靜力觸探法檢測水泥攪拌樁損傷機理研究

趙巖松

（大連河海水利水電勘測設計有限公司，遼寧大連 116021）

0 引言

采用預置管法靜力觸探技術(shù)，在水泥攪拌樁檢測過程中擁有檢測準確性高、周期短、操作便捷等優(yōu)點，但在檢測過程中會導致水泥攪拌樁樁體的損傷破壞，進而影響地基的承載力。因此，有必要對樁體損傷的因素進行分析。

目前，已經(jīng)有較多的專家學者開展了相關(guān)的研究。李國維等[1]開展了現(xiàn)場及室內(nèi)實驗，對水泥攪拌樁成樁質(zhì)量進行快速檢測；鄭亞坤等[2]通過室內(nèi)模型試驗分析了PVC插管直徑、強度對解決探頭偏樁問題的效果；周健等[3]建立了靜力觸探的數(shù)值模型，模擬了靜力觸探貫入過程、錐尖土體及樁體的細觀力學特征；耿功巧等[4]對探頭在黏土中的貫入進行ABAQUS有限元模擬，分析了探頭半徑和貫入速率對探頭在黏土中的貫入過程；宋剛等[5]分析了漿噴樁和粉噴樁樁身錐尖阻力隨齡期、深度的變化規(guī)律，分析了相同樁體不同操作人員、不同檢驗位置對錐尖阻力的影響；于寧等[6]采用靜力觸探技術(shù)，分析了富水區(qū)域注漿前后的土體物理性質(zhì)變化；姜開放[7]采用室內(nèi)模型試驗、室內(nèi)微細觀分析、物理力學試驗及理論分析相結(jié)合的方法，分析了顆粒形狀及應力狀態(tài)對靜力觸探貫入阻力的影響規(guī)律；張靜學[8]將靜力觸探經(jīng)驗公式計算出的地基承載力特征值與載荷試驗結(jié)果對比，分析土層在不同狀態(tài)下最接近載荷試驗結(jié)果的經(jīng)驗公式。

下文基于數(shù)值分析的研究方法，擬分析預置管法靜力觸探檢測樁體過程中的損傷，分析在貫入過程中影響損傷區(qū)范圍的因素。

1 建立模型

該研究以某實際工程參數(shù)建立數(shù)值分析模型，水泥攪拌樁施工時周邊土體為高液限的粘土，土體的相關(guān)參數(shù)如表1所示。水泥為強度等級32.5的復合硅酸鹽水泥，水泥的相關(guān)參數(shù)如表2所示。靜力觸探的插管采用PVC插管，采用摩爾-庫倫彈塑性模型進行計算，將上述的水泥土體攪拌后的強度進行測量，得到水泥樁和插管模型的相關(guān)物理力學參數(shù)，見表3。

表1 土體物理力學參數(shù)

表2 水泥物理力學參數(shù)

表3 模型物理力學參數(shù)

將模擬過程分成兩個步驟，第一步為平衡地應力，第二步主要是采用顯示動態(tài)分析探桿的貫入過程，樁體變形分析采用大變形，貫入過程的時間步長為75 s，貫入深度為1.50 m，貫入樁體的速率為2.0 cm/s。

模型中樁體與PVC管體的自由度相同且變形連續(xù)，相互之間為綁定約束。對于樁體與PVC管體的應力傳遞：在切向方向上，兩模型之間只存在摩擦應力作用，兩模型之間的摩擦應力系數(shù)為0.15；在法向方向上，當樁體與PVC管體存在擠壓才能傳遞擠壓法向應力作用，不接觸則兩模型之間不存在法向應力作用。根據(jù)相關(guān)文獻研究，當土體模型的單元結(jié)構(gòu)小于探頭直徑的0.16倍時，模型計算結(jié)果的準確度更高。模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示，在模型網(wǎng)格劃分過程中，對樁體中心位置處的網(wǎng)格進行加密，探桿及PVC管體的網(wǎng)格單元尺寸為探頭直徑的0.03倍，樁體中心位置處的網(wǎng)格尺寸為0.01倍，樁體外側(cè)的網(wǎng)格尺寸為0.03倍，網(wǎng)格尺寸由中心位置處向樁體外側(cè)均勻增大，既有利于提高模型計算精度，又有利于減小模型計算的工作量。

圖1 模型單元網(wǎng)格劃分

2 靜力觸探模擬結(jié)果分析

2.1 等效塑性應變與插管直徑的關(guān)系

對于材料屈服應變的描述，采用等效塑性應變可以明確表征。等效塑性應變是一種累積的應變作用，通過以下方法計算：

等效塑性應變能夠較好地體現(xiàn)材料的屈服狀態(tài)[9，10]。通過等效模型試驗可得，當探桿貫入樁體且樁體產(chǎn)生裂縫時，表明樁體被破壞。在此情況下，樁體外邊緣位置處的最小等效塑性應變值為60 με。為了保證模擬試驗結(jié)果的準確性，提高材料屈服的安全系數(shù)，將最小等效塑性應變值60 με作為該模擬結(jié)構(gòu)破壞最大應力狀態(tài)。

