深海原位十字板剪切试验装置及沉积物不同剪切面强度解析方法制造方法及图纸

深海原位十字板剪切试验装置及沉积物不同剪切面强度解析方法，属于海底沉积物强度测试技术领域，该装置包括坐底式搭载平台、连接杆、操作控制缆、数据传输缆、压力传感器、扭矩传感器、智能控制电机、减速机、可伸缩探杆、连接口和十字板探头。该装置实现了压力传感器与扭矩传感器协调且高效工作，达到单次贯入就能同时测试十字板探头沿贯入深度的贯入阻力与指定深度处的扭矩。该装置及其沉积物强度解析方法实现了不同深度处海底沉积物水平与竖直剪切面不排水抗剪强度的高效测试与准确解析，尤其解决了现有十字板剪切测试技术面临的测试数据不连续与强度解析过于粗糙的问题，在海底沉积物原位强度测试与应用领域具有显著优势。势。势。

【技术实现步骤摘要】
深海原位十字板剪切试验装置及沉积物不同剪切面强度解析方法


[0001]本专利技术涉及一种深海原位十字板剪切试验装置及沉积物不同剪切面强度解析方法，属于海底沉积物强度测试


技术介绍

[0002]海底蕴含大量资源，包括石油、天然气、可燃冰、锰结核、富钴结壳、珍稀金属与非金属等矿产资源；安置服务器等设备所需低温、弱干扰的环境资源；满足通讯、电力运输与存储的空间资源；获取科学数据(如地震)的物理资源以及生物、化学、地质等资源。为实现这些资源的合理利用，需在海底建设大量工程及其配套设施，如采矿轨道、钻井、管缆系统、观测网、海底基础等。因此，海底沉积物不排水抗剪强度，尤其是浅表层沉积物的不排水抗剪强度至关重要，这是工程设计、施工及灾害评估最重要的参数之一。
[0003]目前，获取海底沉积物不排水抗剪强度的方法主要有原位测试与取样后室内试验两大类。与室内试验相比，原位测试可以避免取样与运输过程对沉积物原生结构的扰动，还能保持测试过程中待测沉积物所处的热(温度状态)
‑
水(水环境)
‑
力(应力状态)环境，可以更准确且快速的获取真实状态下海底沉积物的强度参数。在诸多原位测试方法中，十字板剪切试验(Vane Shear Test,VST)、圆锥静力触探试验(Cone Penetration Test,CPT)与全流动贯入试验(Full Flow Penetration Test,Ball与T
‑
bar)得到了广泛的应用。
[0004]VST是一种原理简单、影响因素少、应用广泛的海底沉积物不排水抗剪强度测试方法，已使用超过100年，目前仍活跃于强度测试、校核与标定领域。VST的原理是将标准形状和尺寸的十字板探头插入待测沉积物一定深度处，然后以均匀的转速转动十字板探头，通过测试转动时十字板探头受到的扭矩，从而间接获取沉积物的不排水抗剪强度。具体来说，VST假设测试过程中板头旋转形成剪切柱破坏面(侧面、顶面与底面)上沉积物不排水抗剪强度相等，如图1所示，τ
v
＝τ
H
，通过所测得的扭矩除以与板头尺寸相关的系数，评价沉积物的不排水抗剪强度，如公式(1.1)所示。
[0005][0006]式中：s
u
为十字板剪切试验测得的沉积物不排水抗剪强度；M为十字板剪切试验测得的扭矩；D为十字板探头的直径；H为十字板探头的高度。
[0007]实际上，海底沉积物的抗剪强度与其所处的应力状态有关，即受到剪切面(剪切柱体侧面、顶面与底面)的正应力大小决定，如图2所示。在自然环境中，考虑到海底沉积物的形成过程，天然沉积物的固结状态有三种，欠固结、正常固结与超固结。这三种沉积物固结状态的划分依据是根据沉积物历史上受到的固结压力与现在上覆压力之比；当其大于1，沉积物处于超固结状态；当其等于1，沉积物处于正常固结状态；当其小于1，沉积物处于欠超固结状态。实际上，VST的扭矩应被分为两部分，分别对应水平面的沉积物强度τ
H
与竖直面
的沉积物强度τ
v
，如公式(1.2)与(1.3)所示。一般情况下，沉积物水平面上的正应力大于竖直面上的正应力，即τ
v
＜τ
H
，对于处于超固结状态的沉积物，这个差距将会变得更大【Bonet J L,Barros M,Romero M L.Comparative study of analytical and numerical algorithms for designing reinforced concrete sections under biaxial bending[J].Computers&Structures,2006,84:2184
‑
2193；Dundar C,Tokgoz S,Tanrikulu AK,et al.Behaviour of reinforced and concrete
‑
encased composite columns subjected to biaxial bending and axial load[J].Building and environment,2008,43(6):1109
‑
1120.】。
[0008][0009][0010]式中：τ
H
为剪切柱上下水平面沉积物的不排水抗剪强度；τ
v
为剪切柱侧面(竖直面)沉积物的不排水抗剪强度；M
H
为作用于剪切柱上下水平面的扭矩；M
v
为作用于剪切柱侧面的扭矩；这里M＝M
v
+M
H
。
[0011]然而，现有的VST假定海底沉积物为各向同性，即剪切柱体表面(侧面、顶面与底面)沉积物的抗剪强度相等，如公式(1.4)所示，这与实际情况有较大差距，导致VST强度解析理论粗糙、精度较低。此外，现有的VST仅能测试沿深度方向的离散点位，不能实现连续测试与强度评估，这也是制约VST发展的主要问题，更是亟待突破的应用瓶颈。因此，研发新的测试装置，发展新的技术解决十字板剪切测试技术面临的测试数据不连续、强度解析过于粗糙等现实问题十分必要。
[0012]s
u
＝τ
v
＝τ
H
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.4)

