微型触探仪的研制及粉质粘土中的静力触探试验研究

研制了一种新型的微型触探仪,该仪器能对贯入阻力与贯入深度数据进行自动采集。同时为了进行微型静力触探试验研究,研制了一套新颖的土样制作装置。通过用微型触探仪对粉质粘土进行静力触探试验发现,触探曲线与锥头锥角没有必然的联系,而且其初始段为直线段。对粉质粘土,当锥头贯入到一定深度时,锥头阻力将趋于稳定,这是由不同围压下土体的不同破坏机理引起的。通过对触探曲线上的特征值与土力学参数之间的关系进行分析发现,无量纲锥头阻力系数和tanφ(φ为土的内摩擦角)成近似的线性关系。另外,还得到了锥头极限阻力与临界深度之间的经验关系。     

FFP在黏土中贯入过程的CFD模拟

圆锥静力触探法(cone penetration test,CPT)广泛应用于土的抗剪强度测试中.在此基础上发展的自由落体式贯入仪(free fall penetrometer,FFP),依靠自由下落获得的动能和自身重力势能贯入土中,不需要借助外部加载装置,提高其使用的便捷性.但在动力贯入过程中FFP与土的相互作用更为复杂,涉及到土体的率效应和拖曳阻力等的影响.因此,对FFP各项受力和相关参数的准确分析有助于提高其实用性以及测量的准确性.作者采用基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的分析软件ANSYS CFX 17.0模拟FFP在均质黏土中的贯入过程,借助动网格的大变形分析方法模拟FFP贯入过程中的运动边界问题.提出了薄层单元法模拟FFP与土体的界面摩擦接触行为.在CFD模拟中,土体材料采用非牛顿流体来模拟,其剪切强度受土体切应变率的影响(即土体的率效应).通过模拟贯入仪以不同的速度在黏土中贯入的过程,研究FFP的端部阻力和侧壁阻力与贯入速率、土体强度和密度、界面摩擦系数以及率效应参数之间的关系,建立了端部承载力系数、端部和侧壁率效应参数及拖曳系数的表达式,并提出了土体不排水抗剪强度的预测方法,为FFP测试数据的解析提供依据.     

FFP在黏土中贯入过程的CFD模拟

圆锥静力触探法(Cone penetration test, CPT)广泛应用于土的抗剪强度测试中。在此基础上发展的自由落体式贯入仪(Free fall penetrometer, FFP),依靠自由下落获得的动能和自身重力势能贯入土中,不需要借助外部加载装置,提高其使用的便捷性。但在动力贯入过程中FFP与土的相互作用更为复杂,涉及到土体的率效应和拖曳阻力等的影响。因此,对FFP各项受力和相关参数的准确分析有助于提高其实用性以及测量的准确性。作者采用基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)的分析软件ANSYS CFX 17.0模拟FFP在均质黏土中的贯入过程,借助动网格的大变形分析方法来模拟FFP贯入过程中的运动边界问题。提出了薄层单元法模拟FFP与土体的界面摩擦接触行为。在CFD模拟中,土体材料采用非牛顿流体来模拟,其剪切强度受土体切应变率的影响(即土体的率效应)。通过模拟贯入仪在黏土中以不同的速度贯入的过程,研究FFP的端部阻力和侧壁阻力与贯入速率、土体强度和密度、界面摩擦系数以及率效应参数之间的关系,建立了端部承载力系数、端部和侧壁率效应参数及拖曳系数的表达式,并提出了土体不排水抗剪强度的预测方法,为FFP测试数据的解析提供依据。      

用冲击法测试桩静承载力的数值讨论

本文在总结桩静承载力的动测法和数值分析方法的基础上,用一维离散多质点体系来模拟桩-土相互作用,数值仿真用微小应变冲击法测试单桩静承载力的动测过程,并进行了数值讨论,指出了此法及其它简易动测法中所存在的问题提出了初步改进建议。     

岩土工程下沉贯入数值模拟方法研究进展

岩土工程下沉贯入领域的数值分析,由于结构物贯入时网格变形过大而产生扭曲畸变等问题,常会造成收敛困难甚至计算结果失真.采用合适的数值方法分析此类问题颇具挑战性.本文系统介绍了近年来对于岩土下沉贯入数值模拟的研究现状和发展动态,对各种数值模拟方法的相关原理、主要特征以及优缺点进行简要的探讨.并简要介绍耦合的欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian--Lagrangian,CEL)有限元法的基本原理,通过不排水条件下的条形基础贯入问题和砂土中桩的静压下沉示例分析,表明CEL有限元法在模拟岩土贯入问题时计算结果的准确性和较其他模拟方法的优势.文中所阐述的岩土贯入分析数值模拟方法可供从事岩土贯入分析的相关学者借鉴参考.     

