CN109555099B - 一种新型海洋土全流触探系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型海洋土全流触探系统及测试方法，属于土木工程领域。采用轴长比为0.4的椭圆截面探头进一步降低探头阻力系数引起的测试误差，并给出了探头阻力系数、阻力系数误差与轴长比的线性关系；将光纤光栅布置于探杆外壁，替代传统压感传感器，在循环贯入过程中测试探头端部阻力及侧向摩阻力；基于全流理论利用土塑性力学的极限分析法，从理论上给出土体不排水抗剪强度的算法，并结合探头、探杆的几何形式比给出了对应的算法；在椭圆探头布设孔压传感器，测试贯入过程中孔压变化；与现有测试技术相比，降低了由探头阻力系数难以控制引起的测量误差，优化了海洋软土不排水抗剪强度的测试方法，能够对海洋软土的抗剪强度进行精准测量。
Description
技术领域
本发明属于土木工程领域，涉及一种新型海洋土全流触探系统及测试方法，尤其涉及一种利用光纤光栅传感器为测量部件的测试方法。
背景技术
近年来，海洋开发不断由近岸浅海向离岸深海的发展，对海洋工程的设计、建设及运营提出了更高的要求。与海洋工程建设运营密切先关的勘测技术，尤其是对海洋土强度的测试评价技术有着重要的工程意义。目前，对于海洋软土强度的勘测分为现场勘测及室内试验两种方式，但勘测结果受仪器精度及土样的取样质量影响，误差往往较大。
海洋软土具有不同于其他陆相岩土的特殊工程性质，往往呈现出高含水率、高灵敏度、高液性指数、不排水强度低及循环软化等特点，采用合理、高效的方法确定其强度指标具有重要意义。传统的海洋软土强度指标的测试方法主要包括：三轴剪切试验、现场十字板试验、静力触探试验等方法。由于测试精度相对较高，近年来静力触探和T-bar静力贯入试验得到了较为广泛的应用。
以上方法在实践中广泛应用的同时，也暴露出了一些问题。例如，由于海洋饱和软土的抗剪强度相对较低，对于静力触探试验来说，在高压的海底测试环境中，贯入阻力的随深度的增量梯度过低会降低测试精度。对于T-bar静力贯入测试，基于全流理论利用塑性力学的极限方法获得解析解，其测试结果相对较为准确，但是受T-bar探头的尺寸效应影响，从表层初始贯入时周围土体往往不能达到满流状态，会导致在几倍探头深度内低估软土的强度；T-bar静力贯入采用的传统圆形截面探头，其阻力系数受探头表面粗糙度的影响较大，在完全光滑及完全粗糙两种极限条件下阻力系数的不确定性可引起近13％的测试误差。
基于以上问题，本发明提供的海洋土全流触探系统及测试方法，采用了可显著降低探头阻力系数不确定性误差的椭圆截面探头，以高精度、高灵敏度的光纤光栅作为应力测量手段，并提供了基于全流理论的软土不排水抗剪强度的算法公式。对于提升海洋软土强度参数的测量精度、探究海洋软土的循环破坏机理的具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种海洋土全流触探系统及测试，以克服现有手段的不足。利用可显著降低误差的椭圆截面探头替代传统圆形截面探头，以高精度、高灵敏度的光纤光栅作为应力测量手段，优化了海洋软土不排水抗剪强度测试方法。并基于全流理论的软土不排水抗剪强度算法公式、不同轴长比椭圆界面探头的阻力系数及阻力系数误差计算公式。
本发明的技术方案：
一种新型海洋土全流触探系统，包括椭圆截面探头1、孔隙水压传感器2、光纤光栅3、镁铝合金变截面中空探杆4、压阻式压力传感器5、带密封线圈的塑胶软管6、孔隙可调式移动滑块7、滑块定位螺栓8、波长解调设备9、压力数采仪10、进步式电机11和直线模组12；
所述的椭圆截面探头1为刚性材料，用于剪切土体；
所述的镁铝合金变截面中空探杆4为变截面中空圆柱，从顶部到底部分为大直径非变截面区域、变截面区域及小直径非变截面区域；镁铝合金变截面中空探杆4的底部与椭圆截面探头1螺纹连接；镁铝合金变截面中空探杆4的顶部通过孔隙可调式移动滑块7和滑块定位螺栓8的配合固定在直线模组12的横臂上；镁铝合金变截面中空探杆4的变截面区域及小直径非变截面区域外部套装有带密封线圈的塑胶软管6，消除变截面区域带来的侧向摩阻力，提高系统的测试精度实现；镁铝合金变截面中空探杆4的变截面区域是通过机械车床加工出来的，上部大直径非变截面部分为的是提高探杆的刚度，减少变形；变截面区域的目的是为了缩小截面面积，提高贯入时杆身的应变量，增加测试精度；
