扁铲侧胀试验中贯入过程有限元模拟

高 鑫 罗 松 李明东

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000;2.深圳市福田区国土规划局，广东 深圳518000)

扁铲侧胀试验中贯入过程有限元模拟

高 鑫1罗 松2李明东1

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000;2.深圳市福田区国土规划局，广东 深圳518000)

扁铲侧胀试验中贯入过程会对土体产生扰动，采用在Drucker-Prager模型基础上修正的双线性弹性各向同性模型，对扁铲贯入引起的土体变化进行了有限元分析.结果表明：(1)贯入后扁铲测头梢端尖部土体发生受拉破坏，扁铲梢尖端转折处土体发生受压破坏，铲尖斜面上土体被剪拉破坏；(2)扁铲侧胀试验贯入过程引起的水平扰动范围在距离扁铲测头35 cm左右.

扁铲侧胀试验；贯入；扰动；有限元法

1 扁铲侧胀试验

扁铲侧胀试验于20世纪70年代末由意大利学者Marchetti发明，可用于评价土的类型、计算土的静止侧压力系数和侧向基床系数以及评价土的固结状态和强度指标等[1].由于具有设备简单、操作方便、可重复性好、费用低及连续性采样等优点，扁铲侧胀试验在岩土工程界领域得到广泛应用.

但众所周知，扁铲侧胀试验中贯入过程会对土体产生扰动，影响测试结果[2].因此需要对扁铲侧胀试验贯入引起土体扰动进行研究，以便于更准确地评价扁铲侧胀试验测试结果.目前关于贯入机理的理论分析主要有如下三种：承载力理论分析[3]、孔穴扩张理论分析[4]和应变路径法[5]，均存在一定局限性.比如，Huang[6]，Whittle和Aubeny[7]，Yu等[8]以及Finno[9]采用应变路径法对土体中由扁铲探头贯入所引起的应变场和应力场进行了相关研究.可以看到，应变路径法采用锥体绕流的方法获得应变场，在扁铲侧胀试验贯入过程的研究中应用较多，但是该法不考虑土本身的抗剪切能力，而将贯入时土中的流场与无粘滞性不可压缩流体绕锥体的流场等同，故只有应用于完全饱和的软粘土才较为有效.

由于扁铲探头扁平的特点，其贯入过程可以简化为二维问题进行分析[10].本文采用应变控制的方法对扁铲探头贯入过程进行了有限元模拟，对探头贯入过程引起的土体扰动范围进行了探讨.

2 贯入过程的有限元分析

2.1土体本构模型选用及数值模型的建立

本文采用ANSYS软件来模拟扁铲探头贯入土体的过程.选用在Drucker-Prager模型[11](简称D-P模型)基础上经过修正的双线性弹性各向同性模型.该模型比较接近实际土的本构关系，且所需参数相对较少，包括E、Er、σV(见图1).残余模量Er则通过室内土工试验得到，σmax在ANSYS系统中没有明确的取值，近似取1.5σV，超过该极限值之后，认为材料为完全塑性.

图1 修正的双线性弹性各向同性模型

图2 初始贯入整体数值模型

土性模型确定之后，进行数值模型架构的确定.在ANSYS中模拟扁铲侧胀试验试验的贯入过程需要考虑如下因素：探杆和贯入器的挤土效应、贯入器的侧壁摩擦和端阻力以及静水压力等因素.整个模型的侧壁约束是无法确定的，原因是扁铲侧胀试验没有测侧壁摩擦力的设备，难以得到探杆和贯入器的侧壁摩擦力.为简化所研究的问题，作如下假定：(1)在某一个试验点上土体和贯入设备之间没有竖向位移.考虑到扁铲侧胀试验的特殊性，贯入会在试验点处停止，再进行钢膜片侧向膨胀，假设土体与贯入设备间的相对位移为零.(2)假设在贯入停止后，贯入设备与土体紧密接触.由于测头的贯入，土体会产生横向位移，该位移量等于探头厚度的一半.在ANSYS中选定一个矩形面积，大小为0.54m×0.42m，如图2所示，即为扁铲贯入的扰动影响范围.

2.2贯入模拟

在以上几个假定条件下，无需再输入模型的侧壁摩阻力约束，采用应变控制对贯入过程进行模拟和分析.通过改变扁铲测头贯入区域的位移条件，得到贯入过程引起的土体中应力应变变化情况.具体荷载施加过程如下：

(1)首先给数值模型的土体施加初始重力场，密度取浮容重，其中a面自由，受竖向上覆土压力σcr，b,d面水平位移为零，c面水平和垂直位移均为零(参见图2).设定土是饱和的；

(2)然后解除d面上部分点的水平约束，以一个水平位移代替，该位移大小为扁铲测头厚度的一半，即7mm.扁铲头顶部斜面所对应点的位移根据扁铲头顶部面倾角确定(参见图3).

