CN108827840B - 快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置及方法，包括套管、取样管、压环和监测支架，取样管底部有螺纹槽和花瓣，套管内壁有一滑道，对侧开有若干渗透孔，滑道与套管外壁间开有线孔，滑道内装有若干沉降监测潜标，滑道和线孔之间设有多个导孔，线孔中有多条不锈钢丝分别穿过导孔而与各个导孔对应的滑块相连，监测支架的设备安装平台下表面装有若干个位移传感器，所述不锈钢丝的上端分别与各自对应的位移传感器相连。本发明能够真实的模拟海底沉积物在快速堆积后的一维和二维固结排水过程，实现了长时间、不间断的数据采集；试验结束后，可将套管内的沉积物样品取回实验室，进行进一步测试，这在以往是实现不了的。

Description

快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种沉积物固结排水模拟试验装置，具体涉及一种海底快速堆积沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，用于在现场模拟水下（尤其是大河三角洲地区）沉积物在快速堆积后的固结沉降过程，同时可以获取相应的沉积物样品，用于后续的室内分析测试。

背景技术

我国大江大河众多，河流携带的大量泥沙在入海后迅速沉降下来，在河口区形成大型三角洲。快速堆积沉积物沉积后的固结沉降特征研究是目前大型河口三角洲地区的研究热点。与陆上土体固结沉降研究不同，水下三角洲地形变化受水动力作用下的冲淤、土体固结沉降等因素的影响，不能直接进行观测，目前常用理论计算、数值模拟、室内试验等方法对三角洲快速堆积沉积物的固结沉降过程进行研究。理论计算和数值模拟方法都是间接手段，受理论公式自身限制及所用参数取值的影响，常常与实际情况有所差异。室内试验方法主要是用重塑土在实验室内对海洋沉积物的固结沉降过程进行物模试验，通常在试验水箱中进行，将接近水下三角洲沉积物初始状态的重塑土放入试验箱中，定期观察样品的固结沉降量并取样测试其物理力学性质，从而对三角洲快速堆积沉积物的固结沉降过程进行研究。但是这种室内模拟方法存在很多不足，首先试验水箱中的排水条件与研究区现场真实情况之间存在较大差异，造成室内模拟试验结果不能真实反映固结沉积过程；其次，受室内实验室条件所限，试验水箱的高度通常小于1.5米，无法满足对快速堆积三角洲沉积体固结沉降研究的需要（黄河水下三角洲沉积体沉积厚度约为10米）；最后，室内模拟方法在取样时是通过压入取样管的方法获取沉积物样品，这种方法对样品会造成一定的压缩扰动，影响试验结果。因此，在研究区对固结沉降过程进行现场模拟试验可以很好的改善现有研究方法中存在的问题，有必要研制一种用于三角洲等快速堆积区沉积物固结沉降特征的现场模拟试验装置。

陆上土体固结沉降研究常用表层沉降观测、深层（分层）沉降观测、断面沉降观测等方法，特别是通过埋设分层标而进行的分层沉降观测方法在陆上工程地质领域应用普遍，如CN201310338686、CN201310651342、CN201710198046、CN201710787646公布的几种土体沉降分层观测装置或方法等均属于这一类。但这一类现有的土体沉降分层观测装置或方法主要是因建筑工程需要应用在陆域土体的固结沉降监测领域，不适用于重塑土的沉降模拟试验，主要原因包括：陆上分层沉降观测方法是对现有原状沉积土体的沉降过程进行观测的方法，不是对重塑土的固结沉降过程进行模拟试验的方法；陆上分层沉降观测装置需要在现有原状沉积土体中打钻，放入沉降管、分层标等装置，对于强度较弱的重塑土来说这种打钻过程已经破坏了土体的物理力学性质，对土体进行了压缩、震动等扰动，造成试验结果不可信，所以重塑土固结沉降模拟试验要求在土体固结沉降之前放入分层监测装置；对于快速堆积的海底沉积物来说，含水量非常大，沉积物处于软塑、流塑状态，打钻后土体无法自持，无法安装沉降管、分层标等，导致目前的分层沉降装置及方法无法满足重塑土的沉降模拟试验，更是无法满足快速堆积的海底沉积物的固结沉降模拟。