所述的孔隙水压传感器2固定于椭圆截面探头1底部中心的凹槽，孔隙水压传感器2的传输导线经由镁铝合金变截面中空探杆4内部，与压力数采仪10相连；
所述的光纤光栅3粘贴于镁铝合金变截面中空探杆4外部，用来测试椭圆截面探头1贯入阻力及镁铝合金变截面中空探杆4侧向摩阻力；光纤光栅3与波长解调设备9相连；
所述的直线模组12通过进步式电机11进行调节；
所述的压阻式压力传感器5设置于孔隙可调式移动滑块7和镁铝合金变截面中空探杆4的贴合处，用以测试镁铝合金变截面中空探杆4及椭圆截面探头1的压入阻力。
所述的椭圆截面探头1底部中心凹槽表面进行喷砂处理。
椭圆截面探头1在贯入过程中产生贯入阻力，引起镁铝合金变截面中空探杆4产生弹性变形，利用光纤光栅3测量大直径非变截面区域及变截面区域的应变分别计算镁铝合金变截面中空探杆4的侧摩阻力及椭圆截面探头1贯入阻力；基于全流理论，利用塑性理论极限解获得椭圆截面探头1贯入阻力与海洋软土不排水抗剪强度的算法公式，进而分析不同轴长比椭圆界面探头1的阻力系数及阻力系数误差的算法公式；压阻式压力传感器5测量椭圆截面探头1循环贯入、拔出过程中的孔隙水压变化，信号由压力数采仪10接收；
(1)椭圆截面探头1的贯入阻力由镁铝合金变截面中空探杆4下部的变截面区域的应力值计算：
Q＝Aσ
式中：σ探杆杆身应力，σ＝Eε；其中，ε探杆杆身应变值，E探杆的弹性模量；A镁铝合金变截面中空探杆下部变截面区域截面面积，其中d1为探杆外径，d2为内径；
(2)软土的不排水抗剪强度基于全流理论利用塑性理论的极限解得出：
式中：S软土的不排水抗剪强度；Q探头端阻力；L探头长度；N探头平均阻力系数，其中Nc为探头完全光滑的的阻力系数，Ns为探头完全粗糙的阻力系数；a椭圆截面探头长轴；b椭圆截面探头短轴；
(3)探头平均阻力系数分析：椭圆截面探头1的平均阻力系数与界面轴长比b/a相关，根据塑性力学极限解的结果得探头平均阻力系数N与轴长比b/a的变化关系曲线见图5。
对曲线进行线性拟合得椭圆截面探头1的平均阻力系数与轴长比的函数关系：
(4)进一步的建立椭圆截面探头1截面轴长比、镁铝合金变截面中空探杆4的杆径与软土的不排水抗剪强度算法公式：
探头阻力系数误差分析：探头阻力系数误差定义为探头阻力系数误差与截面轴长比b/a相关，根据塑性力学极限解的结果可得探头平均阻力系数误差Δ与轴长比b/a的变化关系曲线见图6。
对曲线进行线性拟合得椭圆截面探头1的平均阻力误差与轴长比的函数关系：
受材料强度刚度影响并考虑一定的误差范围，建议采用轴长比b/a为0.4左右的椭圆截面探头进行试验测试。
(5)镁铝合金变截面中空探杆4侧向摩阻力的计算：在计算镁铝合金变截面中空探杆4侧摩阻力时忽略镁铝合金变截面中空探杆4自身的重量；根据力的平衡原理，镁铝合金变截面中空探杆4x深度处的侧摩阻力由镁铝合金变截面中空探杆4上部的压阻式压力传感器5测得的压力值P及由光纤光栅3测得的镁铝合金变截面中空探杆4x深度处的杆身应力σx计算，由得/>
本发明的效果和益处：本发明的优势在于采用可显著降低测试误差的椭圆截面探头，将探头的阻力系数引起的计算误差由普通圆形截面探头的13％降低到5％左右；给出了以探头截面轴长比、探杆杆径为参数的与土不排水抗剪强度算法公式，可为后续的试验、设计提供有利参考；量化了探头界面轴长比与阻力系数误差的关系，从材料力学特性角度及误差控制角度给出了探头截面轴长比建议值；以光纤光栅作为测量传感器，具有精度高、灵敏度高、造价低、对试验影响小的优点。测量得出的数据经算法计算能够准确得出软土的不排水抗剪强度。
附图说明
图1是试验装置的总平面示意图。
图2是实施例一探杆与探头的连接及光栅布置示意图。
图3是实施例一孔隙水压传感器与压阻式压力传感器布置图。
图4是实施例一的试验测量示意图。
图5是阻力系数随轴长比的变化曲线。
图6是阻力系数误差随轴长比的变化关系。
