CN110424363A - 一种软土场地土体强度参数长距离连续测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软土场地土体强度参数长距离连续测量方法，拖曳装置前端布置土体不排水抗剪强度测量装置，拖曳装置主动或被动在软土层内行走，确保拖曳装置在行走中部分贯入待测土层，通过调整拖曳装置上方配重及拖拽角度控制其入土深度。本发明所提方法突破了传统单点竖向测量方法不能获取沿地表平行方向连续土体强度参数的局限，通过一次拖拉试验即可完成土体强度的横向长距离连续现场测量，所测强度参数可用于指导防波堤工程，海底油气管线，电缆、光缆等工程的设计及施工。尤其随着深海油气资源开发日益增多，依托本发明所提方法对海底土体强度参数进行测量并应用于海底管线、海底电缆等工程设施的设计及稳定性评价具有重要意义。

Description

一种软土场地土体强度参数长距离连续测量方法

技术领域

本发明属于岩土工程、地质工程等领域，涉及一种软土场地土体强度参数长距离连续测量方法，该方法尤其适用于水下管线设计及施工前的土体强度参数调查。

背景技术

准确地测量土体强度参数是一切工程实施的基础。软土作为一种不良地质土体，一般具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、透水性差等特点。因此，对软土场地进行设计和施工风险较高。在工程实践中，实现对软土场地土体强度参数精确测量对降低工程风险和优化工程设计具有重要意义，而达到快速、连续、准确的土体强度参数测量不仅是对实验方法的重要考验，更是工程界所面对的主要难题。

传统土体强度参数的获得主要是通过现场重力取样或钻孔取样等方法获取芯状样，继而通过室内试验完成土体强度参数的测量。但该种方法由于取样过程对土体的扰动以及室内试验方法本身存在的局限，很难准确估计实际场地的土体强度参数，这必然对工程造成不利的影响，甚至影响工程安全。近些年，现场原位试验方法得到了快速发展，静力触探试验(CPT，CPTU)、原位T-bar试验，原位Ball-bar试验等土体强度参数测量方法得到了广泛应用，试验精度也得到了显著提升。然而，此类原位试验方法主要采用贯入仪(CPT、CPTU、T-bar、Ball-bar)对单一目标点进行竖向贯入来获得土体强度参数，这对于单一目标点的土体参数测量具有良好的适用性。但对于大范围长距离的场地，该类试验方法在实际应用中便受到了很大的限制。通过设置较多的竖向钻孔点可以获得一定区域范围内的土体强度参数的变化关系，但由于测试点增加导致的工程费用和时间的大量增多，使得实际工程中该种方案变得不切实际。结合目前工程中遇到的问题，急需找到一种能够实现沿土层表面平行方向长距离连续测量土体强度参数的实验方法，该方法对建立于软土场地工程的设计及稳定性评价具有重要的意义。

发明内容

针对已有实验方法在测量土体强度参数方面存在的问题，本发明提出了一种软土场地土体强度参数长距离连续测量方法。该方法可适用于湖泊、沼泽、河流、海洋等底部软弱土层的土体强度参数的长距离连续测量，服务于防波堤、海底油气管线、海底电缆、光缆等依托于浅层土体强度参数进行设计和施工的工程。尤其随着深海油气资源开发日益增多，依托本发明所提方法对海底土体强度参数进行测量并应用于海底管线、海底电缆等工程设施的设计及稳定性评价具有极为重要的意义。

本发明的技术方案：

一种软土场地土体强度参数长距离连续测量方法，步骤如下：

步骤1、拖曳装置前端布置土体不排水抗剪强度测量装置：多个土体不排水抗剪强度测量装置安装于拖曳装置前端，安装数量根据待测土层深度的增加而增多，安装方向指向拖曳装置运动方向；采集土体强度测量装置的电压信号，根据所测电压信号与土体强度测量装置所受阻力的转换关系，确定土体强度测量装置所受的阻力；再通过所得阻力与土体强度之间的关系，获得沿运动方向连续变化的土体强度；

