CN115078695A - 一种竖向连续贯入式界面力学特性试验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩土、地质和环境研究技术领域，提出了一种竖向连续贯入式界面力学特性试验装置及其方法。竖向连续贯入式界面力学特性试验装置包括作动器和新型触探仪；新型触探仪竖向设置多个侧壁摩擦筒，通过一次贯入，即可实现结构与周围土体间的界面摩擦参数演变规律。新型触探仪通过安装于锥尖的测力传感器，获得触探仪触探过程中的土体强度参数。所提新型触探仪兼顾传统静力触探仪的已有优点，增加了测量结构‑界面摩擦特性测量的新功能。采用本发明所提方法，仅需通过一次贯入试验即可连续获得原位土体与结构物界面摩擦参数演变规律，为工程实践中土与结构相互作用研究及工程设计提供参数依据。
Description
技术领域
本发明涉及岩土、地质和环境研究技术领域，尤其涉及一种竖向连续贯入式界面力学特性试验装置及其方法。
背景技术
结构与土间相互作用的力学参数是结构承载力计算及稳定性评价的重基础，工程中常因结构-土接触面产生较大剪应力导致强度弱化、继而出现局部脱开、错位、滑动等变形现象，严重影响结构承载性能及稳定性，详见，Hu,L.M.,&Pu,J.L.(2004).Testing andmodeling of soil-structure interface；Guo,C.C.,Lin,P.Y.,Guo,P.F.,Wang,F.M.,&Zhao,L.G.(2021).A Weibull-based damage model for the shear softeningbehaviours of soil-structure interfaces；Dejong,J.T.,Randolph,M.F.,&White,D.J.(2003).Interface Load Transfer Degradation During Cyclic Loading:A MicroscaleInvestigation。实现结构-土界面力学参数快速、连续、准确测量是对试验方法的重要考验，尤其对于海洋工程，进行界面力学特性测量变得更为困难。
针对结构-土界面力学特性的试验方法目前主要包括模型试验和现场足尺试验两种，详见Di Donna,A.,Ferrari,A.,&Laloui,L.(2016).Experimental investigations ofthe soil-concrete interface:physical mechanisms,cyclic mobilization,andbehaviour at different temperatures；Li,C.H.,Kong,G.Q.,Liu,H.L.,&Abuel-Naga,H.(2019).Effect of temperature on behaviour of red clay-structure interface。现场足尺试验可以更好的获得结构在原位荷载条件下的界面摩擦参数，但该方法面临着严重的费用高且费时、费力问题，因此工程实际中应尽量避免采用。模型试验因其操作简便，可重复性强，一般认为是进行界面力学特性研究最直接、有效的方式。但由于室内模型试验条件(包括土体条件、应力条件、比尺效应)与原位试验存在明显差别，研究成果能够用以揭示定性规律，难以定量准确获得原位土-结构间的力学参数及演变规律。
