CN209043755U - 一种海底超软土流变强度测试装置 - Google Patents
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Landscapes
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
一种海底超软土流变强度测试装置,属于海底软土强度测试技术领域,包括运载平台、姿态调整系统、流变强度测试装置、控制与贯入系统、数据采集与存储系统、桨式转子和自动伸缩探杆。运载平台将装置运送到待测海床实现平稳着陆与安全回收;姿态调整系统确保装置可竖直贯入海床;流变强度测试装置通过控制与贯入系统,将固定边界圆管与配有自动伸缩探杆的四叶片桨式转子插入多个深度的土层,进行两种模式的测试;数据采集与存储系统负责采集、记录与传输数据;基于测试数据开展分析与应用。本实用新型可实现覆盖全剪切速率范围海底超软土流变强度的测试,具有独立性高,连接简单,自动化操作等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于海底软土强度测试技术领域,涉及在不同剪切速率条件下海底软土流变强度特性的测试与研究,尤其针对高含水量、高孔隙比、高灵敏度、高压缩性的海底超软土。
背景技术
超软土(Ultra-Soft Soil)是指第四纪全新世(Q4)以来新近沉积的滨海相、湖沼相、三角洲相欠固结淤泥质黏土和淤泥,以及围海造陆吹填过程所形成的淤泥和流泥【叶国良,郭述军,朱耀庭.超软土的工程性质分析[J].中国港湾建设,2010(5):1-9】。对于海洋岩土工程而言,海底的浅表层沉积物、海底滑坡所演化的碎屑流和泥流,更适合被定义为超软土即海底超软土。海底超软土具有高含水率(>70%)、高孔隙比(≥2.0)、天然强度极低(<5kPa)、高液限(液性指数)、高灵敏度、高压缩性、渗透性差、固结系数小等特点。
当前,国家大力推进建设海洋强国计划,海洋工程建设如火如特的展开。然而,海底地质条件异常复杂,尤其是油气资源丰富的深海区,这里分布着广泛的海底超软土。一旦进行工程建设或遭遇地震等动荷载,海底超软土层受到扰动,进一步导致软化【BiscontinG,Pestana J M,Nadim F.Seismic triggering of submarine slides in soft cohesivesoil deposits[J].Marine Geology,2004,203(3):341-354】而非液化(液化一般指无黏性土),强度迅速下降,造成海底地基失效,严重的演化为海底滑坡(海底滑坡能对大范围的海洋工程设施造成破坏,甚至诱发大规模的海啸)。为了量化海底超软土的力学性质,其流变强度参数(包括:流变强度、剪切速率、表观黏度)起到了至关重要的作用。海底超软土的流变强度参数可指导并服务于油气资源开采前的海洋地质灾害评价、油气开采平台的锚固系统与海底管线等海底结构物的设计与建造。
然而,当前的测试手段如:静力触探测试(CPT)、全流动贯入测试(T-bar/Ball)、十字板剪切测试(VST),仅能在某一极低剪切速率(一般<0.2s-1)的条件下进行测试,难以进行稍高剪切速率的流变强度测试;更不能实现对某一站位、某一深度的超软土,进行不同剪切速率条件下的连续测试。例如,对于海底锚固系统中的鱼雷锚(直径0.76-1.2m)来说,其贯入速度可达到30m/s,超软土的剪切速率可达到40s-1;对于管缆(直径0.1-1m)系统的灾害评价来说,海底滑坡的冲击速度可达10m/s,超软土的剪切速率可达到100s-1。基于上述提到的工程背景可知,目前现场的测试手段剪切速率仍相差2-3个数量级,难以满足海底超软土的原位测试需求。因此,对海底超软土的深入研究迫在眉睫,尤其是要尽快开发一种能测试不同剪切速率条件下,海底超软土流变强度特性的原位测试装置。
