高 鑫 羅 松 李明東

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興312000;2.深圳市福田區(qū)國土規(guī)劃局，廣東 深圳518000)

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中貫入過程有限元模擬

高 鑫1羅 松2李明東1

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興312000;2.深圳市福田區(qū)國土規(guī)劃局，廣東 深圳518000)

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中貫入過程會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，采用在Drucker-Prager模型基礎(chǔ)上修正的雙線性彈性各向同性模型，對(duì)扁鏟貫入引起的土體變化進(jìn)行了有限元分析.結(jié)果表明：(1)貫入后扁鏟測(cè)頭梢端尖部土體發(fā)生受拉破壞，扁鏟梢尖端轉(zhuǎn)折處土體發(fā)生受壓破壞，鏟尖斜面上土體被剪拉破壞；(2)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)貫入過程引起的水平擾動(dòng)范圍在距離扁鏟測(cè)頭35 cm左右.

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)；貫入；擾動(dòng)；有限元法

1 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)于20世紀(jì)70年代末由意大利學(xué)者M(jìn)archetti發(fā)明，可用于評(píng)價(jià)土的類型、計(jì)算土的靜止側(cè)壓力系數(shù)和側(cè)向基床系數(shù)以及評(píng)價(jià)土的固結(jié)狀態(tài)和強(qiáng)度指標(biāo)等[1].由于具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、可重復(fù)性好、費(fèi)用低及連續(xù)性采樣等優(yōu)點(diǎn)，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在巖土工程界領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.

但眾所周知，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中貫入過程會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，影響測(cè)試結(jié)果[2].因此需要對(duì)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)貫入引起土體擾動(dòng)進(jìn)行研究，以便于更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果.目前關(guān)于貫入機(jī)理的理論分析主要有如下三種：承載力理論分析[3]、孔穴擴(kuò)張理論分析[4]和應(yīng)變路徑法[5]，均存在一定局限性.比如，Huang[6]，Whittle和Aubeny[7]，Yu等[8]以及Finno[9]采用應(yīng)變路徑法對(duì)土體中由扁鏟探頭貫入所引起的應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)研究.可以看到，應(yīng)變路徑法采用錐體繞流的方法獲得應(yīng)變場(chǎng)，在扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)貫入過程的研究中應(yīng)用較多，但是該法不考慮土本身的抗剪切能力，而將貫入時(shí)土中的流場(chǎng)與無粘滯性不可壓縮流體繞錐體的流場(chǎng)等同，故只有應(yīng)用于完全飽和的軟粘土才較為有效.

由于扁鏟探頭扁平的特點(diǎn)，其貫入過程可以簡(jiǎn)化為二維問題進(jìn)行分析[10].本文采用應(yīng)變控制的方法對(duì)扁鏟探頭貫入過程進(jìn)行了有限元模擬，對(duì)探頭貫入過程引起的土體擾動(dòng)范圍進(jìn)行了探討.

2 貫入過程的有限元分析

2.1土體本構(gòu)模型選用及數(shù)值模型的建立

本文采用ANSYS軟件來模擬扁鏟探頭貫入土體的過程.選用在Drucker-Prager模型[11](簡(jiǎn)稱D-P模型)基礎(chǔ)上經(jīng)過修正的雙線性彈性各向同性模型.該模型比較接近實(shí)際土的本構(gòu)關(guān)系，且所需參數(shù)相對(duì)較少，包括E、Er、σV(見圖1).殘余模量Er則通過室內(nèi)土工試驗(yàn)得到，σmax在ANSYS系統(tǒng)中沒有明確的取值，近似取1.5σV，超過該極限值之后，認(rèn)為材料為完全塑性.

圖1 修正的雙線性彈性各向同性模型

圖2 初始貫入整體數(shù)值模型

土性模型確定之后，進(jìn)行數(shù)值模型架構(gòu)的確定.在ANSYS中模擬扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)試驗(yàn)的貫入過程需要考慮如下因素：探桿和貫入器的擠土效應(yīng)、貫入器的側(cè)壁摩擦和端阻力以及靜水壓力等因素.整個(gè)模型的側(cè)壁約束是無法確定的，原因是扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)沒有測(cè)側(cè)壁摩擦力的設(shè)備，難以得到探桿和貫入器的側(cè)壁摩擦力.為簡(jiǎn)化所研究的問題，作如下假定：(1)在某一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)上土體和貫入設(shè)備之間沒有豎向位移.考慮到扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的特殊性，貫入會(huì)在試驗(yàn)點(diǎn)處停止，再進(jìn)行鋼膜片側(cè)向膨脹，假設(shè)土體與貫入設(shè)備間的相對(duì)位移為零.(2)假設(shè)在貫入停止后，貫入設(shè)備與土體緊密接觸.由于測(cè)頭的貫入，土體會(huì)產(chǎn)生橫向位移，該位移量等于探頭厚度的一半.在ANSYS中選定一個(gè)矩形面積，大小為0.54m×0.42m，如圖2所示，即為扁鏟貫入的擾動(dòng)影響范圍.

2.2貫入模擬

在以上幾個(gè)假定條件下，無需再輸入模型的側(cè)壁摩阻力約束，采用應(yīng)變控制對(duì)貫入過程進(jìn)行模擬和分析.通過改變扁鏟測(cè)頭貫入?yún)^(qū)域的位移條件，得到貫入過程引起的土體中應(yīng)力應(yīng)變變化情況.具體荷載施加過程如下：

(1)首先給數(shù)值模型的土體施加初始重力場(chǎng)，密度取浮容重，其中a面自由，受豎向上覆土壓力σcr，b,d面水平位移為零，c面水平和垂直位移均為零(參見圖2).設(shè)定土是飽和的；

(2)然后解除d面上部分點(diǎn)的水平約束，以一個(gè)水平位移代替，該位移大小為扁鏟測(cè)頭厚度的一半，即7mm.扁鏟頭頂部斜面所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位移根據(jù)扁鏟頭頂部面傾角確定(參見圖3).