技术实现思路

[0013]本专利技术目的是为了解决当前海底沉积物十字板剪切强度测试的不足，提供一种深海原位十字板剪切试验装置及沉积物强度解析方法，并详细阐述其不排水抗剪强度解析原理与使用方法，以期满足海洋资源开发、工程建设与地质灾害评估的需要。
[0014]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0015]一种深海原位十字板剪切试验装置，其特征是包括坐底式搭载平台、操作控制缆、数据传输缆和位于平台下方的连接杆，所述连接杆下端依次安装压力传感器、扭矩传感器和带有减速机的智能控制电机，所述智能控制电机及其减速机驱动可伸缩探杆，所述探杆下端通过连接口与十字板探头连接；
[0016]所述的压力传感器采集十字板探头从泥线处贯入海底沉积物直至停止整个过程中十字板探头所受到的贯入阻力；
[0017]所述的扭矩传感器采集十字板探头停止贯入海底沉积后，开始旋转过程中的十字板探头所受到的扭矩；
[0018]所述的智能控制电机具有贯入、旋转与回收的功能，以将连接十字板探头及可伸缩探杆贯入海底沉积物指定深度处，然后旋转可伸缩探杆与十字板探头，最后对可伸缩探
杆与十字板探头进行回收；
[0019]所述的十字板探头为测试海底沉积物强度的主要工具，十字板探头的高度H通常是其直径D的2倍，具体尺寸可根据压力传感器与扭矩传感器的量程与精度及待测海底沉积物的强度确定。
[0020]利用上述装置解析海底沉积物不同剪切面不排水抗剪强度的方法，其特征是包括以下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海原位十字板剪切试验装置，其特征是包括坐底式搭载平台(1)、操作控制缆(3)、数据传输缆(4)和位于平台下方的连接杆(2)，所述连接杆(2)下端依次安装压力传感器(5)、扭矩传感器(6)和带有减速机(8)的智能控制电机(7)，所述智能控制电机及其减速机(8)驱动可伸缩探杆(9)，所述探杆(9)下端通过连接口(10)与十字板探头(11)连接；所述的压力传感器(5)采集十字板探头(11)从泥线处贯入海底沉积物直至停止整个过程中十字板探头(11)所受到的贯入阻力；所述的扭矩传感器(6)采集十字板探头(11)停止贯入海底沉积后，开始旋转过程中的十字板探头(11)所受到的扭矩；所述的智能控制电机(7)具有贯入、旋转与回收的功能，以将连接十字板探头(11)及可伸缩探杆(9)贯入海底沉积物指定深度处，然后旋转可伸缩探杆(9)与十字板探头(11)，最后对可伸缩探杆(9)与十字板探头(11)进行回收；所述的十字板探头(11)为测试海底沉积物强度的主要工具，十字板探头(11)的高度H通常是其直径D的2倍。2.利用权利要求1所述装置解析海底沉积物不同剪切面不排水抗剪强度的方法，其特征是包括以下步骤：首先，设定压力传感器(5)与扭矩传感器(6)的精度与量程、坐底式搭载平台(1)的数据采集频率、可伸缩探杆(9)的长度、十字板探头(11)的尺寸、智能控制电机(7)及其减速机(8)的工作模式，所述工作模式包括：贯入深度、贯入速度、贯入时间、旋转角速度、旋转时间；其次，将所述深海原位十字板剪切试验装置布放至待测海域，启动预先设置的操作程序，开展测试工作，待工作完成之后进行回收；最后，对测试数据进行解析，得到不同深度处海底沉积物的不排水抗剪强度；所述解析过程具体如下：1)随着十字板探头(11)贯入深度h的增加，根据沿深度变化的贯入阻力Q(h)可以计算出不同深度处竖直剪切面不排水抗剪强度τ
v
(h)，如公式(1.5)：其中，τ
v
(h)为不同深度处竖直剪切面不排水抗剪强度；h为十字板探头的底面从接触泥线开始的贯入深度，如图3所示，该贯入深度通过电机贯入速度乘以时间确定；D为十字板探头的直径；H为十字板探头的高度；Q(h)为不同贯入深度的贯入阻力；对于指定深度处，同样可以根据该处的贯入阻力Q
′
计算出指定深度处竖直剪切面不排水抗剪强度τ
′
v
，如公式(1.6)所示：其中，Q
′
为指定深度处的贯入阻力；τ
′
v
为指定深度处竖直剪切面不排水抗剪强度；根据剪切柱的应力分布特征，竖直剪切面不排水抗剪强度τ
v
(h)，还可以用公式(1.7)表示：
其中，M
v
为作用于剪切柱侧面的扭...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭兴森，刘晓磊，张红，单治钢，孙淼军，吴昊，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：