步骤2、拖曳装置主动或被动在软土层内行走，确保拖曳装置在行走中部分贯入待测土层，通过调整拖曳装置上方配重及拖拽角度控制其入土深度。

所述的土体不排水抗剪强度测量装置通过安装支座固定于拖曳结构前端。

所述的土体不排水抗剪强度测量装置为T-barr贯入仪、Ball-bar贯入仪或静力触探仪(CPT、CPTU)探头。

本发明所提方法主要优点在于可获得沿土层表面平行方向连续的土体参数，但须注意，以上所说明的土体参数仅为实施例中主要关注的土体参数，而不是全部可获得的土体参数，实施例中配套的传感器所获得的数据还可用于其他参数例如超固结比、灵敏度、砂土的相对密实度、内摩擦角、土的压缩模量、变形模量、饱和黏土不排水模量、地基承载力、单桩承载力以及砂土液化判别等的确定。

本发明的有益效果：

1)土体强度作为工程设计及施工的基础参数，依据本发明所提方法，通过强度测量装置(T-bar贯入仪、Ball-bar贯入仪、CPT等)的横向布设并使其沿运动方向在土层中横向贯入，可连续获取拖曳距离内的土体强度参数。本发明所提方法突破了传统单点竖向测量方法不能获取沿地表平行方向连续土体强度参数的局限，提高了工程安全性并降低了工程实际测量中所需的时间成本和经济成本。

2)依据本发明所提方法，可实现土体强度参数的横向长距离连续测量，所测强度参数可用于指导防波堤、海底油气管线、电缆、光缆等工程的设计及施工。尤其随着深海油气资源开发日益增多，依托本发明所提方法对海底土体强度参数进行测量并应用于海底管线、海底电缆等工程设施的设计及稳定性评价具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的试验装置整体布置示意图。

图2为本发明实施例提供的拖曳装置示意图。

图3为本发明实施例提供的拖曳装置侧视图。

图4为本发明实施例提供的拖曳装置主视图。

图5为本发明实施例提供的基于CPT探头所测土体强度变化情况示意图。

图中：1拖船；2拖缆终端设备(涵盖收放绞车及数据采集等设备)；3拖缆(具有较高抗拉强度且可传输传感器采集信号)；4拖曳结构主体；5CPT探头；6拖曳滚轮；7配重块；8中空肋板；9旋转螺丝；10拖曳结构顶板；11拖缆拉环；12CPT探头安装支座。

其中拖曳结构主体4可通过拖船等外部设备进行拖拽使其沿地表平行方向行走，也可通过自身配置动力系统使其在实际测量中进行横移动。拖曳装置行走过程中采集到的传感器信号可通过拖缆3直接传递到测量拖缆终端设备2，用于试验人员时时分析，也可在试验过程中先期存储在拖曳装置内部，在试验完成后对测量数据进行分析。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更清楚，下面将结合本发明的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。此处所描述的实施例是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，对以下附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当注意到，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明描述中的“上”、“下”、“左”、“右”等指示的位置关系，为基于附图所示的方位和位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于本实施例中的描述，而不是指示或暗示所指的设备和元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，本发明中所出现的“第一”、“第二”、……、“第十”等序列性用词，仅为便于描述，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

实施例

本实施例为一种软土场地土体强度参数长距离连续测量方法，该实验方法简单且能够实现横向长距离土体强度参数的连续测量，可用以服务于水下油气管线、电缆等结构的设计和施工。

请参阅图1，本实施例提供的土体强度参数测量方法可通过一次横拖拽拖曳装置完成。拖曳装置包括拖曳结构主体4、CPT探头5、拖曳滚轮6、顶板上方配重块7、中空肋板8、旋转螺丝9、拖曳结构顶板10、拖缆拉环11及CPT探头安装支座12。CPT探头5与CPT探头安装支座12相连接；CPT探头安装支座12固定于拖曳结构前端；所有CPT探头5采用相同规格。

结合附图及技术方案，主要步骤如下：

第一，组装拖曳装置前端CPT探头5

参阅图2和图3，拖曳滚轮6安装于拖曳结构主体4两侧，用以保证拖曳装置在运动中保持稳定；试验前，调整滚轮6及拖曳结构主体4上方配重7，使拖曳装置CPT探头达到指定入土深度，固定滚轮6；拖曳结构主体4采用不锈钢结构。拖曳结构主体4上部顶板10采用厚壁钢板制作，顶板10中空用以排设传感器线缆和施加配重铅块；拖缆3与布设于顶板10前部拉环11相连接，用以通过缆绳3拖拉拖曳结构主体4；2个CPT探头5与CPT探头安装支座12相连并固定于拖曳装置主体4前端肋板8。

