重力活塞取样器贯入模型研究

ADVANCESINMARINESCIENCE

海洋科学进展

Vol.36 No.1

,Januar2018y

重力活塞取样器贯入模型研究

22*222

,,,,杜 星1,孙永福1,宋玉鹏1,周其坤1,焦鹏飞1,)青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室,山东青岛22.66235

摘 要:重力活塞取样器贯入深度研究对于取样效率的提高和仪器安全有着重要影响,根据取样海底沉积物类型及工程参数对取样器可贯入深度进行预判是研究的重点。基于重力活塞取样器结构,设计并制造了重量可调的重力取样器模型,增加了底质桶与支架等配套设施。按照控制变量法分别设计了针对取样器质量、贯入速度及沉积物类型的试验。试验结果表明,底质类型、取样器质量和贯入速度都可以对贯入深度产生不同程度的影响。在现有重力取样器贯入深度公式的基础上,根据本次试验得到的数据对其进行修正。改进后的公式计算结果与原来相比误差更小、更接近于真实取样数据。

关键词:重力取样;重力活塞取样器;能量守恒;贯入深度:/doi10.3969i.ssn.1671-67.2018.01.008j

()中图分类号:P716 文献标识码:A 文章编号:1671-67201801-0088-10

(国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛21.66061;

]1]2-3]4

、取样器[设计方案提出以来,被广泛应用于深海超长原状样的采集[近岸沉积物样品的获取[以及湖泊

重力活塞取样器是一种以自身重力为动力获取原状样的重要地质工具。自1947年Kullenberg型重力

]5

。近年来,沉积物原状样的获取[由于天然气水合物的研究和发展,基于重力活塞取样器的保真原状样的获6-8]

取[成为了研究的热点。无论是深海、近岸还是湖泊沉积物的获取,如何提高取样效率、保证沉积物样品的

连续、无扰动都是研究的重点。但由于取样时取样管长度与实际贯入深度不同,样管长度大于贯入深度可能

9]

。因此,导致取样管折断,小于贯入深度导致不能取得最大长度的连续原状样品[在取样前对重力活塞取样

器贯入深度进行预测对取样效率、质量的提高及取样器的保护具有重要意义。

[2]11]

;;探讨[李民刚等建立了重力取样器贯入深度与取样器、沉积Chen等对取样器进行了系统的受力分析1

[0]

;Burans对取样器释放距离与速度进行了分析1Skinner和McCave对取样器参数和取样深度进行了

13]14]

;;物各参数之间的函数关系[臧启运等结合取样器应用实例分析了取样效率[杜星等提出了重力活塞取]9

。贯入深度的预测取得了一定的进展,样器贯入深度控制方程[但海上重力取样难以获得准确贯入深度数

据并且取样器可变参数条件单一,不利于贯入深度的计算和验证。重力取样器数值模型的研究亟需详细的实际贯入深度数据及取样器自身参数。

本文通过自行设计的重力活塞取样器贯入系统,对重力取样器和沉积物进行控制变量分析,将取样器自身参数与贯入深度的关系进行了量化,并在现有重力活塞取样器计算公式的基础上结合本次取样数据对公式进行了修正和改进。

收稿日期:2017-04-12

——近海海底地质灾害预测评价及防控关键技术研究();资助项目:海洋公益性行业科研专项—青岛海洋科学与技术国家实验室201005005

——海底地质灾害监测预警与评估关键技术研究();——水合物形鳌山科技创新计划项目—国家重点研发计划项目—2015ASKJ03)成与分解过程微观结构与宏观力学特性(2017YFC0307305

),:孙永福(男,山东潍坊人,研究员,博士,主要从事海洋工程地质、灾害地质方面研究. *通讯作者:19-E-mailsunonfu@fio.or.cnygg

),:作者简介:杜 星(男,辽宁大连人,助理工程师,硕士,主要从事海洋工程地质方面研究.1991-E-mailduxin@fio.or.cngg

(陈 靖 编辑)