因此，根据现代大型河口三角洲沉积特征，设计一种能够模拟大河水下三角洲快速堆积沉积物固结沉降特征的现场模拟试验装置，实时、精确的对自然状态下不同类型沉积物沉积的孔隙比、压缩系数、固结度、固结沉降量等的变化规律进行测量，是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，以解决目前常用沉积物固结压缩试验不能真实反应沉积物固结过程的问题，填补目前没有该种海底沉积物固结沉降现场模拟试验装置的空白。

一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，其特征在于该装置包括下端有刀头的套管、装在套管内的取样管以及安装在套管顶端的压环和监测支架，所述取样管中部为样品管，样品管上部有提拉装置、底部有螺纹槽和用于保护沉积物的花瓣，所述花瓣通过螺纹连接的方式固定在样品管的螺纹槽中，且样品管、花瓣的内径相同；取样管通过安装在套管上端的压环和套管下端的刀头而固定在套管内；套管内壁设有一轴向的滑道，滑道与套管的外壁之间开有与滑道轴线平行的线孔，线孔贯穿整个套管；在滑道对侧的套管上每隔固定间距开有一个渗透孔，渗透孔由内而外依次装有透水石和保护网，渗透孔外端安装有配套的密封栓；滑道内装有若干个由滑块和滑片组成的沉降监测潜标，所述滑块可以沿滑道向下运动，所述滑片通过转轴连接在滑块内侧面下缘，两者转幅为90度；在滑道和线孔之间，间隔设有多个导孔，线孔中有多条不锈钢丝分别穿过导孔而与各个导孔对应的滑块相连；所述监测支架是在拆除压环取出取样管后，安装在套管顶部替换压环的部件，监测支架由位于下部的固定环、中部的支撑杆和上部的设备安装平台组成，将本装置钻入沉积物预定深度后，拆除上述固定取样管的压环，利用提拉装置将取样管及其内部的沉积物取出后，通过固定环将监测支架安装到压环原来的位置，代替压环；设备安装平台上表面装有电池仓、数据采集模块和数据传输模块，在设备安装平台的下表面、线孔的正上方，装有若干个位移传感器，所述不锈钢丝的上端分别与各自对应的位移传感器相连。

所述的一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，其特征在于所述套管由一根或多根1米长的套管组成，以便于根据试验所需长度进行组装，同时便于实验完成后的沉积物样品分样。

所述的一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，其特征在于还包括安装在样品管底部的螺纹卡环，所述螺纹卡环通过螺纹连接的方式安装在样品管底部的螺纹槽中，且螺纹卡环位于花瓣的下方以保护花瓣，且样品管、花瓣、螺纹卡环的内径相同。

所述的一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，其特征在于所述渗透孔的外端口处设有内螺纹，所述密封栓通过螺纹连接的方式安装在渗透孔的外端。

所述刀头采用的是CN 104849101 A公布的一种采用复合密封式结构的深海沉积物取样冲击头中涉及的采用了活板式密封器的刀头。

显然，本发明结构合理，能够真实的模拟海底沉积物在快速堆积后的一维和二维固结排水过程，同时，该设备可以实时将不同深度沉积物的固结沉降量发送给科研人员，避免了现场数据采集的人力资源浪费，实现了长时间、不间断的数据采集；试验结束后，可将套管内的沉积物样品取回实验室，进行进一步的沉积物物理力学性质测试，这在以往的沉积物固结沉降观测设备上是实现不了的。

