1、第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022CPTU 贯入数值模拟及锥尖阻力系数影响因素研究徐璐1,2,叶飞剑3,刘飞1,易江涛1(1.重庆大学 土木工程学院,重庆 400045;2.重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司,重庆 400045;3.中天美好集团杭州公司,杭州 310020)摘要:孔压静力触探(Piezocone Penetration Test,简称 CPTU)是当前应用较为广泛的原位测试方法之一。为了研究 CPTU
2、在粘性土贯入过程中,土体刚度、侧压系数、固结比、摩擦系数对锥尖阻力系数(Nc)的影响。本文运用耦合欧拉-拉格朗日(Couple Eurian Lagrangian,简称“CEL”)大变形有限元计算技术,采用自编修正剑桥模型(Modify Cam-clay,简称 MCC),模拟CPTU 的贯入过程。在验证网格密度、贯入速度对模拟结果精度影响的基础上,与公开文献中标准罐试验数据进行了验证。分析了 CPTU 在贯入一定深度稳定状态下土体刚度、侧压系数、固结比和摩擦系数对 Nc的影响。结果表明:Nc随着土体刚度、摩擦系数的增加而增加,随着地应力因数的增加而降低,标准化锥尖阻力随着超固结比的增加而增加。
3、关键词:孔压静力触探:大变形:土体刚度:锥尖阻力系数中图分类号:TU47文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0669-05Numerical Simulation of CPTU Penetration and Research on Influencing Factors of Cone Tip Resistance CoefficientXu Lu1,2,Ye Feijian3,Liu Fei1,Yi Jiangtao1(1.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.
4、China;2.General Research Institute of Architecture&Planning Design Co.,Ltd.,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China;3.Zhongtian Myhome Hangzhou Company,Hangzhou 310020,P.R.China)Abstract:Piezocone penetration test(CPTU)is one of the most widely used in-situ testing methods.In order to study
5、the influence of soil stiffness,lateral pressure coefficient,consolidation ratio and friction coefficient on the cone tip resistance coefficient during the penetration process of CPTU in cohesive soil,the coupled Euler-Lagrangian(CEL)large deformation finite element calculation technology is used,an
6、d the modified Cam-clay(MCC)model is used to simulate the penetration process of CPTU.On the basis of verifying the influence of grid density and penetration velocity on the accuracy of the simulation results,it is verified with the standard tank test data in the open literature.The effects of soil
7、stiffness,lateral pressure coefficient,consolidation ratio and friction coefficient on the cone tip resistance coefficien(Nc)are analyzed under the stable state of CPTU penetration at a certain depth.The analysis results show that Nc increases with the increase of soil stiffness and friction coeffic
8、ient,and decreases with the increase of the in-situ stress factor,and the normalized cone tip resistance increases with the increase of the overconsolidation ratio.Keywords:piezocone penetration test;large deformation;soil stiffness;cone tip resistance coefficient收稿日期:2022-07-31(修改稿)作者简介:徐璐(1994),女,
