CN110438967A - 一种软土场地土体软化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软化参数长距离连续测量方法，拖曳装置底端布置土体应变软化关系测量装置，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。采用该方法避免了传统单点竖向测量方法由于试验点的特殊性对软化参数测量结果的影响，通过一次拖拉试验即可完成土体应变软化参数的横向长距离连续现场测量，所测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软化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海底边坡稳定性评价具有重要意义。

Description

一种软土场地土体软化参数长距离连续测量方法

技术领域

本发明属于岩土、地质和环境等技术领域，涉及一种软土场地土体软化参数长距离连续测量方法，该方法尤其适用于水下土体软化参数调查。

背景技术

软土作为一种不良土体，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，在软土场地进行的结构设计和施工风险较高。土体的软化现象作为影响结构物承载能力及稳定性的重要因素之一，实现软土场地土体软化参数的精确、连续测量对降低工程风险和优化工程设计具有重要意义。

传统土体软化参数获取的主要方法是通过现场重力取样或钻孔取样等方法获取芯状土样，继而通过室内循环单剪、环剪、全流贯入仪(T-bar、Ball-bar) 循环试验完成土体软化参数的测量。但此类方法由于取样过程对土体的扰动以及试验方法存在的局限性，很难准确估计实际场地的土体软化参数，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，原位全流贯入(T-bar、Ball-bar)试验得到了广泛应用，试验精度也得到了显著提升，尤其对于软土场地，这些实验方法体现了无法比拟的优越性。然而，此类原位试验方法对于单一目标点土体软化参数的测量具有良好的适用性，但对于大范围长距离的场地，此方法不能沿地层方向连续测量土体软化参数。通过设置较多的竖向钻孔点可以反应一定距离范围内的土体软化参数变化情况，但由此导致的工程费用和时间的增加，使得该方案在实际工程中变得不切实际。因此，结合目前工程中遇到的问题，急需找到一种能够实现横向长距离连续测量土体软化参数的实验方法，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

针对已有实验方法不能实现横向长距离测量土体软化参数的问题，本发明提出了一种可横向连续测量土体软化参数的方法，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软化参数的测量，用于防波堤、海底油气管线、电缆、光缆等依托于浅层土体软化参数进行设计和施工的工程。尤其是随着深海油气资源开发日益增多，依托本发明所提方法，进行海底土体软化参数进行测量，对海底管线、海底电缆等工程设施的设计及稳定性评价具有极为重要意义。

本发明的技术方案：

一种软土场地土体软化参数长距离连续测量方法，步骤如下：

步骤1、拖曳装置底端布置土体应变软化关系测量装置：多个土体应变软化关系测量装置安装于拖曳装置底端，安装方向为指向拖曳装置运动方向，确保多个土体应变软化关系测量装置位于同一行进线上；拖曳装置在土体内行进过程中，同一位置土体受到拖曳装置底端多个土体应变软化关系测量装置的扰动；通过土体应变软化关系测量装置所测电压信号与阻力之间的转化关系，获得土体应变软化关系测量装置行进中的阻力；对同一位置土体，即获得土体应变软化关系测量装置所受阻力与其对应的扰动土体的土体应变软化关系测量装置个数之间的关系；结合扰动土体应变软化关系测量装置个数与土体发生的累积塑性应变之间的关系，继而获得阻力和累积塑性应变之间的关系；结合土体应变软化关系测量装置所受阻力与土体强度之间的关系，最终确定土体强度与累积塑性应变之间的关系，即土体应变软化关系；

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。

所述的土体应变软化关系测量装置与横向布设的拉压传感器相连接，拉压传感器固定于拖曳结构主体底端的安装支座上。

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。

本发明所提方法主要优点在于可获得横向连续的土体软化参数，但须注意，以上所说明的土体软化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、饱和黏土不排水模量、地基承载力以及单桩承载力等的确定。

本发明的有益效果：

1)土体软化参数作为软土场地重要的参数，应用本发明所提方法，通过一次拖拉试验即可完成软化参数的现场测量，并获得测量范围内横向连续的土体软化参数。采用该方法避免了传统单点竖向测量方法由于取样点的特殊性对软化参数测量结果的影响，对分析海底结构及海底边坡稳定性评价具有重要参考价值。

2)依据本发明所提方法，可实现土体软化参数的横向长距离连续测量，所测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软化参数进行测量，对海底管线、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布置示意图。

图2为本发明实施例提供的拖曳装置侧视图。

图3为本发明实施例提供的拖曳装置前端主视图。

图4为本发明实施例提供的拖拽结构底端设备布局示意图。

图5为本发明实施例提供的拖拽结构底端局部T-bar贯入仪布置图。

图6(a)为本发明实施例提供的基于T-bar探头不同位置所测阻力变化示意图。

图6(b)为本发明实施例提供的基于T-bar探头某一位置所测阻力衰关系示意图。

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；5T-bar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；12拉压传感器；13T-bar固定支座。

其中拖曳结构主体4可以通过拖船1等外部设备进行拖拽使其横向行走，也可通过自身配置动力系统使其进行横向移动。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。对此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软化参数长距离连续测量方法，该方法简单且能够实现横向长距离土体软化参数的连续测量，可用以服务于水下管线、电缆等结构的设计和施工。