附图说明

图1是本发明钻进沉积物时的外部结构示意图。

图2是本发明进行固结沉降监测时上半部分的结构示意图。

图3是取样管2的结构示意图。

图4是套管1的部分结构剖面示意图。

图5是渗透孔7的结构剖面示意图。

图6是监测支架9的结构示意图。

其中，1、套管，2、取样管，3、压环，4、刀头，5、线孔，6、滑道，7、渗透孔，8、密封栓，9、监测支架，10、位移传感器，11、不锈钢丝，12、电池仓，13、数据采集模块，14、数据传输模块，15、导孔，16、滑块，17、滑片，21、样品管，22、提拉装置，23、螺纹槽，24、花瓣，25、螺纹卡环，71、透水石，72、保护网，73、内螺纹，91、固定环，92、支撑杆，93、设备安装平台。

具体实施方式

一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，

如图1所示，其特征在于该装置包括套管1，所述套管1由若干根1米的套管拼接而成，可以根据试验所需长度进行组装，同时便于实验完成后的沉积物样品分样；该套管1内装有取样管2，取样管2在套管1内通过安装在套管1上端的压环3和套管1下端的刀头4固定；套管1内壁设有一轴向的滑道6，滑道6与套管1的外壁之间开有与滑道6轴线平行的线孔5，线孔5贯穿整个套管1；在滑道6对侧的套管1上每隔固定间距开有一个渗透孔7，渗透孔7外端安装有配套的密封栓8；

如图3所示，所述取样管2中部为样品管21，样品管21上部有提拉装置22、底部有螺纹槽23和用于保护沉积物的花瓣24，所述花瓣24通过螺纹连接的方式固定在样品管21的螺纹槽23中；所述样品管21底部还安装有螺纹卡环25，所述螺纹卡环25通过螺纹连接的方式安装在样品管21底部的螺纹槽23中，且螺纹卡环25位于花瓣24的下方以保护花瓣24，样品管21、花瓣24、螺纹卡环25的内径相同；

如图2、6所示，监测支架9是在拆除压环3取出取样管2后，安装在套管1顶部替换压环3的部件，监测支架9由位于下部的固定环91、中部的支撑杆92和上部的设备安装平台93组成，将本装置钻入沉积物预定深度后，拆除上述固定取样管2的压环3，利用提拉装置22将取样管2及其内部的沉积物取出后，通过固定环91将监测支架9安装到压环3原来的位置，代替压环3；

如图4所示，滑道6内装有若干个由滑块16和滑片17组成的沉降监测潜标，所述滑块16可以沿滑道6向下运动，所述滑片17通过转轴连接在滑块16内侧面下缘，两者转幅为90度；在滑道6和线孔5之间，间隔设有多个导孔15，线孔5中有多条不锈钢丝11分别穿过导孔15而与各个导孔15对应的滑块16相连；

如图2所示，设备安装平台93上表面装有电池仓12、数据采集模块13和数据传输模块14，在设备安装平台93的下表面、线孔5的正上方，装有若干个位移传感器10，所述不锈钢丝11的上端分别与各自对应的位移传感器10相连；

如图1、3、4所示，设备安装时，取样管2从套管1的底部推入，经过滑片17时，在推力的作用下，滑片17向上折叠且与滑块16呈合拢状态，当取样管2从套管1的顶部取出后，滑片17恢复之前的水平状态且与滑块16垂直，该状态一直保持到试验结束。

利用所述的装置现场模拟快速堆积海底沉积物固结沉降的方法，包括以下步骤：

1）根据试验所需长度组装长度合适的套管1，将若干根不锈钢丝11穿过线孔5和相应的导孔15，不锈钢丝11下端与相应导孔15处的带有滑片17的滑块16相连；

2）将不使用的渗透孔7以密封栓8封闭。若模拟一维固结排水过程，则将全部渗透孔7用密封栓8密封；若模拟二维固结排水过程，则选择所需深度的渗透孔7，不安装密封栓8；

3）在套管1的顶端、线孔5的入口处将所有不锈钢丝11拉紧并固定，使得滑块16和滑片17组成的沉降监测潜标固定于相应的导孔15所在的位置，安装压环3；

4）取与套管1长度相匹配的取样管2，将取样管2从套管1的底部推入，经过滑片17时，在推力的作用下，滑片17向上折叠且与滑块16呈合拢状态，在套管1底部安装刀头4，完成钻进设备的安装；

