[发明专利]一种海底沉积物液化后流变特性原位测量装置

说明书

本发明公开了一种海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，包括十字板头、连杆、电机、扭矩传感器、角位移传感器和控制模块；所述十字板头用于插入到海底沉积物中；所述连杆的底部连接所述十字板头；所述电机用于驱动所述连杆旋转，进而驱动所述十字板头旋转；所述扭矩传感器的一端通过联轴器连接所述电机的转轴，另一端连接所述连杆的顶部，用于检测连杆的扭矩；所述角位移传感器用于检测十字板头的转过角度；所述控制模块接收所述扭矩传感器和角位移传感器输出的检测信号，并生成测量结果。本发明的测量装置可以将十字板头直接插入到待测土体中，用于对待测土体的液化流变特性进行原位测量，操作简单，适合现场使用，不会破坏土体状态。

技术领域

本发明属于土体流变检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于检测海底沉积物的液化后流变特性的原位测量装置。

背景技术

土体流变特性是指土体液化后表现出的一系列类似流体的性质。原位测试是在岩土原来所处的位置上或基本上在原位状态和应力条件下对岩土性质进行的测试。一般情况下，由于有效应力的存在，土体的孔隙水压力小于总应力。然而，在波浪荷载的作用下，海床土中的孔隙水压力会不断升高，当孔隙水压力增大到与总应力相等时，海床土中的有效应力等于零，土骨架丧失了作用力，土颗粒“悬浮”在水中，这时土变成像流体一样的物质，丧失抗剪强度和承载能力，这就是海床土的液化现象。海床土液化失稳，对海洋环境及海洋工程都会带来巨大破坏，甚至引发海底滑坡等一系列地质灾害，给人类的生命带来巨大威胁。目前国内外学者通过试验研究、解析研究和数值分析研究，发现液化土是一种“剪切稀化”非牛顿流体：即随着剪切速率的增加，表观黏度逐渐降低。所以，分析液化现场原位海床土体的失稳破坏情况，了解现场原位海床土剪切流变性质，对保证极端海况下海洋工程结构物安全和预防地质灾害都有重要意义。

在液化土体流变性质的分析中，表观黏度和流动曲线都是重要的参数。表观黏度是表示流体的内摩擦的物理量，是一层流体对另一层流体作相对运动的阻力，定义为剪应力与剪切速率的比值。剪切速率是由于流体的层流速度不同而形成的一种速度梯度，流动较慢的液层阻滞流动较快液层的运动，定义为剪应变与时间的比值。流动曲线是表示流体的剪切速率与剪应力的关系曲线。

海底环境千变万化，有许多超出现在人们认知的未知影响因素，特别是海底沉积物所处的环境更为复杂。因此，要研究液化海底沉积物的流变特性，就必须对海底沉积物进行现场原位检测，才能解决工程实际问题，预防地质灾害。然而，现有用于检测流体表观黏度的测量装置仅限于实验室应用环境，例如旋转黏度计、毛细管黏度计、落球黏度计等。其中，旋转黏度计的原理是使流体在狭缝间产生剪切流动，测量流动过程中的扭矩来计算流体的表观黏度。毛细管黏度计是使流体在重力作用下缓慢流过一个标定好的玻璃毛细管黏度计，通过测量流体流过黏度计的时间来反映流体的黏度。落球黏度计的原理是将一个刚性球放入盛满流体的透明量筒里，刚性球凭重力下落，测量刚性球在流体中匀速通过时的速度来计算流体的表观黏度。此外，在模型试验研究土体流变特性方面，国内外学者也做了一系列探索性工作，例如，申请号为201110321240.8的中国发明专利公开了一种用于实验室的智能土工剪切流变仪；申请号为201610081275.1的中国发明专利申请公开了一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，这些专利申请技术都是用来研究土体流变特性的，但只能适用于实验室环境。

上述土体流变特性测量方法之所以不适用于原位测量海底沉积物的流变特性的原因是：

(1)现有装置的结构本身不适合现场使用，操作复杂且用时较长；

(2)现有装置在测量之前必须先提取土样，然后将土样放在一个特定的容器内。这样会严重扰动土体，破坏了原有海底沉积物的状态；

(3)现有装置只能针对单一的均质土，而实际海底沉积物液化过程十分复杂，可能出现分层现象。因此，现有装置无法测量出不同深度海底沉积物的流变特性。

发明内容