(3)对扁铲头梢端附近的区域，进行1∶2的三角形非线性网格加密.

图3 扁铲头示意图与模拟贯入后相应土中节点的位移

2.3结果分析

图4为扁铲测头贯入土体后土中应力分布云图，图5为测头梢端应力放大后的云图.由图4可见，扁铲梢端区域土体应力变化最为明显，对该区域应进行更为详细的分析.从图5可以看出，梢端各个部分出现了不同程度的应力集中.

(a)土中竖向应力分布云图

(b) 土中水平向应力分布云图图4 扁铲测头贯入后土中应力分布云图

由图5(a)和(b)可知，在梢端的尖部存在一个应力集中域，该区域按照弹性力学解会出现拉应力，由于土体基本上不能承受拉应力，故此部分土体可认为已被完全破坏，是纯塑性区域.由于扁铲的贯入，铲头梢端尖部侧向土产生挤压变形，因而尖部以下土体会产生拉应力，从而导致破坏.在图5(a)中可以看到在扁铲尖端转折处压应力已到500 kPa左右，此部分土基本上可以认为已完全受压破坏.在图5(c)中可以看到在铲尖斜面上剪拉应力强度超过了50 kPa，此部分土可以认为被剪拉至破坏.总的塑性区域分布图如图6所示.

(a)水平向正应力 (b)竖向正应力 (c)剪应力图5 梢端应力状态放大云图

图6 土体中由扰动产生的塑性区域云图

图4中，扁铲测头贯入引起的扰动区域右侧很大一部分应力云图都是同一颜色，很难分辨出土体应力状态变化情况.对侧面上土体的某一垂面上(距扁铲约35 cm)的应力应变情况进行分析，如图4中的垂线a-a’.由图7明显可以看出，距离扁铲测头35 cm处，贯入前后土中的竖向应力σx变化不大，而水平向应力σy明显增大，最高增大了3倍多.另外水平位移Vx最大也只有2mm.由此说明扰动引起的应力场在达到纵线a-a’位置时进入相对稳定状态，扁铲侧胀试验贯入引起的水平扰动范围距离测头35 cm左右.

图7 贯入扰动前后a-a’面上水平应力

3 结束语

本文利用ANSYS大型有限元程序，并基于一定假定条件下对扁铲贯入过程产生的土体扰动进行了分析，得到如下结论：

(1)扁铲测头贯入之后，在梢端的尖部存在一个很强的扰动区域，土体发生受拉破坏，而在扁铲梢尖端转折处产生压应力集中，土体受压达到完全破坏状态；在铲尖斜面上存在很大的剪拉应力，土体被剪拉破坏.

(2)扁铲测头贯入引起的应力场在距离测头35 cm左右位置时进入相对稳定状态，即为扁铲侧胀试验贯入过程引起的水平扰动范围.

[1]袁聚云，徐超，贾敏才，邢皓枫.岩土体测试技术[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[2]MARCHETTI S.In Situ Tests by Flat Dilatometer[J].ASCE Jnl GED,1980(106):299-321.

[3]唐贤强,谢瑛,谢树彬,等.地基工程原位测试技术[M].北京:中国铁道出版社,1993.

[4]龚晓南.土塑性力学[M].浙江:浙江大学出版社，1999.

[5]BALIGH M M.Strain path method[J].Geotech.Engrg.Div,ASCE,1985(9):1108-1136.

[6]HUANG A B.Strain-Path Analyses for Arbitrary Three Dimensional Penetrometers[J].Int.Jnl for Num.and Analyt.Methods in Geomechanics,1989(13): 561-564.

[7]WHITTLE A J, Aubeny C P.The effects of in-stallation disturbance on interpretation of in situ tests in clay[C].Proc.Wroth Memorial Symp.Predictive Soil Mechanics, Oxford,1992:742-767.

[8]YU H S, CARTER J P, Booker J R.Analysis of the Dilatometer Test in Undrained Clay[C].Pr-oc.Wroth Memorial Symp.Oxford: Predictive Soil Mechanics, 1992: 783-795.

[9]FINNO R J.Analytical Interpretation of Dilatometer Penetration Through Saturated Cohesive Soils[J].Geotéchnique,1993(43):241-254.

[10]LECH BA ACHOWSKI.Numerical modelling of test in calibration chamber[J].Studia Geotechnica et Mechanica,2006(XXVIII):2-4.

[11]ANSYS非线性分析指南，美国ANSYS公司驻北京办事处，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

绍兴文理学院大学生科研基金资助项目

高 鑫(1994- )，男，浙江温州人，绍兴文理学院土木工程学院硕士研究生在读，研究方向：土木工程.

(责任编辑王海雷)