5 cm2微型雙橋靜力觸探探頭研制及尺寸效應研究

劉益平，葛 陽，任亞群，任治軍

(江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

架空輸電線路工程地質(zhì)勘測時，相鄰勘探孔的間距較遠，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)勘測中，靜力觸探是常用的勘測設備，能夠提供連續(xù)、準確的地層測試數(shù)據(jù)，為確保架空輸電線路鐵塔地基基礎設計的安全性與經(jīng)濟性提供依據(jù)。目前，常規(guī)靜力觸探探頭的尺寸以10 cm2、15 cm2為主，貫入地層時阻力較大，且常規(guī)靜力觸探設備體積大、設備笨重，在架空輸電線路工程地質(zhì)勘測中應用時，往往導致工效低、測試人員勞動強度大等問題，很大程度上限制了靜力觸探測試優(yōu)點的發(fā)揮，甚至有些特殊場地，如興化等水網(wǎng)地區(qū)，常規(guī)靜力觸探設備無法順利運抵勘測位置。因此，減小探頭的尺寸，可有效降低貫入時阻力，從而降低整套設備的體積和重量，提高靜力觸探測試在架空輸電線路、輸油氣管道等類型工程中的適用性。

1 探頭尺寸效應

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

關于靜力觸探的尺寸效應問題，國內(nèi)外學者均有研究。日本采用了錐底面積為2～20 cm2的8種探頭[1]，在重塑軟土中進行的對比試驗表明，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%。見圖1。

邱延俊[2]通過三個不同尺寸的探頭在柔性邊界標定罐中的靜力觸探試驗，解釋了臨界深度、尺寸效應、土體密實度影響等貫入機理。關于探頭尺寸效應的研究結論見圖2：探頭直徑d一般來說對比貫入阻力ps影響不大，但若探頭尺寸過小(d＜24 mm)時，比貫入阻力ps會隨尺寸的變化發(fā)生較大改變，當尺寸超過一定范圍(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的阻力，減小探頭的尺寸，由此帶來的尺寸效應問題不可避免。如何解決探頭的尺寸效應問題，保證新型微型探頭測試數(shù)據(jù)與現(xiàn)行標準[3]的匹配、融合，是研制新型微型雙橋探頭的關鍵。

2 微型雙橋探頭研制與實測

2.1 研制目標

為有效解決靜力觸探貫入阻力的問題，并保證新型探頭的實用性，本次研制提出了如下幾個目標：①大幅減小探頭尺寸，實現(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，確保具備雙橋測試功能，測試數(shù)據(jù)具有通用性；③適用于各種土層，且測試過程及數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；④探頭外觀上盡量倒角設置，進一步降低了探頭的貫入阻力。

2.2 探頭結構與構造

探頭錐底面積的大幅減小，給實現(xiàn)雙橋探頭的內(nèi)部構造設計帶了巨大的難度。通過優(yōu)化元件的空間布置，設計了異于傳統(tǒng)探頭的內(nèi)部結構，實現(xiàn)了微型雙橋探頭結構的可移植性，能夠同時獲取錐尖阻力與側壁阻力兩種測試數(shù)據(jù)，準確地指導地層劃分。

探頭尺寸縮小，導致探頭的整體剛度降低，在貫入地層時，受土層側向抱壓力的影響，摩擦筒易側向變形，影響側壁摩阻力的測試結果。鑒于此，優(yōu)化常規(guī)探頭的結構與構造思路，對側壁彈性體的結構重新設計，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、側壁定位螺套等元件。5 cm2微型雙橋靜力觸探探頭內(nèi)部構造見圖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)、側壁彈性體(8)、側壁定位螺套(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)

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

2.3 實測曲線形態(tài)

為了檢驗本次研發(fā)的5 cm2微型雙橋靜力觸探探頭的實際應用效果，在多個試驗場地把其實測曲線與10 cm2探頭的測試曲線進行對比(對比測試孔的間距一般1.0 m左右)，典型對比結果見圖4、圖5。

從圖4、圖5對比可以看出，5 cm2、10 cm2兩種探頭的測試結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，驗證了本5 cm2探頭的實用性。另一方面，從具體的測試數(shù)值來看，5 cm2探頭的測試結果稍大于10 cm2探頭的測試結果，說明了探頭尺寸效應的存在，需進一步通過尺寸效應分析來解決。

3 探頭尺寸效應分析與確定

探頭尺寸效應的研究主要有理論解析法、數(shù)值模擬法、模型(實測)試驗法。常用的理論解析法主要有承載力理論、孔穴擴張理論、應變路徑法等。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，而并不滿足每點處力的平衡；孔穴擴張理論將探頭的貫入近似為空洞的膨脹，實際上是對邊界條件做出了近似，所以理論解析法很難準確分析貫入全過程。因此，本文主要采用數(shù)值模擬法、模型(實測)試驗法研究5 cm2微型雙橋CPT探頭的尺寸效應問題。

