静力触探贯入机理的数值模拟研究

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1、静力触探贯入机理的数值模拟研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：土木工程研究生：潘梓阳指导教师：袁会娜助理研究员二○一七年九月StudyontheMechanismofConePenetrationTestbyNumericalSimulationThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinCivilEngineeringbyPanZiyangThesisSuperviso

2、r:AssistantResearcherYuanHuinaSeptember,2017摘要摘要静力触探试验（CPT）是一种将金属探头压入土层中，根据贯入阻力来划分土层以及确定物理力学参数的原位试验方法。孔压静力触探（CPTU）在CPT的基础上安装孔压传感器，能测量土体内的超静孔隙水压力及其消散过程，从而推测土的渗透性和固结特性，在划分土层、判别土类时有较突出的优势。由于测试连续快速、多功能和易于自动化等优点，CPT/CPTU在岩土工程中的应用越来越广泛，但目前的工程应用多基于经验或半经验公式，对其贯入机理的认识还不足，深入系统地研究静力触探技术的机理，对我

3、国岩土工程建设具有重要意义。本文在前人的研究基础上，采用有限元软件ABAQUS对静力触探试验进行数值模拟，分析探头在砂土、成层砂土和黏土中的贯入机理，主要完成了以下工作：（1）采用耦合欧拉-拉格朗日方法对砂土中的静力触探过程进行了数值模拟，得到了锥尖阻力和侧壁摩阻力随贯入深度的变化情况；与已有的标定罐试验进行了对比，分析了探头附近砂土中的应力、速度分布和塑性变形情况，在锥尖下方发现了径向应力约为零的区域，综合分析的结果表明探头在砂土中的贯入更接近于孔穴扩张问题，而不是承载力问题。（2）模拟了探头在成层砂土中的贯入过程，对比分析了不同工况下土层分界面处贯入阻力

4、的变化以及土层分界面本身的变形情况，提出了从锥尖阻力变化趋势找出分层界面位置的方法；模拟了砂土中出现软弱夹层时锥尖阻力和侧壁摩阻力的响应以及应力分布的变化，对静力触探试验可识别的最薄软弱夹层厚度进行了探讨，并提出了根据锥尖阻力的深度影响范围确定夹层厚度的方法。（3）采用任意拉格朗日-欧拉方法对黏土中的静力触探试验进行了数值模拟，重点分析了探头附近黏土中的位移/应力分布情况、超静孔隙水压力分布情况及其消散过程，对探头与黏土的相互作用、黏土的变形机理以及黏土中孔隙水的运动情况进行了探讨，分析了锥肩和锥尖两部位超静孔压的区别，并与砂土中的贯入机理进行了对比。由于超

5、静孔隙水压力的产生，贯入过程中黏土和砂土中的有效应力分布有较大区别，孔压消散后，应力分布的总体形状相似，但是黏土中锥尖下方没有出现径向应力接近零的区域，表明两者的贯入机理有不同。关键词：静力触探；成层土；变形机理；超静孔压；数值模拟IAbstractAbstractConePenetrationTest(CPT)isanin-situtestmethodtoclassifysoillayersandtodeterminethemechanicalpropertiesofsoil.TheCPTworksbypressingthemetalprobeintoth

6、esoilandanalyzingthepenetrationresistance.Piezoconepenetrationtest(CPTU)isanenhancedtestmethodbasedontheCPT.Bymeasuringtheexcessporewaterpressureanditsdissipationusingsensors,theCPTUcanbeusedtoinferthepermeabilityandconsolidationcharacteristicsofsoilandhenceproducebetterresults.Own

7、ingtoitsadvantagesofcontinuity,rapidness,multi-functionandeasyautomation,theapplicationofCPT/CPTUingeotechnicalengineeringisbecomingmoreandmoreextensive.However,mostengineeringpracticesarenowbasedonempiricalorsemi-empiricalformulas,theunderstandingofitsmechanismisstilllimited.Resea

8、rchfocusedonthemechanismof