CN210294256U - 一种大范围软土场地土体参数连续测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于岩土、地质和环境等研究技术领域，提供了一种大范围软土场地土体参数连续测量装置，包括拖曳结构主体I、土体参数测量系统II以及拖拽系统III三部分。本实用新型所提装置突破了传统单点竖向测量装置不能获取岩地层方向连续土体参数的局限，通过一次拖拉试验即可完成土体强度、应变软化以及土体与结构物界面摩擦作用等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，依托本实用新型所提方法对海底土体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

一种大范围软土场地土体参数连续测量装置

技术领域

本实用新型属于岩土、地质和环境等研究技术领域，涉及一种大范围软土场地土体参数连续测量装置，该装置尤其适用于水下管线设计及施工前的土体参数调查。

背景技术

准确地测量土体参数是一切工程实施的基础。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，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参数精确测量是降低工程风险和优化工程设计的重要途径，而达到快速、连续、准确的测量不仅是对实验装置的重要考验，更是工程界所面对的主要难题。

传统土体参数的获取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相关参数的测量。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性，很难准确估计实际场地的土体参数，这必然对工程造成不利的影响，甚至影响工程安全。近些年，现场原位试验装置得到了快速发展，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，这些实验装置体现了无法比拟的优越性。然而，这些实验装置均是针对某一个目标点通过测量设备的竖向单次贯入或循环贯入来获得土体参数，这对于单一目标点的土体参数测量具有良好的适用性。对于大范围长距离的场地，此类试验装置测量结果不能反应土体参数沿地层方向的变化。通过设置较多的竖向钻孔点可以从一定程度上获得土体参数沿地层方向的变化关系，但由此导致的工程费用和耗时的增加，使得实际工程中该种方案也变得不切实际。结合目前工程中遇到的问题，急需找到一种能够实现沿地层方向长距离连续测量土体参数的实验装置，该装置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。

实用新型内容

针对已有实验装置不能实现沿地层方向长距离测量土体参数的问题，本实用新型提出了一种可实现沿地层方向连续测量土体参数的装置。该装置可适用于湖泊、沼泽、河流、海洋等底部软弱土层的土体参数的横向连续测量，最终服务于防波堤、海底油气管线、电缆、光缆等依托于横向长距离浅层土体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，依托本实用新型所提装置对海底土体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意义。

本实用新型的技术方案：

一种大范围软土场地土体参数连续测量装置，包括拖曳结构主体I、土体参数测量系统II以及拖拽系统III三部分；

拖曳结构主体I底部设有用于安装摩擦板的凹槽，拖曳结构主体I上部设置有安放配重铅块的空间；拖曳结构主体I两端设有支撑装置，通过调整支撑装置角度及上方配重使拖曳结构主体I沉入土层一定深度；

土体参数测量系统II包括土体强度测量装置、土体应变软化关系测量装置、摩擦板、拉压传感器和安装支座；土体强度测量装置通过安装支座固定于拖曳结构主体I前端，其安装方向指向运动方向；土体应变软化关系测量装置通过安装支座固定于拖曳结构主体I底部，其安装方向指向运动方向；摩擦板通过拉压传感器固定在拖曳结构主体I底部的凹槽中并保证与拖曳结构主体I底部相平；

拖拽系统III包括拖船、拖缆终端设备和拖缆；所述的拖缆一端与拖曳结构主体I前端相连接，另一端与拖缆终端设备相连接，用以拖动装置使其在土层内移动并传输测量信号；所述的拖缆终端设备涵盖缆绳收放绞车以及测量信号采集系统，用以工作人员对测量数据进行时时分析；所述的拖船应具有稳定的动力系统，尽量保证试验中以均匀的速度进行前进。

