我国是海洋大国，海洋资源开发和空间利用离不开一系列海底结构（如海底管缆、开采井、海底基础）。海底结构直接与海床作用，因此，深入把握海床土的力学特性参数是海底结构稳定性设计的前提。

海床土具有显著的空间变异性，且通常表现出应变软化（强度降低）和高剪应变率特性（强度提高），如图1所示。然而海洋环境恶劣、取样困难，且参数复杂，需发展快速高效的原位测试技术和装备。现有原位静力触探技术需要大型专业勘察平台/勘察船，岩土勘察费用极其昂贵，且测试时间长(近浅海，每天1-2个测点；深远海，反力架入水释放速度慢，受环境荷载干扰)，亟需通过技术创新研制开发测试效率高、环境适应性强和测试可靠性高的新型测试技术与装备。

图1 海洋土强度参数

图2 动力式球型触探仪

刘君教授团队研制开发了动力式球型触探仪，见图2。该动力式触探仪主要包括球型探头和流线型助推器，依靠自重在海水中下落获得动能并高速贯入海床土中，通过球型探头所测阻力、速度、加速度等数据反推海床土强度参数，具有自安装、速度快、费用低、适应环境能力强、可靠性好的特点，克服了原有静力触探的不足，是一种有发展潜力的深海原位测试技术和装备。团队突破了球型触探仪-海洋土-水动力相互作用机理的复杂性、移动边界、流固耦合、土的强非线性等难点，基于流体动力学大变形数值模拟方法探明了球型探头-土-水耦合作用机理，如图3(a)所示。在精细参数化分析的基础上建立了通过一次贯入过程即可快速解译海床土强度参数的反演方法，如图3(b)所示，具有较好的鲁棒性，能得到可靠的强度参数。

(a)

(b)

(c)

图3 基于动力式触探仪反演海床土强度参数：(a) 触探仪-土-水动力相互作用数值模拟；(b) 强度参数反演流程；(c) 海试结果

刘君教授团队于2020年将动力式球型触探仪从实验室推广至现场，在我国黄海海域进行了多组海试，见图3(c)。该动力触探仪经受了大风和大浪的考验，能助力于我国海洋油气、海上风机、深海天然气水合物开发等岩土工程勘察。除适用于海洋环境外，该触探仪也可以用于滩涂、沼泽、河道淤泥以及尾矿物等工程领域，具有广阔的应用前景。

依托上述研究，动力式球型触探仪获批中国以及美澳两国发明专利，并在岩土工程领域权威学术期刊Computers & Geotechnics和《岩土工程学报》发表论文2篇。研究得到国家自然科学基金重大项目（深海土与基础相互作用和海底结构安全设计，51890910）和面上项目（新型自由落体式球型贯入仪及土性参数识别方法，51979035）支持。

论文链接：

Interpreting strength parameters in soft clays from a new free-fall penetrometer - ScienceDirect

新型组合动力锚安装性能现场试验研究 - 中国知网 (cnki.net)