江蘇如東灘涂土壤承壓剪切特性參數(shù)測量

蔡 巍，王新明，孫家軍

CAI Wei, WANG Xin-ming, SUN Jia-jun

（三一電氣有限責(zé)任公司，北京 102206）

0 引言

因沿海灘涂風(fēng)電開發(fā)的需要，三一電氣自行開發(fā)灘涂風(fēng)電施工設(shè)備，其底盤可在灘涂環(huán)境下自由行駛。但由于沿海灘涂土壤承載力差異較大，無法保證車輛在所有區(qū)域均滿足要求，故設(shè)計便攜式貝氏儀測量灘涂土壤承壓特性參數(shù)和剪切特性參數(shù)，進(jìn)而通過Bekker理論預(yù)測車輛的通過性，為車輛規(guī)劃好施工的安全區(qū)域。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器介紹

灘涂土壤特性參數(shù)的測量采用自主設(shè)計的便攜式貝氏儀，如圖1所示。該儀器采用加壓剪切組合結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備可用于承壓剪切兩個試驗，一機多用；其大部分零部件全部采用鋁合金材料，大幅減輕設(shè)備重量；其支架采用可折疊結(jié)構(gòu)，試驗時展開用于試驗測量；試驗結(jié)束，支架折疊收起，攜帶方便；此外，采用便攜式數(shù)據(jù)采集儀等數(shù)字化儀器記錄測量數(shù)據(jù)，方便快捷。

圖1 土壤參數(shù)測量儀器-便攜式貝氏儀

根據(jù)測量要求，貝氏儀配有4種測頭，3種用于土壤承壓特性參數(shù)的測量，1種用于剪切特性參數(shù)測量。其測頭的參數(shù)見表1。

表1 測頭類型

1.2 試驗地點

試驗所在灘涂區(qū)域的平坦路面土壤強度較大，只在潮水溝位置土壤強度較弱，且土壤總體強度隨測量點距海堤公路的距離增大逐漸遞減，由于灘涂風(fēng)電施工位置在離岸3km左右。故分別在距沿海公路2公里、3公里的地方進(jìn)行試驗，在2km處取平坦堅實路面的的土測量；在3km處取較軟點進(jìn)行測量,軟土點選在潮水溝的坡道上。具體路面環(huán)境見圖2～圖3。

圖2 離岸2km平坦路面

2 試驗結(jié)果分析

圖3 離岸3km潮水溝

2.1 承壓特性參數(shù)的計算

對壓板試驗的測量結(jié)果進(jìn)行分析處理，分別得到壓板沉陷量z和壓力傳感器的測量出的壓力Fc。根據(jù)式(1)計算出各壓板的接地比壓。

式中 p——壓板接地比壓(kPa)；Fc——傳感器讀數(shù)值，需根據(jù)測量電壓值轉(zhuǎn)換為壓力值(kN)；Fe——測頭重量，隨測頭型號變化而變化，具體見表1，d——測頭的直徑。

以沉陷位移z為橫坐標(biāo)，壓板接地比壓p為縱坐標(biāo)，畫出各壓板的p-z曲線。

圖4 壓板沉陷曲線

但對K(1/b)進(jìn)行線性化處理時，kφ出現(xiàn)負(fù)值，這使得b很大時，出現(xiàn)負(fù)壓力和負(fù)沉陷，所以傳統(tǒng)Bekker模型不適用于該灘涂區(qū)域[1,2]。

由于沉陷指數(shù)n可常數(shù)化，故采用南方水田模型進(jìn)行處理：

式中 b——壓板的半徑(m)；

K1——土壤變形模量(N/m(n+2))；

K2——土壤變形系數(shù)(m)；

p——接地比壓(kPa)；

z——壓板的深陷深度(m)。

表2 承壓特性參數(shù)表

2.2 土壤剪切特性參數(shù)的計算

根據(jù)剪切盤剪切土壤時的正壓力值確定該次試驗接地比壓p，并將剪切過程中扭矩出現(xiàn)的峰值確定為剪切扭矩，并根據(jù)式（3）計算出剪切應(yīng)力 。

式中 M——扭矩值(N.m)；R——剪切盤外徑：60mm；r——剪切盤內(nèi)徑：41mm。

圖5 土壤剪切特性曲線

根據(jù)式（4）[1]對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析：

回歸分析結(jié)果列于表3中。

表3 剪切特性參數(shù)表

3 結(jié)論

1）通過在灘涂現(xiàn)場進(jìn)行原位試驗，獲得的土壤的承壓剪切特性參數(shù)，試驗結(jié)果客觀上反映了灘涂土壤的承壓和剪切特性，為灘涂施工設(shè)備的通過性判斷和后續(xù)設(shè)備設(shè)計開發(fā)提供依據(jù)。

2）對于江蘇如東灘涂土壤，傳統(tǒng)Bekker承壓模型不適用，可采用南方水田土壤承壓模型進(jìn)行參數(shù)擬合。

[1]陳秉聰.土壤-車輛系統(tǒng)力學(xué)[M].中國農(nóng)業(yè)技術(shù)出版社.

[2]談黎虹,程國耀.海涂土壤承壓模型的建立[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2002,284:440-444.