实用新型内容
为了解决当前海底超软土流变强度测试的不足,提供一种能测试同一站位、多个不同深度海底超软土流变强度的原位测试装置,其具有覆盖工程所需全剪切速率范围的测试能力,并详细阐述其原理与使用方法,以及测得结果的进一步应用,以期满足海洋工程建设与海底地质灾害评价的需要。
为了达到上述目的,本实用新型的技术方案为:
一种海底超软土流变强度测试装置,包括运载平台1、姿态调整系统2、流变强度测试装置3、控制与贯入系统4、数据采集与存储系统5、桨式转子7和自动伸缩探杆8。
所述的运载平台1能够将流变强度测试装置3,运送到待测海域的海床表面并实现多次平稳着陆与安全回收。此外,运载平台1能够提供流变强度测试装置3所需的反力。根据待测海域的水深条件与地质环境,运载平台可选择深渊着陆器“天涯”号、运载器“原位实验号”、着陆器“海角”号、全海深自主遥控水下机器人“海斗”号以及目前在研的“深海关键技术与装备”领域国家重点研发计划“海底沉积物力学特性的原位测试装置”等。
所述的姿态调整系统2为连杆结构,运载平台1通过姿态调整系统2与流变强度测试装置3顶端连接;姿态调整系统2能够在运载平台1平稳着陆后,接受来自控制与贯入系统4的信号,形成互馈,通过分别调整姿态调整系统2中四个连杆的长度与角度,保证流变强度测试装置3的平整度,确保流变强度测试装置3可以竖直贯入海床中。
所述的流变强度测试装置3能够通过自动伸缩探杆8将桨式转子7送入多个不同深度的土层中,以便开展流变强度测试。所述的流变强度测试装置3两侧设有控制与贯入系统4和数据采集与存储系统5;中部设有桨式转子7和自动伸缩探杆8;它们通过数据与信号传输的方式连接,协同工作。
所述的控制与贯入系统4能够接受来自姿态调整系统2的姿态数据,进而控制姿态调整系统2,保证流变强度测试装置3的工作位置;能够实现固定边界圆管6与携带桨式转子7的自动伸缩探杆8贯入到同一站位、多个指定深度,并记录贯入深度(hw+hs+H),测试完成后回收,进行下一站位的测试;还可接受数据采集与存储系统5的数据反馈;更重要的是,还可通过两种模式应力控制式(以固定的强度梯度施加转动力矩,记录角速度)与应变控制式(以固定的剪切速率梯度施加角速度,记录转动力矩),分别实现桨式转子7和自动伸缩探杆8的旋转,开展测试。
所述的数据采集与存储系统5能够通过内部的扭矩传感器与旋转位移传感器,分别记录受到的扭矩M'与旋转的角速度ω,并将数据记录与储存下来,还将数据传输给控制系统,实现互馈控制。
所述的流变强度测试装置3中部还可以设有能够自动伸缩的固定边界圆管6,能够更精确的计算剪切速率,固定边界圆管6中轴线处设有桨式转子7和自动伸缩探杆8;固定边界圆管6与桨式转子7同时插入多个深度的土层,进行两种模式的测试。根据实际的工程需要,选择是否贯入。所述的固定边界圆管6可根据桨式转子7的尺寸与实际工程,进行适当的调整。
所述的桨式转子7是测试海底超软土流变强度的工具,其尺寸大小根据待测土层的信息进行调整。建议其高度H与直径D的比值取为2;强度越高的土层,桨式转子7的尺寸应越小。所述的桨式转子(7)为四叶片结构。
所述的自动伸缩探杆8是为将桨式转子7与流变强度测试装置3相连,将桨式转子7插入多个不同深度土层并带回流变强度测试装置3中。
一种海底超软土流变强度测试方法,包括以下步骤:
首先,根据海底的水深等情况,选择合适的运载平台1;再根据相关的工程背景,预先设置好的测试模式、是否贯入固定边界圆管6、桨式转子7的尺寸与贯入深度等信息。其次,将流变强度测试装置3通过运载平台1下放到指定地点,开展测试并回收装置。最后,根据数据采集与存储系统5中的数据,进行数据的计算、处理与分析,给出相关的评价参数,指导工程设计与科学研究。具体为:
流变强度的计算公式为进一步可简化为剪切速率的计算公式为表观粘度的计算公式为