上海地区沉桩阻力估算方法分析探讨

分析了估算沉桩阻力的必要性。在简单介绍了上海地区土层特性的基础上，按照桩端持力层土层性质和桩侧土性质的不同组合，将上海地区地基土分为4类进行研究。选择了4个具有代表性的已有计算沉桩阻力的计算公式，针对不同地基土类型，分别利用大量工程实测数据对各公式进行了分析研究，结果表明没有一个公式普遍适用于各种地基土。在分析各公式在不同地基土中的优缺点的基础上，提出了推荐使用的以静力触探比贯入阻力Ps值为主要参数，同时考虑土体灵敏度和侧阻力、端阻力深度修正的沉桩阻力估算公式。运用大量的工程实测数据对该公式进行了验证，结果表明对不同的地层组合都比较适合。推荐公式对判定静压桩沉桩可能性和施工设备选型具有参考价值。     

基于剪切修正GTN模型的金属弹性退化机理研究

许多金属材料在进行显微或宏观压入测试时,测得的弹性模量会随着压入深度的增大而不断降低.考虑到在压痕测试过程中金属材料并不产生明显的裂纹,这种性能退化应是由材料的损伤引起.然而,经典损伤理论认为以受压和受剪为主的压入变形不会引起材料软化和损伤.本文结合剪切变形下材料损伤的萌生和演化机理,对经典的GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型进行了修正,对压入测试进行了有限元模拟.模拟结果显示,材料在压入过程中的损伤是由现有空洞的扭曲变形和次级空洞的萌生共同引起,如果只考虑现有空洞变形则会低估材料在压入变形过程中的损伤演变.     

含石量对土石混合体压桩承载力影响的离散元分析

土石混合体是介于土体和岩体之间的一种非均质、非连续和非线性的特殊工程地质材料,其在压桩贯入过程中的承载力受含石量的影响非常显著。本文分别采用球形颗粒和非规则镶嵌组合颗粒模拟土体颗粒和块石,对不同含石量下压桩贯入过程进行离散元数值分析。计算结果表明,桩柱阻力及其波动规律在不同含石量下有很大的差别。高含石量下的阻力要明显大于低含石量下的阻力,且其波动性也更加明显。通过对土石混合体内部力链结构的细观分析,揭示了压桩贯入过程中承载力随含石量变化的内在机理。以上研究有助于分析土石混合体材料的宏观力学行为,深入研究其在复杂工程条件下的力学特性。     

基于CEL有限元法的大管径钢管桩贯入海基过程的承载力分析

鉴于耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)有限元方法在计算分析接触大变形问题时的优势，建立了大管径钢管桩贯入海基的CEL有限元模型，即在被贯入的海基层采用欧拉有限元法建模，其它层采用拉格朗日有限元法建模，两者之间通过罚函数的接触算法进行耦合．在欧拉有限元模型中，采用算子分裂技术．为兼顾计算模型的精度和效率，本文先对模型的网格密度和贯入速度进行稳定性分析，以此确定合适的网格模型和适宜的贯入速度，同时验证CEL方法在贯入模拟中的可行性．随后针对不同土体类型和不同土体参数变化，探究土体贯入阻力随贯入深度的变化规律．计算结果表明砂土的贯入阻力最大，粉砂土次之，粘土的贯入阻力最小；且贯入阻力对土体内摩擦角的变化最为敏感，对土体粘聚力的变化比较敏感，而对土体模量的变化不敏感．     

灌注桩桩土相互作用试验及有限元模拟研究

以灌注桩桩土相互作用的原位试验为基础, 结合西安土层结构、性质; 采用有限单元法对黄土地区的砼灌注桩桩—土相互作用进行仿真模拟, 研究了桩土相互作用、荷载的传递规律、桩土相对位移与桩侧摩阻力的关系。通过桩载试验资料对比, 得出三维有限单元法的模拟结果与实测值相近, 该研究进一步揭示了桩土相互作用的实质, 为最优桩长的选取和单桩承载力的确定奠定了基础。     