针对上述工程实际中存在的问题，本发明提出了一种竖向连续贯入式界面力学特性试验装置及其方法，该竖向连续贯入式界面力学特性试验装置不仅兼具传统静力触探仪的优点，而且能够便捷、高效的实现原位土与结构间界面力学特性的测量，该装置的开发对结构设计及稳定性评价具有重要的意义。
发明内容
针对已有试验方法设备难以准确测量土与结构间的界面力学特性问题，本发明提出了一种竖向连续贯入式界面力学特性试验装置及其方法，该触探仪通过压力传感器测量贯入过程中的锥尖阻力，用以评价土体强度特征；通过持续贯入，利用布设在触探仪传力杆上与套筒圆环相连接的拉压传感器，测量触探仪侧壁摩擦筒与周围土体的接触面力学特性。本发明所提设备能够用于陆地、湖泊和海洋等场地土与结构界面力学参数的测量。尤其随着深海油气资源开发日益增多，依托本发明所提触探仪对海洋土与结构界面力学特性展开测量，对海洋岩土工程设计及稳定性评价具有重要意义。本发明可用以测量土层的承载力和土与结构接触面间的界面力学特性。
本发明的技术方案：
一种竖向连续贯入式界面力学特性试验装置，包括作动器4和新型触探仪5；作动器4通过拖缆3连接至拖船1上的拖缆终端设备2，作动器4下表面连接新型触探仪5；作动器4置于海床表面，其将新型触探仪5贯入至目标土层深度；
新型触探仪5包括传力杆6、密封顶盖7、填充缝8、多组侧壁摩擦筒9、拉压传感器10、锥尖阻力传感器11、锥尖12和传力叶片13；各组侧壁摩擦筒9间、密封顶盖7与侧壁摩擦筒9间以及侧壁摩擦筒9与锥尖12间均设有采用胶填缝的填充缝8；传力杆6一端连接作动器4，另一端自密封顶盖7处穿入连接至锥尖12；每组侧壁摩擦筒9内均设有由传力杆6辐射至筒壁的传力叶片13；拉压传感器10固定于密封顶盖7内、除最后一组外的其余各组侧壁摩擦筒9内，且固定连接传力杆6；锥尖阻力传感器11固定于最后一组侧壁摩擦筒9内，且固定连接传力杆6；拉压传感器10和锥尖阻力传感器11分别传输信号至拖缆终端设备2。
所述拉压传感器10位于侧壁摩擦筒9底部中心。
所述锥尖12与其连接的侧壁摩擦筒9间通过隔水连接带连接。
一种竖向连续贯入式界面力学特性试验方法，具体步骤如下：
步骤1、多组侧壁摩擦筒9搭载于锥尖12顶端，通过作动器4将新型触探仪5贯入至目标土层深度；
步骤2、侧壁摩擦筒9间通过拉压传感器10相连接，通过连续贯入，计算相邻侧壁摩擦筒9间的阻力差值，获得土体与摩擦筒间的界面摩擦参数衰减规律。
所述土体与摩擦筒间的界面摩擦参数衰减规律，不同土况下，其计算依据不同；土体为砂性土时，摩擦系数作为土与结构界面间的主要摩擦参数；触探试验过程中，锥尖12的贯入阻力通过锥尖阻力传感器11获得；土与结构之间的摩擦系数通过测量侧壁摩擦筒9的摩擦力和计算环向压力获得；贯入过程中，侧壁摩擦筒9所受到的摩擦力通过拉压阻力传感器10获得；侧壁摩擦筒9所受环向正应力根据其静止土压力系数和土体重度以及土体埋深计算得到；根据库伦摩擦准则，摩擦系数通过下式计算：
其中：τ为侧壁摩擦筒9所受的摩擦应力，kPa；σN为侧壁摩擦筒9贯入过程中所受到的压应力，kPa；
σN＝K0γ′h
其中：K0为土体静置土压力系数；h为侧壁摩擦筒9所处试验深度，N；γ′为土体浮重度，N/m3；
γ′与锥尖贯入阻力(qt)的关系按下式进行计算；
侧壁摩擦筒9所受的摩擦应力τ按下式进行计算；
其中：Ff为贯入过程中侧壁摩擦筒9所受的竖向摩擦力，N；
Ff＝Ff,i-Ff,i-1
其中：Ff,i为第i个侧壁摩擦筒9内部的拉压传感器10测得的摩擦力，N；Ff,i-1为第i-1个侧壁摩擦筒9内部的拉压传感器10测得的摩擦力，N；