1期杜 星,等:重力活塞取样器贯入模型研究

1 重力取样贯入设备

部分组成,示意图见图1。底质桶为2个直径5高9分别用来放置不同类型沉80mm、30mm的圆柱形铁桶,积物。三脚架由可拆卸和伸缩的钢管组成,顶部距地面约为5m,顶部配有一个定滑轮,用以连接绳索。取,个,详见图2。试验中,可控制改变的参数有取样器质量和贯入初始速度(通过下落高度控制)试验时通过改变二者的大小可获得多组试验数据。

,,样器主要由配重仓、取样管、内衬管、活塞、刀头、配重块等组成。取样器自重1每个配重块重7k共63kgg

试验设备仿照重力活塞取样器研制,可以模拟重力取样,主要由重力活塞取样器、底质桶以及三脚架三

Fi.1 Structuresofgravitistoncorergyp

图1 重力取样器贯入设备图2 重力取样器模型、配重块istoncorerandcounterweihtpg

Fi.2 Modelofgravitgy

2 贯入模型试验研究

2.1 沉积物

[]15

试验共使用2种沉积物,样品取自黄河水下三角洲区,粒径分布见表1。按照《岩土工程规范》定名原

则,能够较好地代表细砂和粉土两种沉S1定名为细砂,S2定名为粉土。2种试验样品均具有较好的分选性,积物。从细砂到粉土体现了颗粒由粗到细的变化,能够反应不同粒径的沉积物对取样深度的影响。

表1 试验土体粒径分布(%)

(Table1 Grainsizedistributionofsoilsamlesusedinexeriments%)pp

粒级组分/mm

土样编号

粗砂()0.5≤d<2.0

S1S2

0.10

中砂()0.25≤d<0.5

1.10.3

细砂

()0.075≤d<0.25

98.66.7

粉粒

()0.005≤d<0.075

91.30.1

黏粒()d<0.005

0.11.7

90海 洋 科 学 进 展

36卷

2.2 试验方法及步骤

器质量、下落高度和底质类型,分别控制三者的变化,设计3组试验方案对取样器贯入深度及影响因素进行定量分析。

首先向底质桶内缓缓倒入沉积物和水,搅拌均匀后水面高过沉积物2静置1周左右待沉积物0cm左右,使用自制的重力取样贯入设备及2种沉积物对重力取样器贯入深度进行探究。试验中可变因素为取样

在自然条件下固结后进行试验。每进行一次贯入试验后,对沉积物进行重新搅拌和固结后再进行下一次试验。组装好支架和取样器,根据具体试验方案放置不同数量的配重块,将取样器拉起后,使用卷尺测量其距离沉积物表面的高度用以计算贯入速度,随后使其自由落体释放,贯入完全后测量取样器剩余长度即可算出贯入深度。

]13

得出不同取样器参数和底质类型对应的贯入深度后,使用现有取样器贯入深度公式[进行计算,可得

出计算贯入深度值,将实际贯入数据与计算值进行比较可对公式进行修正和改进。3组具体试验方案如下:)令取样器质量和下落高度不变,土质变化,可以获得在相同质量、速度条件下不同沉积物类型的贯入1深度,有利于分析不同沉积物土工参数对贯入深度的影响,试验方案见表2。

表2 试验参数

Table2 Parametersofexerimentsp

下落高度/m

0.40.40.80.81.21.21.61.6

序 号1234

质量/kg2020272734344141

-1贯入速度/m·s

土质类型细砂粉土细砂粉土细砂粉土细砂粉土

2.802.803.963.9.854.855.605.60

)令取样器质量和土质不变,下落高度变化,可以获得在相同质量及沉积物类型的条件下,不同贯入速2

度对取样器贯入深度的影响,试验方案见表3。

表3 试验参数

Table3 Parametersofexerimentsp序 号12345678质量/kg2727272727272727下落高度/m0.40.81.21.60.40.81.21.6贯入初速度-1/m·s土质类型细砂细砂细砂细砂粉土粉土粉土粉土序 号101112131415169质量/kg3434343434343434下落高度/m0.40.81.21.60.40.81.21.6贯入初速度-1/m·s土质类型细砂细砂细砂细砂粉土粉土粉土粉土2.803.9.855.602.803.9.855.602.803.9.855.602.803.9.855.60)令取样器下落高度和土质不变,质量变化,可获得在相同贯入速度及沉积物类型的情况下,不同取样3

