深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置研制

自由下落式CPT测试技术(FF-CPT)是一种重要的海上沉积物强度原位测试方法。本文在FF-CPT室内试验原型样机基础上,通过进一步改进,研制了深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置。FF-CPT系统主要由数据采集单元、贯入探杆、配重、耐压控制舱及释放器等组成,设备总长度约6m,贯入深度约5m,极限工作水深1 500m。FF-CPT采用自容方式进行数据采集与存储,可同时测量深海表层沉积物的侧摩阻力、锥尖阻力、孔隙水压力等参数。目前已将该FF-CPT原位测试装置初步应用于渤海、南海等海域的表层沉积物强度测量,FF-CPT工作状态良好。期望本研究可为国内海上FF-CPT自主研制与进一步工程应用提供经验与借鉴。     

天然含水量对海底沉积物贯入阻力的影响

研究浅海表层底质沉积物的天然含水量变化规律及其对海底沉积物贯入阻力的影响.对某浅海海域的72份表层底质沉积物样品的天然含水量测试和贯入阻力测定值进行了分析对比.天然含水量是影响海底表层沉积物贯入阻力的重要因素,沉积物天然含水量与贯入阻力之间具有较强的负相关性,沉积物天然含水量越大,贯入阻力越小.     

探头尺寸对FFP确定海底沉积物性质影响的原位试验研究

自落式贯入仪(Free-Falling Penetrometer, FFP)是一种新型海底沉积物原位测量设备,用于海底沉积物工程性质原位调查。本文基于自主研发的FFP设备在黄海海域开展现场贯入试验,分析探头尺寸对判断沉积物性质的影响。研究表明,在不同沉积物中探头尺寸对贯入深度、贯入阻力和沉积物类型判断有不同影响。在细粒沉积物中探头尺寸对贯入深度、贯入阻力影响较小;在根据贯入阻力变化划定分层时,小直径探头能反应贯入阻力更为细小的变化。在粗粒沉积物中探头尺寸影响更明显,大尺寸探头使贯入阻力变大,贯入深度减小。根据标准化深度和硬度因子可区分粗粒沉积物和细粒沉积物,在粗粒沉积物中探头尺寸增大,硬度因子减小,有利于细化沉积物类型。     

微型贯入试验与无侧限抗压强度试验结果的对比

本文探讨了探头锥尖角度和探头直径对微型贯入试验结果的影响及微型贯入试验结果与无侧限抗压强度试验结果的相关性。结果表明,探头锥尖角度和直径对贯入曲线性状没有影响,即贯入阻力随贯入深度线性增加,达到某一贯入深度时贯入曲线出现拐点,之后贯入阻力趋于稳定,定义此时的比贯入阻力为贯入强度。探头锥尖角度越大,达到贯入曲线拐点前贯入阻力随贯入深度增长越快;贯入强度随探头锥尖角度的增加先减小后增大,当锥尖角度为60°时贯入强度最小,锥尖角度为30°、90°和180°时的贯入强度与锥尖角度为60°时贯入强度的关系呈线性关系;探头直径对比贯入曲线的影响可忽略不计,但随着探头直径的增大,贯入强度呈线性减小趋势,探头直径3.4 mm的贯入强度比7.0 mm的贯入强度增大2.5%,比10.0 mm的贯入强度增大5.0%;可用贯入曲线拐点前直线段斜率换算无侧限抗压强度,也可利用贯入强度换算无侧限抗压强度;水泥土强度的形成条件对贯入曲线拐点前直线段斜率及贯入强度与无侧限抗压强度之间的关系没有明显影响。     

重力活塞取样器贯入深度研究

重力活塞取样器是一种重要的海底连续沉积物采集仪器,贯入深度和样品质量对海洋地质研究有着重要影响。通过对重力活塞取样器贯入过程建立能量守恒方程,得出贯入深度控制方程。已知取样器参数和土质类型条件,可计算取样管贯入深度,深度受取样器重量、体积、形状、取样管直径和沉积物类型等因素共同影响。已知取样器参数和贯入深度,可推测海底沉积物类型。     

海上平台桶形基础模型压力压贯与负压沉贯试验研究

介绍了海上平台桶形基础模型（模型桶）压力压贯和负压沉贯的试验概况,对比分析了两者贯入力的巨大差异和产生的原因,给出了模型桶压力压贯中贯入深度与压力的关系,负压没贯负压与贯入深度,抽吸泵流量,基土渗流量,桶内土塞隆起之间的关系,试验结果表明,负压沉贯可以大大降低以砂质粉土为基土的土抗力,为在胜利油田类似基土海域海上平台应用桶形基础提供了试验依据,为海上现场导管架桶形基础平台的安装就位施工和控制提供了     