某一试验深度位置土体与结构间的相对位移按下式计算；
S(n)＝nL
其中：L为单个侧壁摩擦筒9的高度，m；n为侧壁摩擦筒9作用的个数；
土体为粘性土时，试验中饱和粘性土的界面摩擦衰减系数为
其中：τmax为侧壁摩擦筒7竖向连续贯入时测得的最大剪应力，kPa。
所述锥尖12上端面设有锥尖传力环，锥尖传力环与最后一组侧壁摩擦筒9下端通过胶填缝连接，不同侧壁摩擦筒之间同样通过胶填缝进行连接。
本发明的有益效果：
1)通过设置多组侧壁摩擦筒并分别与拉压传感器相连接，能够获得侧壁摩擦筒与土体间摩擦力的变化规律，从而可评估土与结构物相互作用的力学性质。
2)所发明的试验装置兼具传统静力触探仪的优点和功能，通过持续竖向贯入，即可实现准确、高效的获得试验数据，试实现土与结构间界面力学参数的原位测量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的试验装置总体示意图。
图2为本发明实施例提供的新型触探仪示意图。
图3为本发明实施例提供的新型触探仪侧壁摩擦筒部分示意图。
图4为本发明实施例提供的新型触探仪侧壁摩擦筒横截面示意图。
图5为本发明实施例提供的新型触探仪测量数据示意图：(a)锥尖阻力测量结果；(b)侧壁摩擦筒摩擦阻力测量结果。
图6为本发明实施例获得的最终界面摩擦参数弱化规律示意图：(a)黏性土界面摩擦参数；(b)砂性土界面摩擦参数。
图中：1拖船；2拖缆终端设备；3拖缆；4作动器；5新型触探仪；6传力杆；7密封顶盖；8填充缝；9侧壁摩擦筒；10拉压传感器；11锥尖阻力传感器；12锥尖；13传力叶片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更清楚，下面将结合本发明的实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，对以下附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
以下结合附图详细说明本发明的实施例。
请参阅图1，本实施例提供的试验装置总体示意图。通过拖船1将作动器4置于海床表面，通过作动器4将新型触探仪5贯入至目标土层深度。如图2所示，本实施例的新型触探仪包括传力杆6、密封顶盖7、填充缝8、侧壁摩擦筒9、拉压传感器10、锥尖阻力传感器11、锥尖12和传力叶片13。所述锥尖12和最后一组侧壁摩擦筒9之间通过隔水连接带连接，连接带仅起到密封的作用。所述传力杆6分别与锥尖阻力传感器11和拉压传感器10固定连接。所述侧壁摩擦筒9与相邻套筒间设置填充缝，通过胶体填充。
本实施例的新型触探仪贯入土样的过程中，通过锥尖阻力传感器11测得锥尖贯入阻力大小，继而由传感器信号线传出到拖船1上的拖缆终端设备2进行数据采集。
本实施例的中部由多组侧壁摩擦筒9组成，新型触探仪5通过作动器4以特定的贯入速度贯入至土中指定深度。通过持续贯入来测定其不同侧套筒的摩擦阻力，在连续贯入过程中，通过侧壁摩擦筒9内部的拉压阻力传感器10测得土-结构界面的摩擦力。为减少侧壁摩擦筒9顶部和底部结构对测试结果的影响，分别在侧壁摩擦筒9顶部与底部间布设填充缝8，从而减小顶部和底部受到的摩擦力对测试结果的影响。测量结果通过传感器信号线传出到拖船1上的拖缆终端设备2进行数据采集。
结合附图及技术方案，本实施例主要步骤如下：
第一，组装装置；