3.1 數(shù)值模擬分析

3.1.1 數(shù)值模型與驗證

探頭貫入土體的過程相當復雜，其涉及到材料非線性、幾何非線性、邊界非線性等問題。同時，當應變值超過了10%的時候，就不滿足小變形理論的假設條件，而探頭貫入土體的過程中，探頭附近土體的平均應變往往超過了10%，需采用大變形數(shù)值模擬手段。本文將運用ABAQUS[4]軟件，采用ALE大變形有限元法，研究探頭的尺寸效應問題。

為簡化計算量，探頭貫入的模型可簡化為軸對稱問題；貫入過程對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)域進行分析；為消除臨界深度對貫入阻力的影響，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－庫倫模型，屈服面采用摩爾庫倫屈服準則，流動法則采用不相關聯(lián)的法則。數(shù)值模型見圖6。

ABAQUS大變形分析模型是否合理，需要最后的效果來進行檢驗。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，表明貫入過程中，模型網(wǎng)格調(diào)整、劃分質(zhì)量較高；圖8為貫入過程的應力云圖，可以看出其應力泡呈梨形，形態(tài)良好，與多數(shù)學者研究結果一致，說明了數(shù)值分析模型的可靠性。

3.1.2 數(shù)值模擬結果分析

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、正常固結黏性土、粉土、砂土)中貫入的過程，得到其貫入時的錐尖阻力，見表2。

表2 探頭貫入不同土層的錐尖阻力qc

從上表可以看出，探頭的尺寸效應確實存在，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，對于不同類型的土層，探頭的尺寸效應不同，硬質(zhì)土(正常固結黏性土、粉土、砂土)中的尺寸效應較接近，且較軟土大。根據(jù)數(shù)值模擬結果，探頭尺寸效應的影響在可接受范圍內(nèi)，只要對尺寸效應進行修正，5 cm2探頭的測試結果即可進行實際工程應用，根據(jù)統(tǒng)計結果，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 實測對比分析

數(shù)值模擬結果揭示了微型探頭的尺寸效應關系，為進一步提高本5 cm2微型雙橋探頭的測試精度，保證其通用性，并符合量產(chǎn)的要求，需通過大量場地土層中與常規(guī)尺寸探頭的實測對比數(shù)據(jù)，確定本探頭的最終的實測修正系數(shù)。通過大量實測數(shù)據(jù)的對比分析，最終確定了其尺寸效應修正系數(shù)，見表3。

表3 尺寸效應修正系數(shù)統(tǒng)計分析

從表3統(tǒng)計結果可以看出，根據(jù)實測結果對比分析而來的尺寸效應修正系數(shù)，與數(shù)值模擬分析的結果接近，驗證了分析方法的正確性。根據(jù)統(tǒng)計分析結果，軟土層中錐尖阻力qc的尺寸效應修正系數(shù)為0.92，側壁摩阻力fs的尺寸效應修正系數(shù)為0.87；硬質(zhì)土(正常固結黏性土、粉土、砂土)中錐尖阻力qc的尺寸效應修正系數(shù)為0.88，側壁摩阻力fs的尺寸效應修正系數(shù)為0.90。本5 cm2探頭修正后的測試結果與現(xiàn)行標準[3]的規(guī)定完全匹配、融合，可直接用于土層承載力計算等應用。

4 工程應用與效益

本次研發(fā)的5 cm2微型雙橋靜力觸探探頭實現(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構，從大量數(shù)值模擬結果、實測對比數(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、側壁摩阻力的測試精度，并且通過密封圈、密封環(huán)的合理組合實現(xiàn)了內(nèi)部結構的防水效果，與傳統(tǒng)探頭相比，具有更加輕便、更易貫入等優(yōu)點。配合與之配套的輕量化靜探貫入設備，在架空輸電線路、輸油氣管道等類型工程中應用，經(jīng)濟效益明顯。表4給出了某架空輸電線路工程的工效對比分析結果。

表4 工效對比分析

5 結論

通過優(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、實測對比，解決了微型探頭的尺寸效應問題，得出如下主要結論：

1) 5 cm2微型探頭尺寸小，內(nèi)部布局合理，實現(xiàn)了雙橋測試功能，且測試曲線準確、穩(wěn)定。

2)通過尺寸效應修正系數(shù)，微型探頭測試結果與現(xiàn)行標準匹配，尺寸效應修正系數(shù)：軟土層中錐尖阻力qc為0.92、側壁摩阻力fs為0.87、硬質(zhì)土中錐尖阻力qc為0.88、側壁摩阻力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，具有較好的應用前景。