静力触探法检测水泥搅拌桩损伤机理研究

2022-09-16赵岩松

东北水利水电 2022年9期

赵岩松

（大连河海水利水电勘测设计有限公司，辽宁大连 116021）

0 引言

采用预置管法静力触探技术，在水泥搅拌桩检测过程中拥有检测准确性高、周期短、操作便捷等优点，但在检测过程中会导致水泥搅拌桩桩体的损伤破坏，进而影响地基的承载力。因此，有必要对桩体损伤的因素进行分析。

目前，已经有较多的专家学者开展了相关的研究。李国维等[1]开展了现场及室内实验，对水泥搅拌桩成桩质量进行快速检测；郑亚坤等[2]通过室内模型试验分析了PVC插管直径、强度对解决探头偏桩问题的效果；周健等[3]建立了静力触探的数值模型，模拟了静力触探贯入过程、锥尖土体及桩体的细观力学特征；耿功巧等[4]对探头在黏土中的贯入进行ABAQUS有限元模拟，分析了探头半径和贯入速率对探头在黏土中的贯入过程；宋刚等[5]分析了浆喷桩和粉喷桩桩身锥尖阻力随龄期、深度的变化规律，分析了相同桩体不同操作人员、不同检验位置对锥尖阻力的影响；于宁等[6]采用静力触探技术，分析了富水区域注浆前后的土体物理性质变化；姜开放[7]采用室内模型试验、室内微细观分析、物理力学试验及理论分析相结合的方法，分析了颗粒形状及应力状态对静力触探贯入阻力的影响规律；张静学[8]将静力触探经验公式计算出的地基承载力特征值与载荷试验结果对比，分析土层在不同状态下最接近载荷试验结果的经验公式。

下文基于数值分析的研究方法，拟分析预置管法静力触探检测桩体过程中的损伤，分析在贯入过程中影响损伤区范围的因素。

1 建立模型

该研究以某实际工程参数建立数值分析模型，水泥搅拌桩施工时周边土体为高液限的粘土，土体的相关参数如表1所示。水泥为强度等级32.5的复合硅酸盐水泥，水泥的相关参数如表2所示。静力触探的插管采用PVC插管，采用摩尔-库伦弹塑性模型进行计算，将上述的水泥土体搅拌后的强度进行测量，得到水泥桩和插管模型的相关物理力学参数，见表3。

表1 土体物理力学参数

表2 水泥物理力学参数

表3 模型物理力学参数

将模拟过程分成两个步骤，第一步为平衡地应力，第二步主要是采用显示动态分析探杆的贯入过程，桩体变形分析采用大变形，贯入过程的时间步长为75 s，贯入深度为1.50 m，贯入桩体的速率为2.0 cm/s。

模型中桩体与PVC管体的自由度相同且变形连续，相互之间为绑定约束。对于桩体与PVC管体的应力传递：在切向方向上，两模型之间只存在摩擦应力作用，两模型之间的摩擦应力系数为0.15；在法向方向上，当桩体与PVC管体存在挤压才能传递挤压法向应力作用，不接触则两模型之间不存在法向应力作用。根据相关文献研究，当土体模型的单元结构小于探头直径的0.16倍时，模型计算结果的准确度更高。模型的网格划分如图1所示，在模型网格划分过程中，对桩体中心位置处的网格进行加密，探杆及PVC管体的网格单元尺寸为探头直径的0.03倍，桩体中心位置处的网格尺寸为0.01倍，桩体外侧的网格尺寸为0.03倍，网格尺寸由中心位置处向桩体外侧均匀增大，既有利于提高模型计算精度，又有利于减小模型计算的工作量。

图1 模型单元网格划分

2 静力触探模拟结果分析

2.1 等效塑性应变与插管直径的关系

对于材料屈服应变的描述，采用等效塑性应变可以明确表征。等效塑性应变是一种累积的应变作用，通过以下方法计算：

等效塑性应变能够较好地体现材料的屈服状态[9，10]。通过等效模型试验可得，当探杆贯入桩体且桩体产生裂缝时，表明桩体被破坏。在此情况下，桩体外边缘位置处的最小等效塑性应变值为60 με。为了保证模拟试验结果的准确性，提高材料屈服的安全系数，将最小等效塑性应变值60 με作为该模拟结构破坏最大应力状态。