参考图2，依次将锥尖12、侧壁摩擦筒9、密封顶盖7、拉压传感器10和锥尖阻力传感器11等部件进行组装。组装完成后，将新型触探仪5安装在作动器4上，将触探仪包含的所有传感器信号线连接至拖船1上的拖缆终端设备2。参考图1，利用拖船1将作动器4放置于海床指定位置。测试设备稳定性，设备检测完全无问题后，准备下一步实验。
第二，触探仪标定
参考图2，将新型触探仪5垂直放置，标定锥头12、侧壁摩擦筒9及配套传感器的有效性。通过在锥尖12下端悬吊一定质量砝码，分5级增加砝码数量，实现逐渐加载再逐渐卸载的加载方式，记录并计算锥尖阻力传感器11的标定系数；通过沿侧壁摩擦筒9逐渐上移砝码位置，分别针对每个侧壁摩擦筒9对应拉压传感器10的系数及稳定性，标定过程中仍采用逐级加载再逐级卸载的方式。
第三，触探仪贯入试验
参考图1，将作动器4布置于待测位置，调整新型触探仪5贯入方向，保证竖直，通过作动器4以恒定的速度将新型触探仪5稳定垂直贯入海床土体中，到达指定深度后停止贯入。贯入全程，通过传感器信号线传出锥尖阻力传感器11和拉压传感器10的电信号到拖船1上的拖缆终端设备2进行数据采集。
第四，设备回收
待实验完成，提升新型触探仪5至土层表面，拖船1缓慢倒退并同时收缆，向上提升作动器4，回收至拖船甲板后，进行设备的检查和存放。
第五，试验数据处理
(1)砂性土土-结构界面摩擦参数
对于砂性土，摩擦系数作为土与结构界面间的主要摩擦参数。触探试验过程中，锥尖12的贯入阻力通过锥尖阻力传感器11获得，锥尖12所测贯入阻力变化情况如图5(a)所示；土与结构之间的摩擦系数通过测量侧壁摩擦筒9的摩擦阻力和计算环向压力获得。贯入过程中，侧壁摩擦筒9所受到的摩擦阻力通过拉压传感器10获得；侧壁摩擦筒9所受环向正应力可根据其静止土压力系数和土体重度以及土体埋深计算得到。根据库伦摩擦准则，摩擦系数可通过下式计算：
其中：τ为侧壁摩擦筒9所受的摩擦力，kPa；σN为侧壁摩擦筒贯入过程中所受到的压力，kPa。
σN＝K0γ′h
其中：K0为土体静置土压力系数；h为侧壁摩擦筒所处试验深度，N；γ′为土体浮重度，N/m3。
γ′与锥尖贯入阻力(qt)的关系可按下式进行计算
侧壁摩擦筒9所受的摩擦应力τ按下式进行计算
其中：Ff为贯入过程中侧壁摩擦筒9所受的竖向摩擦力，N。
Ff＝Ff,i-Ff,i-1
其中：Ff,i为第i个侧壁摩擦筒9内部的拉压传感器10测得的摩擦力，N；Ff,i-1为第i-1个侧壁摩擦筒9内部的拉压传感器10测得的摩擦力，N；新型触探仪贯入过程中不同侧壁摩擦筒9所受摩擦阻力变化情况如图5(b)所示。
某一试验深度位置土体与结构间的相对位移按下式计算；
S(n)＝nL
其中：L为单个侧壁摩擦筒9的高度，m；n为侧壁摩擦筒9作用的个数。试验后所获摩擦系数随摩擦位移的衰减关系如图6(a)所示。
(2)粘性土土-结构界面摩擦参数
由于饱和粘性土与界面摩擦力在不排水条件下几乎不受法向应力的影响，故试验中饱和粘性土的界面摩擦衰减系数为
其中：τmax为侧壁摩擦筒9初始转动时测得的最大剪应力，kPa。
通过以上计算，即可获得饱和粘性土与结构界面摩擦参数(剪应力)的衰减规律，如图6(b)所示。
以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的思想和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种竖向连续贯入式界面力学特性试验装置，其特征在于，该竖向连续贯入式界面力学特性试验装置包括作动器(4)和新型触探仪(5)；作动器(4)通过拖缆(3)连接至拖船(1)上的拖缆终端设备(2)，作动器(4)下表面连接新型触探仪(5)；作动器(4)置于海床表面，其将新型触探仪(5)贯入至目标土层深度；
