孔隙水压力静力触探动态贯入过程的有限元模拟

孔隙水压力静力触探作为一种新型的土体勘测技术已被广泛应用,但是,其机理的研究尚存在很大的不足。笔者系统分析了孔压触探的贯入特征,提出了“孔隙水压力体积基准值”的概念,借此推导出用土体体积变形量计算超孔隙水压力的公式。在此基础上,用轴对称有限单元法模拟探头的动态贯入过程,揭示应力－应变的变化特征,寻找超孔隙水压力生成与消散的规律,对孔压触探的机理进行了研究。     

孔压静力触探技术在海洋工程勘察中的应用及施工建议

在沿海经济大开发背景下,区域大通道建设不断涌现。采用孔压静力触探（CPTU）方法获得锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力、摩阻比等参数,据此进行土层划分、工程分类,确定地基土的物理力学参数,估算单桩竖向承载力标准值,对影响试验数据精度的因素进行分析,并对海上孔压静力触探试验施工提出建议,为海洋静力触探技术的发展提供依据。     

孔压静探模型槽试验及成果分析

本文介绍了对以饱和粘性土为介质的模型槽中所进行的孔压静力触探(CPTU)试验,通过对试验数据的分析,得出探头贯入时周围土体的轴向附加应力和径向附加应力的变化及分布,锥尖、侧壁摩阻力以及超孔隙水压力的变化,以及停止贯入后孔压消散过程中探头周围土体的超孔压变化,从这些方面来探讨土中应力场的变化,附加应力的影响范围,临界深度现象以及超孔隙水压力的变化规律。     

密度孔压静力触探的测试理论和工程应用综述

孔压静力触探试验(CPTU)是目前使用最为广泛的原位测试方法之一,但CPTU不能原位测量土体最基本的指标——密度。密度孔压静力触探试验(DCPTU)是把核子密度仪结合到孔压静力触探系统中,贯入过程中可以同时测量锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力和密度的一种新型原位测试方法。本文首先介绍了DCPTU的试验装置和密度测试理论;然后通过与室内试验结果对比评价了利用DCPTU测量砂土、黏土、填土地层以及海底淤泥的密度的可靠性,分析了非均质地层中DCPTU测量密度与真实密度的区别、并提出了真实密度剖面的推求方法;然后综述了DCPTU在判别软弱夹层、评价砂土的液化势、检验地基处理效果、检测块状填土中的空隙、调查浮泥层的厚度和密度分布等方面的工程应用;最后展望了DCPTU在工程勘察中的发展趋势和应用前景。     

用孔压静力触探和室内固结试验求取土的固结系数的对比研究

土的固结系数是软土地基计算与处理设计中的关键参数，本文根据先进的孔隙水压力静力触探技术现场测试求出的固结系数和室内固结试验所求固结系数，进行了大量统计对比研究，发现两者之间存在很好的线性相关关系，并论述了两种方法求取固结系数的原理及步骤，以及孔压静力触探求固结系数的许多优点。     

长春硬塑状态老黏性土地基承载力

为提供长春硬塑状态老黏性土可靠的地基承载力依据,探讨适宜的确定地基承载力的方法,采用载荷试验、静力触探试验原位测试和室内土工试验等方法对长春老黏性土进行了测试研究,获取了地基承载力特征值（306~425 kPa）、静力触探锥尖阻力（1.9~3.3 MPa）、天然孔隙比(0.63~0.72)和液性指数(0.02~0.25)等试验数据。通过对试验数据的统计分析,得出地基承载力特征值与静力触探锥尖阻力线性相关,并与天然孔隙比和液性指数线性相关的结论。据此,提出了根据静力触探锥尖阻力计算长春老黏性土地基承载力特征值的经验公式,总结出根据室内土工试验指标确定长春老黏性土地基承载力特征值的数据表。     

考虑超静孔隙水压力消散的管桩承载力时效性研究

沉桩引起的超静孔隙水压力消散是产生管桩极限承载力时效性的主要因素之一。结合天津东疆保税港区物流加工区二期工程,利用有限元模拟分析沉桩后超孔压的消散规律及管桩的极限承载力随时间变化的规律,提出吹填土中管桩时效承载力公式供工程参考使用,并进行吹填土现场各测点沉桩过程及沉桩后孔隙水压力的监测,验证模拟结果的同时探讨超静孔隙水压力的分布及消散规律。模拟得到沉桩后桩底超孔压随时间消散, 20d后消散率达到97%; 管桩的时效承载力随时间增长,并与超孔压的消散有着明显的对应关系; 得到吹填土中管桩承载力的时效公式以供工程参考使用。现场孔压监测表明深度增加,超孔压增大; 离桩越近,超孔压越大; 土层渗透系数越小,超孔压消散越慢。施工对土体的有效影响范围为9~10倍桩径。     