所述的土体强度测量装置为T-bar贯入仪、Ball-bar贯入仪或静力触探仪。

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。

所述的摩擦板一侧面和顶面分别与横向和法向的拉压传感器相连接，其另一侧表面为自由端。

以上所述装置不仅可以获得土体强度、应变软化、及土体与结构界面摩擦等参数，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参数的确定。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型所提装置突破了传统单点竖向测量装置不能获取沿地层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。通过CPT探头7的横向布设并使其在土层中横向移动，可连续获取拖曳距离内的土体强度参数。

2)应用本实用新型所提装置，通过多个T-bar探头9的横向布设并使其在土层中横向移动，经过一次拖拉试验即可完成应变软化参数的现场测量，对分析海底结构及海底边坡稳定性具有重要参考价值。

3)土体与结构物界面摩擦参数一直是海洋工程设计及稳定性分析的重点和难点，采用本实用新型所提装置，通过一次拖拽试验，可完成土体与结构物界面摩擦参数的现场测量。同时，通过多个摩擦板12的横向线性布设，可获得土体在不同扰动程度下的摩擦参数及其衰减规律，为工程实践中的土与结构相互作用的研究提供了参数依据。

4)依据本实用新型所提装置，可实现土体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，依托本实用新型所提装置对海底土体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为本实用新型实施例提供的所提试验装置示意图。

图2为本实用新型实施例提供的拖曳装置三维斜视图。

图3为本实用新型实施例提供的拖曳装置侧视图。

图4为本实用新型实施例提供的拖曳装置主视图。

图5为本实用新型实施例提供的拖曳装置底端设备布局图。

图6为本实用新型实施例提供的拖曳装置底端局部T-bar贯入仪布置图。

图7为本实用新型实施例提供的拖曳装置底端局部位置摩擦板测量原理图。

图8为本实用新型实施例提供的基于CPT探头所测土体强度变化情况示意图。

图9(a)为本实用新型实施例提供的基于T-bar探头不同位置所测阻力变化示意图。

图9(b)为本实用新型实施例提供的基于T-bar探头某一位置所测阻力衰关系示意图。

图10(a)为本实用新型实施例提供的基于摩擦板所测摩擦力变化示意图。

图10(b)为本实用新型实施例提供的基于摩擦板所测竖向压力变化示意图。

图10(c)为本实用新型实施例提供的基于摩擦板所获摩擦系数变化示意图。

图11(a)为本实用新型实施例提供的基于摩擦板所获剪应力衰减关系示意图。

图11(b)为本实用新型实施例提供的基于摩擦板所获摩擦系数衰减关系示意图。

图中：1拖曳结构顶板；2中空肋板；3拖缆拉环；4配重铅块；5拖拉滚轮；6固定螺丝；7CPT探头；8CPT安装支座；9T-bar探头；10T-bar安装支座；11拉压传感器；12摩擦板；13拖船；14拖缆终端设备(涵盖收放绞车及数据采集等设备)；15拖缆(具有较高抗拉强度且可传输传感器采集信号)。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更清楚，下面将结合本实用新型的实施例中的附图对本实用新型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实用新型部分实施例，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实用新型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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而仅仅是表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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。

本实用新型描述中的“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，或者是该实用新型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实用新型的限制。

此外，本实用新型中所出现的“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1

一种大范围软土场地土体参数连续测量装置，包括拖曳结构主体I、土体参数测量系统II以及拖拽系统III三部分；

拖曳结构主体I包括拖曳结构顶板1、中空肋板2、拖缆拉环3、配重铅块4、拖拉滚轮5和固定螺丝6；所述的拖曳结构顶板1与中空肋板2组成拖曳结构主体I外部框架，中空肋板2的前端面为弧形面，中空肋板2的底表面有多个凹槽，二者均采用不锈钢结构；所述的拖曳结构顶板1上部设有中空结构用以施加配重铅块4，中空肋板2内可排设线缆；所述的拖拉滚轮5共2个，通过固定螺丝6布设于拖曳结构顶板1两侧，拖拉滚轮5可围绕固定螺丝6发生转动，用以控制中空肋板2的贯入深度；在拖拉滚轮5调整到指定角度后，拧紧固定螺丝6；所述的配重铅块4用以改变拖曳结构主体I自重保证拖曳结构主体I沉入土层一定深度；所述的拖缆拉环3布设于拖曳结构顶板1前端，用以与外部拖拽系统III相连接，使拖曳结构主体I在土层内匀速移动；

