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原文传递自落式动力触探FFP测试技术理论与工程应用研究

论文题名：	自落式动力触探FFP测试技术理论与工程应用研究
关键词：	公路隧道;湖相淤泥质软土;自落式动力触探测试;抗剪强度
摘要：	随着我国海洋强国战略、“一带一路”区域经济发展战略的实施，海洋工程建设吸引了更多的关注目光，如围海造陆、跨海大桥、海底隧道、海上风电、海上石油钻井平台、海底可燃冰钻采平台等海洋工程项目与日俱增。同时海洋工程也不断的由近海向远海，由浅海向深海发展，项目规模日益增大，这对准确获取海洋岩土工程参数提出了更高的要求，但传统勘察技术中的钻孔取样、室内试验的方法存在应力释放、试样扰动、成本昂贵的问题，不能满足海洋岩土工程的发展要求。　　国际上以孔压静力触探（PiezoconePenetrationTesting，简称CPTU）、全流触探测试（Full-FlowPenetrationTesting，简称FFPT）等为代表的海洋原位测试技术是获得岩土工程参数的有效方法。此类方法都要使用海洋静力触探贯入设备，并且需要配备有重型起重机的大型船只作为运载与操作载体，因此该类方法存在设备笨重、操作复杂、综合成本较高、耗时较长以及极易受天气影响等问题。这些问题大大限制了常规海洋静力触探技术在海洋工程中的应用。自落式动力触探测试技术（FreeFallPenetrationTesting，简称FFP）作为一种新型的便携式动力触探测试技术，可作为近海常规海洋静力触探测试的一种有效的补充。近年来广泛应用于海洋沉积物分层、海洋边坡稳定分析、海洋环境调查、海洋灾害防治、港口疏浚、浮动式风电系统锚固基础设计、管道电缆勘测与淡水湖泊古生物研究等领域。　　本文即是在此背景下，以自落式动力触探测试技术为研究对象，结合国内外文献资料，首先自主设计了自落式动力触探仪；然后以牛顿运动第二定律为基础，建立了FFP贯入过程中的力学模型与理论体系，明确了其测试流程，建立了测试数据的处理流程；利用室内模型试验，开展了自落式动力触探FFP相关贯入机理研究；最后，以苏锡常南部高速公路太湖隧道项目为工程依托，以典型的湖相淤泥质软土为研究对象，开展了自落式动力触探FFP现场试验研究，建立了基于FFP测试技术的软土不排水抗剪强度评价方法。本文的主要研究内容如下：　　（1）自主设计并研发了自落式动力触探仪，包括端头、探头主体、配重模块、传感器模块、稳定尾翼、吊环六部分，其中端头分为锥形端头、半球形端头、圆柱形端头，开发了集成高精度三轴加速度计、陀螺仪、地磁场传感器的惯性测量单元IMU，可以获得FFP触探仪的加速度、角速度等运动数据，并配套有数据采集软件可实时显示并记录触探仪运动数据。　　（2）认识FFP触探仪贯入土体过程的不同运动阶段，通过其加速度对时间的一次积分可以获得贯入速度，二次积分获得贯入深度，以牛顿运动第二定律为基础，分析了贯入过程中的受力情况，受力包括浮重、端部阻力、侧壁阻力、拖曳阻力、土体浮拖力，建立了FFP贯入过程中的力学模型与理论体系，明确了FFP测试流程，建立了测试数据的处理框架。　　（3）开展了自落式动力触探FFP室内模型试验研究，通过开展十字板剪切试验研究，确定试验土体不排水抗剪强度，提供了试验土体强度标准值；通过3种不同端头的CPTU贯入试验，分别研究了不同端头合适的承载力系数Nc值和界面摩擦比α值；通过不同释放高度、质量、端头的FFP试验，研究了贯入深度的影响因素，确定了最优的应变率参数β值；建立了基于FFP测试技术的土体不排水抗剪强度的快速评价方法。　　（4）以苏锡常南部高速公路太湖隧道项目为工程依托，选取典型的湖相淤泥质软土为研究土类，开展了自落式动力触探FFP现场试验研究。结合CPTU现场测试、球形和T形全流触探以及场地钻孔地质资料，得到了FFP贯入过程中的加速度及速度变化曲线、CPTU与全流触探测试曲线，获得了现场土体的相关物理力学参数。通过多种测试技术获得了土体不排水抗剪强度曲线，验证了FFP测试技术评价土体不排水抗剪强度的评价方法。
作者：	荣琦
专业：	土木工程;岩土工程
导师：	蔡国军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021