重力活塞取样器贯入模型研究

重力活塞取样器贯入深度研究对于取样效率的提高和仪器安全有着重要影响,根据取样海底沉积物类型及工程参数对取样器可贯入深度进行预判是研究的重点。基于重力活塞取样器结构,设计并制造了重量可调的重力取样器模型,增加了底质桶与支架等配套设施。按照控制变量法分别设计了针对取样器质量、贯入速度及沉积物类型的试验。试验结果表明,底质类型、取样器质量和贯入速度都可以对贯入深度产生不同程度的影响。在现有重力取样器贯入深度公式的基础上,根据本次试验得到的数据对其进行修正。改进后的公式计算结果与原来相比误差更小、更接近于真实取样数据。     

黄河口粉质土沉积物侵蚀性动态变化试验研究

通过一系列室内试验,研究了黄河口粉质类沉积物在循环动荷载作用后侵蚀性的变化.在试验中,采用真空预压固结装置制备重塑土样,采用液压伺服土动三轴试验机实现了不同幅值及不同振次的动荷载作用条件,并通过动三轴静态试验及贯入强度测试,测定了动荷载作用后土样强度的变化.通过水槽冲刷试验测试了不同条件的动荷载作用后,土样抗冲刷能力的变化,并进行了临界剪切应力的计算.试验结果表明:对于黄河口粉质类沉积物,动荷载作用后其强度及抗侵蚀性均降低;沉积物强度指标(不排水剪切强度、残余强度、贯入阻力)、侵蚀性指标(起动流速、临界剪切应力、冲刷率)与动荷载幅值、动荷载振次均呈现出较好的线性相关性.     

海底表层沉积物力学特性分析测量系统设计与实现

针对海底水雷埋设、监听器布设、观测网建设及海底作业等任务对海底沉积物力学特性参数的需求,结合现有科考船的实际装备要求,通过对剪切强度和贯入阻力参数测量技术的研究,设计研制了船载海底表层沉积物力学特性分析测量系统,实现了海底表层沉积物剪切强度和贯入阻力特性参数现场分析测量,解决了因样品多次移动或长期保存致使力学特性变化而导致测试结果失真的问题。详细论述了海底表层沉积物力学特性分析测量系统的组成、方案设计及功能。     

砂质海底沉积物压缩波速与物理参数关系试验研究

砂土是主要的海底沉积物类型之一,明确砂质沉积物声学与物理性质的关系对海底底质和地层探测至关重要。本文利用超声探测仪和自制的试样制备测试装置,模拟制备不同沉积状态的砂土试样,同步开展超声测试和物理性质测试,探讨砂质沉积物声速测试方法及影响因素,揭示砂质沉积物压缩波速与物理参数的内在联系。试验结果和分析表明:换能器接触管壁的间接测量方法中,声波多路径传播可显著影响沉积物声速测量的准确性,而换能器接触试样的直接测量方法可避免这一影响;30 kHz至100 kHz的不同频率对压缩波速测量结果没有明显影响。砂质沉积物的压缩波速与密度、孔隙度、含水率有较好的相关性,相关系数分别为0.87、0.86、0.84,并且随密度的增大而增大,随孔隙度、含水量的增大而减小。砂质沉积物的压缩波速与中值粒径的相关系数小于0.6,对物质组成不敏感。另外,与声速相比,砂质沉积物的声阻抗与密度、孔隙度、含水量的相关性更高。砂质沉积物压缩波速对饱和度非常敏感,例如,饱和度从0.971增至0.994时,压缩波速从393.3 m·s^-1急剧增大到748.5 m·s^-1,需特别注意。     

海床CPT和井下CPT在砂土中贯入机理差异研究

海洋石油建设中的一个关键环节是对有关海域的工程地质条件作出准确评价。海上原位静力触探(CPT)是主要的原位勘察手段,与陆地CPT不同,其贯入方式主要有Seabed和Downhole两种形式。这两种CPT由于贯入方式不同,所得到的锥端阻力存在一定的差异。采用有限元方法对这两种形式的CPT锥端阻力和贯入模式进行计算分析。研究显示,CPT入土过程中,周围土体存在两种不同位移状态,即滑动状态和排挤状态。在入土初期,土体以滑动状态为主,土体中竖向应力随贯入深度的增加而递增。在入土一定深度以后,土体的排挤状态占主导地位,竖向应力变化趋于平稳。这两种位移状态的相互转化解释了Seabed CPT和Downhole CPT实测数据之间的差异。在贯入深度较大时,Seabed CPT受排挤状态控制,而Downhole CPT仍然受滑动状态的影响。     

