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。     

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。     

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。     

砂质沉积物强度动力贯入室内试验研究

自由下落式CPT测试技术(FF-CPT)是新兴的海上沉积物强度测试方法。本文构建了海上FF-CPT原型样机,并以海洋干砂质沉积物为研究对象,分析了FF-CPT的贯入特征、速度相关性及其影响因素。结果表明,装置触底速度与最终贯入沉积物的深度受装置释放高度影响,释放高度越大,则触底速度与贯入沉积物深度越大。贯入过程的阻力分布规律是影响速度变化的主要因素。FF-CPT初始贯入阶段,沉积物贯入阻力随深度线性增加,但增幅不明显,这导致贯入速度变化不大,几乎可视作匀速,该段行程超过总贯入深度的2/3。后段行程贯入阻力骤增,导致贯入速度迅速降低至0。对于干砂质沉积物,FF-CPT贯入阻力与贯入速度不存在正相关关系。FF-CPT贯入阻力的速度相关性与装置质量、沉积物密实度关系不大。     

-渤海海冰侧限抗压强的试验研究

本文介绍渤海海冰侧限抗压强度试验的部分结果及其在塑性理论中的应用,结果表明,有侧限抗压强度与无侧限抗压强度均随应变率的增大出现延性、过渡和脆性三个破坏阶段,但在有侧限情况下,后两个阶段推迟出现.此外,在侧限应力与侧限应力率、侧向压力系数(等于泊松比)与应变率之间也同样存在上述三个阶段结果还表明,屈服时间随应变率的增大而减小.     

深水井口导管管土界面摩擦退化试验研究

深水井口导管在黏土中的贯入阻力与导管土体界面的黏性摩擦系数密切相关。在导管安装过程中,管土界面会产生大位移剪切,使得导管-黏土界面剪切力产生退化。本文针对传统剪切试验装置小位移剪切的限制,无法正确描述井口导管贯入时导管-黏土界面大位移剪切时的退化机理,采用GDS多功能界面剪切试验仪在恒应力条件下进行大位移单调剪切试验,研究法向应力对导管管土界面摩擦退化机理的影响规律。试验结果表明,大位移单调剪切时,界面剪应力随剪切位移先增大后减小,最终趋于稳定,界面表现出剪应力退化现象,随着法向应力的增大界面峰值应力与残余应力均增大;土样法向位移随着剪切位移、法向应力的增加而增大最终趋于稳定。最后在对试验数据分析的基础上,基于剪应力随无量纲位移的退化规律,提出了界面剪应力随累积位移退化的计算方法。并结合算例对比分析了井口导管在贯入80 m深度处,由于界面摩擦退化效应导致导管贯入阻力降低了28.48%。     

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。     

原土环境下水泥土强度衰减过程室内试验研究

在水土耦合的室内原土环境中,通过微型贯入、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)分析、X射线衍射(XRD)、离子含量及pH值测试等多种试验手段,研究滨海相软土场地形成的水泥土强度的分布规律及其衰减过程,并阐明水泥土劣化层和未劣化层的发展规律。结果表明:水泥土劣化深度随养护时间的增长和水泥掺入比的减小不断增大,至360d时最大劣化深度达到11.9mm,明显大于同龄期海水环境中养护的水泥土的劣化深度;与未劣化层相比,劣化层的孔径增大,孔隙增多,水泥水化产物减少;经原土养护相同时间,水泥土中pH值及主要离子含量分布规律与室内海水环境中的水泥土相似,其中pH值和Ca^2+含量随着试样深度的增大而增大,而Mg^2+、SO4^2-、Cl^-含量随试样深度的增大而减小;水泥土中Ca^2+含量沿试样深度方向的分布规律与强度变化规律相似。在原土条件下,水泥土中Ca的溶出更加显著,导致后期水泥土强度衰减加剧。原土中水泥土强度衰减过程与海水中相同。     

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。     

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。     

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。     

南海水下生产系统防沉板基础裙板贯入模拟试验与入泥阻力计算

防沉板基础裙板入泥阻力计算和长度设计是海洋工程水下生产系统基础设计的关键,基于南海番禺和荔湾地区水下防沉板基础裙板贯入模拟试验,验证了Lunne和Eide等建立的裙板入泥阻力经验计算方法对南海水下生产系统防沉板裙板设计的可靠性,确定了南海地区裙板入泥的端部阻力系数(0.320～0.360)和侧摩阻力系数(0.008～0.014 5),为南海水下生产系统防沉板基础裙板入泥阻力计算和裙板长度设计提供了依据,确保了南海地区水下生产系统的顺利安装。在工程地质调查时,既可以进行土壤钻孔取样并与已开展裙板贯入模拟试验的番禺和荔湾地区土壤组成和粒度对比,也可开展静力触探试验或裙板贯入模拟试验,得到裙板入泥的端部阻力系数和侧摩阻力系数。     

海底管线区浅表层土孔压静力触探参数特征及应用

利用东海陆架海底输油管道路由调查获得的孔压静力触探数据和钻探资料等,采用统计分析的方法,对管道路由区5 m以浅土体的孔压静力触探曲线特征、土的分类方法鉴别作了探讨,结果表明:研究区5 m以浅黏性土的锥尖阻力(qc),侧摩阻力(fs)值较小,且随深度呈线性增加,粉质土的qc,fs值增大,但随深度线性增加规律不明显,砂类土的qc值急剧增大,但fs值变化不大;Robertson法和Eslami-Fellenius法两种土类划分方法均适用于研究区浅表层软土的土类划分,但Robertson法在判别粉质土时受到一定限制,Eslami-Fellenius法判别较为准确,应用简单。本研究可为我国在海底管线工程路由勘察中直接利用孔压静力触探(CPTU)参数划分土层和判别土类作铺垫。     

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。     

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.     