土体参数测量系统II包括CPT探头7、CPT安装支座8、T-bar探头9、T-bar安装支座10、拉压传感器11和摩擦板12；

所述的CPT探头7通过CPT安装支座8固定于中空肋板2前端，其安装方向指向运动方向；试验中采集CPT探头7在横向运动过程中的电压信号，根据所测电压信号与强度CPT探头7所受阻力的转换关系，确定CPT探头7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；

所述的T-bar安装支座10固定于拖曳结构中空肋板2底表面并沿同一直线布设，其用于固定拉压传感器11，拉压传感器11上连接有T-bar探头9，T-bar探头9指向运动方向并保证T-bar探头9位于同一直线上；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T-bar探头9的扰动；通过测量T-bar探头9相连接的拉压传感器11的测电压信号，获得T-bar探头9行进中的阻力；对同一位置土体，即获得T-bar探头9所受阻力与其对应的扰动土体的T-bar探头9个数之间的关系；结合扰动土体T-bar探头9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T-bar探头9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；

所述的摩擦板12安装于中空肋板2底部凹槽中，其下表面与中空肋板2底表面相平；摩擦板12的一侧端面和上表面分别与横向和竖向布设在中空肋板2底部凹槽的拉压传感器11相连接，且保证摩擦板12未连接拉压传感器11的一侧端面自由；所述的拖曳装置在土体内行进过程中，直接测量拉压传感器11电压信号并通过其与力之间的转化关系，获得摩擦板12所受土体的摩擦力和竖向压力；对于黏土，结合经过同一位置土体的摩擦阻力和其对应的扰动土体的摩擦板12个数之间的关系，以及扰动土体摩擦板12个数与土体发生的相对位移之间的关系，最终获得摩擦板12的摩擦阻力和累积相对位移之间的关系；对于砂性土，通过同一位置摩擦板12所受摩擦阻力与其所受竖向压力的关系，即获得摩擦板12与土体之间的摩擦系数，结合经过同一位置扰动土体摩擦板12个数与土体发生的相对位移之间的关系，最终获得摩擦板12摩擦系数和累积相对位移之间的关系；

拖拽系统III包括拖船13、拖缆终端设备14和拖缆15；所述的拖缆15一端与拖缆拉环3相连接，另一端与拖缆终端设备14相连接，用以拖动装置使其在土层内移动并传输CPT探头7和传感器11的测量信号；所述的拖缆终端设备14涵盖缆绳收放绞车以及CPT探头7和拉压传感器11的测量信号采集系统，用以工作人员对测量数据进行时时分析；所述的拖船13应具有稳定的动力系统，尽量保证试验中以均匀的速度进行前进。

相邻摩擦板12之间所用材料与摩擦板12所用材料相同，并要求相邻摩擦板12间的距离与摩擦板12长度相同。

实施例2

本实施例为一种大范围软土场地土体参数连续测量装置，本实施例提供的实验装置简单且能够实现沿地层方向长距离土体参数的连续测量，可用以服务于水下管线、电缆等结构的设计和施工。

参阅图1、2，本实施例提供的沿地层方向连续测量软土场地参数的实验装置可通过一次横向拖拽拖曳装置完成。拖曳装置包括拖曳结构顶板1、中空肋板2、拖缆拉环3、配重铅块4、拖拉滚轮5、固定螺丝6、CPT探头7、CPT安装支座8、T-bar探头9、T-bar安装支座10、拉压传感器11和摩擦板12；拉压传感器11分别与T-bar探头9和T-bar固定支座10；CPT探头7与其安装支座8相连接；摩擦板12分别与横向和竖向布设的拉压传感器11相连接。

