5 cm²微型双桥静力触探探头研制及尺寸效应研究

2020-05-08刘益平任亚群任治军

电力勘测设计 2020年4期

刘益平，葛阳，任亚群，任治军

(江苏省电力设计院有限公司，江苏南京 211102)

0 引言

架空输电线路工程地质勘测时，相邻勘探孔的间距较远，通常大于500 m，且架空输电线路铁塔的荷重不大，勘探孔深度往往较浅。在江苏等软土地区，架空输电线路工程地质勘测中，静力触探是常用的勘测设备，能够提供连续、准确的地层测试数据，为确保架空输电线路铁塔地基基础设计的安全性与经济性提供依据。目前，常规静力触探探头的尺寸以10 cm²、15 cm²为主，贯入地层时阻力较大，且常规静力触探设备体积大、设备笨重，在架空输电线路工程地质勘测中应用时，往往导致工效低、测试人员劳动强度大等问题，很大程度上限制了静力触探测试优点的发挥，甚至有些特殊场地，如兴化等水网地区，常规静力触探设备无法顺利运抵勘测位置。因此，减小探头的尺寸，可有效降低贯入时阻力，从而降低整套设备的体积和重量，提高静力触探测试在架空输电线路、输油气管道等类型工程中的适用性。

1 探头尺寸效应

根据静力触探的贯入机理，探头的形状和尺寸是影响静力触探测试成果的主要因素。

关于静力触探的尺寸效应问题，国内外学者均有研究。日本采用了锥底面积为2～20 cm²的8种探头[1]，在重塑软土中进行的对比试验表明，锥尖阻力随探头面积的增大而减小。以锥底面积为2 cm²和20 cm²的相比，探头面积增大到10倍，锥尖阻力减少了15%。见图1。

邱延俊[2]通过三个不同尺寸的探头在柔性边界标定罐中的静力触探试验，解释了临界深度、尺寸效应、土体密实度影响等贯入机理。关于探头尺寸效应的研究结论见图2：探头直径d一般来说对比贯入阻力ps影响不大，但若探头尺寸过小(d＜24 mm)时，比贯入阻力ps会随尺寸的变化发生较大改变，当尺寸超过一定范围(d＞30 mm)，比贯入阻力ps随探头直径的改变不再敏感。

为有效降低静力触探贯入地层时的阻力，减小探头的尺寸，由此带来的尺寸效应问题不可避免。如何解决探头的尺寸效应问题，保证新型微型探头测试数据与现行标准[3]的匹配、融合，是研制新型微型双桥探头的关键。

2 微型双桥探头研制与实测

2.1 研制目标

为有效解决静力触探贯入阻力的问题，并保证新型探头的实用性，本次研制提出了如下几个目标：①大幅减小探头尺寸，实现探头锥底面积从目前常用的10 cm²、15 cm²减小到5 cm²；②优化探头内部各元件布局，确保具备双桥测试功能，测试数据具有通用性；③适用于各种土层，且测试过程及数据稳定可靠；④探头外观上尽量倒角设置，进一步降低了探头的贯入阻力。

2.2 探头结构与构造

探头锥底面积的大幅减小，给实现双桥探头的内部构造设计带了巨大的难度。通过优化元件的空间布置，设计了异于传统探头的内部结构，实现了微型双桥探头结构的可移植性，能够同时获取锥尖阻力与侧壁阻力两种测试数据，准确地指导地层划分。

探头尺寸缩小，导致探头的整体刚度降低，在贯入地层时，受土层侧向抱压力的影响，摩擦筒易侧向变形，影响侧壁摩阻力的测试结果。鉴于此，优化常规探头的结构与构造思路，对侧壁弹性体的结构重新设计，并增加摩擦筒的硬度，把弹性体从套在主体筒外改成在主体筒内部，增加一字键、顶子、侧壁定位螺套等元件。5 cm²微型双桥静力触探探头内部构造见图3，包括锥尖 (1)、密封圈 (2、6、10、14)、锥端体 (3)、摩擦筒(4)、一字键(5)、顶子(7)、侧壁弹性体(8)、侧壁定位螺套(9)、连接套(11)、快速接头(12)、密封环(13)，具体尺寸参数见表1。

表1 5 cm²微型双桥静力触探探头尺寸参数

一字键是活动的，在有外力时可以顶住顶子，顶子受力点是弧面的，顶子与侧壁弹性体连接，侧壁定位螺套用来固定侧壁弹性体，在探头贯入地层时摩擦筒内端面压住一字键，一字键顶住连接侧壁弹性体的顶子，使侧壁弹性体产生微量变形，消除摩擦筒变形对侧壁摩阻力测试的影响。

2.3 实测曲线形态

为了检验本次研发的5 cm²微型双桥静力触探探头的实际应用效果，在多个试验场地把其实测曲线与10 cm²探头的测试曲线进行对比(对比测试孔的间距一般1.0 m左右)，典型对比结果见图4、图5。

