【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種海洋超軟土的原位測試裝置及方法。
技術介紹
1、海洋領域資源豐富，如何高效、合理開發海洋資源助力生態文明建設已經成為當下亟待解決的重要難題之一，而海洋資源的利用離不開工程建設，從傳統的圍海造陸、港口工程，到跨海大橋、海上油氣鉆井平臺、海底礦物開采等，海洋工程建設不斷向深海、遠海發展，使得海洋工程設計、建設的難度不斷加大，尤其是對海洋工程設計相關參數的獲得提出了全新的要求。
2、其中，深海、遠海地區存在著大量的海相沉積超軟土，這些超軟土具有高靈敏度、高天然含水率、強度極低的特點，這些固有特征使得：
3、第一、鉆孔取樣、室內試驗等方法難以獲得令人滿意的結果，且現場取樣和室內制樣過程的擾動會使得高靈敏度軟土的微觀結構和抗剪強度發生巨大改變。
4、第二、海洋超軟土的原生應力狀態復雜，現有的實驗條件難以真實模擬，進而導致測試結果與真實性質差異較大。
5、也即，傳統的巖土工程測試技術逐漸難以滿足工程勘察的需要，隨著原位測試技術的不斷發展，學者們將帶有各種傳感器的探頭按照一定的速率貫入至土體中，連續讀取傳感器測試數據，進而推算土的各類性質參數。這種靜力觸探技術具有“半擾動”、快速、連續等特點，在各類巖土工程建設中得到廣泛應用。然而，普通圓錐形靜力觸探測試設備在海洋高應力環境、高靈敏度、低強度軟土的背景下，測試精度不斷降低，難以滿足海洋工程建設發展的需求。
6、針對這些問題，國際上發展了全流型的探頭，在增大土體接觸面積的同時，讓流動或似流動狀態的軟土圍繞不斷貫入的探頭
技術實現思路
1、針對上述問題，本專利技術提供一種海洋超軟土的原位測試裝置及方法，充分利用球形探頭結構設計的優勢，將傳統測試裝置進行改造，研發出適用于深海、遠海地區海洋工程建設的原位測試裝置，可以高效、低成本、高精確度測定超軟土的高靈敏度、超軟土不排水抗剪強度和側脹模量，解決了傳統海洋原位測試技術適用性不足的局限性，節約了社會資源，具有良好的經濟效益和工程應用前景。
2、為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本專利技術通過以下技術方案實現：
3、一種海洋超軟土的原位測試裝置，包括球形觸探組件和靜力貫入組件：
4、所述球形觸探組件包括數據采集分析儀、氣壓源、相連的球形探頭和空心探桿，所述球形探頭自底部向上順次設置有球頭狀阻力傳感器、側壁摩阻力傳感器、側脹膜片和孔隙水壓力傳感器，所述球頭狀阻力傳感器、側壁摩阻力傳感器和孔隙水壓力傳感器通過觸探信號數據線與數據采集分析儀相連，所述側脹膜片分別通過膜片信號數據線、氣壓管線與數據采集分析儀相連，所述氣壓管線與氣壓源相連且氣壓管線設置有排氣閥，氣壓源通過氣壓管線向側脹膜片施加氣體壓力；
5、所述靜力貫入組件包括用于支撐球形觸探組件的底座、用于控制球形探頭動作的貫入速率控制箱；
6、所述數據采集分析儀根據球形探頭貫入過程中采集的數據分析計算海洋超軟土的力學特性。
7、優選，所述底座通過定位反力地錨固定，所述靜力貫入組件還設置有用于控制空心探桿垂直度的對中導向器。
8、優選，所述對中導向器套接在空心探桿的外周，所述空心探桿為不銹鋼材質。
9、優選，所述側脹膜片位于球形探頭赤道的兩側且關于赤道對稱。
10、優選，所述球形探頭的頂部設置有可與空心探桿連接的頂柱，所述孔隙水壓力傳感器設置在頂柱外周。
11、優選，所述數據采集分析儀根據下式計算海洋超軟土靈敏度st：
12、
13、式中，ns為靈敏度修正系數，取值范圍為：0.15～2.50；qt為修正球頭阻力；fs為側壁摩阻力傳感器檢測到的側壁摩阻力；σv0為上覆土壓力；
14、修正球頭阻力qt的計算公式為：
15、
16、式中，a為有效面積比，定義為孔隙水壓力傳感器處頂柱橫截面積與球頭底座橫截面積之比；as和ap分別為空心探桿和球形探頭的投影面積，qm為球頭狀阻力傳感器檢測到的貫入阻力，u0為孔隙水壓力傳感器測到的孔隙水壓力。
17、優選，上覆土壓力σv0的計算公式為：
18、σv0＝∑γi·hi
19、式中，γi為上覆第i層土的重度；hi為上覆第i層土的厚度；球形探頭貫入過程檢測的qm值變化小于10kpa時，即為同一層土。
20、優選，所述數據采集分析儀根據下式計算海洋超軟土不排水抗剪強度cu：
21、
22、式中，χ為無量綱常數，取值范圍為12～13.2；為側脹模量修正系數；ed為側脹模量；
23、側脹模量ed的計算公式為：
24、
25、式中，a0、b0分別為球形探頭初始下潛至海洋超軟土時，qm為2kpa時，停止下潛，將數據采集分析儀的各項讀數調零，打開氣壓源，通過氣壓管線向側脹膜片施加氣體壓力，側脹膜片變形達到0.05mm和1.10mm時的氣壓值；