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

参阅图2和图3，拖曳结构顶板1和中空肋板2均采用不锈钢结构，试验中可通过控制配重4使空肋板2沉入土层一定深度。拖缆拉环3安装于拖曳结构顶板1前端，用以试验中通过拖缆15对拖曳装置进行拖拽。2个CPT探头7与其安装支座8相连并固定于中空肋板2前端。CPT探头5选用国际标准探头，即探头顶角为60°、底面积为10cm²。

参阅图3、图4和图5，T-bar支座10布设于拖曳装置中空肋板2底端并沿同一直线布设8个，拉压传感器11分别与T-bar支座10和T-bar探头9相连接并指向拖曳装置运动方向。T-bar探头9尺寸选用直径4cm，长度10cm的不锈钢圆柱制作。

参阅图3、图4、图5和图7，15个摩擦板12沿着拖曳装置中空肋板2底端纵向均匀布设，8个摩擦板12分别与横向和竖向布设的拉压传感器11相连接。连有拉压传感器11的摩擦板12相邻之间安装相同规格的摩擦板12，并要求擦板12一端为自由。摩擦板12长度为10cm，宽度为5cm。

第二，设备性能检测和调试

拖曳装置组装结束后，通过拉压CPT探头7、T-bar探头9和摩擦板12来验证传感器传输信号、拖缆15和采集设备14等配套设施的灵敏性和有效性，测试中通过拖缆终端设备14进行数据的试采。设备检测完全无问题后，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15并使拖船13低速前进，控制拖缆15长度使其与泥面之间的夹角足够小(一般30°以内)。待拖缆15到达指定角度后，检查拖缆终端设备14运行情况，设备检查无误后，数据采集设备开启。

第四，拖曳装置的横向向拖拽

试验准备工作就绪后，采用拖船13沿着指定方向拖动拖曳装置，拖拽中严格控制拖船速13度和方向，尽量保证拖船13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13缓慢倒退并同时收紧拖缆15，向上提升拖曳装置，回收至拖船13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，本实用新型所提装置测量的主要土体参数及数据分析过程如下。

1)土体抗剪强度的确定

土体的抗剪强度作为重要的土体参数之一，主要依据静力触探(CPT)探头7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为探头的锥底面积，m²；N_kt为探头的承载力系数，介于11～19之间，一般取值为15.0。依据本实用新型所提试验装置以及上述强度计算方法，试验后土体强度变化关系如图8所示。

2)土体应变软化参数的确定

应变软化参数的计算主要依据拖曳装置中空肋板2底端不同位置的T-bar探头9对应的拉压传感器11测量数据进行分析获得，T-bar探头9在拖曳装置拖动过程中阻力变化情况如图9(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，kPa；δ_rem为土体的灵敏度(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。

土体的初始强度(s_u0)采用拖曳装置中空肋板2底端运动方向第一个T-bar探头9的测量结果进行确定，计算过程如下：

其中：q_T-bar为T-bar探头9在土体内横向运动过程中的阻力；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。

同一位置土体，受到多个T-bar探头9扰动后，阻力衰减关系如下：

其中，n为沿着运动方向同一位置经过的T-bar探头9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探头9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对应的第n个T-bar探头9所受的阻力值，q_in为运动方向最前端的T-bar探头9的阻力值，q_rem为最后端T-bar探头9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)，N₉₅为强度降低95％时所对应的T-bar探头9个数。某一位置土体受不同次数T-bar探头9的扰动后，所测阻力衰减情况如图9(b)所示，N₉₅可通过如图9(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可按照下式进行计算，

