[发明专利]一种新型海洋浅层土体特性探测系统及其评估方法

摘要

本发明公开了提供一种新型海洋浅层土体特性探测系统及其评估方法，包括一触探杆，触探杆的下端为锥面结构，触探杆与驱动器连接，运用驱动器对触探杆施加竖向荷载，为触探杆刺入地基土体中提供动力；触探杆周围分布有多个测力杆，测力杆竖直插入地基土体中，所述测力杆上布置有多个压力传感器，用以探测触探杆在入土过程中对周边土体产生的挤土力。通过测定触探杆贯入地基土体过程中对周边土体产生的挤土作用力，评估海洋浅层土体的抗剪强度指标，阐明海洋浅层土的力学特性，以建立管道在自重作用下嵌入土体后产生的土抗力模型，分析高温高压联合作用下海底管道的在位稳定性。

主权项

1.一种海洋浅层土体特性探测系统，其特征在于：包括一触探杆，触探杆的下端为锥面结构，触探杆与驱动器连接，运用驱动器对触探杆施加竖向荷载，为触探杆刺入地基土体中提供动力；触探杆周围分布有多个测力杆，测力杆竖直插入地基土体中，所述测力杆上布置有多个压力传感器，用以探测触探杆在入土过程中对周边土体产生的挤土力；地基土体受到触探杆贯入的影响而被挤开，形成半径为a的孔穴，孔穴内壁的压强为p_u，靠近孔穴附近的土体受到较强的挤压作用而形成塑性区，最大塑性区半径为R，最大塑性区以外的土体为受触探杆影响而形成弹性区；测力杆测定的挤土作用力，由球孔扩张理论和拟静力方法计算得到，将触探杆自重G与驱动荷载P除以圆锥侧面面积所得压强p的水平向分量p_x作为球孔扩张后的孔穴内壁压强p_u；根据弹塑性理论，球孔扩张中土体满足如下平衡微分方程：式中：r为计算点到球心的距离，σ_r和σ_θ分别为计算点的径向应力和环向应力；当r＝a时，σ_r＝p_u                       (2)塑性区内土体满足摩尔‑库伦屈服条件：式中：c为土体的粘聚力，为土体内摩擦角；将公式(3)代入公式(1)中求解微分方程，并结合边界条件公式(2)得：利用孔穴的体积变化等于弹性区体积变化加上塑性区体积变化得：式中：u_R为塑性区边界沿径向的位移，R为土体最大塑性区的半径，Δ为塑性区平均体积应变；化简公式(5)，得：由于u_R的高阶项对计算结果影响较小，故在此略去u_R²、u_R³等高阶项，化简公式(6)得：由弹性力学知识可得，塑性区边界沿径向的位移u_R为：u_R＝δR                                 (8)式中：σ₀为计算点土体的初始应力，μ为土体的泊松比，E为土体弹性模量；将土体考虑成均质土体，则其中：Z为计算点到球心的竖向距离，A₁为球心处土体的初始应力，γ'为土体浮容重，K₀为土体侧压力系数；将公式(8)、(9)代入公式(7)中得：记K₃＝(1+Δ)a³，则公式(10)表示为：K₁R⁴+K₂R³‑K₃＝0                       (11)触探杆在刺入土体过程中，测力杆受到的挤土作用力，通过测力杆可以测定出孔穴内壁压强p_u和塑性区边界沿径向的位移u_R，根据上述解析解中土体在塑性区内任一点的土体位移值反算土体的抗剪强度指标c和