重力活塞取样器取样技术研究

现代海洋沉积物柱状取样技术是一套综合性的高新技术系统,它一般应该包括：优良的取样器具,方便灵活的取样操作设备,高精度的定位导航仪器和高分辨率的地形、地貌、地层探测系统等四个方面。我国和先进国家相比,取样操作设备方面差距最大,应该成为我国今后取样技术研究和发展的重点     

重力活塞取样器贯入模型研究

重力活塞取样器贯入深度研究对于取样效率的提高和仪器安全有着重要影响,根据取样海底沉积物类型及工程参数对取样器可贯入深度进行预判是研究的重点。基于重力活塞取样器结构,设计并制造了重量可调的重力取样器模型,增加了底质桶与支架等配套设施。按照控制变量法分别设计了针对取样器质量、贯入速度及沉积物类型的试验。试验结果表明,底质类型、取样器质量和贯入速度都可以对贯入深度产生不同程度的影响。在现有重力取样器贯入深度公式的基础上,根据本次试验得到的数据对其进行修正。改进后的公式计算结果与原来相比误差更小、更接近于真实取样数据。     

重力活塞取样管的结构及其使用

随着海洋地质科学的不断发展,迫切要求改进采集海底沉积物柱状样品的仪器。在广泛的海洋调查工作中,取样管是采集沉积物柱状样品的主要工具。当前，各国使用的取样管类型很多,重力活塞取样管是其中较为优越的一种取样工具。 1947年, Kullenberg首先设计了重力活塞取样管。随后Silverman等以及Emery等人又进行了进一步的改进。1956年，Ericson等人发表了经过改进的重力活塞取样管的结构图。目前,这类取样管在不少国家都在广泛使用于海洋调查。 1965年前后,我们开始使用重力活塞取样管,同时对其中的夹板结枸、联接器和船舷安装等方面进行了某些改进,使整个仪器的操作使用进一步简化，并先后在几个海区进行了调查,效果良好。这种取样管的特点有二： 1.有一个活塞。当取样管钻人沉积层时,活塞能对沉积物起抽吸作用。从而提高了取样率并使样品不从管內脱落； 2.有一个抗衡装置。它能使仪器获得较大的冲击力并保证活塞的抽吸作用,从而提高取样长度。 海上实际工作说明,这种取样管的主要优点有:(1)对那些粒度较粗和结构较坚硬的沉积物,如细砂、硬质粘土等,用重力活塞取样管比一般重力取样管的效果为好;(2)取样率比较高,在正常情况下可达到90%以上;(3)仪器结构简单,操作方便,取样时不用抛锚,加快了海上调查工作的速度。它不但适用于深水区,也能用于浅海区。但是,目前我们使用的重力活塞取样管存在的主要缺点是:当取样管未全部钻入沉积层而从其中拔取时,活塞不能停留在原位而必须行至联接器处,致使把一部分搅动了的样品也抽取上来,这是今后需要加以改进的。     

重力活塞取样过程中某些问题的分析及其对策

目前,国内外采用的重力活塞取样器,吊装完成后的状态如图1所示。如果从失衡定高杆挂钩到取样钻头的长度为L_1,失衡定高杆的长度为L_2,假定铅球触底后失衡定高杆倾斜60°重力活塞取样器主体脱钩,要求取样管自由下落高程h=3m,利用达到速度的冲击能取样,铅球链条的长度应为L_3。     

一种新型底质取样设备研制成功——DDC-XZ-1型悬垂振动活塞取样器

在海洋地质学研究和海洋工程勘察项目中 ,海洋底质取样是一项必不可缺的工作。从当前使用的技术手段来看 ,对于我国各类水域大片分布的砂和硬粘土 (约占 4 0 %区域 )等未固结 半固结的硬底质沉积物 ,要获取保存完好的长岩芯 ,振动活塞取样器是一种简便 ,快捷的取样设备。与工程钻机相比 ,振动活塞取样器的优势主要表现在 4个方面 :一次可完成较大的穿入深度 ,并能获取连续、完整的岩芯 (而钻机往往需要用多个回次完成 ) ;工作消耗低、操作简便、灵活 ;取样效率高 (作业时船只无需抛锚 ) ;适用范围广。从国内多家相关单位的使用情况来看 ,目…     