ξ_T-bar＝0.83log(S_t)+3.09

3)土与结构界面摩擦参数的确定

土与结构之间的界面摩擦系数通过测量拖曳装置底端摩擦板12所受的压力和摩擦阻力获得。土体摩擦参数获取步骤如下：

3.1)粘性土摩擦参数

由于同一位置土体在拖曳装置沿地层方向拖动过程中会受其装置底端多个摩擦板12的摩擦作用，且不同摩擦板12对土体扰动情况不同，故摩擦板12所受摩擦阻力会存在明显的不同。摩擦板12所受到的摩擦阻力通过竖向拉压传感器11获得，试验中沿地层方向摩擦力如图10(a)所示，第m个摩擦板12在土体内同一位置所受到的剪应力为

式中：F_f,m为分析位置第m个摩擦板12所受的摩擦力，N；W为单个摩擦板12的宽度，m；L为单个摩擦板12的长度，m。

经过m个摩擦板12摩擦作用后，土体所发生的摩擦位移为

S_(m)＝mL

通过以上计算，即可获得粘性土材料的土与结构界面摩擦参数(剪应力)的衰减规律，如图11(a)所示。

3.2)砂性土摩擦参数

土体与结构之间的摩擦系数通过测量拖曳装置底端摩擦板12的压力和摩擦阻力获得。拖曳过程中，摩擦板12所受到的竖向压力通过竖向拉压传感器11测量获得，试验中摩擦板12所受竖向压力变化情况如图10(b)所示；摩擦板12所受摩擦力根据其横向布设的拉压传感器11测量结果获得，试验中摩擦力如图10(a)所示。根据库伦摩擦准则，摩擦系数可通过下式计算。

其中：F_f为拖曳过程中摩擦板12所受的横向摩擦力，N；F_N为摩擦板12在拖曳过程中所受到的竖向压力，N。拖曳过程中不同位置摩擦板12的摩擦系数变化情况如图10(c)所示。

同一位置土体的摩擦系数为

其中：F_N,m为分析位置第m个摩擦板12所受的竖向压力，N；试验后所获摩擦系数随摩擦位移的衰减关系如图11(b)所示。

以上仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的思想和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大范围软土场地土体参数连续测量装置，其特征在于，所述的大范围软土场地土体参数连续测量装置包括拖曳结构主体I、土体参数测量系统II以及拖拽系统III三部分；

拖曳结构主体I底部设有用于安装摩擦板的凹槽，拖曳结构主体I上部设有安放配重铅块的空间；拖曳结构主体I两端设有支撑装置，通过调整支撑装置角度及上方配重使拖曳结构主体I沉入土层一定深度；

土体参数测量系统II包括土体强度测量装置、土体应变软化关系测量装置、摩擦板、拉压传感器和安装支座；土体强度测量装置通过安装支座固定于拖曳结构主体I前端，其安装方向指向运动方向；土体应变软化关系测量装置通过安装支座固定于拖曳结构主体I底部，其安装方向指向拖曳装置运动方向；摩擦板与固定在拖曳结构主体I底部凹槽的拉压传感器相连并与拖曳结构主体I底部相平；

拖拽系统III包括拖船、拖缆终端设备和拖缆；所述的拖缆一端与拖曳结构主体I前端相连接，另一端与拖缆终端设备相连接，用以拖动装置使其在土层内移动并传输测量信号；所述的拖缆终端设备涵盖缆绳收放绞车以及测量信号采集系统，用以工作人员对测量数据进行时时分析；所述的拖船应具有稳定的动力系统，尽量保证试验中以均匀的速度进行移动。

2.根据权利要求1所述的大范围软土场地土体参数连续测量装置，其特征在于，所述的土体强度测量装置为T-bar贯入仪、Ball-bar贯入仪或静力触探仪。

3.根据权利要求1或2所述的大范围软土场地土体参数连续测量装置，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所述的大范围软土场地土体参数连续测量装置，其特征在于，所述的摩擦板一侧面和顶面分别与横向和法向的拉压传感器相连接，其另一侧表面为自由端。

5.根据权利要求3所述的大范围软土场地土体参数连续测量装置，其特征在于，所述的摩擦板一侧面和顶面分别与横向和法向的拉压传感器相连接，其另一侧面为自由端。

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