劉益平，葛 陽(yáng)，任亞群，任治軍

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

架空輸電線路工程地質(zhì)勘測(cè)時(shí)，相鄰勘探孔的間距較遠(yuǎn)，通常大于500 m，且架空輸電線路鐵塔的荷重不大，勘探孔深度往往較淺。在江蘇等軟土地區(qū)，架空輸電線路工程地質(zhì)勘測(cè)中，靜力觸探是常用的勘測(cè)設(shè)備，能夠提供連續(xù)、準(zhǔn)確的地層測(cè)試數(shù)據(jù)，為確保架空輸電線路鐵塔地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)性提供依據(jù)。目前，常規(guī)靜力觸探探頭的尺寸以10 cm2、15 cm2為主，貫入地層時(shí)阻力較大，且常規(guī)靜力觸探設(shè)備體積大、設(shè)備笨重，在架空輸電線路工程地質(zhì)勘測(cè)中應(yīng)用時(shí)，往往導(dǎo)致工效低、測(cè)試人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，很大程度上限制了靜力觸探測(cè)試優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮，甚至有些特殊場(chǎng)地，如興化等水網(wǎng)地區(qū)，常規(guī)靜力觸探設(shè)備無(wú)法順利運(yùn)抵勘測(cè)位置。因此，減小探頭的尺寸，可有效降低貫入時(shí)阻力，從而降低整套設(shè)備的體積和重量，提高靜力觸探測(cè)試在架空輸電線路、輸油氣管道等類型工程中的適用性。

1 探頭尺寸效應(yīng)

根據(jù)靜力觸探的貫入機(jī)理，探頭的形狀和尺寸是影響靜力觸探測(cè)試成果的主要因素。

關(guān)于靜力觸探的尺寸效應(yīng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均有研究。日本采用了錐底面積為2～20 cm2的8種探頭[1]，在重塑軟土中進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)表明，錐尖阻力隨探頭面積的增大而減小。以錐底面積為2 cm2和20 cm2的相比，探頭面積增大到10倍，錐尖阻力減少了15%。見(jiàn)圖1。

邱延俊[2]通過(guò)三個(gè)不同尺寸的探頭在柔性邊界標(biāo)定罐中的靜力觸探試驗(yàn)，解釋了臨界深度、尺寸效應(yīng)、土體密實(shí)度影響等貫入機(jī)理。關(guān)于探頭尺寸效應(yīng)的研究結(jié)論見(jiàn)圖2：探頭直徑d一般來(lái)說(shuō)對(duì)比貫入阻力ps影響不大，但若探頭尺寸過(guò)小(d＜24 mm)時(shí)，比貫入阻力ps會(huì)隨尺寸的變化發(fā)生較大改變，當(dāng)尺寸超過(guò)一定范圍(d＞30 mm)，比貫入阻力ps隨探頭直徑的改變不再敏感。

為有效降低靜力觸探貫入地層時(shí)的阻力，減小探頭的尺寸，由此帶來(lái)的尺寸效應(yīng)問(wèn)題不可避免。如何解決探頭的尺寸效應(yīng)問(wèn)題，保證新型微型探頭測(cè)試數(shù)據(jù)與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[3]的匹配、融合，是研制新型微型雙橋探頭的關(guān)鍵。

2 微型雙橋探頭研制與實(shí)測(cè)

2.1 研制目標(biāo)

為有效解決靜力觸探貫入阻力的問(wèn)題，并保證新型探頭的實(shí)用性，本次研制提出了如下幾個(gè)目標(biāo)：①大幅減小探頭尺寸，實(shí)現(xiàn)探頭錐底面積從目前常用的10 cm2、15 cm2減小到5 cm2；②優(yōu)化探頭內(nèi)部各元件布局，確保具備雙橋測(cè)試功能，測(cè)試數(shù)據(jù)具有通用性；③適用于各種土層，且測(cè)試過(guò)程及數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；④探頭外觀上盡量倒角設(shè)置，進(jìn)一步降低了探頭的貫入阻力。

2.2 探頭結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

探頭錐底面積的大幅減小，給實(shí)現(xiàn)雙橋探頭的內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)帶了巨大的難度。通過(guò)優(yōu)化元件的空間布置，設(shè)計(jì)了異于傳統(tǒng)探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了微型雙橋探頭結(jié)構(gòu)的可移植性，能夠同時(shí)獲取錐尖阻力與側(cè)壁阻力兩種測(cè)試數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地指導(dǎo)地層劃分。