其中,su为超软土的流变强度,Pa;M'为装置内部的扭矩传感器记录的扭矩,N·m;d0为自动伸缩探杆的直径,m;hw为自动伸缩探杆处于海水中的长度,m;μw为海水的粘度,Pa·s;为海水的剪切速率,s-1;为同一站位上覆已测得土层流变强度的平均值,Pa;hs为自动伸缩探杆处于土中的长度,m;H和D分别为桨式转子的高度和直径,m;为超软土的剪切速率,s-1;Kγ是剪切速率常数;ω为装置内部的旋转位移传感器记录的角速度,rad/s;r为四叶片桨式转子的半径,m;R为边界圆管的半径,m;μapp为超软土的表观粘度,Pa·s。
本实用新型的效果与益处是:装置各体系独立性高,连接简单,成本低,便于工程实际与科学研究应用;操作方便,在陆地设置好后,入水后可实现全程自动化操作;测试范围广,能测试目前工程急需剪切速率全范围的流变强度参数及其演化过程。
附图说明
图1是装置的整体示意图;
图2是装置的俯视图;
图3是装置的剖面及使用原理图;
图中:1运载平台;2姿态调整系统;3流变强度测试装置;4控制与贯入系统;5数据采集与存储系统;6固定边界圆管;7桨式转子;8自动伸缩探杆。
具体实施方式
以下结合技术方案(和附图)详细叙述本实用新型的具体实施方式。
一种海底超软土流变强度测试装置及方法,包括运载平台、姿态调整系统、流变强度测试装置、控制与贯入系统、数据采集与存储系统、固定边界圆管、四叶片桨式转子和自动伸缩探杆。根据海底地质条件与水深等情况,选择合适的运载平台1。根据相关的工程背景与测试精度的要求,预先设置好测试模式,一般应力控制式测试低剪切速率条件下的屈服应力等参数更佳,应变控制式测试中、高剪切速率条件下的流变强度与黏度参数更佳;选择是否贯入固定边界圆管6,一般贯入固定边界圆管6计算的剪切速率值更精确;选择桨式转子7的尺寸,建议选择为高度10cm与直径5cm;选择贯入深度,理论上可测试的深度没有限制,但受到运载平台1提供反力的制约,所能测试的深度有限,建议至少每隔2-3倍转子高度测试一次(在第一个深度测试时,确保完全插入土层),可测取同一站位、多个不同深度的超软土流变强度参数。所有准备条件做好后,将流变强度测试装置3经运载平台1下放到指定地点,流变强度测试装置3将自动调整姿态开展测试(建议贯入到目标深度后,停止2-3min后开展测试,并于5min内测试完毕),然后自动回收装置,再经运载平台带到下个点位测试,等所有站位测试好后,回收出水。最后,在陆地上拆卸、养护并保存装置,读取数据采集与存储系统5中的数据,进行数据的整理与分析,给出相关的评价参数与计算模型,指导工程设计与科学研究。
按下式计算海底超软土的流变强度、剪切速率与表观粘度。
M′=Mw+Ms+M (1.1)
式中:M'为装置内部的扭矩传感器记录的扭矩,N·m;Mw为自动伸缩探杆处于海水中受到的扭矩,N·m;Ms为自动伸缩探杆处于土中受到的扭矩,N·m;M为四叶片桨式转子处于土中受到的扭矩,N·m;τw为海水的切应力,Pa;d0为自动伸缩探杆的直径,m;hw为自动伸缩探杆处于海水中的长度,可根据初始位置与控制与贯入系统中的数据确定,m;μw为海水的粘度,Pa·s;为海水的剪切速率,可取为超软土的剪切速率s-1;为同一站位上覆已测得土层流变强度的平均值,当上覆无已测土层时(即该站位第一次测试)取为su,Pa;hs为自动伸缩探杆处于土中的长度,可根据初始位置与控制与贯入系统中的数据确定,m;su为超软土的流变强度,Pa;H和D分别为桨式转子的高度和直径,m;为超软土的剪切速率,s-1;Kγ是剪切速率常数,它是四叶片桨式转子半径r与边界圆管半径R的函数,当没有贯入边界圆管时,Kγ取0.2094;ω为装置内部的旋转位移传感器记录的角速度,rad/s;r为四叶片桨式转子的半径,m;R为边界圆管的半径,m;μapp为超软土的表观粘度,Pa·s。
