力学大会2015集深海静力触探测试技术综述

中国力学大会-曾*，刘润*（水利安全与仿真国家重点试验室，+（港口岩土工程技术交通行业,引术，便于实现测试过程的自动化，可由计算机自动处理，大大减轻了人的工作和越来越多新的传感器的研制和开发，将提供更加可靠的和的测试数据。1932年，荷兰工程师rn 进了世界上第一个静力触探试验[31936年，rnt改进了静力触探设备头做成投影面积100m2锥角为60度的锥形，通过手动贯入，最大贯入深度为10~12m[41935年，荷兰lt土力学试验室ii第一次设计并使用了手动控制的贯入力达10t的静力触探装置，称为荷兰锥[51948年，ri和lnt改了荷兰锥头上方增加了锥形保护部分，以防止土从套管和钢杆之间进入探头[61953年，gnn设计出可以量测侧壁摩阻力摩擦套，这样即可以量测锥端阻力，也可以测量侧摩阻力，同时gnn也是第一个提出通过计算侧壁摩阻力和锥阻力的比值对土体进行分类[7图1所示。的，但是这个过对机械设备和操作人员的经验都要求较高，这也是机械式静力触探电测式静力触探仪最开始由德国科学家在第二次期间研制[17的工作原理：探头的信号(单桥桥或三桥)通过电缆送入测试仪经过滤波处理，获得与被测量成正比的模拟电压信号，然后由模数转换单元转换为数字量。相比与机械式触探设备电测试触探设备主要有以下几个方面的优点：(1)对的解释造成的错误；(2)电测式静力触探在连续的贯入过不需要再考虑锥头不同部件之间的转换运动时也消除了不良土体对锥端阻力的影响；(3)较高的电子仪表计仅可以正确划分地基下软硬不均的土层空间的位置，而且不需经过土工试验室而直接在现场测试土的强度及变形模量。1948年，荷兰市政工程师Bakker研制出世界上第一个电测式探头(Rotterdam从开始，荷兰L土力学试验室对电测式静力触探作了大量的试验研究，并且在1957年研制出了第一个可以独立测量侧壁摩阻力的电测式探头为了应用机械式静力触探积累的大量经验该试验室还对电测式和机械式两种不同的测试方式做了对比研究。1965年，荷兰辉固公司联合荷兰国家(TN)研制推出了一种电测试探头该探头的规格也是国际土力学与基础工程学会确立国际基准测试程序标准[12在该探头中加入了倾斜仪监测贯入过，锥头垂直度的偏差。1974年，在瑞典首都召开的第一届欧洲触探会议上，由挪威土工(NGI的和s提出通过传统的电测式静力触探方式量测孔压。Sr提出了在锥头贯入过量测贯入孔压时也阐述了在C数据处理过孔压修正的重要性[131975年，瑞典的orsnsson和的i各自独立的研制了在触探过程中可专门量测孔隙水压力的探头这些探头量测的结果中发现孔压静探探头反应灵敏，因此能测试薄夹层较多及结构性强的土层实的反映土体的特性[141978年，Srtmn利用i开发的锥角为60度的探头滤器安装在探头的的端部，研究孔压静力触探在砂土液化势评价中的应用；1980年，lgh头做了同样的试验滤器安装在探头的不同部位，并通过与静力触探的数据进行对比，发现孔压静力触探在土体分层和粘土的超固结比计算中，准确度更高[151980年近年来，随着力触探测试技术的大量使用，大大提高静力触探的用途，尤其是可以估算土体的固结和渗透系数，成为原位测试技术的重大新进展。在国外，设计参数的获取上己成为一种有效的测试，并得到迅速推广。我国在1985年开始引进探仪，之后许多高等院校、科研院所及勘测单位相继进行了探的测试和研究。水利科学、同济大学、中国地质大学、铁道科学、铁道第四勘测设计院等单位都做出了较大的贡献，使探在国内逐渐应用都较少，数单位才应用到探。造成这种情况的主要原因是因为单桥静力触探在我国应用历史长，经验多，相关的规范早己将其列入其中，而双桥和孔压静探在我国应用历史短，相关经验少，20世纪70年底才被相关规范承认。同时孔压静探的设备复杂、进口价格较高也是其未能大范围应用的原因。现在，随着对探头，大范围推广和使用探成为可能，也逐步规范化、标准化。上世纪60年始出现用于水域的静力触探装置，经过70和80年代的发展，现在式井中静力触探设备(工作水深及触探深度总计400m)[18]。1978年，前水文地质工程地质设计制造了一种静力触探设备工作水深0m，触探深度20m，钻杆传动力10t，探头最大正面阻力为100kg/cm2。1982年，海除荷兰以外，自20世纪70年代以来在海上静力触探试验应用研究方面发展也比较快。