器质量对取样器贯入深度的影响,试验方案见表4。

1期杜 星,等:重力活塞取样器贯入模型研究

表4 试验参数

Table4 Parametersofexerimentsp 91

序 号123456m/kg202734414855下落高度/m111111贯入初速度-1/m·s土质类型粉土粉土粉土粉土粉土粉土序 号9m/kg202734414855下落高度/m111111贯入初速度-1/m·s土质类型细砂细砂细砂细砂细砂细砂4.434.434.434.434.434.4310111213144.434.434.434.434.434.433 结果及计算

3.1 试验结果

深度与沉积物的关系见图3。4组试验具体参数见表2,随着取样器质量和贯入初速度的增加,贯入深度也

通过对上述方案进行试验,得到了3组试验数据。当取样器质量和贯入初速度相同沉积物不同时,贯入

越来越大,但在粉土中的贯入深度均大于在细砂中的贯入深度。这表明其他条件相同时,砂土对取样器产生的阻碍作用大于粉土。不同沉积物对取样器的阻碍作用均不相同,颗粒越大,沉积物与取样管壁的摩擦系数越大。一般来说沉积物对取样器的阻力:黏土<粉土<砂土。因此在进行取样时要先对底质类型进行调查,不同沉积物类型对贯入深度影响较大。

。在4种不同的参数条件下,当取样器质量、沉积物相同时,贯入深度随着贯入速度的增加变化见图4随着当沉积物、取样器贯入初速度相同时,贯入深度随取样器质量的变化见图5。在底质为粉土和细砂的条

贯入速度的增加,贯入深度均逐渐增大。这表明在其他条件不变的情况下,贯入速度越大,贯入深度越大。

件下,随着取样器质量的增加,贯入深度均随之增大。这表明在其他条件不变的情况下,取样器质量越大,贯入深度越大。

Fi.3 Penetrationdethsvarieswithsedimenttesgpyp

图3 贯入深度随沉积物类型的变化

Fi.4 Penetrationdethsvarieswithpenetrateseedsgpp

图4 贯入深度随贯入速度的变化

92海 洋 科 学 进 展

36卷

Fi.5 Penetrationdethsvarieswithcorerweihtsgpg

图5 贯入深度随取样器质量的变化

3.2 贯入深度计算

影响贯入深度的因素主要分为取样器参数和土质参数两大方面。取样器参数有取样器质量、体积、密度及形状;土质参数主要为土质类型、摩擦系数、土体密实程度等。取样器从接触海底沉积物至最终静止,受到向下的重力作用,以及受到向上的管壁摩擦力、浮力、拖曳力。另外,随着取样管内沉积物的增加,沉积物本身也会对取样器的贯入产生一定的阻力。因此在进行贯入深度计算时需要全面地对各种影响因素进行讨论。

13]

李民刚等[在计算取样器贯入深度时,考虑了动能、重力势能和管壁摩擦力做功,根据能量守恒关

系式:

得到了重力取样器贯入深度表达式:

A-Ep-Ek=0,

mg+

l=

()1

2

(gmg)cmv2+τ,()2τcg式中:A为取样器克服外壁与沉积物摩擦阻力做功,Ep为动力势能,Ek为动能,l为贯入深度,m为取样器质

量,τ为沉积物极限摩擦系数,c为样管周长,v为贯入初速度。g为重力加速度,

该方程基于能量守恒给出了贯入深度的解,但阻力方面只考虑了外壁摩擦力,没有考虑内壁摩擦力、浮力、水对取样器的拖曳力、沉积物密实度等因素。虽然取样管内壁既采用了摩擦系数小的PVC管又增加了擦阻力,内壁与沉积物的摩擦系数应小于外壁。同时,活塞在取样时可对沉积物形成向上的拉力减小摩擦力。

),)角度出发,考虑动能、重力势能、内外管壁摩擦做功,可得到表达式(与表达式(相比增加了沉积物与取31样管内壁摩擦损耗的能量。

本次试验中,由于取样器未处于水中因此不存在浮力、水对取样器的拖曳力等影响因素。从能量守恒的可减小管内阻力的活塞,但仍无法保证取样管内部阻力为0。因此内壁应该存在一定沉积物与管壁间的摩

Ep+Ek-Wi-Wo=0,式中:Ep为重力势能,Ek为动能,Wi为内壁摩擦做功,Wo为外壁摩擦做功。

从取样器接触沉积物开始至停止贯入,取样器重力势能和动能的变化分别为

Ep=ml;g()3()4

1期杜 星,等:重力活塞取样器贯入模型研究

93

12

Ek=mvr。

2),/,式中:m为取样器质量(kNm3)l为取样器贯入深度,vr为贯入初速度。gg为重力加速度(

取样器内、外管壁与沉积物摩擦做功分别为

l12

;Wi=bτCidl=bτCilglgii02

()5

Wo。Ci,Co分别为内外管周长(m)

物体从静止自由下落时速度与下落距离关系:

;/;/;式中:取0~1(b为系数,b越小活塞效率越高)τkm2)τkm2)ggi为内壁摩擦系数(o为外壁摩擦系数(

2v2h。gt=

本次试验中受滑轮与绳子间摩擦阻力的影响,实际下落速度为

∫

1

τCgldl=τCg=

∫2l。

loo0

o

()6()7

o2

()8()9

vr=a·vt,

式中:va为系数且0))结合式(得到:3~(9

ml+g整理得

11122

mvr2-bτCilCol-τ=0,ggio222()10()11

222

mg+bτCimgvr2+τComgv+mgior。l=

bτCiCog+τgio4 讨 论

度无法准确测定,故取样器参数及取样条件变化不明确,不利于贯入深度的分析与计算。本文采取了重力活塞取样器模型贯入试验,可方便地改变取样器自身条件并准确记录每一组试验条件参数和贯入深度,获得较为完整的贯入过程数据,丰富重力取样数值研究的资料。深海沉积物重力取样影响因素多种多样,无论是设备自身效率、人员操作水平还是海上天气都会对取样器贯入深度造成影响。但取样器自身参数对贯入深度有决定性的影响,同时能够定量地分析和改变。人员操作、海上天气等不确定因素无法定量地分析,只能尽可能地保持规范和稳定。因此,本文重点从取样器质量、沉积物类型及贯入速度三方面分析。4.1 试验结果误差分析

试验中分别对沉积物类型、贯入初速度以及取样器质量与贯入深度进行了控制变量分析。试验与海上重力取样相比减少了贯入时海水阻力,试验结果与实际相比可能略微偏大。本试验中取样管外径为58mm,

[16]

底质桶直径为5约为取样管外径的1建筑桩基技术规范》规定,为减少挤土效应带来80mm,0倍。根据《

13]

。由于海上取样难度大、以往重力取样器贯入深度计算使用数据多由海上取样获取[时间长、贯入深

的影响,通常情况下桩距为2~4倍直径。因此贯入时可以忽略挤土效应带来的影响。文中试验得到贯入深度与实际海上取样深度相比,减少了从接触沉积物到完全贯入时间段内的浮力、拖曳力,但增加了滑轮端的摩擦力。另外,文中取样器模型在材料及设计优化上与实际取样器有一定差距,因此管壁与沉积物摩擦力相对增加,沉积物贯入后产生的“桩效应”相对明显。

