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近岸扁铲侧胀仪和地震扁铲侧胀仪试验:现有经验和最新进展

时间:2020-6-18    来源:瑞科仪器微信公众号    查看次数:400

前言

 

DMT和地震扁铲侧胀仪(SDMT)在世界范围内越来越多地应用于水上工程,主要是水深有限(最大50 m)的近岸工程。深层DMT测试的限制是由于测试中需要采用气动电缆,这是从地表储气罐向深部板头提供压力所必需的。

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 自升式平台或浮式驳船的近岸DMT/ SDMT测试


DMT试验是在自升式平台的固定工作面上进行的。


图1 2003年意大利威尼斯泻湖DMT试验用自升式和钻机


图1显示了2003年在意大利威尼斯泻湖进行土壤调查时使用的自升式平台和钻机,该项目属于MOSE项目,MOSE项目是为了保护威尼斯免受涨潮影响而发起的一个项目。

图2 意大利威尼斯泻湖DMT试验结果(试验在2003年完成)


海底深度为海平面以下4m,图2中的结果显示了在海平面以下50 m处检测到的砂层和淤泥夹层。

图3 2006年在意大利瓦多利古雷进行SDMT测试时使用的千斤顶和贯入仪


图3显示出了2006年在意大利瓦多利古雷使用重型卡车贯入仪进行的自升式钻井测试。安装了一根厚金属管,将直径 为36 mm的套管从自升式平台的工作面向下引导至海底,以避免探杆在水下最初12m处发生弯曲。


驳船可以在海浪的垂直方向上自由漂浮。贯入仪操作员小心地将探杆推进到下一个测试深度。然后,断开贯入仪头,以 便进行DMT和SDMT测量,而不使探头在土壤中移动。用一个摆锤,在表面用一根绳子激活,成功地产生了横波,用于Vs的测量。

图4 意大利瓦多利古雷的SDMT试验结果(2006年进行的试验)


图4中的试验结果展示了非常软的顶部粘土层,厚度为5m,然后是砂和粘土的夹层。最右边的剖面显示了第一个使用SDMT获得的海上横波速度(Vs)剖面

自升式平台提供的固定工作平面允许进行相对简单的设置,直接将板头贯入和完成试验过程。然而,对于某些项目的预算来说,租用一个自升式平台的成本可能太高了。与静力触探试验(CPT)相比,DMT的贯入技术和速度在合理的范围内,不会干扰试验的压力读数,CPT的读数应 以2cm/s的恒定静态贯入速率读取。其原因是DMT的测试和贯入的两个阶段是独立的和非同步的。该特性允许浮式驳船进行DMT和SDMT试验,如图5所示


图5 在浮式驳船上进行SDMT试验的配置

在意大利热那瓦 港,卡拉塔•贝托洛(Calata Bettolo)的土地复垦项目中使用了这种装置(图6)。20吨卡车贯入仪放置在浮式驳船 上,如图7所示。驳船用系在码头上的绳索水平固定,将其水平运动限制在水深的5%以内。


图6 卡拉塔贝托洛全景,热那瓦港,意大利 2008年


图7 2008年意大利热那瓦港,重型卡车贯入仪放置在浮驳上


图8 2015年意大利马焦雷湖水平锚定浮式驳船上的钻机


图8示出了在意大利马焦尔湖进行岩土工程勘察期间, 用于进行SDMT试验的浮动驳船上的钻机。

考虑到波高非常适中,采用四个水下配重实现水平锚定,在开始测试活动之前,预先安装在每个测试位置。所有试验地点的最大水深为51m,要求的试验深度为入海底10m。图9显示了记录的高质量剪切波。图10中的SDMT结果检测出前3m的极软材料,随后是下面的砂层。


图9 意大利马焦雷湖的SDMT地震图(2015年测试):根据评估的时延记录并重新分阶段


图10 意大利马焦雷湖SDMT结果(2015年测试)


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 海床DMT系统


浮式驳船需要水平锚定,这在无保护的海上试验场地很难实现。大多数自升式平台系统可在水深约50m的范围内使用, 而最大的系统,如马士基巨型自升式钻井平台(马士基钻井 2014年)可在最深130m的范围内使用。


海床系统特别适用于深水下测试,或当水平锚定不可能时,因为它们被下沉到海底并且独立于地表条件完成测试。


图11 为美国东海岸桥址项目开发的直接贯入海底系统


图11显示了专门为美国东海岸某桥址项目开发的15吨直推系统。DMT测试在海平面以下40米处进行,SDM测试在55米以下进行。海床系统能够贯入海底以下17m,然后由于遇到致密砾石层而停止。

