，55-第一转轴，56-单向齿轮，57-限位柱，58-限位杆，59-第二转轴，6-贯入探头，7-加速度测量元件，8-数据存储模块，9-供电模块，10-辅助船，11-起吊设备，12-缆绳，13-可控脱钩。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图10所示，本实施例公开了一种近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，包括一测量装置，测量装置包括利用自由落体作用贯入海底沉积物内的探杆1、配重仓2和数据模块，配重仓2安装在探杆1上端，配重仓2内用于放置配重块21，探杆1外侧安装深度测量部件4，测量元件4与探杆1之间设有单向移动机构5，单向移动机构5在探杆1贯入沉积物时深度测量部件可以向上移动、而在探杆1从沉积物取出时保持深度测量部件位于移动的最后位置，用以获得探杆1贯入沉积物的深度；数据模块包括加速度测量元件7和供电模块9，供电模块8为加速度测量元件7供电。

测量过程包括布放步骤和数据获取步骤；布放步骤中，S1.首先通过辅助船10将所述测量装置运至研究目标点位，使数据模块工作，通过缆绳12、可控脱钩13将起吊设备11与测量装置连接，然后将测量装置吊至研究点位上方并使其保持竖直；S2.打开可控脱钩13使测量装置在自由的重力作用下贯入海底沉积物内；数据获取步骤中，S3.待测量装置贯入并稳定后，通过起吊设备11将其回收；S4.获取贯入深度数据和加速度数据。

如图1所示，本实施例的探杆1为实心高强度不锈钢材质制成的柱体，用以满足密实海底沉积物的贯入需求；探杆1下端设置贯入探头6，贯入探头6采用锥形头时，针对较硬的沉积物可以提高冲击力，采用球体时，针对较软的沉积物可以增大贯入阻力，避免对较软的沉积物贯入部位产生有害影响，保证测量的准确性。另外，根据不同沉积物底质类型，探杆1可设置多种类型尺寸配合使用；贯入探头6设有锥形、球形等多种结构，用以配合不同粗细的探杆1对不同类型的沉积物进行贯入测量。

探杆1的外部安装深度测量部件4，深度测量部件4与探杆1之间设有单向移动机构5，通过单向移动机构5使深度测量部件4在贯入时，可从贯入探头6下部向配重仓2方向单向移动，即探杆1在贯入沉积物过程中深度测量部件4沿探杆下部向上移动，然后在探杆1从沉积物中将探杆1吊出时，单向移动机构5能够使深度测量部件1停留在贯入停止并稳定的最后位置，进而通过读取探杆1的刻度即可获得沉积物的贯入深度。使用后，将深度测量部件4复位于探杆1的贯入探头6一侧，可以用于下次测量。

如图3-图5所示，深度测量部件4由受力板、沉块41以及悬挂绳组成。受力板可采用轻质圆环型塑钢，由于其面积要远大于探杆1的截面积，在接触到海底沉积物时即受力板触底后，受沉积物的阻挡产生向上的推力，从而可以带动深度测量部件4向上移动。由于贯入沉积物时，重力活塞取样器的整体阻力增加受水平最大截面的影响，因此，在保证受力板直径小于配重仓2的情况下，将受力板设置的尽可能的大，这样可以确保在松软的海底沉积物使用时也能提供足够的阻力。

沉块41为悬挂在受力板下方的铅质配重块，以防止探杆1在海水中下落时，受力板受到海水拖拽力向上移动，克服由于提前上移，导致实际的沉积物贯入深度测量错误；沉块41触底后失去对受力板61的拉力，此后受力板可自由向上移动。设置沉块41在其触底后，还可以对受力板61形成更大的支撑，从而增强向上的推力。沉块41底部应和探杆1下端保持水平，在设置有贯入探头6的情况下，要延长至贯入探头6下端保持水平。

与受力板配合的单向移动机构5，用于在自然状态限制深度测量部件4只可以上移，而不能够向下移动，从而，可以保证受力板在探杆1上相对上移，获取贯入沉积物的速度。

如图4、图5所示，第一种单向移动机构，采用滚轮54、单向齿轮56、限位柱57、限位杆58构成，滚轮54、单向齿轮56相对固定，并通过第一转轴55与受力板连接。单向齿轮56与滚轮54一起转动，向上为顺时针转动时，单向齿轮56将限位杆58推开，滚轮54正常动作；向下为逆时针转动时，受限位柱57和限位杆58的共同作用，单向齿轮56无法旋转，因此，可以实现在自然状态下滚轮54无法向下滑动。