当重力取样器在海水中依靠自重下沉时,首先速度随着下沉距离增大而增加。但由于下沉速度越大,海水对取样器的阻力也更大,故下沉一定深度后作用在取样器向下和向上的阻力达到一种平衡状态,此时取样

94

10]

:度公式[

海 洋 科 学 进 展

36卷

器速度保持不变。研究表明,当重力取样器在海水中自由下落6m左右时,即可到达最大速度,理论最大速2mg(c-ω)ρρ,()12

CDScωρρ式中:取1;CD为海水对取样器阻力系数,S为取样器最大水平截面积;mc为取样器密度;ω为海水密度;ρρ为取样器质量;g为重力加速度。

V2≅

重力取样器最大下落速度与质量、材料密度、最大水平截面积有关。当材料、形状一定,只改变配重的情况下,相同质量对应着相同的最大速度。试验中取样器贯入初速度与其在海水中下落理论最大速度比较见图6。取样器模型材质为钢,实际取样器能达到的理论最大速度值应大于等于本取样器最大理论速度。试验获得的贯入初速度大部分小于理论上海水中达到的最大速度,只有4个点速度略大于理论速度,在一定程度上可以代表海上取样时取样,取样器最大截面积为241,48和55k13.72cm2,g

/密度为7800km3。g4.2 贯入深度计算

为检验文中改进后公式的准确性,使用本次试

验贯入深度数据对原公式和改进后公式计算结果进行比较分析。首先将试验数据分为砂土和粉土两组,按))照贯入深度从小到大进行排列,分别使用原公式(和改进后的公式(对本次试验数据进行计算,计算参211数见表5,计算结果见图7和图8。

表5 计算参数

/·m-2τkgo15002000

/·m-2τkgi13001500

配重可能使用密度更大的铅块。因此海上取样时,

器贯入速度。其中,取样器质量分别为20,27,34,

图6 试验贯入初速度与计算贯入初速度比较

Fi.6 Comarisonbetweentestandgp

calculatininitialseedsgp

Table5 Parametersofcalculation

/·m-3kgcρ78007800

沉积物类型

粉土砂土

·m-3kgω/ρ10251025

a0.80.8

b11

式计算结果相比,改进后的公式比原公式更接近实际值。改进后公式计算结果与实际结果相比相差10cm左右,已具有较高的精度。实际结果比计算结果偏小,表明除了公式中涉及到的阻力做功,贯入过程可能还存在碰撞做功、刀头切割做功等其他的能量损耗,但由于数值偏小故暂时不予考虑。由于每个重力取样器材料、外形及设计等方面均有所不同,故所有贯入深度计算公式均与实际贯入深度有所偏差,通常情况下计算贯入深度大于实际贯入深度。

从图7、图8可知,公式计算得到的贯入深度与实际贯入深度相比均偏大,但整体变化趋势一致。两公

1期杜 星,等:重力活塞取样器贯入模型研究

95

Fi.7 Penetrationdethcomarisonbetweentestandgpp

calculationinthecaseofsand

图7 砂土实际贯入深度与计算贯入深度比较

Fi.8 Penetrationdethcomarisonbetweentestandgpp

calculationinthecaseofsilt

图8 粉土实际贯入深度与计算贯入深度比较

4.3 取样效率

重力活塞取样器贯入所受阻力主要有内外管壁摩擦力、刀头端阻力、水对取样器的拖曳力、浮力以及管内沉积物造成的阻力。增大取样器贯入时的动能是增加贯入深度的主要手段,方法有增加取样器质量与贯(、、入初速度。美国伍兹霍尔海洋研究所研制的G法国IiantPistonCorerGPC)LonorinFRTP研究所研gCg

[]