混合土层吸力筒沉贯阻力算法研究及应用

为补充DNVGL-RP-C212规范关于混合土层内吸力筒沉贯阻力计算参数的不确定描述,基于长乐外海风电场多个吸力筒基础的沉贯负压监测成果,对黏土—砂混合土层内吸力筒沉贯阻力算法进行研究。提出了基于黏粒含量确定侧阻力修正系数kf的算法,引入桩基工程中基于静力触探试验（CPT）的fs计算桩侧剪切强度的经验算法,并对其进行修正,用于计算吸力筒的沉贯侧阻力。对两种算法的准确性进行了验证,对其可靠性进行比较,提出了以前者计算结果为准,后者计算结果作为校核依据的建议。     

基于API规范的海上大直径钢管桩静压载试验分析

大直径钢管桩在海洋工程建设中的使用越来越广泛。海上大直径钢管桩试桩周期长、难度大,相关测试数据及研究成果较为少见。本文基于美国石油行业协会API规范,分析了某海上风电大直径钢管桩静压载试验数据,研究了桩侧阻力与桩端阻力随压荷载变化关系。结果表明,对于本文分析的海上大直径钢管桩,其土塞状态一般为不完全闭塞,计算抗压极限承载力时应计入桩管内侧摩阻力;桩侧摩阻力随压荷载增大而逐渐发挥,相同荷载作用下,无黏性土地层侧摩阻力发挥程度较黏性土高;桩端土体破坏分为弹性变形与塑性变形两个阶段,两阶段端阻发挥程度分别可达约50%和80%,当桩端产生0.05d位移时,桩体达到极限平衡状态。     

桩靴贯入黏土层时邻近群桩相互作用分析

为研究钻井船插桩对邻近平台群桩相互作用的影响,采用耦合欧拉拉格朗日(CEL)方法对桩靴贯入黏土层时邻近群桩中各桩荷载分担比、桩头附加位移及两桩相互作用系数进行了分析。首先通过对缩尺模型试验的数值分析,验证了CEL方法的可行性;然后进一步分析了桩靴贯入黏土层时对邻近群桩相互作用的影响;最后探讨了净间距、桩间距对群桩相互作用的影响。结果表明,在桩靴贯入中,前桩的荷载分担比大于后桩,且桩靴贯入至一定深度后,当净间距越小或桩间距越大时,前桩的荷载分担比越大、后桩的荷载分担比越小,但各桩的荷载分担比随桩靴贯入深度增加时的变化规律不变;净间距越大,桩头附加位移及相互作用系数越小;在桩靴贯入时,由于受群桩遮拦效应的影响,桩头附加位移及相互作用系数随桩间距的变化规律同插桩前有所不同,当桩间距大于3倍桩径时,随桩间距的增加而减小,当桩间距小于3倍桩径时,随桩间距的增加而增大。     

神狐海域W18/19站位天然气水合物上覆层不排水抗剪强度预测

天然气水合物上覆层不排水抗剪强度是水合物试采过程中导管喷射设计、地层沉降和井壁稳定性分析的关键参数。孔压静力触探(CPTU)为地层强度参数纵向分布规律研究提供了有效途径。本文基于南海北部神狐海域W18/19站位水合物上覆层的CPTU测试结果和室内实验数据,建立了该区经验锥头系数的确定方法,并基于确定的经验锥头系数求解上覆层不排水抗剪强度。结果表明:W18/19站位水合物上覆层由上至下为强度逐渐增大的钙质黏土,基于总锥尖阻力、有效锥尖阻力、超孔隙压力求解钙质黏土不排水抗剪强度的经验锥头系数分别为13.8、4.2、14.4。水合物上覆层不排水抗剪强度随着深度的增加逐渐增大。基于CPTU建立的不排水抗剪强度计算方法能反映钙质黏土不排水抗剪强度的纵向分布规律。     

黏土中隔舱吸力式钢圆筒安装及水平受荷试验研究

近年来大直径钢圆筒结构在离岸人工岛工程中得到应用,如港珠澳大桥人工岛即采用振动下沉的方式安装钢圆筒,该方法对施工条件、装备以及施工控制技术要求较高。提出一种新型隔舱吸力式钢圆筒结构,在钢圆筒内部设置隔舱板,将结构分为上下两个隔舱,通过对下舱抽气实现隔舱吸力式钢圆筒在负压作用下的下沉安装。设计了隔舱吸力式钢圆筒安装及水平承载力模型试验,对比了负压贯入的隔舱吸力式钢圆筒和压力贯入的传统钢圆筒结构的贯入阻力及承载特性,分析了改变隔舱吸力式钢圆筒上下舱高度比L₁/L₂对其沉贯过程及承载特性的影响。结果表明,采用负压吸力沉贯的隔舱吸力式钢圆筒相比于采用压力贯入的传统钢圆筒结构的贯入阻力减小,水平极限承载力提高。在极限水平荷载作用下,随着隔舱吸力式钢圆筒的L₁/L₂从2.28减小到1.00、0.56,转动中心位置上移,水平极限承载力及弯矩承载力得到显著提高。