自由落体式球形贯入仪在硬-软黏土中的贯入响应

自由落体贯入仪（free falling penetrometer,简称FFP）通过自由下落贯入土层中,由于其高效便捷的特性,越来越广泛地被应用于海底浅层土体原位勘察。采用耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian Lagrangian,简称CEL）方法,进行了球形FFP在硬-软双层黏土中贯入的大变形有限元分析,考虑了土体的应变率和应变软化效应。与离心机试验、现场试验和数值模拟结果进行了对比,验证了模型的可靠性。分析了成层土对贯入过程的影响,发现FFP在贯入过程中上部硬黏土层形成空腔,且底部会伴随着土塞。通过广泛的变参数分析结果,拟合了球形FFP最终贯入深度与总能量之间的归一化表达式,建立了土体不排水抗剪强度、FFP直径和贯入速度与FFP在硬-软黏土层中最终贯入深度的关系。     

导管架平台桩基贯入深度的两级模糊模式优选模型

桩基础是海洋导管架平台结构中的重要组成部分，其贯入深度对海洋平台的造价和运营期间的安全性能起着重要的影响。本文在考虑桩－土之间相互作用非线性特性的基础上，采用非线性等效弹筑模拟海底土层对桩基的作用，对桩基进行有限元分析。由于影响海洋导管架平台桩基础贯入深度的因素很多，而且有些因素带有很大的模糊性，本文采用两级模糊模式优选模型对影响因素进行综合评判，最后得出了适合给定荷载和海底地条件下最为合理的桩基贯入深度方案，具有一定的工程应用价值。     

海底重力取样技术的探讨

对重力取样器的用途、使用及相关技术进行了较全面的介绍,尤其介绍取样作业中的一些实际经验,对该取样器的技术特点、相关技术和未来发展方向进行深入的探讨。     

Observation of corer penetration and sample entry during gravity coring

Gravity core samples provide the basic data source for a wide range of geological, geotechnical and geochemical studies. However, the length of the core recovered is often less than the penetration achieved by the corer, such cores being described as shortened. If the penetration of the corer has been measured, and it is assumed that no dropout of the core occurs as the barrel is withdrawn from the seabed, it is present practice to reconstruct in situ dimensions using an overall correction factor based on this penetration and the length of core recovered. However, measurements, reported here, have been made of corer penetration and sample entry and these show that the entry deficit (penetration minus sample entry) develops in some instances continuously, and in others intermittently. These results indicate that an overall correction factor is unlikely to be appropriate to any given section of the core.     

板翼动力锚沉贯深度模型试验研究

板翼动力锚是依靠自重完成安装并靠自重和海床土的抗力来锚固的新型动力锚。板翼动力锚高速(15~25 m/s)贯入地基过程中涉及到高应变率、流固耦合、土体软化和大变形等难题,模型试验可避免上述计算困难,能直接得出不同的贯入速度所对应的沉贯深度。本文首先推导了模型相似关系,然后在常规重力条件下,进行了两组26个工况的板翼动力锚在均质黏土中动力安装过程的模型试验,根据试验结果确定了率效应参数的取值范围,并研究了每一项受力对沉贯深度的影响。最后提出了在均质黏土中预测板翼动力锚沉贯深度的经验公式。     

霍尔锚抛锚深度模型试验研究

河床或海床中会布设光缆、管线、隧洞等结构物,如果该水域上有船只抛锚,就要考虑抛锚对结构物安全的影响。通过模型试验探究了霍尔锚在黏土中的抛锚深度,研究了贯入速度、锚重以及土强度对抛锚深度的影响。在模型试验中,用MEMS加速度传感器捕捉锚在土中运动时的加速度,并由加速度积分得到锚的下落速度及对应的下落位移。模型试验结果表明:当霍尔锚以极限速度贯入软黏土中时,17.8 t锚在强度为7.5 k Pa土中的贯入深度为4.0 m; 42 t锚在强度为8.3 k Pa的土中贯入深度为6.7 m。根据试验结果建立了霍尔锚在土中动力贯入时的运动微分方程,分析了作用在锚上的各项受力,并预测了抛锚深度。此外,根据模型试验结果,建立了抛锚深度和锚的总能量之间的经验公式。     

霍尔锚在粉细砂中抛锚深度模型试验

航船应急抛锚时锚板贯入土体可能会影响河床或海床中的结构物甚者造成破坏,因此在通航频繁的航道,结构物埋深的设计需要充分考虑应急抛锚时锚板的贯入深度。本文通过缩尺模型试验模拟了霍尔锚在中等密实度粉细砂中的抛锚贯入过程,研究了不同抛锚速度(1.15～4.4 m/s)及粉细砂相对密实度(0.45～0.65)对抛锚贯入深度的影响;基于太沙基极限承载力理论和能量守恒定律,推导出霍尔锚在粉细砂土中贯入深度的表达式,与模型试验结果对比显示理论计算结果偏于保守。基于试验结果提出修正系数,修正后的理论公式能够较好地快速预测霍尔锚在中等密实度粉细砂中的贯入深度。研究结果为粉细砂土河床或海床中的结构物埋深设计提供了一定的技术参考。     