为了方便使用和维护，避免沉积物进入单向移动机构5内部，可以将单向齿轮56、限位柱57、限位杆58设置在滚轮内部，或者固定在滚轮的侧面，并通过密封罩体进行密封。

如图3所示，第二种单向移动机构5，可以采用滚珠52和弹簧53结构，在受力板内圈上开设径向孔51，滚珠卡设在径向孔51的内端口，并与探杆1外周滑动接触，弹簧53为滚珠52提供向内的挤压力。即受力板在自然状态下、进入海水中以及贯入后的静止状态下，利用弹簧通过滚珠对探杆1施加的挤压力，受力板和探杆1不会产生相对移动；而在贯入沉积物时，由于受沉积物向上的阻力和摩擦力作用，使受力板具有足够的向上滑动的推力，并能够停留在贯入静止时的探杆1与沉积物平面位置。因此，受力板的面积大小是深度测量部件准确移动的重要因素，优选采用2-4倍的探杆1截面。

上述两种单向移动机构在受力板与探杆1之间设置4套或以上，以保证贯入时深度测量部件6与探杆1配合的稳定性。同时为了方便受力板61在测量后的复位，在第二转轴或弹簧上应安装复位部件。

如图1所示，本实施例中深度测量部件4为受力板，受力板套设在探杆1上，受力板向外凸起的高度，即受力板的圆环宽度优选要小于配重仓2的短轴长度，以避免贯入时增大阻力，导致测量的不准确。

另外，深度测量部件4也可以设置为锥形筒，锥形筒套设在探杆1上，单向移动机构为倒齿和滑块配合，倒齿竖向设在探杆1外周，倒齿下侧为斜边，上侧为水平边，滑块在倒齿上可以向上滑动，锥形筒内设有径向的支撑管，滑块通过弹簧设置在支撑管内，即利用倒齿的斜边，滑块在锥形筒受到沉积物阻力和摩擦力的带动下，可以沿探杆1从下往上移动，而由于倒齿的水平边设置，可将滑块卡设在水平边上，防止探杆1从沉积物取出时，深度测量部件4下落导致测量误差。

如图6、图7所示，本实施例的配重仓2为不锈钢椭圆形仓体，配重仓2内可以填充若干铅质圆柱体配重块21，根据不同的沉积物底质类型，选择不同数量的配重块21，从而保证贯入深度控制在达到探杆1整体长度的50%~80%为佳；为了方便配重块21在配重仓2内的固定，配重仓2内壁上安装隔板或卡具，同时，配重块21在放置或固定方式应保证其重心位于探杆1的轴线上，以实现贯入时的稳定性；配重仓2的上部设置数据模块，包括加速度测量元件7、供电模块9，用以测量并记录贯入过程中的加速度数据，为了保证数据的安全性能和存储容量，可增加数据存储模块8，供电模9由多块充电电池和电源开关组成。

如图1、图2所示，本实施例在配重仓2上设置有尾翼3，尾翼3是由4个固定于配重仓2上的不锈钢导流板组成，尾翼3在海水中自由下落时可以使探杆1保持竖直向下的姿态，防止发生倾斜，最大限度地保证贯入的有效性。

如图8、图9所示，本测量装置通过辅助船10运载至研究点进行，辅助船上设有起吊设备11及连接的缆绳12，通过可控脱钩13吊至研究点位上方并使其保持竖直，缆绳与测量装置连接用于回收，缆绳要具有足够长度保证释放时测量设备为自由落体状体，然后通过可控脱钩释放直至贯入海底沉积物中，待稳定后收回测量设备，获取贯入深度和加速度数据。

在大量进行试验后，可以定性通过分析总结沉积物类型、抗液化能力与贯入深度的关系，并将贯入深度与各种沉积物工程性质做回归分析，得到贯入深度、加速度曲线和该研究区沉积物各种工程性质的对照表；利用辅助船上的高精度差分GPS对研究点进行定位，释放贯入设备使其自由落体直至贯入海底沉积物中，稳定后收回贯入设备，读取测量数据。

本方法的测量过程包括布放步骤和数据获取步骤，结合图10做详细说明：

（1）将供电模块9充满电与加速度测量元件7、数据储存模块8连接好后，与选取的配重块21一起放入配重仓2中，密封好；

（2）将配重仓2与探杆1通过螺纹结构连接好，深度测量部件4置于探杆1的测量原始位置，完成测量装置的整体组装；

（3）通过辅助船10将测量设备搭载并行驶至定位的研究点位，抛锚并停稳；

（4）测量装置吊至研究点位正上方，连接好可控脱钩13和缆绳12，可控脱钩13与配置仓上的挂环连接，由人工控制其打开；缆,12的长度以满足最大深度的贯入连接需求，并保证测量装置在贯入时为自由落体状态，即仅受整体的自身重力作用；