旋压入土式静力触探机制研究

由于现有静力触探机械设备提供的动力有限,使得静力触探技术无法应用于较硬土层或较深土层中（应力较高）。保证探头顺利平稳地探入较硬土层,是触探技术应用于硬土层的前提条件。通过对旋压式触探时探头上的受力进行分析,推导了不考虑侧壁摩擦力的旋压式触探的总锥尖阻力和扭矩的理论模型,同时也推导了用旋压式触探测试成果计算锥土间摩擦系数的数学模型,并在室内旋压式触探仪上进行相应的试验,试验结果不仅验证了理论分析的正确性,而且试验结果表明：对同一土体制成不同含水率、干重度的试样进行相同的探入速度和旋转速度下的旋压式触探,所得的扭矩与总锥尖阻力呈线性关系。根据数学模型计算的锥土间摩擦系数要比土体的内摩擦系数大得多,但两者具有较明显的一致性。结合土层的各向异性的特点、锥土间的摩阻力的存在等因素分析了旋压式触探方式能够降低总锥尖阻力的原因     

ND-CPT测量非均质地层密度剖面的研究

同位素密度静力触探仪（ND-CPT）是一种把同位素密度仪并入到静力触探仪的探头中,同时测量锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力和密度的新型原位测试仪器。根据ND-CPT测量的密度为 射线源和检测器之间回转椭球体内土体的平均密度 的原理,首先建立了可以计算回转椭球体内土体的平均密度 的后向散射模型和平均值模型,然后调查了ND-CPT贯入各种非均质地层时的测量密度 剖面与实际密度 剖面的区别,结果表明在地层分界处附近的测量密度 与实际密度 有较大差别,最后对ND-CPT在实际工程中测量的有明海底泥的测量密度 剖面进行了理解,得到了海底泥的实际密度 剖面。研究结果可为利用ND-CPT准确划分地层提供依据。     

基于黏弹性理论的沉桩再固结问题分析

假设桩周土体为饱和黏弹性介质,采用Burgers流变模型进行描述,同时考虑竖向和径向固结,建立了固结控制方程。根据不排水和自由排水情况,将边界条件分为3类并分别得到超孔隙水压力消散的级数解答,该解答能够为孔压静力触探反求固结系数提供一定的理论依据。在此基础上编制了应用程序,对Burgers流变模型中主要参数进行了分析。结果表明,地基表面自由排水、桩端地基不排水条件下,在一定深度以内的桩周土体的固结速度随深度降低,但超过某一范围后固结速度趋于稳定;上、下边界均自由排水条件下,固结速度随深度增加呈现下降、稳定、升高;上、下边界均不排水条件时,孔压消散速度不随深度变化,可简化为本解答仅考虑径向固结的特例。同时土体的流变特性对超孔隙水压力消散的影响比较显著,流变参数G1/1的变化使超孔隙水压力趋于某不为0的定值,且该值随G1/1比值的增大而增加;其他参数不变时,土体剪切刚度比G1/G2的增大会引起孔压消散速度的下降。     

Numerical study of partially drained penetration and pore pressure dissipation in piezocone test

The piezocone penetration test (CPTU) is commonly used as a fast and economical tool to identify soil profile and to estimate relevant material properties in soils ranging from fine to coarse-grained. Moreover, in the case of fine-grained soils (clays and silts), the consolidation coefficient and the permeability can be estimated through the dissipation test. Undrained conditions are commonly assumed for the interpretation of CPTU in fine-grained soils, but in soils such as silts, penetration may occur in partially drained conditions. This aspect is often neglected in data interpretation thus leading to an inaccurate estimate of soil properties. This paper investigates numerically the effect of partial drainage during penetration on the measured tip resistance and the subsequent pore pressure dissipation response contributing to a more accurate interpretation of field data. A realistic simulation of the cone penetration is achieved with the two-phase Material Point Method, modelling the soil response with the modified Cam-Clay model. The approach takes into account large soil deformations induced by the advancing cone, soil–water, and soil–structure interactions, as well as nonlinear soil behavior.     