9、四川眉山人,硕士,工程师,主要从事岩土工程、结构工程、市政工程等方向的设计和科研工作。E-mail:xulu211 通讯作者:叶飞剑(1985),男,浙江东阳人,博士,主要从事饱和土动力学、岩土数值模拟等领域的研究工作。E-mail:flysword_5 基金项目:国家自然科学基金(51778091)0引言CPTU 作为上个世纪八十年代兴起的新型原位测试技术,具有测量效率高、高精度和数据连续等优点1-2。通过试验数据分析可进行现场地层划分、桩基承载力测定、土体渗透系数预测等。尤其是在高速公路、铁路等较大范围的工程勘探设计中,CPTU 应用广泛。与传统的静力触探(CPT)相比,CPTU 的锥尖、
10、锥肩处加装孔压传感器。在试验过程中,能够同时测得锥尖阻力和孔隙水压力在贯入过程中的变化3-6。而对于粘性土与其他细粒土来说,锥尖阻力 qc的值 可以用下试表示:qc=Nc su+v0(1)式中:su为粘土不排水抗剪强度;Nc为锥尖阻力系数;v0为上覆土压力。在 CPTU 现场测试中,锥尖阻力是最直观的的结果,而 Nc是否准确,直接关系着工程人员对粘性土不排水抗剪强度的确定。多位学者7-10通过一些简化条件来进行近似理论解析分析,包括承载力理论、应变路径法、圆孔扩张理论。但是,这些理论解析方法存在诸多缺陷,如圆孔扩张理论将桩或静力触探简化为二维问题,无法考虑桩或静力触探在土体中的三维贯入过程,无
11、法计算贯入过程中竖向的应力应变。应力路径法将土体理想化为流体,并通过稳定流场计算得到应变,再采用合适的本构模型,在满足平衡条件下近似得到应力。但其计算应变的过程忽略土性影响和摩擦的影响,这与实际情况是有明显出入。并且目前的应力路径解采用较为简单的土体本构模型,如摩尔库伦、Drucker-Prager(D-P)模型,并不能反映土体复杂的应力应变特性。所以,迄今为止,通过理论解析方法并未得到精确的解析解。近年来随着计算机技术的飞速发展,国内外很多学者借助有限元方法来研究 CPTU 的贯入问题,Tolooiyan 等11采用 D-P 本构模型与任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange
12、 Euler,简称“ALE”)方法分析了静力触探在沙土中贯入问题,模拟结果与现场实测结果吻合较好,证明 ALE 模拟技术的适用性。Liyanapathirana12采用 ALE 方法并考虑土体的应变软化效应,模拟了静力触探的贯入过程。结果表明:随着土体应变软化效应的增加,贯入阻力减小较大。Walker13采用 Mise 屈服准则及相关流动法则模拟土体弹塑性,探讨了两层土及三层土情况下贯入力随软弱土层的变化。Cupta14使用CEL 方法,土体采用摩尔 库伦本构模型,模拟了静力触探在沙土中的贯入过程,并与现场试验结果对比验证了 CEL 模拟方法的合理性。但是,CPTU在粘性土中贯入机理复杂,影响
13、因素较多,需要解决土体大变形、复杂本构关系、接触面非线性、流固耦合等难题。在此背景下,本文运用 CEL 有限元计算模块,采用自编程修正剑桥本构模型8对 CPTU 在粘性土中贯入全过程进行三维数值模拟分析。重点探讨土体刚度、测压系数、固结比、摩擦系数等因素对Nc的影响。1CPTU 贯入模型及算例验证1.1模型介绍为检验 CEL 计算技术可靠性和准确性,本研究首先模拟 Kurup14标定罐试验中粘土孔压静力触探贯入过程。不同于拉格朗日有限元,CEL 在计算过程中,欧拉网格不变形,而物质可以在欧拉网格内运动。因此,CEL 不产生网格扭曲,可有效的解决大变形问题中网格畸形带来的弊端,适合用于模拟岩土工
14、程中的土体大变形问题15。在模型设置过程中,本研究将土体设为欧拉体,CPTU 设为刚性拉格朗日体(即不计算静力触探自身变形)。利用 CPTU 贯 入 问 题 的 轴 对 称 性,土 体 和CPTU 模型均模拟 Kurup 标定罐的四分之一(图1)。整个模型中,土体高度为 300 mm,约为 52R,径向长为 150 mm,约为 26R,以减小边界效应对结果的影响。在土体上方,还设置有高度为 20 mm的空土层以允许土体在后续贯入过程中受到挤压向上流 入 其 中。土 体 采 用 正 六 面 体 欧 拉 单 元EC3D8R 模拟,CPTU 采用 C3D8R 单元进行网格划分。CPTU 的贯入是通过
15、在其参考点上施加恒定速度来实现连续匀速贯入。图 1CEL 有限元模型Fig.1CEL finite element model076地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷与标定罐试验一致,在 CEL 模型将土体设置成均一性材料,即各位置土体强度相等,并忽略自身重力。为模拟标定罐顶面压力,在土体模型上面设置压力荷载,并在土体内部设置相应地应力以维持平衡。在土体的底边,通过设置 Z 方向速度边界为 0 以避免计算过程中物质溢出;由于同样的原因,土体外部表面和轴对称面的法向速度需设置为0。CPTU 与土体之间的接触面设置采用通用设置,其属性为硬接触。在本文中,除了讨论摩擦因数分布采用罚刚度法
16、来模拟 CPTU 与土体摩擦接触以外,其余情况均假设 CPTU 表明光滑。试验中CPTU 半径 R=5.77 mm,圆锥角度为 60。土体应力应变关系采用 MCC 本构模型,土体参数见表 1。表 1土体修正剑桥模型参数Table 1Modified Cambridge model parameters of soilMOCR0.110.0241.21.1620.311.2不同网格划分对结果影响CPTU 在贯入过程中,锥尖附近土体受到挤压、剪切破坏。土体变形、运动情况比较复杂,因而锥尖下部模型网格密度的设置显得极为重要。为了探讨不同网格尺寸对模拟结果的影响,考虑以下3 种网格尺寸:单元径向尺寸分别为 R/5、R/8 和R/12(R 为 CPTU 的半径),竖向尺寸均为 R/5,3种尺寸相关模型总单元数见表 2。表 2不同网格划分尺寸Table 2Different mesh sizes不同网格网格 1网格 2网格 3最小单元尺寸R/5R/8R/12土体单元数目88 750115 200135 430在本文分析中,因土体设置成均质体并且不考虑土重,CPTU 在贯入到一定深度后,其贯入阻力值