[发明专利]一种海底超软土流变强度测试装置及方法

说明书

一种海底超软土流变强度测试装置及方法，属于海底软土强度测试技术领域，包括运载平台、姿态调整系统、流变强度测试装置、控制与贯入系统、数据采集与存储系统、桨式转子和自动伸缩探杆。运载平台将装置运送到待测海床实现平稳着陆与安全回收；姿态调整系统确保装置可竖直贯入海床；流变强度测试装置通过控制与贯入系统，将固定边界圆管与配有自动伸缩探杆的四叶片桨式转子插入多个深度的土层，进行两种模式的测试；数据采集与存储系统负责采集、记录与传输数据；基于测试数据开展分析与应用。本发明可实现覆盖全剪切速率范围海底超软土流变强度的测试，具有独立性高，连接简单，自动化操作等优点。

技术领域

本发明属于海底软土强度测试技术领域，涉及在不同剪切速率条件下海底软土流变强度特性的测试与研究，尤其针对高含水量、高孔隙比、高灵敏度、高压缩性的海底超软土。

背景技术

超软土(Ultra-Soft Soil)是指第四纪全新世(Q4)以来新近沉积的滨海相、湖沼相、三角洲相欠固结淤泥质黏土和淤泥，以及围海造陆吹填过程所形成的淤泥和流泥【叶国良,郭述军,朱耀庭.超软土的工程性质分析[J].中国港湾建设,2010(5):1-9】。对于海洋岩土工程而言，海底的浅表层沉积物、海底滑坡所演化的碎屑流和泥流，更适合被定义为超软土即海底超软土。海底超软土具有高含水率(＞70％)、高孔隙比(≥2.0)、天然强度极低(＜5kPa)、高液限(液性指数)、高灵敏度、高压缩性、渗透性差、固结系数小等特点。

当前，国家大力推进建设海洋强国计划，海洋工程建设如火如特的展开。然而，海底地质条件异常复杂，尤其是油气资源丰富的深海区，这里分布着广泛的海底超软土。一旦进行工程建设或遭遇地震等动荷载，海底超软土层受到扰动，进一步导致软化【BiscontinG,Pestana J M,Nadim F.Seismic triggering of submarine slides in soft cohesivesoil deposits[J].Marine Geology,2004,203(3):341-354】而非液化(液化一般指无黏性土)，强度迅速下降，造成海底地基失效，严重的演化为海底滑坡(海底滑坡能对大范围的海洋工程设施造成破坏，甚至诱发大规模的海啸)。为了量化海底超软土的力学性质，其流变强度参数(包括：流变强度、剪切速率、表观黏度)起到了至关重要的作用。海底超软土的流变强度参数可指导并服务于油气资源开采前的海洋地质灾害评价、油气开采平台的锚固系统与海底管线等海底结构物的设计与建造。

然而，当前的测试手段如：静力触探测试(CPT)、全流动贯入测试(T-bar/Ball)、十字板剪切测试(VST)，仅能在某一极低剪切速率(一般＜0.2s^-1)的条件下进行测试，难以进行稍高剪切速率的流变强度测试；更不能实现对某一站位、某一深度的超软土，进行不同剪切速率条件下的连续测试。例如，对于海底锚固系统中的鱼雷锚(直径0.76-1.2m)来说，其贯入速度可达到30m/s，超软土的剪切速率可达到40s^-1；对于管缆(直径0.1-1m)系统的灾害评价来说，海底滑坡的冲击速度可达10m/s，超软土的剪切速率可达到100s^-1。基于上述提到的工程背景可知，目前现场的测试手段剪切速率仍相差2-3个数量级，难以满足海底超软土的原位测试需求。因此，对海底超软土的深入研究迫在眉睫，尤其是要尽快开发一种能测试不同剪切速率条件下，海底超软土流变强度特性的原位测试装置。

发明内容

为了解决当前海底超软土流变强度测试的不足，提供一种能测试同一站位、多个不同深度海底超软土流变强度的原位测试装置，其具有覆盖工程所需全剪切速率范围的测试能力，并详细阐述其原理与使用方法，以及测得结果的进一步应用，以期满足海洋工程建设与海底地质灾害评价的需要。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种海底超软土流变强度测试装置，包括运载平台1、姿态调整系统2、流变强度测试装置3、控制与贯入系统4、数据采集与存储系统5、桨式转子7和自动伸缩探杆8。