图12  根据DMT和美国东海岸桥梁现场的其他现场试验解 释的约束模量和不排水抗剪强度的比较


图13 2014年,在意大利菲乌米奇诺测 试了海床DMT原型


图14 使用意大利菲乌米奇诺海底DMT原型获得的初步结果(2014年进行的试验)


钻机被用来钻过这一层并继续下面的测试。如图12所示,使用通用插值公式(Marchetti 1980)从DMT获得的约束模量和不排水抗剪强度与从旁压试验(PMT)、十字板剪切试验 (VST)和CPT获得的结果一致。海床DMT是一种特殊的海床测试系统,用于以固定长度的贯入行程(例如10 cm)静态贯入探头。以20厘米的标准深度间隔贯入板头可能需要两个或更多冲程。这种不连续的贯入方法不会影响DMT的压力读数,因为试验过程的贯入和测量阶段之间存在上述区别。2014年开发并测试了海床DMT原型,最大贯入力为5吨,贯入行程约为4厘米。图13 示出了该系统的示意图,图14示出了在意大利罗马菲乌米奇诺机场附近的河流试验中获得的初步结果。


DMT试验也可使用设计用于操作CPT探头的商用海床装置进行。然而,这些机器非常昂贵,因为它们需要在不中断多冲程贯入系统的情况下,强制和监测恒定的2cm/s贯入速率。

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 Medusa DMT 用于近海勘察


充气膜所需的气动电缆是深层DMT测试的一个很强的限制。 从地表供应的气体通过电缆传输到板头。在传统的气动DMT设备中,压力读数是从地面控制单元获取的。标准中规定的试验程序指示完成A和B压力读数的可接受充气时间间隔,以便将电缆两端的压力差降至最低。现有经验表明,如果土壤不是非常软,并且如果电缆长度限制在100~150m,则电缆沿线的压力均衡不是问题。在深海试验中,压力均衡可能是问题,因为土壤通常非常软,尤其是在海底较浅的贯入深度,电缆必须足够长,以覆盖水和贯入试验深度的总和。Medusa DMT由一个独立的无缆探头组成,能够自动完成侧胀仪读数(Marchetti 2014)。图15示出了仪器的主要部件。由可充电电池供电的电路板激活电动注射器,以液压方式扩张DMT膜。使用高精度压力传感器记录压力读数。


图15 Medusa DMT的主要部件


组成部分:一个电子开关、一个电池充电插座和一个USB端口可以在探头一侧的密封防水罩内。打开Medusa DMT和设置时间原点(T0 = 0)时,必须使用电子开关。


USB端口用于编程Medusa周期 (TMCP),使计算机与时间原点T0同步,并在测试结束时下载数据。


TMCP周期是执行以下两个操作所需时间的总和:

① 测量:电路板启动电动注射器,以获取A、B和(可 选)C压力读数。设TM为分配给此操作的最大时间。

② 等待贯入到下一个测试深度。让TW=TMCP-TM作为第 二次操作的时间


例如,总周期TMCP可以设置为1分钟,其中TM=TW=30  s。在周期的前30 s中,将完成DMT读数。然后,Medusa将保持在空闲状态,直到1分钟结束。在这段时间内,将继续贯入,以将探头贯入到下一个测试深度。循环按顺序重复, 直到用电脑通过USB关闭或中断Medusa。与Medusa时间原点(T0=0)和周期参数(TMCP、TM和 TW)的同步,使计算机软件能够在屏幕上自动指示何时进行DMT测量,何时仪器空闲,等待贯入达到下一个测试深度。软件要求用户在开始每个测试周期之前确认Medusa的深度(默认值比之前的测量值低20 cm)。取回Medusa后,存储在其EPROM存储器中的测试数据 将通过USB端口下载到计算机上。DMT压力读数与周期编号相关,从时间原点T0开始。每个周期对应于板头的特定深度,由用户在测试完成期间记录。软件使用周期编号将压力读数分配给相应的探测深度,将数据处理到正常的DMT测试。


与传统的膨胀计试验一样,A、B和C读数必须用校准偏移量Δa和ΔB进行校正,以分别获得p0、p1和p2。必须在将探头放入水中(近岸)之前或贯入土壤(陆上)之前获取ΔA和ΔB值。探头必须处于垂直位置,以便还包括系统中液压液体重量的压力效应。Medusa可以选择使用连接到地面电脑的电缆进行操作。应尽可能使用这种有线配置。在这种情况下,总体测试效率更高,因为用户可能要求在贯入完成后立即开始每次测试,而不是等待下一个周期(TMCP)。用户也可以像使用传统的气动DMT设备一样,持续监测膜接触状态和施加到膜上的当前压力。此外,DMT压力读数是实时采集和存储的,可以绘制测试结果的初步剖面。其他参数也可用,例如注射器活塞的位置、提供给发动机的电压和电流,以及其他有助于降低断杆风险(例如倾斜)的信息。Medusa 可以用任何机器推进土壤,包括贯入仪和钻机。无缆版本相对于有线配置,更简单,且增强了适应性。