當插管的彈性模量為3.2 GPa，錐尖角度為60°，檢測樁體的養(yǎng)護齡期為7 d，插管壁厚為3 mm時，不同直徑（內(nèi)徑分別為32，34，36，38，40 mm）的插管作用下樁體的等效塑性應變值與深度關(guān)系如圖2所示。同一深度下，隨著樁體插管直徑的增大，樁體的等效塑性應變值逐漸減小。對于同一直徑的插管，在模型樁體的兩端，等效塑性應變值出現(xiàn)較大范圍的變動，這主要是由于樁體的兩端存在幾何邊界效應，在樁體中間位置處，等效塑性應變值變化幅度不大。因而，插管直徑越大，越有利于控制樁體在插管過程中的損壞，對于直徑32～40 mm的插管優(yōu)先考慮采用直徑大的插管。

圖2 等效塑性應變與插管直徑關(guān)系圖

2.2 等效塑性應變與插管強度的關(guān)系

當插管的直徑為40 mm，錐尖角度為60°，檢測樁體的養(yǎng)護齡期為7 d，插管壁厚為3 mm時，不同強度的插管（①插管彈性模量2.8 GPa，黏聚力2.8 MPa；②插管彈性模量3.0 GPa，黏聚力3.0 MPa；③插管彈性模量3.2 GPa，黏聚力3.2 MPa；④插管彈性模量3.4 GPa，黏聚力3.4 MPa）作用下，樁體的等效塑性應變值與深度關(guān)系如圖3所示。分析圖3中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于以上4種工況，在同一貫入深度下，當插管強度不同時，等效塑性應變值差值均小于10-3ε，且4條等效塑性應變曲線無明顯的變化規(guī)律，因此，插管強度對等效塑性應變值影響不大。響效果較小，插管壁厚與樁體等效塑性應變呈負相關(guān)。

圖3 等效塑性應變隨插管強度變化曲線

2.3 等效塑性應變與錐尖角度及養(yǎng)護齡期的關(guān)系

當插管的直徑為40 mm，插管彈性模量為3.2 GPa，插管壁厚為3 mm時，通過改變探頭的錐尖角度（30°，60°）及水泥攪拌樁樁體的養(yǎng)護齡期（7 d，28 d），得到樁體的等效塑性應變值與深度關(guān)系，見圖5。分析圖5中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，探頭的錐尖角度為30°時，樁體的等效塑性應變值明顯小于60°時的情況，這主要是由于探頭的錐尖角度越小，插管過程中對于水泥攪拌樁樁體的干擾范圍越小，水泥攪拌樁樁體的等效塑性應變值越小。養(yǎng)護齡期為28 d的等效塑性應變值略小于養(yǎng)護齡期為7 d的樁體，這主要是由于養(yǎng)護時間越長，樁體的強度越高，在其他條件相同的情況下，抵抗探頭插入過程的干擾能力越強，樁體的等效塑性應變值越小。

當插管的直徑為40 mm，檢測樁體的養(yǎng)護齡期為7 d，錐尖角度為60°，插管彈性模量為3.2 GPa，黏聚力為3.2 MPa時，不同壁厚的插管（1，3 mm）樁體等效塑性應變值與深度關(guān)系如圖4所示。模擬結(jié)果表明，壁厚為3 mm的插管等效塑性應變值小于壁厚為1 mm的插管。因此，壁厚較大的插管更有利于控制樁體在插管過程中的損壞，這主要是由于壁厚較大的插管在貫入過程中吸收了較多的擠壓變形值，進而使得樁體產(chǎn)生較小的等效塑性應變。

圖4 等效塑性應變與插管壁厚關(guān)系圖

綜上分析可得，預置管法靜力觸探貫入水泥攪拌樁過程中，插管強度對樁體等效塑性應變影

圖5 等效塑性應變與錐尖角度、養(yǎng)護齡期關(guān)系圖

綜上分析可得，預置管法靜力觸探貫入水泥攪拌樁過程中，錐尖角度越小，插管過程中對于水泥攪拌樁樁體的損傷范圍越?。火B(yǎng)護齡期越長，樁體的強度越高，樁體抵抗探頭插入過程的干擾能力越強，樁體的等效塑性應變值越小。

2.4 插管直徑對樁體損傷范圍的影響

當插管彈性模量為3.2 GPa，探頭錐尖角度為60°，插管壁厚為3 mm，養(yǎng)護齡期為7 d，在確定損傷區(qū)范圍過程中，當樁體的等效塑性應變值大于60 με時，即判定樁體在該范圍內(nèi)已破壞。在該工況下模擬貫入深度分別為0.50，1.00 m，樁體等效應變大于60 με時的點位分布狀況，兩種工況下?lián)p傷區(qū)范圍與插管直徑的關(guān)系見圖6。分析圖6中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，0.50，1.00 m兩種深度位置處的損傷區(qū)范圍相差較小，在整個樁體損傷區(qū)自上而下近似于圓柱體；在深度為0.13 m時，損傷區(qū)范圍最大，以此損傷截面為橫截面的圓柱體為損傷邊界，圓柱體外不存在損傷區(qū)。

圖6 損傷區(qū)直徑與插管直徑關(guān)系圖

綜上分析可得，預置管法靜力觸探貫入水泥攪拌樁過程中，插管直徑越大，損傷區(qū)邊界到樁心距離越小，損傷區(qū)范圍越小，損傷區(qū)近似為圓柱體分布。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對水泥攪拌樁的預置管法靜力觸探損傷機理建立數(shù)值模型，分析出貫入過程中影響損傷區(qū)范圍的主要因素有插管直徑、插管強度、探頭錐尖角度、混凝土養(yǎng)護齡期。使用靜力觸探法檢測水泥攪拌樁中，研究水泥攪拌樁損傷機理及影響因素作用大小可以更精確地反映水泥攪拌樁的強度，對于工程實際應用具有參考意義。