对于工程应用时,可以对超软土的流变强度计算公式进行简化,如下。
对测试的结果可以进行拟合处理,得到数值流变强度模型。建议采用Bingham流变强度模型或Herschel-Bulkley流变强度模型进行拟合。其中Herschel-Bulkley流变强度模型的表达式,如下。
式中:τy是屈服应力,Pa;K是稠度系数,Pa·s;n是流变指数,当n=1时Herschel-Bulkley流变强度模型退化为Bingham流变强度模型。
以上所述实施例仅表达本实用新型的实施方式,但并不能因此而理解为对本实用新型专利的范围的限制,应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些均属于本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种海底超软土流变强度测试装置,其特征在于,所述的测试装置包括运载平台(1)、姿态调整系统(2)、流变强度测试装置(3)、控制与贯入系统(4)、数据采集与存储系统(5)、桨式转子(7)和自动伸缩探杆(8);
所述的运载平台(1)用于将流变强度测试装置(3)运送到待测海域的海床表面并实现多次平稳着陆与安全回收;
所述的姿态调整系统(2)为连杆结构,运载平台(1)通过姿态调整系统(2)与流变强度测试装置(3)连接,且姿态调整系统(2)能够在运载平台(1)着陆后,接受来自控制与贯入系统(4)的信号,并将自身的姿态数据反馈给控制与贯入系统(4),形成互馈,通过调整姿态调整系统(2)中连杆的长度与角度,保证流变强度测试装置(3)的平整度,确保流变强度测试装置(3)可竖直贯入海床中;
所述的流变强度测试装置(3)通过数据与信号传输的方式相互连接,协同工作,开展测试,其两侧分别设有控制与贯入系统(4)和数据采集与存储系统(5),中部设有自动伸缩探杆(8),所述的自动伸缩探杆(8)与桨式转子(7)相接,桨式转子(7)用于测试海底超软土流变强度;
所述的控制与贯入系统(4)用于接受姿态调整系统(2)的姿态数据,进而通过控制姿态调整系统(2)保证流变强度测试装置(3)的工作位置;还可以控制携带桨式转子(7)的自动伸缩探杆(8)贯入到同一站位、多个指定深度土层,并记录贯入深度,测试完成后回收,进行下一站位的测试;还可通过两种测试模式,实现桨式转子(7)和自动伸缩探杆(8)的旋转开展测试;还可接受数据采集与存储系统(5)的数据反馈;
所述的数据采集与存储系统(5)通过内部的扭矩传感器与旋转位移传感器,分别记录受到的扭矩与旋转的角速度,记录并存储数据,将数据传输给控制与贯入系统(4),实现互馈控制。
2.根据权利要求1所述的一种海底超软土流变强度测试装置,其特征在于,所述的控制与贯入系统(4)的两种测试模式分别为:以固定的强度梯度施加转动力矩记录角速度的应力控制模式,和以固定的剪切速率梯度施加角速度记录转动力矩的应变控制模式。
3.根据权利要求1或2所述的一种海底超软土流变强度测试装置,其特征在于,所述的流变强度测试装置(3)中部还可以设有能够自动伸缩的固定边界圆管(6),固定边界圆管(6)中轴线处设有桨式转子(7)和自动伸缩探杆(8);固定边界圆管(6)与桨式转子(7)同时插入多个深度的土层,进行两种模式的测试。
4.根据权利要求1或2所述的一种海底超软土流变强度测试装置,其特征在于,所述的桨式转子(7)为四叶片结构。
5.根据权利要求3所述的一种海底超软土流变强度测试装置,其特征在于,所述的桨式转子(7)为四叶片结构。
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GR01 | Patent grant | ||
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