探頭尺寸縮小，導(dǎo)致探頭的整體剛度降低，在貫入地層時(shí)，受土層側(cè)向抱壓力的影響，摩擦筒易側(cè)向變形，影響側(cè)壁摩阻力的測(cè)試結(jié)果。鑒于此，優(yōu)化常規(guī)探頭的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造思路，對(duì)側(cè)壁彈性體的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，并增加摩擦筒的硬度，把彈性體從套在主體筒外改成在主體筒內(nèi)部，增加一字鍵、頂子、側(cè)壁定位螺套等元件。5 cm2微型雙橋靜力觸探探頭內(nèi)部構(gòu)造見(jiàn)圖3，包括錐尖 (1)、密封圈 (2、6、10、14)、錐端體 (3)、摩擦筒(4)、一字鍵(5)、頂子(7)、側(cè)壁彈性體(8)、側(cè)壁定位螺套(9)、連接套(11)、快速接頭(12)、密封環(huán)(13)，具體尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 5 cm2微型雙橋靜力觸探探頭尺寸參數(shù)

一字鍵是活動(dòng)的，在有外力時(shí)可以頂住頂子，頂子受力點(diǎn)是弧面的，頂子與側(cè)壁彈性體連接，側(cè)壁定位螺套用來(lái)固定側(cè)壁彈性體，在探頭貫入地層時(shí)摩擦筒內(nèi)端面壓住一字鍵，一字鍵頂住連接側(cè)壁彈性體的頂子，使側(cè)壁彈性體產(chǎn)生微量變形，消除摩擦筒變形對(duì)側(cè)壁摩阻力測(cè)試的影響。

2.3 實(shí)測(cè)曲線形態(tài)

為了檢驗(yàn)本次研發(fā)的5 cm2微型雙橋靜力觸探探頭的實(shí)際應(yīng)用效果，在多個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地把其實(shí)測(cè)曲線與10 cm2探頭的測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比(對(duì)比測(cè)試孔的間距一般1.0 m左右)，典型對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

從圖4、圖5對(duì)比可以看出，5 cm2、10 cm2兩種探頭的測(cè)試結(jié)果具有很好的一致性。qc～h曲線、fs～h曲線的形態(tài)均基本相同，驗(yàn)證了本5 cm2探頭的實(shí)用性。另一方面，從具體的測(cè)試數(shù)值來(lái)看，5 cm2探頭的測(cè)試結(jié)果稍大于10 cm2探頭的測(cè)試結(jié)果，說(shuō)明了探頭尺寸效應(yīng)的存在，需進(jìn)一步通過(guò)尺寸效應(yīng)分析來(lái)解決。

3 探頭尺寸效應(yīng)分析與確定

探頭尺寸效應(yīng)的研究主要有理論解析法、數(shù)值模擬法、模型(實(shí)測(cè))試驗(yàn)法。常用的理論解析法主要有承載力理論、孔穴擴(kuò)張理論、應(yīng)變路徑法等。但理論解析法存在較多局限性，如承載力理論中的極限平衡法只考慮了破壞土體的整體平衡，而并不滿足每點(diǎn)處力的平衡；孔穴擴(kuò)張理論將探頭的貫入近似為空洞的膨脹，實(shí)際上是對(duì)邊界條件做出了近似，所以理論解析法很難準(zhǔn)確分析貫入全過(guò)程。因此，本文主要采用數(shù)值模擬法、模型(實(shí)測(cè))試驗(yàn)法研究5 cm2微型雙橋CPT探頭的尺寸效應(yīng)問(wèn)題。

3.1 數(shù)值模擬分析

3.1.1 數(shù)值模型與驗(yàn)證

探頭貫入土體的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，其涉及到材料非線性、幾何非線性、邊界非線性等問(wèn)題。同時(shí)，當(dāng)應(yīng)變值超過(guò)了10%的時(shí)候，就不滿足小變形理論的假設(shè)條件，而探頭貫入土體的過(guò)程中，探頭附近土體的平均應(yīng)變往往超過(guò)了10%，需采用大變形數(shù)值模擬手段。本文將運(yùn)用ABAQUS[4]軟件，采用ALE大變形有限元法，研究探頭的尺寸效應(yīng)問(wèn)題。

為簡(jiǎn)化計(jì)算量，探頭貫入的模型可簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問(wèn)題；貫入過(guò)程對(duì)探頭周邊土體的影響在10倍探頭直徑處已很小，取φ1.50 m的土體區(qū)域進(jìn)行分析；為消除臨界深度對(duì)貫入阻力的影響，貫入深度取為0.44 m，即10倍的錐底面積為15 cm2探頭的直徑；貫入速率取規(guī)范[3]規(guī)定的2 cm/s；土體采用莫爾－庫(kù)倫模型，屈服面采用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，流動(dòng)法則采用不相關(guān)聯(lián)的法則。數(shù)值模型見(jiàn)圖6。

