(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

T型觸探也叫全流觸探，是原位測(cè)試軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度的一種方法。近年來(lái)在海域極低強(qiáng)度軟黏土的原位測(cè)試中得到應(yīng)用。Stewart和Randolph將T型觸探應(yīng)用到工程現(xiàn)場(chǎng)軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度測(cè)試中。國(guó)內(nèi)王冉冉采用室內(nèi)試驗(yàn)和離心機(jī)試驗(yàn)，對(duì)探頭尺寸、貫入速率等影響因素進(jìn)行了研究，與十字板試驗(yàn)、圓錐貫入儀等測(cè)試手段進(jìn)行了對(duì)比。Zhou和范慶來(lái)等采用數(shù)值模擬方法研究了貫入速率、地基土強(qiáng)度各向異性及其軟化效應(yīng)的影響。

傳統(tǒng)T型觸探探頭截面為圓形，測(cè)試結(jié)果解譯有嚴(yán)格的理論依據(jù)，測(cè)試效率高，能得到沿深度的連續(xù)不排水抗剪強(qiáng)度值，但測(cè)試結(jié)果受探頭表面粗糙度的影響較大，對(duì)應(yīng)于完全光滑和完全粗糙兩種極限條件，測(cè)試結(jié)果差值與均值比達(dá)26%。實(shí)際工程中，受加工以及現(xiàn)場(chǎng)磨損的影響，很難控制探頭的粗糙度,一定程度上限制了該試驗(yàn)方法的應(yīng)用。采用其它形狀探頭的觸探儀，以減小系統(tǒng)誤差，一直是工程和學(xué)術(shù)界努力研究的方向。

基于極限分析原理，本文求得了菱形截面探頭阻力的精確解，分析了系統(tǒng)誤差隨菱形軸長(zhǎng)比的變化，找到了最優(yōu)的軸長(zhǎng)比區(qū)間，得到了菱形截面探頭工作所需的計(jì)算參數(shù)，提出了具體工作方法。

1 基本假設(shè)

設(shè)無(wú)限長(zhǎng)菱形截面探頭長(zhǎng)半軸長(zhǎng)為a，短半軸長(zhǎng)為b。探頭位移方向?yàn)閥，位移速度為V0，位于充滿軟黏土的無(wú)限空間內(nèi)(圖1)。軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度為Su。

圖1 探頭剖面及位移

為了求得圖1所示條件下探頭貫入阻力系數(shù)，采用兩項(xiàng)假設(shè)：(1)軟黏土強(qiáng)度服從Tresca屈服條件，僅有不排水抗剪強(qiáng)度Su一個(gè)指標(biāo)；(2)探頭為無(wú)限長(zhǎng)桿，勻速壓入土中，可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題。探頭貫入過程中，軟黏土只產(chǎn)生局部塑性變形，無(wú)排水發(fā)生，體積保持不變，滿足理想剛塑性體的Tresca屈服條件，根據(jù)極限分析法可以得到較可靠的結(jié)果。

探頭土界面土單元的摩爾應(yīng)力圓見圖2。當(dāng)土單元處于極限狀態(tài)時(shí)，滑移線與探頭表面的夾角為。其中，sinΔ=λ。對(duì)于粗糙和光滑狀態(tài)，滑移線與探頭表面的夾角分別為0和。

圖2 探頭土界面土單元摩爾應(yīng)力圓

根據(jù)圖2，得到探頭表面與周邊土體之間的粘著力c與不排水抗剪強(qiáng)度有如下關(guān)系：

式中：λ為探頭表面粗糙度，0≤λ≤1。當(dāng)λ=0時(shí)，表示探頭表面光滑；當(dāng)λ=1時(shí)，表示探頭表面粗糙。

為簡(jiǎn)潔起見，本文只分析表面粗糙和光滑2個(gè)極限條件。極限條件下滑移線場(chǎng)見圖3。

圖3 極限條件下滑移線場(chǎng)

2 下限解

2.1 粗糙條件

當(dāng)b/a＜1時(shí)，根據(jù)圖3所示滑移線場(chǎng)，粗糙條件下的變形機(jī)制見圖4。在第Ⅰ象限內(nèi)形成三角形剛性核ABQ，該區(qū)域內(nèi)土體無(wú)相對(duì)滑移發(fā)生，與探頭一起運(yùn)動(dòng)。BCDQ區(qū)域?yàn)橥膱A柱殼區(qū)域，中心為Q點(diǎn)，相互轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度隨半徑的增大而減小。BQ線與x軸的夾角為π/4。