从图4、图5对比可以看出，5 cm²、10 cm²两种探头的测试结果具有很好的一致性。qc～h曲线、fs～h曲线的形态均基本相同，验证了本5 cm²探头的实用性。另一方面，从具体的测试数值来看，5 cm²探头的测试结果稍大于10 cm²探头的测试结果，说明了探头尺寸效应的存在，需进一步通过尺寸效应分析来解决。

3 探头尺寸效应分析与确定

探头尺寸效应的研究主要有理论解析法、数值模拟法、模型(实测)试验法。常用的理论解析法主要有承载力理论、孔穴扩张理论、应变路径法等。但理论解析法存在较多局限性，如承载力理论中的极限平衡法只考虑了破坏土体的整体平衡，而并不满足每点处力的平衡；孔穴扩张理论将探头的贯入近似为空洞的膨胀，实际上是对边界条件做出了近似，所以理论解析法很难准确分析贯入全过程。因此，本文主要采用数值模拟法、模型(实测)试验法研究5 cm²微型双桥CPT探头的尺寸效应问题。

3.1 数值模拟分析

3.1.1 数值模型与验证

探头贯入土体的过程相当复杂，其涉及到材料非线性、几何非线性、边界非线性等问题。同时，当应变值超过了10%的时候，就不满足小变形理论的假设条件，而探头贯入土体的过程中，探头附近土体的平均应变往往超过了10%，需采用大变形数值模拟手段。本文将运用ABAQUS[4]软件，采用ALE大变形有限元法，研究探头的尺寸效应问题。

为简化计算量，探头贯入的模型可简化为轴对称问题；贯入过程对探头周边土体的影响在10倍探头直径处已很小，取φ1.50 m的土体区域进行分析；为消除临界深度对贯入阻力的影响，贯入深度取为0.44 m，即10倍的锥底面积为15 cm²探头的直径；贯入速率取规范[3]规定的2 cm/s；土体采用莫尔－库伦模型，屈服面采用摩尔库伦屈服准则，流动法则采用不相关联的法则。数值模型见图6。

ABAQUS大变形分析模型是否合理，需要最后的效果来进行检验。图7绘制出探头下沉0.44 m后的网格变形图，网格的形态都比较好，表明贯入过程中，模型网格调整、划分质量较高；图8为贯入过程的应力云图，可以看出其应力泡呈梨形，形态良好，与多数学者研究结果一致，说明了数值分析模型的可靠性。

3.1.2 数值模拟结果分析

本文模拟分析了三种尺寸探头(5 cm²、10 cm²、15 cm²)在四种不同类型土(软土、正常固结黏性土、粉土、砂土)中贯入的过程，得到其贯入时的锥尖阻力，见表2。

表2 探头贯入不同土层的锥尖阻力qc

从上表可以看出，探头的尺寸效应确实存在，且随着探头尺寸的减小，锥头阻力qc逐渐增大，这与前人的研究成果一致。另外，对于不同类型的土层，探头的尺寸效应不同，硬质土(正常固结黏性土、粉土、砂土)中的尺寸效应较接近，且较软土大。根据数值模拟结果，探头尺寸效应的影响在可接受范围内，只要对尺寸效应进行修正，5 cm²探头的测试结果即可进行实际工程应用，根据统计结果，软土锥尖阻力的修正系数为0.91，而硬质土锥尖阻力的修正系数为0.89。

3.2 实测对比分析

数值模拟结果揭示了微型探头的尺寸效应关系，为进一步提高本5 cm²微型双桥探头的测试精度，保证其通用性，并符合量产的要求，需通过大量场地土层中与常规尺寸探头的实测对比数据，确定本探头的最终的实测修正系数。通过大量实测数据的对比分析，最终确定了其尺寸效应修正系数，见表3。

表3 尺寸效应修正系数统计分析

从表3统计结果可以看出，根据实测结果对比分析而来的尺寸效应修正系数，与数值模拟分析的结果接近，验证了分析方法的正确性。根据统计分析结果，软土层中锥尖阻力qc的尺寸效应修正系数为0.92，侧壁摩阻力fs的尺寸效应修正系数为0.87；硬质土(正常固结黏性土、粉土、砂土)中锥尖阻力qc的尺寸效应修正系数为0.88，侧壁摩阻力fs的尺寸效应修正系数为0.90。本5 cm²探头修正后的测试结果与现行标准[3]的规定完全匹配、融合，可直接用于土层承载力计算等应用。

4 工程应用与效益

本次研发的5 cm²微型双桥静力触探探头实现了微型化和轻量化，大幅度减小了探头的尺寸，优化了传感器的布置结构，从大量数值模拟结果、实测对比数据中拟合出可靠的修正系数，从而成功提高了锥尖阻力、侧壁摩阻力的测试精度，并且通过密封圈、密封环的合理组合实现了内部结构的防水效果，与传统探头相比，具有更加轻便、更易贯入等优点。配合与之配套的轻量化静探贯入设备，在架空输电线路、输油气管道等类型工程中应用，经济效益明显。表4给出了某架空输电线路工程的工效对比分析结果。