ABAQUS大變形分析模型是否合理，需要最后的效果來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。圖7繪制出探頭下沉0.44 m后的網(wǎng)格變形圖，網(wǎng)格的形態(tài)都比較好，表明貫入過(guò)程中，模型網(wǎng)格調(diào)整、劃分質(zhì)量較高；圖8為貫入過(guò)程的應(yīng)力云圖，可以看出其應(yīng)力泡呈梨形，形態(tài)良好，與多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果一致，說(shuō)明了數(shù)值分析模型的可靠性。

3.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文模擬分析了三種尺寸探頭(5 cm2、10 cm2、15 cm2)在四種不同類型土(軟土、正常固結(jié)黏性土、粉土、砂土)中貫入的過(guò)程，得到其貫入時(shí)的錐尖阻力，見(jiàn)表2。

表2 探頭貫入不同土層的錐尖阻力qc

從上表可以看出，探頭的尺寸效應(yīng)確實(shí)存在，且隨著探頭尺寸的減小，錐頭阻力qc逐漸增大，這與前人的研究成果一致。另外，對(duì)于不同類型的土層，探頭的尺寸效應(yīng)不同，硬質(zhì)土(正常固結(jié)黏性土、粉土、砂土)中的尺寸效應(yīng)較接近，且較軟土大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，探頭尺寸效應(yīng)的影響在可接受范圍內(nèi)，只要對(duì)尺寸效應(yīng)進(jìn)行修正，5 cm2探頭的測(cè)試結(jié)果即可進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，軟土錐尖阻力的修正系數(shù)為0.91，而硬質(zhì)土錐尖阻力的修正系數(shù)為0.89。

3.2 實(shí)測(cè)對(duì)比分析

數(shù)值模擬結(jié)果揭示了微型探頭的尺寸效應(yīng)關(guān)系，為進(jìn)一步提高本5 cm2微型雙橋探頭的測(cè)試精度，保證其通用性，并符合量產(chǎn)的要求，需通過(guò)大量場(chǎng)地土層中與常規(guī)尺寸探頭的實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)，確定本探頭的最終的實(shí)測(cè)修正系數(shù)。通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，最終確定了其尺寸效應(yīng)修正系數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 尺寸效應(yīng)修正系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

從表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析而來(lái)的尺寸效應(yīng)修正系數(shù)，與數(shù)值模擬分析的結(jié)果接近，驗(yàn)證了分析方法的正確性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，軟土層中錐尖阻力qc的尺寸效應(yīng)修正系數(shù)為0.92，側(cè)壁摩阻力fs的尺寸效應(yīng)修正系數(shù)為0.87；硬質(zhì)土(正常固結(jié)黏性土、粉土、砂土)中錐尖阻力qc的尺寸效應(yīng)修正系數(shù)為0.88，側(cè)壁摩阻力fs的尺寸效應(yīng)修正系數(shù)為0.90。本5 cm2探頭修正后的測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[3]的規(guī)定完全匹配、融合，可直接用于土層承載力計(jì)算等應(yīng)用。

4 工程應(yīng)用與效益

本次研發(fā)的5 cm2微型雙橋靜力觸探探頭實(shí)現(xiàn)了微型化和輕量化，大幅度減小了探頭的尺寸，優(yōu)化了傳感器的布置結(jié)構(gòu)，從大量數(shù)值模擬結(jié)果、實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)中擬合出可靠的修正系數(shù)，從而成功提高了錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力的測(cè)試精度，并且通過(guò)密封圈、密封環(huán)的合理組合實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的防水效果，與傳統(tǒng)探頭相比，具有更加輕便、更易貫入等優(yōu)點(diǎn)。配合與之配套的輕量化靜探貫入設(shè)備，在架空輸電線路、輸油氣管道等類型工程中應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。表4給出了某架空輸電線路工程的工效對(duì)比分析結(jié)果。

表4 工效對(duì)比分析

5 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化探頭內(nèi)部元件布局，研制出5 cm2微型雙橋靜力觸探探頭，并借助數(shù)值模擬、實(shí)測(cè)對(duì)比，解決了微型探頭的尺寸效應(yīng)問(wèn)題，得出如下主要結(jié)論：

1) 5 cm2微型探頭尺寸小，內(nèi)部布局合理，實(shí)現(xiàn)了雙橋測(cè)試功能，且測(cè)試曲線準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

2)通過(guò)尺寸效應(yīng)修正系數(shù)，微型探頭測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)匹配，尺寸效應(yīng)修正系數(shù)：軟土層中錐尖阻力qc為0.92、側(cè)壁摩阻力fs為0.87、硬質(zhì)土中錐尖阻力qc為0.88、側(cè)壁摩阻力fs為0.90。

3)與傳統(tǒng)探頭相比，微型探頭貫入阻力大幅降低，效益明顯，具有較好的應(yīng)用前景。