当插管的弹性模量为3.2 GPa，锥尖角度为60°，检测桩体的养护龄期为7 d，插管壁厚为3 mm时，不同直径（内径分别为32，34，36，38，40 mm）的插管作用下桩体的等效塑性应变值与深度关系如图2所示。同一深度下，随着桩体插管直径的增大，桩体的等效塑性应变值逐渐减小。对于同一直径的插管，在模型桩体的两端，等效塑性应变值出现较大范围的变动，这主要是由于桩体的两端存在几何边界效应，在桩体中间位置处，等效塑性应变值变化幅度不大。因而，插管直径越大，越有利于控制桩体在插管过程中的损坏，对于直径32～40 mm的插管优先考虑采用直径大的插管。

图2 等效塑性应变与插管直径关系图

2.2 等效塑性应变与插管强度的关系

当插管的直径为40 mm，锥尖角度为60°，检测桩体的养护龄期为7 d，插管壁厚为3 mm时，不同强度的插管（①插管弹性模量2.8 GPa，黏聚力2.8 MPa；②插管弹性模量3.0 GPa，黏聚力3.0 MPa；③插管弹性模量3.2 GPa，黏聚力3.2 MPa；④插管弹性模量3.4 GPa，黏聚力3.4 MPa）作用下，桩体的等效塑性应变值与深度关系如图3所示。分析图3中的数据可以发现，对于以上4种工况，在同一贯入深度下，当插管强度不同时，等效塑性应变值差值均小于10-3ε，且4条等效塑性应变曲线无明显的变化规律，因此，插管强度对等效塑性应变值影响不大。响效果较小，插管壁厚与桩体等效塑性应变呈负相关。

图3 等效塑性应变随插管强度变化曲线

2.3 等效塑性应变与锥尖角度及养护龄期的关系

当插管的直径为40 mm，插管弹性模量为3.2 GPa，插管壁厚为3 mm时，通过改变探头的锥尖角度（30°，60°）及水泥搅拌桩桩体的养护龄期（7 d，28 d），得到桩体的等效塑性应变值与深度关系，见图5。分析图5中的数据可以发现，探头的锥尖角度为30°时，桩体的等效塑性应变值明显小于60°时的情况，这主要是由于探头的锥尖角度越小，插管过程中对于水泥搅拌桩桩体的干扰范围越小，水泥搅拌桩桩体的等效塑性应变值越小。养护龄期为28 d的等效塑性应变值略小于养护龄期为7 d的桩体，这主要是由于养护时间越长，桩体的强度越高，在其他条件相同的情况下，抵抗探头插入过程的干扰能力越强，桩体的等效塑性应变值越小。

当插管的直径为40 mm，检测桩体的养护龄期为7 d，锥尖角度为60°，插管弹性模量为3.2 GPa，黏聚力为3.2 MPa时，不同壁厚的插管（1，3 mm）桩体等效塑性应变值与深度关系如图4所示。模拟结果表明，壁厚为3 mm的插管等效塑性应变值小于壁厚为1 mm的插管。因此，壁厚较大的插管更有利于控制桩体在插管过程中的损坏，这主要是由于壁厚较大的插管在贯入过程中吸收了较多的挤压变形值，进而使得桩体产生较小的等效塑性应变。

图4 等效塑性应变与插管壁厚关系图

综上分析可得，预置管法静力触探贯入水泥搅拌桩过程中，插管强度对桩体等效塑性应变影

图5 等效塑性应变与锥尖角度、养护龄期关系图

综上分析可得，预置管法静力触探贯入水泥搅拌桩过程中，锥尖角度越小，插管过程中对于水泥搅拌桩桩体的损伤范围越小；养护龄期越长，桩体的强度越高，桩体抵抗探头插入过程的干扰能力越强，桩体的等效塑性应变值越小。

2.4 插管直径对桩体损伤范围的影响

当插管弹性模量为3.2 GPa，探头锥尖角度为60°，插管壁厚为3 mm，养护龄期为7 d，在确定损伤区范围过程中，当桩体的等效塑性应变值大于60 με时，即判定桩体在该范围内已破坏。在该工况下模拟贯入深度分别为0.50，1.00 m，桩体等效应变大于60 με时的点位分布状况，两种工况下损伤区范围与插管直径的关系见图6。分析图6中的数据可以发现，0.50，1.00 m两种深度位置处的损伤区范围相差较小，在整个桩体损伤区自上而下近似于圆柱体；在深度为0.13 m时，损伤区范围最大，以此损伤截面为横截面的圆柱体为损伤边界，圆柱体外不存在损伤区。