请参阅图1和图2，本实施例提供的拖曳装置主要包括拖曳结构主体4、T-bar 探头5、拖曳滚轮6、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、拉压传感器12及T-bar固定支座13。T-bar探头5与横向布设的拉压传感器12相连接；拉压传感器12固定于拖曳结构主体4底端的安装支座 13上；所有T-bar探头5和拉压传感器12采用相同规格。

结合附图及技术方案，本实施例主要步骤如下：

第一，组装拖曳装置底端T-bar探头5及对应的传感器12。

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；中空肋板8底端纵向均匀布设8个T-bar固定支座13，拉压传感器12安装于支座13上并与T-bar探头5相连接；调整滚轮6，使T-bar 探头5可达到拟测试土层深度，固定滚轮6。T-bar探头5选定为直径4cm，长度为10cm。

第二，设备性能检测和调试。

T-bar探头5及其对应的拉压传感器12连接完毕后，通过对不同T-bar探头 5进行拉压来验证T-bar探头5、传输电缆3和采集设备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进行数据的采集。传感器检测完全无问题后，准备下一步实验。

第三，调整顶板10上方配重7，用以保证T-bar探头5至土层内一定深度。

由于不同深度土体的沉积年代不同，其性质也会有明显不同。以海底管线为例，一般位于土表面以下0～1.0m。故在试验前需根据目标结构实际所处的位置，调整顶板10上方配重7的大小，促使T-bar探头5沉入指定位置。

第四，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层表面，下放过程中控制下放速度，避免设备着地瞬间较大的惯性力设备造成破坏。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，开启并检查拖缆终端设备2，设备检查无误后，数据采集设备正式开启。

第五，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，尽量保证拖船以匀速前进，对采集数据进行时时观察、分析和保存。

第六，设备的回收。

待实验完成，拖船1缓慢倒退并同时收缆，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。

第七，测量数据的处理。

一次拖拉试验完成后，本发明所提方法测量的土体软化参数分析过程如下。

1)土体应变软化模型。

应变软化参数的计算主要依据拖曳结构主体4下方不同位置的T-bar探头5 对应的拉压传感器12测量数据进行分析获得，拖曳装置下方T-bar探头5在拖动过程中阻力变化情况如图6(a)所示。

土体的应变软化模型为：

其中：s_u0为土体的初始强度；δ_rem为灵敏度(S_t)的倒数；ξ₉₅为土体强度降低95％所对应的累积塑性应变值。

2)土体初始强度(s_u0)确定。

土体的初始不排水抗剪强度(s_u0)采用拖曳结构主体4下方前端第一个T-bar 阻力测量结果进行确定，计算过程如下：

其中：q_T-bar为T-bar在土体内横向运动过程中的阻力，N；N_T-bar为T-bar的承载力系数，介于9.14～11.94之间，一般取值为10.5；D为选用T-bar的直径， m；L为选用T-bar中T型头的长度，m。

3)土体灵敏度S_t及延性参数ξ₉₅的确定

同一位置土体，受到拖曳装置底端不同T-bar探头5扰动后，T-bar阻力衰减关系如下：

其中：n为沿着运动方向自前向后的T-bar个数，考虑贯入过程中的应变均值，一般由0.25开始计数并按照T-bar个数逐渐以0.5累加，即n值顺序为0.25、 0.75、1.25进行递增变化；q_n为沿着运动方向开始计数向后的第n个T-bar探头 5的阻力值，N；q_in为运动方向最前端的T-bar探头5的阻力值，N；q_rem为拖曳装置最后端T-bar探头5的阻力值(阻力稳定时所对应的数值，一般为最后一个 T-bar的测量阻力值)，N；N₉₅为强度降低95％时所对应的T-bar探头5的个数。某一位置土体受8个T-bar探头5的扰动后，所测阻力衰减情况如图6(b)所示， N₉₅可通过如图6(b)的阻力衰减关系分析获得。

土体的灵敏度(S_t)可按照下面公式进行估计:

ξ₉₅可通过下式计算，

ξ₉₅＝2N₉₅ξ_T-bar

其中ξ_T-bar为单个T-bar探头5穿过土体导致其周围土体产生的累积塑性应变值，可按照下式进行计算，

ξ_T-bar＝0.83log(S_t)+3.09 。

Claims (4)

1.一种软土场地土体软化参数长距离连续测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、拖曳装置底端布置土体应变软化关系测量装置：多个土体应变软化关系测量装置安装于拖曳装置底端，安装方向为指向拖曳装置运动方向，确保多个土体应变软化关系测量装置位于同一行进线上；拖曳装置在土体内行进过程中，同一位置土体受到拖曳装置底端多个土体应变软化关系测量装置的扰动；通过土体应变软化关系测量装置所测电压信号与阻力之间的转化关系，获得土体应变软化关系测量装置行进中的阻力；对同一位置土体，即获得土体应变软化关系测量装置所受阻力与其对应的扰动土体的土体应变软化关系测量装置个数之间的关系；结合扰动土体应变软化关系测量装置个数与土体发生的塑性应变之间的关系，继而获得阻力和累积塑性应变之间的关系；结合土体应变软化关系测量装置所受阻力与土体强度之间的关系，最终确定土体强度与累积塑性应变之间的关系，即土体应变软化关系；

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与水平向布设的拉压传感器相连接，拉压传感器固定于拖曳结构主体底端的安装支座上。

3.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。

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，该方法所获得的数据还可用于超固结比、灵敏度、饱和黏土不排水模量、地基承载力以及单桩承载力的确定。