26、az、bz分別為球形探頭貫入過程中按照設定規則第z次停止下潛，打開氣壓源，通過氣壓管線向側脹膜片施加氣體壓力，側脹膜片變形達到0.05mm和1.10mm時的氣壓值。
27、一種海洋超軟土的原位測試方法，采用上述任意一項所述的原位測試裝置，包括如下步驟：
28、步驟1、準備就緒后調節對中導向器保持空心探桿的垂直度，并將球形探頭的位置對應指定測試點位；
29、步驟2、將球形探頭從海面以上逐漸下潛至超軟土表面，當球頭狀阻力傳感器的貫入阻力qm讀數等于2kpa時，貫入速率控制箱控制球形探頭停止下潛；將數據采集分析儀的各項讀數調零，打開氣壓源，通過氣壓管線向側脹膜片施加氣體壓力，記錄側脹膜片變形達到0.05mm和1.10mm時的氣壓值，分別記為a0和b0；關閉氣壓源，打開排氣閥，將側脹膜片恢復至零氣壓初始狀態；
30、步驟3、通過貫入速率控制箱設置貫入速率為2mm/s，在球形探頭貫入過程中，數據采集分析儀每2mm記錄一次孔隙水壓力u0、貫入阻力qm和側壁摩阻力fs；每貫入200mm后暫停1次，打開氣壓源向側脹膜片施加氣壓，記錄側脹膜片變形至0.05mm及1.10mm時的氣壓力值，此步驟中，分別記第z次的檢測數值為az和bz；關閉氣壓源，打開排氣閥釋放氣壓，待側脹膜片恢復至零氣壓初始狀態后，繼續進行球形探頭貫入；
31、步驟4、當球形探頭達到預定深度或連續2組數據滿足以下條件時，停止貫入：
32、1.05(bz-az)-2.05a0-0.05b0＞20或qm＞5本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種海洋超軟土的原位測試裝置，包括球形觸探組件和靜力貫入組件，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述底座(15)通過定位反力地錨(13)固定，所述靜力貫入組件還設置有用于控制空心探桿(6)垂直度的對中導向器(16)。
3.根據權利要求2所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述對中導向器(16)套接在空心探桿(6)的外周，所述空心探桿(6)為不銹鋼材質。
4.根據權利要求1所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述側脹膜片(2)位于球形探頭(1)赤道的兩側且關于赤道對稱。
5.根據權利要求4所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述球形探頭(1)的頂部設置有可與空心探桿(6)連接的頂柱，所述孔隙水壓力傳感器(5)設置在頂柱外周。
6.根據權利要求1所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述數據采集分析儀(10)根據下式計算海洋超軟土靈敏度St：
7.根據權利要求6所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，上覆土壓力
8.根據權利要求6所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述數據采集分析儀(10)根據下式計算海洋超軟土不排水抗剪強度cu：
9.一種海洋超軟土的原位測試方法，采用上述權利要求1-8任意一項所述的原位測試裝置，其特征在于，包括如下步驟：
10.根據權利要求9所述的一種海洋超軟土的原位測試方法，其特征在于：所述數據采集分析儀(10)根據下式計算海洋超軟土靈敏度St：
...【技術特征摘要】
1.一種海洋超軟土的原位測試裝置，包括球形觸探組件和靜力貫入組件，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述底座(15)通過定位反力地錨(13)固定，所述靜力貫入組件還設置有用于控制空心探桿(6)垂直度的對中導向器(16)。
3.根據權利要求2所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述對中導向器(16)套接在空心探桿(6)的外周，所述空心探桿(6)為不銹鋼材質。
4.根據權利要求1所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述側脹膜片(2)位于球形探頭(1)赤道的兩側且關于赤道對稱。
5.根據權利要求4所述的一種海洋超軟土的原位測試裝置，其特征在于，所述球形探頭(1)的頂部設置有可與空心探桿(6)連接...
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