图中：1椭圆截面探头；2孔隙水压传感器；3光纤光栅；4镁铝合金变截面中空探杆；5压阻式压力传感器；6带密封线圈的塑胶软管；7孔隙可调式移动滑块；8滑块定位螺栓；9波长解调设备；10压力数采仪；11步进式电机；12直线模组；13试验土样。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，详述本发明的具体实施方式。
实施例一
一种新型海洋土全流触探系统，包括椭圆截面探头1、孔隙水压传感器2、光纤光栅3、镁铝合金变截面中空探杆4、压阻式压力传感器5、带密封线圈的塑胶软管6、孔隙可调式移动滑块7、滑块定位螺栓8、波长解调设备9、压力数采仪10、进步式电机11和直线模组12；
所述的椭圆截面探头1为刚性材料，用于剪切土体；
所述的镁铝合金变截面中空探杆4为变截面中空圆柱，从顶部到底部分为大直径非变截面区域、变截面区域及小直径非变截面区域；镁铝合金变截面中空探杆4的底部与椭圆截面探头1螺纹连接；镁铝合金变截面中空探杆4的顶部通过孔隙可调式移动滑块7和滑块定位螺栓8的配合固定在直线模组12的横臂上；镁铝合金变截面中空探杆4的变截面区域及小直径非变截面区域外部套装有带密封线圈的塑胶软管6，消除变截面区域带来的侧向摩阻力，提高系统的测试精度实现；镁铝合金变截面中空探杆4的变截面区域是通过机械车床加工出来的，上部大直径非变截面部分为的是提高探杆的刚度，减少变形；变截面区域的目的是为了缩小截面面积，提高贯入时杆身的应变量，增加测试精度；
所述的孔隙水压传感器2固定于椭圆截面探头1底部中心的凹槽，孔隙水压传感器2的传输导线经由镁铝合金变截面中空探杆4内部，与压力数采仪10相连；
所述的光纤光栅3粘贴于镁铝合金变截面中空探杆4外部，用来测试椭圆截面探头1贯入阻力及镁铝合金变截面中空探杆4侧向摩阻力；光纤光栅3与波长解调设备9相连；
所述的直线模组12通过进步式电机11进行调节；
所述的压阻式压力传感器5设置于孔隙可调式移动滑块7和镁铝合金变截面中空探杆4的贴合处，用以测试镁铝合金变截面中空探杆4及椭圆截面探头1的压入阻力。
椭圆截面探头1贯入试验土样13后会引起镁铝合金变截面中空探杆4产生弹性变形，利用光纤光栅3测量镁铝合金变截面中空探杆4变形；光纤光栅3用来测试椭圆截面探头1贯入阻力及镁铝合金变截面中空探杆4侧向摩阻力，光纤光栅3与波长解调设备9相连；所述的孔隙水压传感器2安装于椭圆截面探头1底部预留小孔，传输导线经由镁铝合金变截面中空探杆4内部，与压力数采仪10相连；所述的压阻式压力传感器5安装于镁铝合金变截面中空探杆4顶部，用以测试镁铝合金变截面中空探杆4及椭圆截面探头1的压入阻力；所述的直线模组12通过进步式电机11，连接镁铝合金变截面中空探杆4，带动椭圆截面探头1上下等速循环贯入。
如图4所示，步进式电机11带动直线模组12将椭圆截面探头1以均速V贯入试验土样。贯入过程中由孔隙水压传感器2测试孔压变化，经由压力数采仪10采集数据。贯入过程中引起镁铝合金变截面中空变形，应变量由光纤光栅3测得，并经波长解调设备9读取应，下部变截面探杆测试探头贯入阻力应变值为ε1，上部贯入h深度处测试侧摩阻力探杆应变值为ε2。贯入过程中镁铝合金变截面中空探杆4顶部的压力P，由压阻式压力传感器5测得，经压力数采仪10采集数据。椭圆截面探头1的长轴长x，短轴长y，探头长l。镁铝合金变截面中空探杆4上部等截面部分直径为d1下部变截面探杆的弹性模量为E，探杆外径d2，内径为d3。由不排水抗剪强度算法公式可求得试验土样的抗剪强度测试值S为：
镁铝合金变截面中空探杆4贯入h深度处的侧向摩阻力测试值q(h)为：
由椭圆截面探头1阻力系数不确定性带来的最大误差Δ为：
Claims (5)
1.一种新型海洋土全流触探系统，其特征在于，所述的新型海洋土全流触探系统包括椭圆截面探头(1)、孔隙水压传感器(2)、光纤光栅(3)、镁铝合金变截面中空探杆(4)、压阻式压力传感器(5)、带密封线圈的塑胶软管(6)、孔隙可调式移动滑块(7)、滑块定位螺栓(8)、波长解调设备(9)、压力数采仪(10)、进步式电机(11)和直线模组(12)；
所述的椭圆截面探头(1)为刚性材料，用于剪切土体；