Estimation of Residual Undrained Shear Strength from Gravity Corer Penetration Data

Residual undrained shear strength, s _{u_res} , is an important parameter for analyzing the response of structures buried within potentially unstable soil mass. A framework for estimating s _{u_res} of fine grained sediments from gravity corer penetration has been developed considering viscous drag during free fall of the corer through seawater and cohesive energy loss during sediment penetration. The procedure was used to estimate s _{u_res} using data from a submarine geotechnical investigation in western Canada. Comparison of the results with alternative estimates of s _{u_res} from miniature torvane tests on the gravity core samples and CPTs performed nearby reveals a reasonable agreement.     

连续深度基准面构建及通航水深服务模式研究

通航水深是船舶在某时段沿着一定航线通过特定区域的最浅水深,对船舶的安全航行具有重要意义。海图测绘时将水深归算至深度基准面,由验潮资料求得,而潮汐值是通过临近区域发布的潮汐表来进行推算,由此获得的通航水深精度不 高,且不同港区之间采用深度基准不统一,所以无法为船舶提供精确、连续的通航水深。本文提出了一种基于高精度 GNSS的通航水深测量方法,直接测量海底高程,通过精密数值模型模拟海面高程,由此获得通航水深,并提出了实时通航水深的应用模式。为了建立与陆地地形相衔接的海底地形模型,以 CGCS2000 参考椭球面为垂直参考基准面,深度基准面采用 POM（Princeton Ocean Model） 模式进行潮波数值模拟的方法构建。实验结果显示：数值模型精度较高,构建的深度基准面误差在5 cm 以内。本文提出的方法改变了传统的通航水深测量及服务模式,提供高效率、高精度通航水深、海图水深数据,可为船舶用户提供实时动态水深服务。     

Estimation of Residual Undrained Shear Strength from Gravity Corer Penetration Data

Residual undrained shear strength, s_{u_res}, is an important parameter for analyzing the response of structures buried within potentially unstable soil mass. A framework for estimating s_{u_res} of fine grained sediments from gravity corer penetration has been developed considering viscous drag during free fall of the corer through seawater and cohesive energy loss during sediment penetration. The procedure was used to estimate s_{u_res} using data from a submarine geotechnical investigation in western Canada. Comparison of the results with alternative estimates of s_{u_res} from miniature torvane tests on the gravity core samples and CPTs performed nearby reveals a reasonable agreement.     

海床CPT和井下CPT在砂土中贯入机理差异研究

海洋石油建设中的一个关键环节是对有关海域的工程地质条件作出准确评价。海上原位静力触探(CPT)是主要的原位勘察手段,与陆地CPT不同,其贯入方式主要有Seabed和Downhole两种形式。这两种CPT由于贯入方式不同,所得到的锥端阻力存在一定的差异。采用有限元方法对这两种形式的CPT锥端阻力和贯入模式进行计算分析。研究显示,CPT入土过程中,周围土体存在两种不同位移状态,即滑动状态和排挤状态。在入土初期,土体以滑动状态为主,土体中竖向应力随贯入深度的增加而递增。在入土一定深度以后,土体的排挤状态占主导地位,竖向应力变化趋于平稳。这两种位移状态的相互转化解释了Seabed CPT和Downhole CPT实测数据之间的差异。在贯入深度较大时,Seabed CPT受排挤状态控制,而Downhole CPT仍然受滑动状态的影响。     

钻井船插桩对导管架平台群桩影响的CEL有限元分析

采用CEL大变形非线性有限元方法并结合非线性地基梁模型对海洋石油941钻井船在番禺10-2平台钻井插桩时对邻近导管架平台群桩的影响进行了分析,并得到以下结论:1)钻井船插桩过程中,桩身最大位移及出现的位置随钻井船插桩深度增加而下移且钻井船插桩位置与群桩距离越近,对桩的影响越大;2)在插桩过程中,桩身最大弯矩出现的位置与桩身最大位移出现的位置一致,而桩身最大剪力出现的位置较桩身最大弯矩出现的位置偏下;3)与没有插桩影响的群桩相比,桩身最大弯矩与桩身最大剪力明显增加。