制的C通常自重超过1因此ALYPSOcorer等能够获得超长重力取样的取样器都是增大了自身质量,0t2,

增加自身质量是获得更长样品的有效手段。另外,通过对取样器材料、形状进行优化可以增大贯入初速度。取样器密度越大,在相同质量的情况下有更小的体积,因此海水浮力、拖曳力等都会下降。虽然取样器质量)越大贯入深度越大,但受操作空间和材料强度的,质量不能无限增加。从式(可知取样器最大截面积12将来可以从取样器形态设计及流体力学优化的角度分析,在质量不变的情况下通过形态优化增加贯入初速度以提高取样效率。

,设计的影响,样品可能产生“桩效应”即取样管内的样品对取样产生阻力同时样品受到压缩;也可能在回收

[]取样管时对管内样品产生拉伸作用。目前重力取样的样品有效率为7被压缩和拉伸的样品会对0%左右2,

越小会拥有越大的贯入初速度。因此除了增加取样器质量,对其结构和形状进行优化也可以提高取样效率。

目前,除了重力取样样品的长度,取样质量也受到广泛的关注。受Kullenberg型重力活塞取样器结构

样品深度造成较大的误差。因此减小取样管内壁材料摩擦力、提高活塞工作效率、适当对取样器结构设计进行升级等措施可以提高取样质量。

5 结 论

本研究设计了一套重力活塞取样器模型,该模型可模拟重力取样器的工作。通过改变取样器的质量、贯入速度及沉积物底质类型,得到了一系列贯入深度数据。通过对取样条件和贯入深度进行分析,并结合试验数据对已有公式进行了改进,得到以下结论:

)沉积物类型、取样器质量、贯入初速度对贯入深度均有明显的影响,其他条件相同时在沉积物颗粒越1细,取样深度越长;贯入初速度越大,取样深度越长;取样器质量越大,取样深度越长。

)文中修正后公式可以较好地计算重力活塞取样器贯入深度,计算结果比实际贯入深度略大。2

96海 洋 科 学 进 展

36卷

)为提高重力取样器的取样效率和样品质量,应增加取样器质量、减小取样器体积、减小取样管与沉积3

物摩擦力、提高活塞工作效率及优化取样器外管和结构设计。):参考文献(References

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1期杜 星,等:重力活塞取样器贯入模型研究

97

StudfPenetrationDethFromaModelofGravitistonCoreryopyP

1212121212

,,DUXinSUNYon-fuSONGYu-enZHOUQi-kunJIAOPen-feig,gpg,g

,

,

,

,

,

(;1.TheFirstInstituteoceanorahSOA,Qindao266061,ChinagfOgpy,

2.MarineGeolondEnvironmentLaboratorrocess,QindaoNationalLaboratororgyayPgyf)MarineScienceandTechnoloindao266235,Chinaggy,Q

:AbstractStudinngravitistoncorerpenetrationdethhasanimortanteffectonimrovementofef-ygoypppp

ficiencndsafetfeuiment.Predictionofenetrationdeth,whichbasedonseabedsedimentteandyayoqpppyp,,barrelstrestleandothersuortinacilitiesintothecorer.Accordinocontrolvariablemethodthisppgfgt

,studhendesinedaseriesoftestsfordifferentweihtsenetrationseedsandsedimenttes.Resultsytggppypcalculationresultsbsintherevisedformulahavesmallererrorandwereclosertotherealsamlinatayugpgd:ReceivedAril12,2017p

,enineerinarameterswasthefocusofthiskindofstud.Accordinothegeneralstructureofgravitggpygty

,,istoncorerthisstudesinedandmanufacturedaweiht-chaneablegravitorerandaddedsedimentpydgggyc

,showedthatsedimentteweihtandpenetrationseedallplaifferentdereesofinfluencesonpene-ypgpydg

,trationdeths.Basedontestdatawerevisedtheexistinravitorerenetrationformulaaformula.Thepggycprelativetotheoriinalformula.g

:;;;Keordsravitamlinravitistoncorereneronservationenetrationdethgyspggypgycppyw