一种应用于同时测量软粘土体刚度和强度的触探器

摘要

本发明公开了一种用于在海洋工程相关的模型试验中同时测量海床软粘土刚度（抵御变形的能力）和强度（抵御破坏的能力）的触探器。该触探器主要包括一根横梁、两根竖杆、两根水平触探圆柱、两组应变片、一个信号发生器、一个超声波发射片、一个超声波接收片、一台计算机；该发明为软粘土海床上结构物(如海上钻井平台)的安全设计提供了关键的海床地基力学参数(即软粘土的刚度和强度)。

说明书

技术领域

本发明属于与海洋工程相关的，在室内试验中用于工程力学特性探测的技术领域，涉及一种应用于同时测量软粘土体刚度和强度的触探器。

背景技术

全球70%以上的油气资源蕴藏在海底。油气的勘探、开采完全依赖于海上钻井平台。钻井平台承受着海上台风、巨浪等荷载。这些荷载通过钻井平台的桩基础或锚泊定位系统传递给海床土体。在这些荷载作用下，海床上的软粘土抵御破坏的能力（强度）和抵御变形的能力（刚度）分别决定了海上钻井平台的安全性与稳定性。

相关的理论研究与数值模型的建立需要大量可靠而详尽的试验验数据来加以验证和优化。相对于深海现场原位试验而言，模型试验方法具有费用低廉，易于操作、外界干扰因素少等优点，在科学研究中具有不可替代的作用。为了使模型试验与现场原位试验具有可比性，模型试验中制备的软粘土的强度和刚度需要与现场海底软粘土一致。然而，现有的触探器只能测量软粘土的强度，至今尚缺乏能够直接测量软粘土刚度的触探器。基于此，本发明提出一种能能够同时测量软粘土刚度和强度的触探器。

发明内容

本发明的目的是填补现有技术的空缺，提供一种能同时测量软粘土刚度和强度的触探器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种应用于同时测量软粘土刚度和强度的触探器，包括一根横梁、两根竖杆、两根水平触探圆柱、两组应变片、一个信号发生器、一个超声波发射片、一个超声波接收片、一台计算机；横梁的两端分别安装在两根竖杆的顶部，两根水平触探圆柱分别安装在两根竖杆底部；两组应变片分别安装在两根竖杆下部，且均与计算机相连；超声波发射片和超声波接收片并分别安装在两根水平触探圆柱内，所述超声波发射片和超声波接收片均为弯曲元，其中，超声波发射片与信号发生器相连，超声波发射片向波接收片发射剪切波超声信号，接收超声波接收片与计算机相连，将接收到的剪切波超声信号传输到计算机。

本发明的有益效果是：1.首次实现了同时测量软粘土的两个最重要的力学参数（刚度和强度）；2.技术简单，容易实现；3. 一次测量，同时获得两条强度曲线，起到相互验证，增强数据可靠性的效果。

附图说明

图1为触探器的整体结构示意图；

图2为应变片的安装示意图；

图3为超声波发射片的安装示意图；

图4为超声波发射片和超声波接收片的安装关系图；

图5为触探器在模型试验中的加载装置图；

图中，横梁1、竖杆2、水平触探圆柱3、应变片4、超声波发射片5、超声波接收片6、环氧树脂7。

具体实施方式：

一种应用于测量海床土体刚度和强度的触探器，包括一根横梁1、两根竖杆2、两根水平触探圆柱3、两组应变片4、一个信号发生器、一个超声波发射片、一个超声波接收片、一台计算机；如图1-4所示，横梁1安装在两根竖杆2的顶部，两根水平触探圆柱3分别安装在两根竖杆2底部；两组应变片4分别安装在竖杆2下部（每组应变片包括两片应变片）；两组应变片4均与计算机相连，将测到的结果土体抗力传送给计算机；超声波发射片5和超声波接收片6并分别安装在两根水平触探圆柱3内，它们均为弯曲元，两个弯曲元相对，其中超声波发射片5发射剪切波，超声波接收片6接收剪切波，超声波发射片5与信号发生器相连，超声波接收片6与计算机相连，传输数据到计算机。

作为本领域常用技术手段，应变片4外包覆有环氧树脂7，以防止应变片4受损。

本发明的触探器的实施过程如下：

如图3所示，通过设置反力钢梁，利用液压千斤顶将本发明触探器以20mm/s的速度匀速、连续地贯入到软粘土中，两根水平触探圆柱3受到的粘土抗力由应变片4测量得到，测得的土体抗力随贯入深度变化的数据被储存到计算机。基于计算机采集到的土体抗力，根据以下公式，可以计算得到海床土体抗剪强度：

抗剪强度＝土体抗力/（触探器圆柱3横截面积×承载力系数）。

根据Randolph, M.F., and Houlsby, G.T. 1984. The limiting pressure on a circular pile loaded laterally in cohesive soil. Géotechnique, 34(4): 613–623.可知，承载力系数一般取10.5。

同时，超声波发射片5在信号发生器的作用下向超声波接收片6发出超声波信号（土体剪切波束），超声波接收片6与计算机相连，将接收到的超声波信号（土体剪切波束）传送给计算机。通过计算超声波发射和接收的时间差，可以得到剪切波在土体内的传播时间。同时，超声波发射片5与超声波接收片6之间的距离是已知的。通过“剪切波速=探头距离/传播时间”计算获得剪切波在土体中的传播速度，然后计算机以下公式计算粘土的刚度：

土体刚度=土体密度×（土体剪切波速）²                 

其中，土体密度可通过室内密度实验测试获得。

除了测量粘土的强度和刚度以外，本发明还可以得到海床软粘土的土体灵敏度（海床土体在循环荷载作用下强度弱化的容易程度）。进行土体灵敏度测试时，首先将本发明触探器贯入到指定深度，然后将其静置，随后在2倍的探测圆柱直径的范围内进行上下往复运动，同时记录土体抗力的数据，一直至数据达到某一稳定值为止，最后可按以下公式得到粘土的灵敏度。

  土体灵敏度＝初始土体抗力/稳定后土体抗力。