电阻率法监测黄河口海床沉积物固结过程现场试验研究

为了研究黄河口海床沉积物固结过程中电阻率同工程力学性质指标的对应关系,探索海床土体固结过程的新型原位监测技术,本文在黄河刁口流路三角洲叶瓣潮坪上,现场取土配置黄河口快速沉积形成的流体状沉积物和观测研究粉质土海床的固结过程。利用静力触探、十字板剪切试验、孔隙水压力监测等原位土工测试手段,实时测定固结过程中海床土强度变化和孔隙水压力消散过程;同时通过埋置自行研制的环形电极探杆,实时测定海床土固结过程中的电阻率变化。通过对比分析海床土电阻率与工程力学性质指标的同步测定数据发现:黄河口饱和粉土的电阻率与微型贯入试验测得的土体贯入强度,静力触探试验测得的比贯入阻力,十字板剪切试验测得的不排水抗剪强度(峰值强度、残余强度)均呈乘幂关系,且相关性良好;海床沉积物在固结过程中的电阻率与孔隙水压力呈负线性相关性。     

新型平台桩靴在“砂-黏”地层中穿刺的数值模拟研究

开发了一种新型平台桩靴,可通过活动板转动实现自升式平台不同阶段桩靴受力面积的灵活变化。基于大变形有限元方法,模拟新型桩靴基础在“砂-黏”地层中的贯入过程,分析了活动板转角、砂层厚度比、摩擦角和黏土层不排水抗剪强度对新型桩靴贯入阻力的影响,并与普通桩靴的贯入响应比较。数值分析中,上覆砂土和下层黏土分别采用摩尔库伦模型和修正Tresca模型进行模拟。结果表明：新型桩靴穿刺时,土层参数对峰值阻力的影响规律与普通桩靴相同,但其峰值阻力随活动板转角的变化而变化,无法直接使用具有等效面积普通桩靴的穿刺预测方法。考虑各项关键影响因素,结合穿刺破坏时的地基破坏模式,基于数值模拟结果提出了适用于新型桩靴的贯入阻力预测公式。     

粉土中吸力桶沉贯阻力与土塞失稳机理研究

针对粉土中吸力桶在吸力沉贯中的两个关键性问题——沉贯阻力和内部土体稳定性,在自行研制的试验平台上进行了一系列吸力桶沉贯模型试验。试验结果表明,粉土中吸力沉贯时,Andersen所提供的基于CPT锥尖强度的阻力计算公式能较好预测阻力发展趋势,但计算结果偏小;而修正的承载力公式预测结果在沉贯前期与实测值较吻合,沉贯后期预测偏大。吸力沉贯前期,贯入阻力随深度稳步增长,直到贯入深度达到某个临界值后,阻力增长缓慢甚至保持不变。桶内粉土在吸力作用下的失稳机理与黏土或砂土不同,在渗透力作用下表现为从土层表面开始的自上而下管涌或渗流侵蚀。沉贯后期,端部土体在较高水头差下发生失稳并向桶内流动,造成了桶内土体密度降低,端阻力与内壁摩阻力降低,总贯入阻力主要由外壁摩阻力提供。并结合有限元模拟对上述实验现象的内在机理进行了解释。     

砂质底质潮汐水道均衡态模拟初探

以过程模拟法探讨了发育在砂质堆积体上的潮汐水道的均衡态问题.在潮汐作用为主导、初始状况为平坦海底、底质粒度均一等条件下,利用修正的Bagnold推移质输沙率公式和沉积物连续方程,建立砂质潮汐水道均衡态的一维模型.数值实验结果表明,潮汐水道达到均衡态的时间尺度为10a以上,水道形成的早期冲刷速度较快,随着时间的推移,冲刷减缓.从水道冲刷出来的物质在水道前方形成堆积体.潮汐水道的演变受控于水动力变化和沉积物冲淤的负反馈机制,水道均衡态主要与沉积物粒径、涨落潮流速、历时、流速沿水道轴向分布的组合特征有关.流场特征决定了水道均衡态的形态;在沉积物组分均一的情况下水道均衡深度与潮流流速呈正相关;达到均衡态的时间尺度与沉积物粒径、涨落潮历时、流速的变化以及水道规模有关.沉积物临界起动流速随深度的变化对水道均衡态有较大影响.     

