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研究报告：基于仪器化自由下落贯入试验（FFP）的黏土不排水抗剪强度（undrained shear strength, su）估算方法

1. 研究团队与发表信息

本研究由Sharanappagouda Kadabinakatti（印度理工学院孟买分校土木工程系）、Santiram Chatterjee、Prasenjit Basu（通讯作者）及Sri Harsha Gamidi（印度石油天然气有限公司海洋工程技术研究所）合作完成，发表于Ocean Engineering期刊（2024年，第309卷，文章编号118489）。

2. 学术背景与研究目标

科学领域：本研究属于海洋岩土工程领域，聚焦于软黏土地基的现场强度评估技术。

研究背景：
- 海洋基础设施建设（如海底管道、钻井平台等）需精确评估软黏土的不排水抗剪强度（su）。传统方法如静力触探试验（CPT）和十字板剪切试验（VST）成本高、耗时长，且深水环境取样困难。
- 自由下落贯入试验（Free-Fall Penetrometer Test, FFP）是一种经济高效的替代方案，但现有数据解释方法依赖过多假设（如拖曳系数、土体应变率增强因子等），限制了其工程适用性。

研究目标：
- 提出一种无需假设参数值的FFP数据解释方法，直接通过加速度数据预测su。
- 通过实验室控制试验，建立动态贯入阻力（qd）与恒定速率贯入试验（CRP）阻力（qs）之间的定量关系（阻力比ξr），并验证其普适性。

3. 研究流程与方法

（1）试验土床制备

• 材料：使用合成高岭土（kaolin）和天然海相黏土（marine clay），通过真空辅助泥浆固结技术制备大型均质黏土试验床（直径1 m，高度1.3 m）。
  
• 固结参数：施加75 kPa、85 kPa不同吸力，固结时间15–84天（表1）。
  
• 验证均质性：通过多点CRP试验（球型贯入仪，直径50 mm）确认土床强度随深度单调递增且分布均匀（图7）。
  

（2）仪器化贯入仪设计与测试

• FFP贯入仪：设计无杆球形（直径90 mm）和锥形（顶角30°、60°）贯入仪，材料为不锈钢（SS316）和铝，质量0.372–2.681 kg（表2）。
  
  • 创新点：内置惯性测量单元（IMU），实时记录加速度和角速度（采样率800 Hz），通过坐标转换获得惯性坐标系下的加速度数据（图8）。
    
• CRP贯入仪：采用薄杆球型贯入仪（杆径＜10%贯入头直径），确保土体流动机制完全发展。
  

（3）试验执行与数据采集

• FFP试验：在三个土床（KC75、KC85、MC85）中完成16组试验，变量包括贯入仪形状、质量、下落高度（0.55–1.75 m）（表4）。
  
  • 自动化系统：采用XYZ定位系统精确控制贯入仪释放位置（图6）。
    
  • 数据处理：加速度积分获得贯入速度（vp）和位移（wp），通过牛顿第二定律计算动态阻力qd（公式2）。
    
• CRP试验：以1 mm/s恒定速率贯入，记录阻力qcrp，用于标定su（公式6）。
  

（4）数据分析与模型建立

• 阻力比ξr：定义ξr = qd/qs，发现其与归一化贯入深度（d/dp）存在幂律关系（图12–13）：
  
  • 球形贯入仪：ξr = 0.95(d/dp)^−0.7 （R²=0.89）
    
  • 30°锥形贯入仪：ξr = (d/dp)^−0.76 （R²=0.95）
    
  • 60°锥形贯入仪：ξr = 0.9(d/dp)^−0.87 （R²=0.97）
    
• su预测：结合CRP的承载力因子Nc=11，通过公式su = (qd/ξr)/Nc计算不排水抗剪强度（公式7）。
  

4. 主要结果

• 贯入深度规律：球形贯入仪的dp随质量和下落高度增加而增大；30°锥形贯入仪因流线型设计表现出更深的贯入能力（图11）。
  
• su预测验证：FFP预测的su与CRP结果高度吻合（图14），均方根误差（RMSE）为0.08–0.37 kPa。
  
• 现场数据验证：应用Morton等（2016b）的野外FFP数据，预测的su与现场Piezo Ball试验结果一致（图15）。
  

5. 研究结论与价值

• 科学价值：首次建立了无需假设参数的FFP数据解释框架，明确了动态与准静态贯入阻力的定量关系（ξr），为深水勘察提供了理论依据。
  
• 应用价值：该方法可快速评估大面积海床的su分布，尤其适用于海底管道等浅层勘探（＜3 m深度）。
  
• 局限性：实验室贯入仪尺寸（最大质量2.7 kg）与野外条件存在差异，需进一步验证大质量贯入仪的适用性。
  

6. 研究亮点

• 方法创新：通过实验室控制试验消除了野外试验的不确定性（如土床非均质性），提出了普适性ξr模型。
  
• 技术融合：结合IMU传感器与自动化定位系统，实现了高精度动态数据采集。
  
• 工程启示：为FFP技术纳入常规海洋岩土勘察提供了可行性方案。
  

7. 其他有价值内容

• 土床制备技术：真空辅助固结法成功模拟了深海软黏土的强度梯度（dsu/dz ≈1–3.9 kPa/m）。
  
• 仪器设计细节：贯入仪的防水密封结构（O型圈）和分体式设计（图3）确保了传感器的可靠性。
  

以上报告完整呈现了研究的背景、方法、结果与价值，可供学术界和工程界参考。