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模拟履带-软黏土相互作用的环形触探仪研发

黄伟健 廖晨聪 刘世奥 叶冠林

黄伟健,廖晨聪,刘世奥,等. 模拟履带-软黏土相互作用的环形触探仪研发[J]. 水利水运工程学报,2022. doi:  10.12170/20210728006
引用本文: 黄伟健,廖晨聪,刘世奥,等. 模拟履带-软黏土相互作用的环形触探仪研发[J]. 水利水运工程学报,2022. doi:  10.12170/20210728006
(HUANG Weijian, LIAO Chencong, LIU Shiao, et al. Investigation of torsional penetrometer for simulation of track-soft clay interaction[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(in Chinese)) doi:  10.12170/20210728006
Citation: (HUANG Weijian, LIAO Chencong, LIU Shiao, et al. Investigation of torsional penetrometer for simulation of track-soft clay interaction[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(in Chinese)) doi:  10.12170/20210728006

模拟履带-软黏土相互作用的环形触探仪研发

doi: 10.12170/20210728006
基金项目: 上海市自然科学基金面上项目(20ZR1426100)
详细信息
    作者简介:

    黄伟健(1995—),男,湖北黄石人,硕士研究生,主要从事海洋岩土数值计算方面的研究。E-mail:huangweijian@sjtu.edu.cn

    通讯作者:

    廖晨聪(E-mail:billaday@sjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TU411

Investigation of torsional penetrometer for simulation of track-soft clay interaction

  • 摘要: 海底履带机器人在软黏土海床上行走时会压陷并剪切土体。压陷反映了履带贯入深度与土体强度,剪切则决定了土体能够提供的驱动力。传统地面力学中的贝式仪将压陷和剪切过程剥离测试,忽略了两者之间的相互作用关系。提出了新的环形触探形式与工作方法,将床面行走的压陷和剪切过程统一到触探仪的压陷贯入和扭转剪切中,通过与前人室内模型试验的对比,验证了环形触探概念的有效性和可行性。针对海床常见的正常固结软黏土,采用修正剑桥模型结合有限元方法,基于环形触探仪对履齿结构参数齿高、齿距进行了敏感性分析,探究了履齿结构参数对软黏土强度发挥的影响。研究结果表明,齿高、齿距对软黏土的强度发挥影响显著,适当增大齿高、缩小齿距有助于软黏土强度的充分发挥。
  • 图  1  传统贝氏仪技术

    Figure  1.  Traditional bevameter technology

    图  2  环形触探仪

    Figure  2.  Torsional penetrometer

    图  3  环形触探仪工作机理

    Figure  3.  Mechanism diagrams of torsional penetrometer

    图  4  有限元模型及网格划分

    Figure  4.  Finite element models and mesh generations

    图  5  压陷装置

    Figure  5.  Compression devices

    图  6  压陷过程的曲线对比验证

    Figure  6.  The curves’ comparisons and verifications of the compression process

    图  7  剪切装置

    Figure  7.  Shear devices

    图  8  剪切过程曲线的对比验证

    Figure  8.  Comparisons and verifications of shear process curves

    图  9  齿高与$ {\tau }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $$ {K}_{\mathrm{w}} $的关系曲线

    Figure  9.  Relationship curves between grouser height and $ {\mathit{\tau }}_{\mathbf{m}\mathbf{a}\mathbf{x}} $ or $ {\mathit{K}}_{\mathbf{w}} $

    图  10  齿距与$ {\mathit{\tau }}_{\mathbf{m}\mathbf{a}\mathbf{x}} $$ {\mathit{K}}_{\mathbf{w}} $的关系曲线

    Figure  10.  Relationship curves between grouser interval and $ {\mathit{\tau }}_{\mathbf{m}\mathbf{a}\mathbf{x}} $ or $ {\mathit{K}}_{\mathbf{w}} $

    表  1  压陷装置尺寸对比

    Table  1.   Size comparisons among compression devices

    压陷装置长/mm宽/mm齿距/mm齿高/mm
    平板1[2]48080--
    平板2[2]30050--
    环形板1-80--
    环形板2-50--
    环形触探仪1-80200130
    环形触探仪2-50200130
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    表  2  剪切装置尺寸对比

    Table  2.   Size comparisons among shear devices

    剪切装置齿距/mm齿高/mm齿宽/mm
    履带板1[[2]] 200 70 600
    履带板2[[2]] 200 130 600
    环形触探仪1 200 70 600
    环形触探仪2 200 130 600
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    表  3  海床软黏土模拟参数

    Table  3.   Simulation parameters of seabed soft clay

    软黏土的修正剑桥模型参数数值大小
    $p'-q\mathrm{空}\mathrm{间}\mathrm{C}\mathrm{S}\mathrm{L}\mathrm{线}\mathrm{斜}\mathrm{率}M$0.92
    对应于M的三轴压缩试验内摩擦角$\phi'$(°)23.5
    ${p}'=1\mathrm{ }\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\mathrm{时}\mathrm{的}\mathrm{孔}\mathrm{隙}\mathrm{比}{e}_{\mathrm{c}\mathrm{s} }$2.14
    $e-\mathrm{ln}p'$空间的正常固结线NCL斜率λ0.205
    $e-\mathrm{ln}p'$空间的回弹曲线斜率κ0.044
    剪切模量G与${p}_{0}'$之比50
    饱和土体重度γsat/(kN·m−3)15
    水重度γw/(kN·m−3)10
    土体渗透系数k/(m·s−1)1.0×10−9
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-28
  • 网络出版日期:  2022-08-30

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