軟土貫入儀大變形貫入機理與強度取值方法研究.pdf

1、軟土在世界范圍內(nèi)均有廣泛分布，隨著世界各國海洋資源的開發(fā)、海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種近海建構(gòu)筑物如堤壩與港口工程、海上風機樁基基礎(chǔ)、海上油氣開采平臺、海底管道、錨泊系統(tǒng)等的大量建設(shè)，如何合理獲取地基軟土抗剪強度參數(shù)，既保證海洋建構(gòu)筑物的安全性、又節(jié)約工程造價已成為海洋巖土工程設(shè)計中的一大挑戰(zhàn)。靜力觸探試驗是目前海洋巖土工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用最廣泛的一種原位測試方法，在靜力觸探儀基礎(chǔ)上研制出的全流貫入儀（T-bar和Ball貫入儀）也得到了越來越廣

2、泛的應(yīng)用。然而，上述三種軟土貫入儀均需要依賴于理論或經(jīng)驗關(guān)系間接獲得軟土的不排水抗剪強度。鑒于靜力觸探儀、T-bar和Ball貫入儀這三種貫入儀在軟土強度參數(shù)確定中的重要作用，基于軟土貫入儀貫入機理建立合理的相關(guān)關(guān)系是當前相關(guān)研究的重點與難點。
　　由于軟土貫入儀貫入問題涉及到貫入過程中不斷移動變化的邊界條件與土體大變形問題，因此，一般需要借助于大變形有限元方法進行分析。本文采用大型商業(yè)軟件Abaqus內(nèi)置的耦合歐拉-拉格朗日(C

3、EL)大變形分析方法模擬了上述3種貫入儀在理想彈塑性（Tresca模型）的單層均質(zhì)軟土地基中從地面貫入的整個過程，對于全流貫入儀同時模擬了預(yù)埋一定深度后連續(xù)貫入的過程。研究了軟土貫入儀的大變形貫入機理以及接觸面摩擦系數(shù)、土體剛度指數(shù)等因素對貫入阻力的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):(1)貫入儀貫入后附近土體的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力均有明顯增加。對于靜力觸探儀，最大值出現(xiàn)在錐肩部，而對于兩種全流貫入儀，最大值出現(xiàn)在探頭貫入方向的正下方;(2)靜力觸探儀軸

4、桿處的剪應(yīng)變等值線近似與軸桿平行，與柱孔擴張理論相近，而在探頭處等值線近似為某一點處的同心圓，與圓孔擴張理論相近;(3)揭示了3種貫入儀從地面連續(xù)貫入的過程中，土體產(chǎn)生的兩種不同的破壞機理——淺層破壞和深層破壞;(4)對于接觸面光滑的情況，Ball貫入儀獲得的穩(wěn)態(tài)貫入阻力比T-bar貫入高出18.9％。此外，預(yù)埋一定深度的全流貫入儀的穩(wěn)態(tài)貫入阻力系數(shù)要明顯大干從地面貫入的分析結(jié)果，可能與從地面貫入時探頭上方存在一定的空穴有關(guān)。因此，全流

5、貫入儀應(yīng)預(yù)埋一定深度以獲得與現(xiàn)場實際情況中相似的穩(wěn)態(tài)貫入狀態(tài)。靜力觸探儀隨著摩擦系數(shù)、土體剛度指數(shù)的增加，其穩(wěn)態(tài)貫入阻力剛開始呈線性增加，之后趨于平緩。而全流貫入儀則主要受探頭與土接觸面摩擦系數(shù)的影響，土體剛度指數(shù)對全流貫入儀的穩(wěn)態(tài)貫入阻力基本沒有影響，而對其達到穩(wěn)態(tài)貫入阻力所需的位移有一定影響，隨著土體剛度指數(shù)的增加，所需位移逐漸減小。
　　靜力觸探試驗和全流貫入儀的現(xiàn)場原位測試采用的加載速率一般為20mm/s，塑性區(qū)土體應(yīng)變率

6、一般為室內(nèi)土工試驗的5～7個數(shù)量級。天然軟土一般具有一定的結(jié)構(gòu)性（靈敏度在2～6之間），而已有研究表明塑性區(qū)土體的累積塑性剪應(yīng)變一般為10～25（即1000％～2500％）。在這種條件下，土體強度的應(yīng)變率和應(yīng)變軟化效應(yīng)一般不可忽略。然而，在Abaqus的圖形界面窗口，其內(nèi)置的本構(gòu)模型無法模擬土體的上述特性，也不能模擬土體不排水抗剪強度沿深度線性變化的特性（除了采用將地基進行分層的方法）。因此，本文基于Abaqus平臺將考慮軟土強度應(yīng)變率

7、和應(yīng)變軟化效應(yīng)的經(jīng)驗計算公式（Einav和Randolph，2005）進行二次開發(fā)，并采用CEL方法和該改進的Tresca模型研究了應(yīng)變率、應(yīng)變軟化效應(yīng)以及土體強度對貫入阻力的影響。研究表明，對于3種貫入儀，隨著土體強度沿深度變化的梯度增加，其貫入阻力均明顯增加，且隨貫入深度增加貫入阻力呈持續(xù)增大的趨勢。隨著應(yīng)變率參數(shù)μ的增大，3種貫入儀的貫入阻力均有明顯的增加，其中μ從0.1增加到0.2時，穩(wěn)定貫入阻力系數(shù)約增長為原來的1.3倍。隨著

8、土體延性ξ95的減小，3種貫入儀的穩(wěn)態(tài)貫入阻力系數(shù)也逐漸減小。隨著δrem的減?。赐馏w靈敏度的增加），三種貫入儀的貫入阻力系數(shù)穩(wěn)定值逐漸較小。不過，對于全流貫入儀而言，其貫入阻力系數(shù)的峰值不受δrem的影響。
　　在海洋巖土工程中很多情況下需要采用重塑軟土的不排水抗剪強度進行分析與設(shè)計。全流貫入儀的循環(huán)貫入試驗是獲取海洋軟土重塑后的不排水抗剪強度的一種重要手段。然而，重塑土與原狀土對應(yīng)的貫入阻力系數(shù)是不同的，對于重塑土的不排水抗

9、剪強度不能直接采用原狀土中獲得的貫入阻力系數(shù)換算得到。因此，本文針對T-bar和Ball貫入儀的循環(huán)貫入過程進行分析，研究了其循環(huán)弱化規(guī)律和重塑土的貫入阻力系數(shù)取值。研究表明，T-bar和Ball的循環(huán)貫入阻力變化趨勢相似，在初始幾個循環(huán)時貫入（拔出）阻力迅速下降，隨后逐漸趨于平緩。貫入阻力隨循環(huán)次數(shù)的初始衰減速率與土體的靈敏度相關(guān)，隨著St的增加，貫入阻力的初始衰減速率越大。qin/qrem的大小總是小于土體靈敏度St，兩者并不等價。