静压沉桩与CPTU贯入离心模型试验及机制研究

为了探究静压沉桩与CPTU贯入力学机制,开展了饱和黏土中静压沉桩及CPTU贯入的离心模型试验,获得了静压沉桩与CPTU贯入过程中土压力、超孔压和贯入阻力的变化规律。同时,将静压桩和CPTU压入过程视为一系列球孔的连续贯入,应用圆孔扩张解答,建立了静压沉桩和CPTU贯入过程中锥头阻力、侧阻力与超孔压的预测方法。通过离心模型试验和理论预测结果的对比分析表明：随着桩体的压入,桩周土体的超孔压和土压力均逐渐增大,当桩头通过监测点时,超孔压与土压力均达到最大值;在饱和黏土中,CPTU锥头阻力、锥侧摩阻力和锥头超孔压与锥头贯入深度总体上呈线性关系。预测方法估算沉桩和CPTU贯入引起的土压力、超孔压与模型试验结果相符,较好地反映了饱和黏土中静压沉桩和CPTU贯入的力学机制。     

An analytical study of the effect of penetration rate on piezocone tests in clay

Finite element cavity expansion analysis investigating the effect of penetration rate on piezocone tests in clay is presented. A coupled analysis was performed, in which the rate of cavity expansion was linked to the penetration rate of the cone and the cone angle, using the assumption that the deformation was wholly radial, and took place only between the cone tip and the cone shoulder. The soil was modelled using modified cam clay with two sets of parameters and varying values of overconsolidation ratio (OCR). The influence of penetration rate on the stress and pore pressure distributions was examined. For slower penetration rates, the excess pore pressure at the cone shoulder is lower since consolidation is permitted coincident with penetration. The radial profiles of post‐penetration voids ratio demonstrate that partially drained penetration is permitted by volume change in the near field, in addition to radial movement in the far field. The radial distribution of excess pore pressure after slow penetration differs from the undrained case, with a relatively low radial gradient existing at the cone face. As a result, the dissipation curves after slow penetration lag behind those following fast penetration. The cone velocity is made dimensionless by normalizing with the coefficient of consolidation and the cone diameter. ‘Backbone’ curves of normalized velocity against normalized tip resistance and excess pore pressure capturing the transition from undrained to drained penetration are derived. The normalized pore pressure backbone curve is unique, whilst the normalized tip resistance shows a small dependency on OCR. These backbone penetration curves are compared with centrifuge model piezocone tests conducted at varying rates, and subsequent dissipation tests. The numerical and experimental results suggest that the value of consolidation coefficient operative during the dissipation phase is 2–4 times higher than the virgin compression value due to changes in the operative soil stiffness, as demonstrated from the stress paths of individual soil elements. The use of multi‐rate penetration tests to deduce values of consolidation coefficient is discussed, in light of these differences. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

Investigation of the change in soil fabric during cone penetration in silt using 2D measurements

Interpretation of CPTU testing in silt is non-trivial because of the partially drained conditions that are likely to occur during penetration. A better understanding of the pore pressure generation/dissipation is needed in order to obtain reliable design parameters. Following a previous study using X-ray computed tomography (micro-CT) with volumetric digital image correlation (3D-DIC) that clearly showed the formation of distinct dilation and compression areas around the cone; the present work takes a closer look at those areas in order to link volumetric behavior to changes in soil fabric. High-resolution 2D backscattered electron images of polished thin sections prepared from frozen samples at the end of penetration are used. The images have a spatial resolution of 0.4 µm/pixel that allow a clear identification of grains and pore spaces. Image processing techniques are developed to quantify local porosity and obtain the statistical distribution of the particle orientation for the zones around the cone tip and shaft. It is shown that the formation of compaction regions is related to the ability of the grains to rearrange and align along a well-defined preferred orientation forming a more closed-fabric characterized by high anisotropy values, while zones of dilation are associated with a more open packing with grains randomly oriented and with large voids within. These observations suggested that for a saturated soil, water will move from a compressive zone to a neighboring dilative zone, creating a short drainage path. By shedding light on the link between soil fabric and drainage patterns, this study contributes toward a better understanding of the measured macro-response during CPTU tests on silt.     