圖4 粗糙條件變形機(jī)制(b/a＜1)

圖5 光滑條件變形機(jī)制

設(shè)菱形水平中心線深度處的平均應(yīng)力為σ0。對(duì)于第Ⅰ象限，QD線上平均應(yīng)力為σ0。根據(jù)滑移線性質(zhì)，QC線上的平均應(yīng)力為σ0+2Suθ，QB線與QD的夾角為3π/4，QB線上的平均應(yīng)力為σ0+3/2 πSu。QB線所受阻力在垂直方向上的分量為PQBnⅠ：

同理，第Ⅳ象限QE線上的平均應(yīng)力為σ0－3/2πSu。則QE線所受阻力在垂直方向上的分量PQEnⅣ(與運(yùn)動(dòng)方向相同為負(fù)，下同)為：

根據(jù)對(duì)稱性，粗糙條件下，對(duì)于b/a＜1的菱形探頭，其運(yùn)動(dòng)過程中所受阻力下限解為：

與b/a＜1相似，求得b/a＞1的探頭阻力下限解：

式中 ：α=atanb/a。

2.2 光滑條件

根據(jù)圖3所示滑移線場(chǎng)，光滑條件下的變形機(jī)制見圖5。在第Ⅰ象限的滑移線場(chǎng)由均勻應(yīng)力場(chǎng)ABQ和同心圓柱殼區(qū)域BCDQ組成。BQ線與菱形探頭邊線QA的夾角為。

根據(jù)對(duì)稱性，光滑條件下，菱形探頭運(yùn)動(dòng)過程中所受阻力下限解為：

3 上限解

3.1 粗糙條件

對(duì)于b/a＜1的菱形，根據(jù)圖4的變形機(jī)制，QB線的速度曲線BCD以外土體的速度為0，BCD曲線以內(nèi)，土體運(yùn)動(dòng)速度為vt，方向與區(qū)域內(nèi)直線滑移線相垂直。Q點(diǎn)為奇異點(diǎn)。剛性區(qū)ABQ區(qū)域內(nèi)無(wú)相對(duì)滑移。

設(shè)速度間斷線BCD的長(zhǎng)度為L(zhǎng)BCD，間斷線兩側(cè)的相對(duì)速度其內(nèi)能消散率為ΔWBCD：

設(shè)同心圓柱區(qū)半徑QB的長(zhǎng)度為L(zhǎng)QB?？梢哉J(rèn)為該區(qū)域是由無(wú)數(shù)條長(zhǎng)為L(zhǎng)QB，兩側(cè)為相對(duì)速度Δvtdθ的速度間斷線窄條組成。則QBCD區(qū)域內(nèi)的內(nèi)能消散率為ΔWQBCD：

速度間斷線QB線上的內(nèi)能消散率ΔWQB為 ：

并將以上3部分內(nèi)能消散率加在一起，并考慮到對(duì)稱性，可得到總的內(nèi)能消散率W為：

外功率等于菱形探頭阻力PC+與速度v0的乘積。外功率與內(nèi)能消散率二者應(yīng)相等。由此得到粗糙條件探頭阻力上限解PC+：與b/a＜1相似，對(duì)于b/a＞1的菱形，得到粗糙條件探頭阻力上限解PC+：對(duì)比式(4)和式(13)，式(5)和式(14)可知，探頭阻力下限解與上限解PC+相同，所得阻力為精確解。

3.2 光滑條件

設(shè)速度間斷線AB的長(zhǎng)度為L(zhǎng)AB，間斷線兩側(cè)的相對(duì)速度其內(nèi)能消散率ΔWAB為 ：

設(shè)速度間斷線BCD的長(zhǎng)度為L(zhǎng)BCD，間斷線兩側(cè)的相對(duì)速度其內(nèi)能消散率ΔWBCD為：

設(shè)同心圓柱區(qū)半徑QB的長(zhǎng)度為L(zhǎng)QB?？梢哉J(rèn)為該區(qū)域是由無(wú)數(shù)條長(zhǎng)為L(zhǎng)QB，兩側(cè)為相對(duì)速度Δvtdθ的速度間斷線的窄條組成。則QBCD區(qū)域內(nèi)的內(nèi)能消散率ΔWQBCD為：