考虑土体损伤的挤土效应计算探讨

摘 要：圆孔扩张理论应用于静压桩沉桩、搅拌桩成桩过程周围土体的应力和变形分析,取得了一定的成果,但其理论分析结果和实验结果仍存在一定的偏差,主要原因在于理论推导时未考虑桩周一定范围内的土体受施工因素影响而产生的损伤。为更有效地发挥圆孔扩张理论在指导桩基施工中的作用,本文通过构造桩周土体粘聚力变化的表达式来考虑施工造成的土体损伤,基于连续介质力学的原理,依据边界条件确定了表达式中的土体损伤因子,得到了能够反映造成土体损伤主要因素的土体粘聚力变化表达式。基于圆孔扩张理论,并引入土体损伤因子,通过平衡微分方程的迭代计算,分析了成桩过程中的土体塑性区半径及应力分布,发现考虑土体损伤时,塑性区范围相对较大且应力的变化会相对较缓。通过不考虑损伤和考虑损伤的分析结果与既有理论的计算结果对比分析,表明本文提出的考虑土体损伤的分析方法简单合理,为精细化分析桩基施工对地基的影响提供了新方法。     

不同排水条件下非饱和土中柱孔扩张问题的解析分析

现有的圆柱孔扩张理论已可为诸如石油工程中井筒稳定性鉴定、 及旁压和圆锥贯入实验分析等提供理论依据, 但在非饱和地基压力注浆, 复合地基处理等实际工程问题中却鲜有应用. 基于弹塑性理论和非饱和土力学原理, 采用统一强度理论, 对非饱和土中柱形小孔扩张问题进行了解析研究. 首先将柱孔周围土体分为弹性区和塑性区, 并考虑在弹性区遵循小应变理论, 在塑性区遵循大应变理论, 同时考虑了中间主应力及粒间吸力对非饱和土体强度的影响. 其次应用有效应力表示的统一强度准则, 在本构关系、几何方程、动量平衡方程等基本方程的基础上, 结合相应的边界条件, 最终获得了不同排水条件下柱孔扩张时周围弹塑性区域内的应力场、应变场、位移场及极限扩孔压力的解析表达式. 通过数值算例和参数分析, 在与现有的饱和及非饱和土中柱孔扩张理论进行退化验证的同时, 分析了吸力、剪胀参数、中主应力效应参数及初始径向有效应力等对弹塑性区域内的应力场、应变场及位移场的影响规律, 验证了本文理论的正确性及有效性, 以期为实际工程问题提供合理的理论依据.      

侵彻条件下两类靶体材料静阻力的探讨

以空腔膨胀理论为主要理论工具，通过比较侵彻近区塑性材料和脆性材料动力学行为的差异，对两类不同材料静阻力（R_t）的本质进行探讨，并对脆性材料侵彻的若干应用问题提出建议。研究表明:（1）R_t是靶体介质以固体特性抵抗局部扩孔、具有时间平均特性的弹体横截面平均应力，其具体取值随着材料的物理力学特性、侵彻模型、撞击速度等因素而变化，因此不是材料的固有特性。（2）对于塑性靶体的非变形侵彻问题，静态空腔膨胀理论的结果能够对R_t作出比较合理的预测；对于拟流体侵彻问题，一般需要对静态空腔膨胀理论的结果加以修正。（3）脆性材料的R_t主要取决于破碎后介质的力学特性而与完整材料的力学特性关系不大，且与单轴抗压强度之间不满足纯粹的单调关系；当侵彻速度较低时，应考虑侵彻速度对侵彻阻力的强化作用，这种强化作用的本质是内摩擦；当侵彻速度足够高时，脆性材料体现出恒定不变的“动力硬度”，其反映了材料的本征阻力特性。（4）提高脆性材料的侵彻阻力的关键在于减小应力波峰值后环向拉应力的幅值、抑制材料的破碎速度和程度，具体措施包括主动或被动地增加外围压、对基质中添加增韧增强纤维等；为了实现对脆性材料侵彻问题更高精度的数值模拟，建议更加重视对破碎介质动力学特性的研究。     

锥体效应对超音速湍流边界层统计特性的影响

通过直接数值模拟，计算了空间模式下，来流马赫数为2.5, 半锥角为$5^{\circ}$, 零攻角 的绝热钝锥湍流边界层，研究了湍流的统计特性，并把结果与超音速平板湍流边界层和马赫数为6 的高超音速钝锥湍流边界层的结果进行了比较，重点定量地考察了锥体效应对边界层湍流统 计特性的影响. 研究发现，锥体效应对平均温度剖面以及压缩性的影响是显著的；而其它统 计量，比如速度壁面律、雷诺应力的分布和湍动能各项的贡献等，受锥体效应的影响很小.     

