[發明專利]一種深海軟土抗剪強度及孔壓因子測試系統及測試方法

有效

• 申請號: 202110798213.3
• 申請日: 2021-07-15
• 公開（公告）號: CN113552007B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 楊慶;孫安元;楊鋼;任玉賓
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24;G01N33/24
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

1.一種深海軟土抗剪強度及孔壓因子測試系統，其特征在于，該系統包括微型全流觸探儀(1)、加載平臺(2)、溫控高壓釜(3)、水深模擬系統、溫控系統和剪切模量測試系統；

所述溫控高壓釜(3)包括上頂蓋(3-1)、中缸(3-2)和下頂蓋(3-3)；其中，中缸(3-2)兩端分別安裝在上頂蓋(3-1)和下頂蓋(3-3)的圓形凹槽上，上頂蓋(3-1)和下頂蓋(3-3)通過限位螺桿連接；

所述上頂蓋(3-1)的圓形凹槽上安裝有溫度傳感器(7)、彎曲元晶片(8)和孔壓傳感器(10)；所述下頂蓋(3-3)的圓形凹槽上安裝有彎曲元晶片(8)和高壓管通道(9)，下頂蓋(3-3)安裝在加載平臺(2)中心；所述中缸(3-2)為圓管狀結構，其側壁上分別設有進水口(3-2.2)和出水口(3-2.3)，二者通過中缸(3-2)側壁上設置的中空螺旋通道(3-2.1)連通；

所述的微型全流觸探儀(1)包括步進電機(1-1)、直線模組(1-2)、連桿(1-3)和圓柱形探頭(1-4)；其中，直線模組(1-2)下端安裝在加載平臺(2)上，直線模組(1-2)上端連接步進電機(1-1)，步進電機(1-1)的輸出軸與連桿(1-3)一端連接，連桿(1-3)另一端穿過上頂蓋(3-1)與圓柱形探頭(1-4)連接；

所述水深模擬系統包括液壓源(4)和孔壓傳感器(10)，用于提供靜水壓力模擬水深；其中，液壓源(4)通過高壓管道(4-1)與孔壓傳感器(10)及高壓管通道(9)連接；

所述剪切模量測試系統包括示波器(5)和彎曲元晶片(8)，用于測試土體的剪切模量；示波器(5)與位于上頂蓋(3-1)和下頂蓋(3-3)上的彎曲元晶片(8)連接；

所述溫控系統包括冷卻循環器(6)和溫度傳感器(7)，用于模擬深海低溫環境；溫度傳感器(7)、中缸上的進水口(3-2.2)和出水口(3-2.3)均與冷卻循環器(6)連接。

2.根據權利要求1所述的一種深海軟土抗剪強度及孔壓因子測試系統，其特征在于，中缸(3-2)與上、下頂蓋之間安裝有密封線圈B(12)；連桿(1-3)與溫控高壓釜的上頂蓋(3-1)之間設有密封線圈A(11)。

3.根據權利要求1或2所述的一種深海軟土抗剪強度及孔壓因子測試系統，其特征在于，連桿(1-3)的投影面積不大于圓柱形探頭(1-4)投影面積的5％。

4.一種如權利要求1-3任一所述的深海軟土抗剪強度及孔壓因子測試系統的測試方法，其特征在于，所述的測試方法包括以下步驟：

步驟1：土樣裝填完成后，利用水深模擬系統還原深海的高靜水壓力環境：利用液壓源(4)控制高壓管道(4-1)的水壓模擬設定的水深壓力，通過高壓管通道(9)對土體施加靜水壓力，并通過孔壓傳感器(10)實時監測土體內部孔壓值；

進一步配合溫控系統，模擬深海特定的溫度環境：設定預定溫度，利用冷卻循環器(6)給冷卻液制冷，其中冷卻液從中缸上的進水口(3-2.2)進入，從出水口(3-2.3)流出，在中缸(3-2)內循環；并通過溫度傳感器(7)監測土體溫度；

待土體的壓力及溫度環境達到設定值后進行下一步試驗；

步驟2：利用剪切模量測試系統，測試土體剪切模量的變化：利用彎曲元晶片(8)發射并接受超聲波，利用示波器(5)顯示的波形計算剪切模量；

步驟3：利用微型全流觸探儀(1)測試土體的初始抗剪強度S_u：土體的初始抗剪強度S_u由圓柱形探頭(1-4)的初始貫入阻力q_in及土體承載力系數N_C確定：

步驟4：基于修正有效應力原理及摩爾庫倫強度準則，根據溫控高壓釜內的水壓u及測試所得的初始抗剪強度S_u，評估土體的孔壓因子η：

其中，u＝ρ_WgH，由水深H、水密度ρ_W及重力加速度g估算；c^’₀ 為不考慮水深影響的土體有效黏聚力；為土體內摩擦角，由常規排水三軸試驗獲得；σ為土體的平均總應力，由土體的飽和重度確定；

上式進一步寫為：