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 Medusa DMT 与传统气动DMT设备


Medusa 自动化消除了传统气动扁铲侧胀仪测试配置中使用的气动电缆、控制单元和气罐。压力产生和深度测量的集成克服了使用长气动电缆时可能出现的任何压力均衡问题。操作人员不参与膜的膨胀。编码在Medusa固件中的算 法定义了一个可重复的膜充气和放气过程。这消除了由于缺乏经验的操作人员造成的任何可能的不确定性,这些操作人员与标准中的指示相比,可能充气速率不足。注射器活塞的 体积控制速度可重复计时,以获得DMT读数(A、B和可选 C),精度为1s。这在充气时是不可能的,因为气体的高压缩性。


注射器可注入液体的有限性可防止膜过度膨胀,从而改变膜的校准常数或永久损坏膜。


校准腔内的初步试验表明,A读数可在试验循环开始后约12s内获得,B读数可在试验循环开始后约45s内获得,与压力值无关,且无精度损失。这种快速测试执行在生态位粉土中可能特别有用(Marchetti 2015),其中对B读数的部分排水影响可能会显著降低。目前正在进行的进一步研究需要 评估液膜膨胀的可能效益,以改进对此类中间土壤岩土参数的解释为了评估从注射器活塞的测量位置推断出的注射器注入液体的体积与膨胀过程中的膜位移之间是否存在合理准确的关系,还需要进行额外的实验。如果有这样的关系,就有可能估计每个DMT试验循环的整个加载-位移曲线。Medusa DMT还可以扩宽扁铲侧胀仪成功完成消散试验的土壤适用范围,扁铲侧胀仪通常用于估算固结水平系数Ch。


图17 在约450kPa压力下,使用Medusa DMT的标定室中,在整个DMT循环中的压力、膜接触状态和发动机电流随时间的关系图


图18 意大利塞萨诺陆上用传统气动DMT设备和Medusa DMT获得的膨胀计试验结果对比(试验于2016年进行)


对于传统的气动DMT设备,这种试验只推荐在非常细粒的土层中进行,与获得序列的第一个A-读数所需的大约15秒的典型时间相比,这种土层的消散速率很慢。在大约23s的时间内重复A读数的可能性可能会扩大用于进行特别的DMT消散试验的土壤范围。


与传统的DMT配置相比,Medusa的主要缺点是在发生断杆和探头丢失的情况下增加成本。DMT板头比MedusaDMT便宜,Medusa DMT包含图15所示的附加组件。此 外,Medusa DMT中的膜更换不像气动板头那样简单,因为注射器和板头中的液体必须小心饱和

 

 

初步实验结果

Medusa DMT已经在一个校准腔中进行了测试,其中大部分了水(比如90%),其余的充满了空气。腔室盖上的连接用气体给腔室加压。图16示出了用于对设备进行初步试验的腔的图片。校准腔的盖子被设计成将板头放在校准腔内, 将电动注射器放在校准腔外。用有线版Medusa监测膜的压 力及其与时间的接触状态。图17示出了完整的由Medusa进行的DMT循环,校准腔压力约为450 kPa。


Medusa DMT在意大利塞萨诺的陆上现场进行了测试(2016年)。图18示出了用Medusa DMT和传统气动设备进行的试验结果之间的比较。良好的协议提供了系统在现场的首次验证。计划在非常软的土壤中进行进一步的验证,预计Medusa DMT将提供更高的精度。


 

结论

本文给出的例子描述了在使用传统气动设备进行近岸 DMT/SDMT试验时成功使用的各种配置。这项技术的局限性,特别是气动电缆的要求,可以解释为什么这种原位测试工具不常用于海上调查。新开发的Medusa-DMT是一种独立的无缆探头,能够自主地进行扁铲侧胀试验。该装置在设备和试验程序方面大大简化了扁铲侧胀试验。最初的设想是为了克服深海扁铲侧胀测试的困难,它的特点也使其适合于陆上测试,可以选择使用电缆进行实时数据采集。由电动注射器调节的膜的体积控制膨胀使得DMT的性能得到提高。测量速度非常快,压力读数所需时间的重复性很高。

资料来源:Geotechnical Testing Journal


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