CPT探头5选用国际标准探头，即探头顶角为60°、底面积为10cm²。

第二，设备及传感器性能检测和调试

拖曳装置组装完毕后，通过对CPT探头5进行拉压来验证CPT探头、传输信号电缆3和采集拖缆终端设备2等配套设施的灵敏性和有效性，测试中通过拖缆终端设备2进行数据的试采。传感器检测完全无问题后，准备下一步实验。

第三，拖曳装置投放至待测土层表面

将组装好的拖曳装置通过龙门吊或其他吊装设备缓慢下放于土体表面，下放过程中控制下放速度，避免较大的惯性力对设备造成破坏。拖曳装置下放至指定位置后，继续下放拖缆3并使拖船1低速前进，控制拖缆3长度使其与泥面之间的夹角足够小(一般30°以内)。待拖缆到达指定角度后，检查拖缆终端设备2运行情况，设备检查无误后，数据采集设备开启。

第四，拖曳装置的横向拖拽

试验准备工作就绪后，采用拖船1沿着指定方向拖动拖曳结构主体4，拖拽中严格控制拖船速度和方向，尽量保证拖船1以匀速前进，对采集数据进行时时观察、分析和保存。

第五，设备的回收

待实验完成，拖船1倒退并同时收缆，向上提升拖曳装置，回收至拖船甲板后，进行设备的检查和存放。

第六，测量数据的处理

一次拖拉试验完成后，土体强度参数主要依据步骤1中所设置的静力触探(CPT)探头5的测量结果进行确定，土体强度计算过程如下：

其中：Q_c为探头的锥尖阻力，N；A为锥底面积，m²；N_kt为承载力系数，介于11～19之间，一般取值为15.0。依据本发明所提试验方法以及上述强度计算方法，试验后土体强度变化关系如图5所示。

Claims (8)

1.一种软土场地土体强度参数长距离连续测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、拖曳装置前端布置土体不排水抗剪强度测量装置：多个土体不排水抗剪强度测量装置安装于拖曳装置前端，安装数量根据待测土层深度的增加而增多，安装方向指向拖曳装置运动方向；采集土体强度测量装置的电压信号，根据所测电压信号与土体强度测量装置所受阻力的转换关系，确定土体强度测量装置所受的阻力；再通过所得阻力与土体强度之间的关系，获得沿运动方向连续变化的土体强度；

步骤2、拖曳装置主动或被动在软土层内行走，确保拖曳装置在行走中部分贯入待测土层，通过调整拖曳装置上方配重及拖拽角度控制其入土深度。

2.根据权利要求1所述的软土场地土体强度参数长距离连续测量方法，其特征在于，所述的土体不排水抗剪强度测量装置通过安装支座固定于拖曳结构前端。

3.根据权利要求1或2所述的软土场地土体强度参数长距离连续测量方法，其特征在于，所述的土体不排水抗剪强度测量装置为T-bar贯入仪、Ball-bar贯入仪或静力触探仪。

4.根据权利要求1或2所述的软土场地土体软化参数长距离连续测量方法，其特征在于，所述的土体应变软化关系测量装置为T-bar贯入仪或Ball-bar贯入仪。

5.根据权利要求3所述的软土场地土体软化参数长距离连续测量方法，其特征在于，所述的土体应变软化关系测量装置为T-bar贯入仪或Ball-bar贯入仪。

6.根据权利要求1、2或5所述的软土场地土体软化参数长距离连续测量方法，其特征在于，该方法所获得的数据还可用于超固结比、灵敏度、砂土的相对密实度、内摩擦角、土的压缩模量、变形模量、饱和黏土不排水模量、地基承载力、单桩承载力以及砂土液化判别确定。

7.根据权利要求3所述的软土场地土体软化参数长距离连续测量方法，其特征在于，该方法所获得的数据还可用于超固结比、灵敏度、砂土的相对密实度、内摩擦角、土的压缩模量、变形模量、饱和黏土不排水模量、地基承载力、单桩承载力以及砂土液化判别确定。

8.根据权利要求4所述的软土场地土体软化参数长距离连续测量方法，其特征在于，该方法所获得的数据还可用于超固结比、灵敏度、砂土的相对密实度、内摩擦角、土的压缩模量、变形模量、饱和黏土不排水模量、地基承载力、单桩承载力以及砂土液化判别确定。