例如，制造了应用于海洋勘探的圆锥静力触探，并在水深超过1200m的圣目前国际上较为知名的深海海床式CPT系统主要有：荷兰公司开发的ROSO (c) (d)图2国际知名的海床CPT系我国海上工程领域静力触探技术发展更晚，1973年，中国海洋曾经成1981年，交通部下属的研究单位利用试桩桩脚，控制简易水上触探平台，进行过几次水上静力触探试验，工作水深4.5~20m，贯入深度大多达到20m左右，个别可达31m，但绝大部分贯入设备由于水面到泥面间探杆失稳业。这种装置只能在试桩存在的前提下才能进行个别资料的对比，无法在工程前期作为专门装置进行大量试验[17。2003年，中国船舶工业勘察设计院结合作水深55米，最大测试深度15米。2001~2005年，广州海洋地质局主持的国家863项目“海底土体原位静动态探测技术”，研制出了以管内推进系统为关键技术的海洋静试的贯入阻力与抗剪强度之间的关系的是依靠一些经验，有些情况下这些公与传统的强度测试方法相比，全流动贯入仪测试软土的不排水抗剪强度有如下优点：全流动破坏机制可以消除土移，因此对覆土压力及孔隙压力无需修正；投影面积(国际上标准的全流动贯入仪约为100m2圆锥贯入仪为10m2)大，可以得到更为确的不排水抗剪强度值这一点在海洋软土中尤为明显；贯入阻力与软土强度之间的关系具有比较严格的理论解；循环贯入试验可评价重塑土的特性及相关指标等等。全流动贯入仪作为一种新型的强度测试元件，在国外海洋软土的原位测试和离心模型试验中具有广泛的应用。图3为全流动贯入仪与圆锥贯入仪对比图。

图3全流动贯入仪与圆锥贯入研究。Low和Randolph[21]。对西澳几个实验地点的土体强度进行理论分析，强敏度，并且推导出一系列的，可以在室内试验和原位试验数据不足的情况下，用来随着全流动贯入仪的推广和应用，国内外学者对贯入速率和探头的研究越来越多。hung和andolph[28使用全流动贯入仪和十字板剪切仪等多种测试仪器，综合运用原位测试试验和离心机模型试验多种实验方法，系统而全面的分析贯入速率，表而粗糙度和面积比（即探头尺寸）等对贯入阻力和软粘土不排水抗剪强度的影响。hung等[29采用离心模型试验软土中贯入速率对不同探头尺寸贯入仪贯入阻力的影响，并讨论了贯入速率在部分排水和不排水区域对贯入阻力的影响。b和图4循环贯入过贯入阻力随循环次数增加的衰减图5理论假设的T-bar与Ball的应力特征 bar的范围为9.1(完全光滑)-11.9(完全粗糙)，一般情况下可取NT-bar=原位十字板试验测得强度反算的NBall，取值在5.4-12之间。NBall的理论相应的NT-土建立体模型。图4为全流动贯入仪触探过程土体等效塑形应变云图。(a)T- (b)Ball-图6全流动贯入仪触探过程土体等效塑形应变云土体的塑形等效应变表征了全流动贯入仪触探过土体的流动状态与破坏形流动贯入仪在触探过的贯入阻力，可反算出承载力系数。图5为全流动贯入仪的承(a)T- (b)Ball-图7全流动贯入仪触探过承载力系数随深度的变化由图可知，数值模拟得出的本文总结了静力触探技术的发展历程，阐述了其在海洋工的应用情况，特别关有较好的理论支撑，但需要综合考虑应变速率、应变软化和强度各向异性等对向强度指标层土体一般为软粘土，强度低，触变性大，目前的原位测试技术很难精确测量，对土体水平向强度的测试方法还有待研究。此外，目前我国对海床T测试系统研究较多，但由于海床测试系统本身条件的限制，测试深度都不超过钻孔系统可测试更深的土层发适用于我国深海的新型测试技术迫在眉睫。BaldiG,BellottiR,GhionnaV,JamiolkowskiM,PasqualiniE.InterpretationofCPTSandCPTUS;2ndpart:drainedpenetrationofsands[C]//Proceedingsofthe InternationalGeotechnicalSeminar,Singapore,1986:143-56..孔隙水压力圆锥静力触探及其发展现状[J].长春地质学院学报,1990,20(4):444-446.(ZHANGXi-fa.Piezometerconepenetrationtestinganditsrecentdevelopment[JJournalofChangchunUniversityofearthscience,1990,20(4):444-446. .我国的静力触探及动静触探的发展前景[J].岩土工程学报，2000，22(5):517-522.(WANDZhong-qi.TheCPTandtheProspectofPenetrationTests[J]. 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