并將以上3部分內(nèi)能消散率加在一起，并考慮到對(duì)稱性，可得到總的內(nèi)能消散率W為：外功率等于菱形探頭阻力PC+與v0速度的乘積。外功率與內(nèi)能消散率二者應(yīng)相等。由此得到光滑條件探頭阻力上限解PS+：

對(duì)比式(8)和式(19)可知，探頭阻力下限解與上限解相同，所得阻力為精確解。

4 上下解對(duì)比與分析

表1 不同條件下菱形探頭阻力系數(shù)

從探頭使用看，表面光滑與粗糙條件下，阻力系數(shù)差值越小越好。為此，繪制光滑與粗糙兩種條件阻力系數(shù)差值與阻力系數(shù)平均值之比隨軸長(zhǎng)比的變化曲線(見圖6)。

圖6 阻力系數(shù)差值與平均值之比

從圖6看出，菱形截面探頭阻力系數(shù)差值與平均值之比，隨著軸長(zhǎng)比b/a的減小而減小，系統(tǒng)誤差減小。當(dāng)軸長(zhǎng)比為0.8時(shí)，菱形截面探頭阻力系數(shù)差值與平均值之比為26%，與傳統(tǒng)圓形截面探頭相當(dāng)。考慮探頭強(qiáng)度和變形影響，軸長(zhǎng)比可取0.5。當(dāng)軸長(zhǎng)比取0.5時(shí)，菱形截面探頭阻力系數(shù)差值與平均值之比為13%，明顯優(yōu)于圓形截面探頭。

5 實(shí)施方式

工程實(shí)踐中，菱形截面探頭與靜力觸探儀探頭的連接可采用錐槽式和絲扣式兩種方式連接。

見圖7，錐槽式在菱形截面探頭側(cè)面中部設(shè)置一頂角為60°的圓錐形容置槽。測(cè)試時(shí)，雙橋靜力觸探機(jī)探頭與菱形截面探頭容置槽相切合。

圖7 錐槽式探頭

見圖8，絲扣式在菱形截面探頭側(cè)面中部設(shè)置與靜力觸探機(jī)探頭端部相連接的螺絲扣。摘下雙橋靜力觸探探頭頂帽，將此螺絲扣與靜力觸探探頭端部相連。

圖8 絲扣式探頭

下壓過程中，通過探頭壓力傳感器測(cè)讀探頭錐尖阻力值。該值為菱形截面探頭所受地基土阻力除以靜力觸探探頭頂帽橫截面積后的數(shù)值，單位為MPa。因此將錐尖阻力乘以該面積，即得菱形截面探頭在下壓過程中所受阻力P。

探頭阻力P與探頭長(zhǎng)度L、菱形截面探頭軸長(zhǎng)a和b、軟黏土地基不排水抗剪強(qiáng)度有關(guān)，見式(20)。

式中：N為阻力系數(shù)，與軸長(zhǎng)比b/a有關(guān)，實(shí)際工作中取光滑與粗糙條件下的平均值進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)軸長(zhǎng)比b/a取0.5時(shí)，N－=13.28。根據(jù)式(20)可得軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度。測(cè)試過程中，沿深度一般每10 cm測(cè)一讀數(shù)，測(cè)試速度一般取1.2 m/min。

6 結(jié)論

(1)假定軟黏土服從Tresca強(qiáng)度條件，基于極限分析原理，求得了菱形截面T型觸探探頭阻力系數(shù)的解析解。

(2)研究表明隨著菱形截面探頭軸長(zhǎng)比的減小，探頭表面粗糙度對(duì)阻力系數(shù)的影響逐漸減小。當(dāng)軸長(zhǎng)比小于0.8時(shí)，菱形截面探頭受表面粗糙度的影響小于傳統(tǒng)圓形截面探頭。工程實(shí)用軸長(zhǎng)比可取0.5。

(3)提出了錐槽式和絲扣式兩種菱形截面探頭與靜力觸探探頭之間的結(jié)合方法，提出了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。