（5）打开可控脱钩13，释放测量装置，直至探杆1贯入海底沉积物内部并停止、稳定；

（6）待探杆1贯入稳定后，使用起吊设备缓缓将测量装置吊至辅助船上；

（7）记录研究点位坐标，获取加速度数据、贯入深度数据；

（8）将深度测量部件4复位，将探杆1等测量件清洗干净，根据需求对同一点位多次测量或者测量多个点位，重复上述（4）~（7）步骤，获得各自的贯入深度数据，；

（9）完成全部研究点位的测量后，关闭供电模块9，用淡水彻底清洗测量装置。

为了获得区域抗液化能力对照表以及本方法实施前的准备工作过程如下：

（1）针对不同区域多种海底沉积物进行大量的贯入试验，得到贯入深度、加速度曲线和沉积物工程参数、抗液化能力的一般性对照表；研究特定区域时，选择已知沉积物底质类型、液化情况、工程性质的区域，根据现有抗液化能力的判别方式对已知区域进行抗液化能力的计算和评估，可得到适用于该区域的转换参数，与给定的初始抗液化能力对照表进行对比可得到使用与该海域的转换关系；综合上述沉积物和贯入深度、加速度数据关系获得区域抗液化能力对照表；

（2）使用测量设备对沉积物进行贯入试验，得到不同试验对象条件下的贯入深度及加速度曲线；

（3）将贯入深度、加速度曲线与已知的区域抗液化能力对照表对比分析，得到不同抗液化能力条件下的加速度曲线类型及贯入深度特点，总结出不同贯入设备条件、贯入深度、加速度及抗液化能力条件的关系对照表；

（4）根据研究区已有历史资料初步推断海底沉积物物理力学性质，使用贯入深度计算公式初步对贯入深度进行预测；根据预测得到的结果选择合适的贯入探杆以及相应数量的配重块进行测量设备的贯入试验，保证贯入深度达到探杆的50%~80%为佳。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (6)

1.近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，其特征在于，包括一测量装置，包括利用自由落体作用贯入海底沉积物内的探杆、配重仓和数据模块，所述配重仓安装在探杆上端，配重仓内用于放置配重块，其特征在于，所述探杆外侧安装深度测量部件，深度测量部件与探杆之间设有单向移动机构，所述单向移动机构在探杆贯入沉积物时深度测量部件可以向上移动、而在探杆从沉积物取出时能够将速度测量部件保持在上移的最后位置，用以获得探杆贯入沉积物的深度；所述数据模块包括加速度测量元件和供电模块，供电模块为加速度测量元件供电；所述探杆为柱体，所述深度测量部件包括圆环状受力板，受力板套设在探杆上，受力板上对称悬挂有沉块，沉块底面与探杆下端齐平；所述单向移动机构包括弹簧和滚珠，深度测量部件上开有径向孔，径向孔内安装滚珠和弹簧，滚珠卡设在径向孔的内端口并与探杆滑动接触，所述弹簧为滚珠提供向内的挤压力，所述单向移动机构对称设置有多套；

所述测量过程包括布放步骤和数据获取步骤；

所述布放步骤中，S1.首先通过辅助船将所述测量装置运至研究目标点位，使数据模块工作，通过缆绳、可控脱钩将起吊装置与测量装置连接，然后将测量装置吊至研究点位上方并使其保持竖直；S2.打开可控脱钩使测量装置在自由的重力作用下贯入海底沉积物内；

所述数据获取步骤中，S3.待测量装置贯入并稳定后，通过起吊装置将其回收；S4.获取贯入深度数据和加速度数据。

2.根据权利要求1所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，其特征在于，所述测量装置回收后将深度测量部件复位，对同一点位进行多次测量或者对多个点位进行测量以获得测量数据。

3.根据权利要求1所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，其特征在于，所述布放步骤中探杆的贯入深度控制在其长度的50％～80％之间。

4.根据权利要求1所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，其特征在于，所述探杆上端通过螺纹结构与配重仓连接，其下端设有贯入探头；所述贯入探头为锥度角在30～150°之间的锥形头或球体。

5.根据权利要求1所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，其特征在于，所述配重仓为椭圆形仓体，配重仓外侧设有尾翼，所述尾翼为多块导流板，多块导流板对称竖向固定在配重仓上。

6.根据权利要求1所述的近海海底沉积物抗液化能力原位测量方法，其特征在于，所述数据模块设在配重仓内，加速度测量元件为微型即插即用型直流加速度计，用于将所述探杆下落过程获取的加速度数据记录并存储；所述供电模块由多块电池和电源开关构成。