所述的镁铝合金变截面中空探杆(4)为变截面中空圆柱，从顶部到底部分为大直径非变截面区域、变截面区域及小直径非变截面区域；镁铝合金变截面中空探杆(4)的底部与椭圆截面探头(1)螺纹连接；镁铝合金变截面中空探杆(4)的顶部通过孔隙可调式移动滑块(7)和滑块定位螺栓(8)的配合固定在直线模组(12)的横臂上；镁铝合金变截面中空探杆(4)的变截面区域及小直径非变截面区域外部套装有带密封线圈的塑胶软管(6)，消除变截面区域带来的侧向摩阻力，提高系统的测试精度实现；镁铝合金变截面中空探杆(4)的变截面区域是通过机械车床加工出来的，上部大直径非变截面部分为的是提高探杆的刚度，减少变形；变截面区域的目的是为了缩小截面面积，提高贯入时杆身的应变量，增加测试精度；
所述的孔隙水压传感器(2)固定于椭圆截面探头(1)底部中心的凹槽，孔隙水压传感器(2)的传输导线经由镁铝合金变截面中空探杆(4)内部，与压力数采仪(10)相连；
所述的光纤光栅(3)对称粘贴于镁铝合金变截面中空探杆(4)外部，用来测试椭圆截面探头(1)贯入阻力及镁铝合金变截面中空探杆(4)侧向摩阻力；光纤光栅(3)与波长解调设备(9)相连；
所述的直线模组(12)通过进步式电机(11)进行调节；
所述的压阻式压力传感器(5)设置于孔隙可调式移动滑块(7)和镁铝合金变截面中空探杆(4)的贴合处，用以测试镁铝合金变截面中空探杆(4)及椭圆截面探头(1)的压入阻力。
2.根据权利要求1所述的新型海洋土全流触探系统，其特征在于，所述的椭圆截面探头(1)底部中心凹槽表面进行喷砂处理。
3.一种用权利要求1或2所述的新型海洋土全流触探系统的测试方法，其特征在于，椭圆截面探头(1)在贯入过程中产生贯入阻力，引起镁铝合金变截面中空探杆(4)产生弹性变形，利用光纤光栅(3)测量大直径非变截面区域及变截面区域的应变分别计算镁铝合金变截面中空探杆(4)的侧摩阻力及椭圆截面探头(1)贯入阻力；基于全流理论，利用塑性理论极限解获得椭圆截面探头(1)贯入阻力与软土的不排水抗剪强度的算法公式，进而分析不同轴长比椭圆截面探头(1)的阻力系数及阻力系数误差的算法公式；压阻式压力传感器(5)测量椭圆截面探头(1)循环贯入、拔出过程中的孔隙水压变化，信号由压力数采仪(10)接收；
步骤如下：
(1)椭圆截面探头(1)的贯入阻力由镁铝合金变截面中空探杆(4)下部的变截面区域的应力值计算：
Q＝Aσ
式中：σ探杆杆身应力，σ＝Eε；其中，ε探杆杆身应变值，E探杆的弹性模量；A镁铝合金变截面中空探杆下部变截面区域截面面积，其中d1为探杆外径，d2为内径；
(2)软土的不排水抗剪强度基于全流理论利用塑性理论的极限解得出：
式中：S软土的不排水抗剪强度；Q探头端阻力；L探头长度；N探头平均阻力系数，其中Nc为探头完全光滑的阻力系数，Ns为探头完全粗糙的阻力系数；a椭圆截面探头长轴；b椭圆截面探头短轴；
(3)椭圆截面探头(1)平均阻力系数与界面轴长比b/a相关，椭圆截面探头(1)的平均阻力系数与轴长比的函数关系：
(4)建立椭圆截面探头(1)截面轴长比、镁铝合金变截面中空探杆(4)的杆径与软土的不排水抗剪强度算法公式：
(5)镁铝合金变截面中空探杆(4)侧向摩阻力的计算：在计算镁铝合金变截面中空探杆(4)侧摩阻力时忽略镁铝合金变截面中空探杆(4)自身的重量；根据力的平衡原理，镁铝合金变截面中空探杆(4)x深度处的侧摩阻力由镁铝合金变截面中空探杆(4)上部的压阻式压力传感器(5)测得的压力值P及由光纤光栅(3)测得的镁铝合金变截面中空探杆(4)x深度处的杆身应力σx计算，由得/>
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述的椭圆截面探头(1)的阻力系数误差定义为探头阻力系数误差与截面轴长比b/a相关，椭圆截面探头(1)的平均阻力误差与轴长比的函数关系：/>
5.根据权利要求3或4所述的测试方法，其特征在于，采用轴长比b/a为0.4的椭圆截面探头进行试验测试。
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