(3)對(duì)扁鏟頭梢端附近的區(qū)域，進(jìn)行1∶2的三角形非線性網(wǎng)格加密.

圖3 扁鏟頭示意圖與模擬貫入后相應(yīng)土中節(jié)點(diǎn)的位移

2.3結(jié)果分析

圖4為扁鏟測(cè)頭貫入土體后土中應(yīng)力分布云圖，圖5為測(cè)頭梢端應(yīng)力放大后的云圖.由圖4可見，扁鏟梢端區(qū)域土體應(yīng)力變化最為明顯，對(duì)該區(qū)域應(yīng)進(jìn)行更為詳細(xì)的分析.從圖5可以看出，梢端各個(gè)部分出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中.

(a)土中豎向應(yīng)力分布云圖

(b) 土中水平向應(yīng)力分布云圖圖4 扁鏟測(cè)頭貫入后土中應(yīng)力分布云圖

由圖5(a)和(b)可知，在梢端的尖部存在一個(gè)應(yīng)力集中域，該區(qū)域按照彈性力學(xué)解會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，由于土體基本上不能承受拉應(yīng)力，故此部分土體可認(rèn)為已被完全破壞，是純塑性區(qū)域.由于扁鏟的貫入，鏟頭梢端尖部側(cè)向土產(chǎn)生擠壓變形，因而尖部以下土體會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致破壞.在圖5(a)中可以看到在扁鏟尖端轉(zhuǎn)折處壓應(yīng)力已到500 kPa左右，此部分土基本上可以認(rèn)為已完全受壓破壞.在圖5(c)中可以看到在鏟尖斜面上剪拉應(yīng)力強(qiáng)度超過了50 kPa，此部分土可以認(rèn)為被剪拉至破壞.總的塑性區(qū)域分布圖如圖6所示.

(a)水平向正應(yīng)力 (b)豎向正應(yīng)力 (c)剪應(yīng)力圖5 梢端應(yīng)力狀態(tài)放大云圖

圖6 土體中由擾動(dòng)產(chǎn)生的塑性區(qū)域云圖

圖4中，扁鏟測(cè)頭貫入引起的擾動(dòng)區(qū)域右側(cè)很大一部分應(yīng)力云圖都是同一顏色，很難分辨出土體應(yīng)力狀態(tài)變化情況.對(duì)側(cè)面上土體的某一垂面上(距扁鏟約35 cm)的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行分析，如圖4中的垂線a-a’.由圖7明顯可以看出，距離扁鏟測(cè)頭35 cm處，貫入前后土中的豎向應(yīng)力σx變化不大，而水平向應(yīng)力σy明顯增大，最高增大了3倍多.另外水平位移Vx最大也只有2mm.由此說明擾動(dòng)引起的應(yīng)力場(chǎng)在達(dá)到縱線a-a’位置時(shí)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)貫入引起的水平擾動(dòng)范圍距離測(cè)頭35 cm左右.

圖7 貫入擾動(dòng)前后a-a’面上水平應(yīng)力

3 結(jié)束語

本文利用ANSYS大型有限元程序，并基于一定假定條件下對(duì)扁鏟貫入過程產(chǎn)生的土體擾動(dòng)進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

(1)扁鏟測(cè)頭貫入之后，在梢端的尖部存在一個(gè)很強(qiáng)的擾動(dòng)區(qū)域，土體發(fā)生受拉破壞，而在扁鏟梢尖端轉(zhuǎn)折處產(chǎn)生壓應(yīng)力集中，土體受壓達(dá)到完全破壞狀態(tài)；在鏟尖斜面上存在很大的剪拉應(yīng)力，土體被剪拉破壞.

(2)扁鏟測(cè)頭貫入引起的應(yīng)力場(chǎng)在距離測(cè)頭35 cm左右位置時(shí)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，即為扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)貫入過程引起的水平擾動(dòng)范圍.

[1]袁聚云，徐超，賈敏才，邢皓楓.巖土體測(cè)試技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

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[11]ANSYS非線性分析指南，美國ANSYS公司駐北京辦事處，2000.

FiniteElementSimulationofPenetrationProcessDuringFlatDilatometerTest

Gao Xin1Luo Song2Li Mingdong1

(1.School of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000;2.Shenzhen Futian District Land Planning Bureau, Shenzhen, Guangdong 518000)

Soil will be disturbed in the penetration of a flat dilatometer test.A finite element simulation was carried out for the variation of soil caused by the penetration of flat dilatometer using a modified elastoplastic continuum model following the bi-linear harden criterion and based on the Drucker Prager model.The results show as follows: (1) the soil is subject to the tensile failure around the tip of blade, to the compressive failure around the bend of the tip of blade, and to tensile shear failure around the slope of the tip of blade; (2) the horizontal disturbance caused by the penetration of flat dilatometer is about 35cm from the blade.

flat dilatometer; penetration; disturbance; finite element method (FEM)

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2017.08.004

TU447

A

1008-293X(2017)08-0020-05

2017-06-21

紹興文理學(xué)院大學(xué)生科研基金資助項(xiàng)目

高 鑫(1994- )，男，浙江溫州人，紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向：土木工程.

(責(zé)任編輯王海雷)