5）在选定的试验区，根据设定的深度，利用钻机将上述设备压入试验区沉积物中，且保持压环3位于沉积物外，卸下压环3，利用吊机将取样管2及内部的沉积物从套管1的顶部吊出，滑片17恢复之前的水平状态且与滑块16保持垂直；

6）解除不锈钢丝11上端的固定，将监测不同深度处土体固结沉降的由滑块16和滑片17组成的沉降监测潜标放到合适的深度后，再次将不锈钢丝11的上端固定，使得在往套管1内放入沉积物时沉降监测潜标不发生位移；

7）将试验用的过饱和的沉积物样品从套管1顶端放入，直至加入设定量的沉积物样品；

8）将电池仓12、数据采集模块13、数据传输模块14以及所需数量的位移传感器10集成到监测支架9上，将监测支架9安装到压环3原来所在的位置；

9）解除不锈钢丝11上端的固定，将不锈钢丝11拉直后上端与相应的位移传感器10相连；

10）设定固结沉降数据（即位移传感器记录的位移量）的采集和发送时间间隔，海底快速堆积沉积物固结沉降现场模拟试验开始，随着沉积物的固结沉降，由滑块16和滑片17组成的沉降监测潜标随之向下滑动，相应的位移传感器10记录位移变化量，并实时回传监测数据；

11）到达预定的固结沉降量或试验时间后，结束试验，拆除监测支架9，安装压环3，此时不锈钢丝11上端不进行固定，利用吊机将整个装置从土中吊出。

12）将套管1按1米间隔进行分解后，带回实验室，利用柱状沉积物样品推出装置将套管1中的沉积物样品从套管1的底部方向推出，进行后续的分析试验；

13）最后，用淡水对该模拟试验装置进行清洁和保养。

Claims (6)

1.一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，其特征在于该装置包括下端有刀头（4）的套管（1）、装在套管（1）内的取样管（2）以及安装在套管（1）顶端的压环（3）和监测支架（9），所述取样管（2）中部为样品管（21），样品管（21）上部有提拉装置（22）、底部有螺纹槽（23）和用于保护沉积物的花瓣（24），所述花瓣（24）通过螺纹连接的方式固定在样品管（21）的螺纹槽（23）中，且样品管（21）与花瓣（24）的内径相同；取样管（2）通过安装在套管（1）上端的压环（3）和套管（1）下端的刀头（4）而固定在套管（1）内；套管（1）内壁设有一轴向的滑道（6），滑道（6）与套管（1）的外壁之间开有与滑道（6）轴线平行的线孔（5），线孔（5）贯穿整个套管（1）；在滑道（6）对侧的套管（1）上每隔固定间距开有一个渗透孔（7），渗透孔（7）由内而外依次装有透水石（71）和保护网（72），渗透孔（7）外端安装有配套的密封栓（8）；滑道（6）内装有若干个由滑块（16）和滑片（17）组成的沉降监测潜标，所述滑块（16）可以沿滑道（6）向下运动，所述滑片（17）通过转轴连接在滑块（16）内侧面下缘，两者转幅为90度；在滑道（6）和线孔（5）之间，间隔设有多个导孔（15），线孔（5）中有多条不锈钢丝（11）分别穿过导孔（15）而与各个导孔（15）对应的滑块（16）相连；所述监测支架（9）是在拆除压环（3）取出取样管（2）后，安装在套管（1）顶部替换压环（3）的部件，监测支架（9）由位于下部的固定环（91）、中部的支撑杆（92）和上部的设备安装平台（93）组成，将本装置钻入沉积物预定深度后，拆除上述固定取样管（2）的压环（3），利用提拉装置（22）将取样管（2）及其内部的沉积物取出后，通过固定环（91）将监测支架（9）安装到压环（3）原来的位置，代替压环（3）；设备安装平台（93）上表面装有电池仓（12）、数据采集模块（13）和数据传输模块（14），在设备安装平台（93）的下表面、线孔（5）的正上方，装有若干个位移传感器（10），所述不锈钢丝（11）的上端分别与各自对应的位移传感器（10）相连。