江苏条子泥沙洲内缘区潮滩粒度特征及其影响因素

条子泥沙洲位于江苏岸外辐射沙脊群的核心区,水动力条件独特,地貌复杂.利用2009年5月11日在条子泥沙洲内缘区3条断面的潮滩表层沉积物粒度资料,分析该区域潮滩沉积物的粒度参数特征、沉积物粒度组成及沿程变化等,探讨不同岸段的沉积特征与水动力环境特征的相关性,以及影响潮滩沉积特征的主要因素等.结果表明,潮滩沉积物以砂质粉砂...     

渤海湾西岸潮间带沉积物粒度分布特征

根据2003年12月在渤海湾西岸海河口南缘至歧口间岸段采集的4个柱状沉积物样品和6个表层样品的粒度分析结果,探讨了渤海湾西岸潮间带的粒度分布特征和沉积作用。结果表明,由北向南,表层沉积物逐渐变细,分选性变差。海河口南缘至独流减河之间的表层沉积物为分选良好的细砂,至歧口附近变为粉砂质粘土。在垂直方向上,表层以下一定深度内沉积物的平均粒径都存在一均匀层,层内沉积物为分选良好的细砂,此深度以下沉积物中的粘土含量增加。说明由于60年代之后的自然变化和人类活动,入海泥沙量减少,改变了潮间带沉积物原有的输沙与海滩发育模式,导致独流减河以北的砂质沉积物出现粗化现象。     

防波堤椭圆形桶式基础结构的贯入受力特性实验研究

某工程拟在深水软土地基上修筑防波堤,为了尽量减少地基处理充分利用天然地基,创新性设计出一种轻型薄壁的预制防波堤结构,其挡浪部分为直立薄壁圆筒,基础部分则为倒扣的薄壁椭圆形桶,并且椭圆形下桶为外壁和内隔板分成9个格室,防波堤结构浮运至指定位置后,拟采用负压工法施工安装就位。这种新型防波堤结构为国内外首次提出,其下沉施工设计尚无规范可循,为此开展了土工离心模型试验,在模型加速过程中模拟了椭圆形下桶基础在淤泥层中的自重下沉,之后利用新研发了一种大行程作动加载装置给椭圆形下桶施加下推力,让其继续向下贯入直至穿越整个淤泥层,以模拟负压工法的贯入下沉。试验测量了下桶贯入下沉过程中的推力与贯入位移,还尝试测量了桶壁和内隔板断面的压应变,由此分析了下桶基础的下沉总阻力、桶壁摩擦力以及截面压应变随贯入位移的变化。结果发现,这些曲线均出现了转折点,根据转折点对应的下沉总阻力确定了椭圆形下桶基础贯入过程所遭遇的临界下沉总阻力值,据此估算了负压工法中所需施加的压力差。     

自由落体式球形贯入仪在硬-软黏土中的贯入响应

自由落体贯入仪（free falling penetrometer,简称FFP）通过自由下落贯入土层中,由于其高效便捷的特性,越来越广泛地被应用于海底浅层土体原位勘察。采用耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian Lagrangian,简称CEL）方法,进行了球形FFP在硬-软双层黏土中贯入的大变形有限元分析,考虑了土体的应变率和应变软化效应。与离心机试验、现场试验和数值模拟结果进行了对比,验证了模型的可靠性。分析了成层土对贯入过程的影响,发现FFP在贯入过程中上部硬黏土层形成空腔,且底部会伴随着土塞。通过广泛的变参数分析结果,拟合了球形FFP最终贯入深度与总能量之间的归一化表达式,建立了土体不排水抗剪强度、FFP直径和贯入速度与FFP在硬-软黏土层中最终贯入深度的关系。     

粘土中吸力锚沉贯阻力与土塞形成试验研究

针对粘土中吸力锚沉贯的两个关键性问题--沉贯阻力和土塞形成过程,在自行研制的试验平台上进行一系列吸力锚沉贯室内模型试验.试验结果表明,负压抽吸对筒壁内部土体的影响较大,而对外侧土体的影响很小;由压力沉贯向吸力沉贯转换后,土体阻力会先降低,再随着沉贯的进行逐渐增大,并超过采用压贯方式的土体阻力;前期压贯深度的变化带来了不同的内部泥面下陷,这对吸力沉贯开始阶段的土塞发展影响不大,当土塞加速隆起后,压贯越深的情况土塞发展越迅速;在粘土中进行吸力沉贯时,API规范对最大容许吸力估算较为准确,但是需提供比API规范更大的沉贯吸力才能保持沉贯的进行,而且沉贯过程中土塞的高度大于由于简裙下插置换土体所带来的高度.