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。