2.如权利要求1所述的一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，其特征在于所述套管（1）由一根或多根1米长的套管组成，以便于根据试验所需长度进行组装，同时便于实验完成后的沉积物样品分样。

3.如权利要求1所述的一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，其特征在于还包括安装在样品管（21）底部的螺纹卡环（25），所述螺纹卡环（25）通过螺纹连接的方式安装在样品管（21）底部的螺纹槽（23）中，且螺纹卡环（25）位于花瓣（24）的下方以保护花瓣（24），且样品管（21）、花瓣（24）、螺纹卡环（25）的内径相同。

4.如权利要求1所述的一种快速堆积海底沉积物固结沉降的现场模拟试验装置，其特征在于所述渗透孔（7）的外端口处设有内螺纹（73），所述密封栓（8）通过螺纹连接的方式安装在渗透孔（7）的外端。

5.利用权利要求1所述的装置现场模拟快速堆积海底沉积物固结沉降的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据试验所需长度组装长度合适的套管（1），将若干根不锈钢丝（11）穿过线孔（5）和相应的导孔（15），不锈钢丝（11）下端与相应导孔（15）处的带有滑片（17）的滑块（16）相连；

2）将不使用的渗透孔（7）以密封栓（8）封闭，若模拟一维固结排水过程，则将全部渗透孔（7）用密封栓（8）密封；若模拟二维固结排水过程，则选择所需深度的渗透孔（7），不安装密封栓（8）；

3）在套管（1）的顶端、线孔（5）的入口处将所有不锈钢丝（11）拉紧并固定，使得滑块（16）和滑片（17）组成的沉降监测潜标固定于相应导孔（15）所在的位置，安装压环（3）；

4）取与套管（1）长度相匹配的取样管（2），将取样管（2）从套管（1）的底部推入，经过滑片（17）时，在推力的作用下，滑片（17）向上折叠且与滑块（16）呈合拢状态，在套管（1）底部安装刀头（4），完成钻进设备的安装；

5）在选定的试验区，根据设定的深度，利用钻机将上述设备压入试验区沉积物中，且保持压环（3）位于沉积物外，卸下压环（3），利用吊机将取样管（2）及内部的沉积物从套管（1）的顶部吊出，滑片（17）恢复之前的水平状态且与滑块（16）保持垂直；

6）解除不锈钢丝（11）上端的固定，将监测不同深度处土体固结沉降的由滑块（16）和滑片（17）组成的沉降监测潜标放到合适的深度后，再次将不锈钢丝（11）的上端固定，使得在往套管（1）内放入沉积物时沉降监测潜标不发生位移；

7）将试验用的过饱和沉积物样品从套管（1）顶端放入，直至加入设定量的沉积物样品；

8）将电池仓（12）、数据采集模块（13）、数据传输模块（14）以及所需数量的位移传感器（10）集成到监测支架（9）上，将监测支架（9）安装到压环（3）原来所在的位置；

9）解除不锈钢丝（11）上端的固定，将不锈钢丝（11）上端拉直后与相应的位移传感器（10）相连；

10）设定固结沉降数据的采集和发送时间间隔，海底快速堆积沉积物固结沉降现场模拟试验开始，随着沉积物的固结沉降，由滑块（16）和滑片（17）组成的沉降监测潜标随之向下移动，相应的位移传感器（10）记录位移变化量，并实时回传监测数据；

11）到达预定的固结沉降量或试验时间后，结束试验，拆除监测支架（9），安装压环（3），此时不锈钢丝（11）上端不进行固定，利用吊机将整个装置从土中吊出。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

12）将套管（1）按1米间隔进行分解后，带回实验室，利用柱状沉积物样品推出装置将套管（1）中的沉积物样品从套管（1）的底部方向推出，进行后续的分析试验；

13）最后，用淡水对该模拟试验装置进行清洁和保养。