现场软土欠固结程度孔压消散试验评价方法

原位测试技术分析软土的应力历史可以避免取样及室内土工试验对土样的扰动,其结果能真实地反映现场土体的工程特性。以往基于孔压静力触探（CPTU）测试技术的超固结比（OCR）计算方法主要是针对超固结土取得的,缺乏对现场处于欠固结状态土体的考虑,具有一定的局限性。在已有研究成果的基础上,提出采用不完全孔压消散曲线的末段及时间平方根倒数外推法计算原位初始孔压,如果初始孔压大于静水压力,表明原位土层中存在固有孔压,为欠固结土。在此基础上,通过计算固结状态参数,可进一步对软土层的欠固结程度进行定量评价。工程应用表明,该方法不受软土性质和地域限制,具有普遍适用性,是合理可行的。在缺乏室内固结试验成果的情况下,可高效快捷地判别软土层的固结状态。研究成果对合理评价欠固结软土的工程特性具有一定的指导意义。     

用孔压静力触探求固结系数的研究

为探讨利用孔压静力触探求取土层固结系数的可行性与规律, 在珠江三角洲软土地区进行了大量孔压静力触探超孔压消散试验.对试验场地、设备和方法作了简明扼要地介绍, 重点分析了试验机理及结果, 并将孔压消散试验估算的固结系数与室内固结试验得到的试验值以及现场沉降资料反算值作了比较, 证明它们之间有很好的规律性, 且用孔压静探所求固结系数更接近于实际值.      

基于孔压静力触探试验的水运工程土分类方法研究

土的工程分类是工程勘察和设计应用的关键问题之一。基于孔压静力触探测试（piezocone penetration test,简称CPTU）原位测试参数进行土分类是高效实用的方法。国内外现有分类方法的名称及标准与我国《水运工程岩土勘察规范》（JTS 133－2013）不符合。因此,建立基于CPTU原位测试参数、符合我国行业标准的土工程分类方法具有重要工程意义。在收集大量国内外水运工程CPTU测试资料的基础上,对比分析了616个间距小于5 m的CPTU测试孔和相应钻孔取样与室内土工试验成果。选择国内外7种常用的CPTU土分类图进行应用比较,发现这些土分类图所采用的应力修正计算方法在考虑浅层土体的有效上覆应力修正时存在一定的缺陷,通过引入新的应力修正方法和修正土分类边界线,建立了适合我国水运工程的CPTU土分类方法。对比应用分析表明,该分类图能够准确地进行水运工程土类划分,尤其适合于软土、粉细砂和中粗砂的划分,可作为我国水运工程的土工程分类方法。     

考虑涂抹区渗透系数变化的非饱和土砂井地基固结特性分析

在以往对非饱和土砂井地基固结理论研究中,均将涂抹区与非涂抹区土体渗透系数视为相等,这与实际工程并不相符。本文将考虑涂抹区土体渗透系数的变化,分析其对超孔隙气、水压力消散规律的影响。基于Fredlund一维固结理论以及Darcy定律和Fick定律,对有限厚度线弹性非饱和土砂井地基,在大面积均布瞬时荷载作用下,考虑涂抹区土体渗透系数的变化,利用Laplace变换并引入Bessel函数推导出Laplace变换下的解,再通过Crump方法编程实现Laplace逆变换得到超孔隙气压力、超孔隙水压力的半解析解。利用典型算例进行计算,分别得到在不同半径、不同涂抹区半径和不同涂抹程度的情况下,超孔隙气压力、超孔隙水压力随时间的变化规律。得出考虑涂抹作用时,超孔隙气、水压力的消散速度降低;涂抹区半径越大、涂抹程度越高速度越慢,反之消散越快。本研究丰富了非饱和土砂井固结理论,对非饱和土砂井固结特性的研究具有一定的工程参考价值。     

无黏性土中筒型基础负压下沉模型试验

筒型基础是海洋结构物特别是海上风力机的重要基础型式之一,其下沉阻力的研究是该种基础型式成功应用的关键。目前对于无黏性土中下沉负压的计算方法主要有以静力触探为基础的(CPT-Based)方法与基于贯入过程中筒体受力平衡的解析方法,但计算结果与工程实测数据均存在偏差。开展了3种不同厚径比筒型基础的负压下沉模型试验,测量了下沉过程中筒内外侧壁、端部土压力以及周围土体的孔压变化;分析了2种方法中计算参数对结果的影响,给出了推荐的参数取值范围;根据实测孔压与数值模拟结果建立了临界负压计算公式。研究表明：砂土中筒型基础负压下沉时筒土间摩擦系数约为0.2,推荐CPT-Based方法中的外侧摩阻力系数为0.002 6～0.007 0,内侧摩阻力系数为0.001,端阻力系数为0.2～0.6;解析法中侧向土压力系数介于静止土压力系数与被动土压力系数之间,端阻力承载系数为40;考虑土体渗透破坏保护机制的临界负压计算公式可以有效地提高筒型基础下沉控制的临界负压,更加接近实际情况。