新型触探仪(5)包括传力杆(6)、密封顶盖(7)、填充缝(8)、多组侧壁摩擦筒(9)、拉压传感器(10)、锥尖阻力传感器(11)、锥尖(12)和传力叶片(13)；各组侧壁摩擦筒(9)间、密封顶盖(7)与侧壁摩擦筒(9)间以及侧壁摩擦筒(9)与锥尖(12)间均设有采用胶填缝的填充缝(8)；传力杆(6)一端连接作动器(4)，另一端自密封顶盖(7)处穿入连接至锥尖(12)；每组侧壁摩擦筒(9)内均设有由传力杆(6)辐射至筒壁的传力叶片(13)；拉压传感器(10)固定于密封顶盖(7)内、除最后一组外的其余各组侧壁摩擦筒(9)内，且固定连接传力杆(6)；锥尖阻力传感器(11)固定于最后一组侧壁摩擦筒(9)内，且固定连接传力杆(6)；拉压传感器(10)和锥尖阻力传感器(11)分别传输信号至拖缆终端设备(2)。
2.根据权利要求1所述的竖向连续贯入式界面力学特性试验装置，其特征在于，所述拉压传感器(10)位于侧壁摩擦筒(9)底部中心。
3.根据权利要求1或2所述的竖向连续贯入式界面力学特性试验装置，其特征在于，所述锥尖(12)与其连接的侧壁摩擦筒(9)间通过隔水连接带连接。
4.一种竖向连续贯入式界面力学特性试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、多组侧壁摩擦筒(9)搭载于锥尖(12)顶端，通过作动器(4)将新型触探仪(5)贯入至目标土层深度；
步骤2、侧壁摩擦筒(9)间通过拉压传感器(10)相连接，通过连续贯入，计算相邻侧壁摩擦筒(9)间的阻力差值，获得土体与摩擦筒间的界面摩擦参数衰减规律。
5.根据权利要求4所述的竖向连续贯入式界面力学特性试验方法，其特征在于，所述土体与摩擦筒间的界面摩擦参数衰减规律，不同土况下，其计算依据不同；土体为砂性土时，摩擦系数作为土与结构界面间的主要摩擦参数；触探试验过程中，锥尖(12)的贯入阻力通过锥尖阻力传感器(11)获得；土与结构之间的摩擦系数通过测量侧壁摩擦筒(9)的摩擦力和计算环向压力获得；贯入过程中，侧壁摩擦筒(9)所受到的摩擦力通过拉压阻力传感器(10)获得；侧壁摩擦筒(9)所受环向正应力根据其静止土压力系数和土体重度以及土体埋深计算得到；根据库伦摩擦准则，摩擦系数通过下式计算：
其中：τ为侧壁摩擦筒(9)所受的摩擦应力，kPa；σN为侧壁摩擦筒(9)贯入过程中所受到的压应力，kPa；
σN＝K0γ′h
其中：K0为土体静置土压力系数；h为侧壁摩擦筒(9)所处试验深度，N；γ′为土体浮重度，N/m3；
γ′与锥尖贯入阻力qt的关系按下式进行计算；
侧壁摩擦筒(9)所受的摩擦应力τ按下式进行计算；
其中：Ff为贯入过程中侧壁摩擦筒(9)所受的竖向摩擦力，N；
Ff＝Ff,i-Ff,i-1
其中：Ff,i为第i个侧壁摩擦筒(9)内部的拉压传感器(10)测得的摩擦力，N；Ff,i-1为第i-1个侧壁摩擦筒(9)内部的拉压传感器(10)测得的摩擦力，N；
某一试验深度位置土体与结构间的相对位移按下式计算；
S(n)＝nL
其中：L为单个侧壁摩擦筒(9)的高度，m；n为侧壁摩擦筒9作用的个数；土体为粘性土时，试验中饱和粘性土的界面摩擦衰减系数为
其中：τmax为侧壁摩擦筒(7)竖向连续贯入时测得的最大剪应力，kPa。
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