空腔膨胀理论靶体阻力模型及其应用研究进展

从静/动态空腔膨胀模型的理论体系出发,介绍了空腔膨胀模型在不同方向上取得的成果,主要涉及理想侵彻条件的空腔膨胀压力计算模型及数值模拟方法和空腔膨胀模型在典型侵彻问题及复杂弹靶条件下的应用。在理想侵彻条件下的空腔膨胀压力计算模型中,主要讨论了靶体材料、屈服准则和状态方程对空腔边界应力的影响规律及空腔膨胀模型的适用性问题;根据数值模拟中初始条件的不同,介绍了空腔表面恒定速度/恒定压力两种数值模拟方法,证明了数值模拟方法的可靠性;整理了空腔膨胀模型的基本假设、适用范围、工程应用特点,列举了其在典型侵彻问题及多层复合靶板、约束靶体、弹体刻槽和异形截面形状弹体等复杂弹靶条件下的应用。针对空腔膨胀模型的研究现状,总结了目前空腔膨胀模型在冲击动力学领域的应用方向,归纳了空腔膨胀模型应用中尚存在的问题,展望了空腔膨胀模型下一步的重点发展方向。     

基于无网格Galerkin法的穿甲侵彻数值模拟

将无网格Galerkin法与LS-DYNA软件相结合,建立了穿甲侵彻的分析模型,对三维球形弹体侵彻双层无限大钢靶板进行了数值模拟,解决了该过程中出现的负体积现象,并将结果与空穴膨胀理论和有限元法进行了对比,所得结果证实了无网格Galerkin法在模拟穿甲侵彻时的可行性与优越性.     

沉桩问题的光弹性模拟研究

实现了桩身直接贯入的沉桩光弹性模拟方法。应用这一方法研究了沉桩过程中桩周土体中的弹性应力场及其影响区域，指出Ｖｅｓｉｃ土体扩孔理论的适用范围     

Cone resistance in sand by incremental method

A new method has been developed for the determination of cone resistance under drained conditions. Numerical methods are used for the solution of the differential equations of plasticity theory for soils and for the determination of the stress states in the soil produced by the penetration of the cone. It is assumed that the stresses produced by the penetration of the cone remain ‘locked in’ the soil and constitute boundary conditions for further penetration. The computation starts with the cone base at the surface and is continued by successively incrementing the depth by a small amount. Charts are given for the computation of cone resistance in sands for various friction angles. The importance of the effect of the shear stresses generated at the surface of the cone and characterized by the interface friction angle, δ, is discussed in detail.     

Non-linear finite element analysis of cone penetration in layered sandy loam soil – Considering precompression stress state

Axisymmetric finite element (FE) method was developed to simulate cone penetration process in layered granular soil. The FE was modeled using ABAQUS/Explicit, a commercially available package. Soil was considered as a non-linear elastic plastic material which was modeled using variable elastic parameters of Young’s Modulus and Poisson’s ratio and Drucker–Prager criterion with yield stress dependent material hardening property. The material hardening parameters of the model were estimated from the USDA-ARS National Soil Dynamics Laboratory – Auburn University (NSDL-AU) soil compaction model. The stress–strain relationship in the NSDLAU compaction model was modified to account for the different soil moisture conditions and the influence of precompression stress states of the soil layers. A surface contact pair (‘slave-master’) algorithm in ABAQUS/Explicit was used to simulate the insertion of a rigid cone (RAX2 ABAQUS element) into deformable and layered soil medium (CAX4R ABAQUS element). The FE formulation was verified using cone penetration data collected on a soil chamber of Norfolk sandy loam soil which was prepared in two compaction treatments that varied in bulk density in the hardpan layer of (1) 1.64 Mg m⁻³ and (2) 1.71 Mg m⁻³. The FE model successfully simulated the trend of cone penetration in layered soils indicating the location of the sub-soil compacted (hardpan) layer and peak cone penetration resistance. Modification of the NSDL-AU model to account for the actual soil moisture content and inclusion of the influence of precompression stress into the strain behavior of the NSDL-AU model improved the performance of FE in predicting the peak cone penetration resistance. Modification of the NSDL-AU model resulted in an improvement of about 42% in the finite element-predicted soil cone penetration forces compared with the FE results that used the NSDL-AU ‘virgin’ model.