现代多功能cptu的数值模拟防灾减灾及防护工程硕士开题报告表本科学位论文.doc

硕 士 学 位 论 文 开 题 报 告 表学 号： 2015220524 姓 名： 卫才皇 导师姓名： 杨令强 王君鹏 学科、专业： 防灾减灾及防护工程 所属学院： 土木建筑学院 填 表 说 明一、 本表若用电脑录入，用小四号楷体填写，不得改动表格格式，内容力求详尽，如栏内填写不下，可另加附页。二、 签名处必须用碳素笔签字，字迹务必清楚。三、 表内所列项目要全部填写，不留空白。用A4纸双面打印。四、2015 年 5 月 15 日学科、专业防灾减灾及防护工程研 究 方 向孔压静力触探学位论文题目现代多功能CPTU的数值模拟论 文 类 型基础研究应用研究综合研究其 他论文选题的目的、意义和研究动态：1. 选题目的及意义近十几年来，我国经济建设高速发展，高速公路、铁路、桥梁及港口码头等大型交通基础设施建设日新月异，工程规模与建设水平处于国际空前水平。然而，工程建设中经常出现设计参数不可靠或不完全，施工过程中不断变更设计，沉降计算可靠性低，桥梁桩基设计随意性大等等问题，往往造成巨大经济损失或工程安全问题，影响正常营运。产生这些题的主要原因是岩土参数确定与设计方法与实际不符合。由于岩土工程参数与复杂多变的自然条件密切联系，确定岩土工程参数与合理设计往往成为工程建设的难点，是保证工程质量、缩短工程周期、降低工程造价、提高工程经济效益和社会效益的关键技术之一。钻孔取样、室内试验会造成土样扰动，试验结果难以反映地基岩土的真实状况，原位测试技术是在天然位置对岩土工程性能进行测试的一种技术，它勿需取样，简便快捷，是准确获得土性参数的有效方法。因此，研究基于高精度现场原位测试理论与技术，建立基于原位测试的土木工程设计计算理论，是当前我国工程领域迫切需要解决的重要课题。 静力触探技术(Cone Penetration Test,CPT)是岩土工程原位测试的主要技术之一，具有快速便捷、不需取样、数据量大、测试可靠等优点，尤其适用于高速公路、铁路这种线形分布、范围宽广的大型工程。但目前，我国工程设计中，主要采用我国上世纪60年代开发的单桥或双桥CPT技术，近几十年来几乎没有发展，存在着功能单一、技术粗糙、测试精度低、稳定性差和应用面窄等问题，与发达国家广泛使用的现代数字式多功能孔压静力触探试验(Piezocone Penetration Test,CPTU)存在巨大差距。 在此背景下，针对目前国内CPT测试技术与国际通用CPTU技术在理论研究与应用上的巨大差距和工程设计中存在的困难，而现代多功能数字式CPTU测试系统价格昂贵，国内高校很少具有备置条件，故很难对高速公路工程与大型桥梁工程等进行现场测试。通过对现代数字式多功能CPTU测试理论机理、工程设计应用方法等进行研究，采用数值模拟方式对多功能CPTU的新应用仿真，经济、周期短，与工程应用对比分析，为我国研制和开发多功能CPTU提供参考资料，实现CPTU功能进一步优化以及为CPTU在国内的普及具有积极意义。2. 国内外研究现状及研究成果原始的静力触探设备为螺旋锥头式静探仪。该仪器操作复杂，不便应用，受外界因素影响较大测试精度较低，1930年，荷兰人设计了“荷兰静力触探试验”，其使用的设备简称“荷兰锥”，用于测试浅层软土的物理力学性质指标。在1948年荷兰鹿特丹召开的第2届国际土力学基础会议上，该试验被视为最有效测定锥头贯入阻力的深层测试方法。1954年，我国学者陈宗基首次将该技术用于黄土地区，但测试效果不甚理想，原因是：杆与管之间的摩擦力极大地抵消，掩盖或歪曲了原有的锥尖阻力；钻杆自重产生的负压力及土层摩阻力使得靠地面油压表显示的锥尖贯入阻力读数失真；土体进入钻杆与套管之间的空隙，产生极大的假贯入阻力。1950年，在“荷兰锥”的基础上，Vermeiden和Plantema设计了带有一定长度的侧壁摩擦筒的圆锥形探头,较好的解决了上述问题，现有静力触探设备仍采用该结构，1962年，我国原建筑工程部综合勘察研究院成功研制了电阻应变式静力触探仪，有效消除了旧式静力触探设备装置的各项误差，大大提高了测试精度，为静力触探方法在工程中的广泛运用提供了坚实基础。1980年以后，国外研制了具有多功能的静力触探探头，在量测锥尖贯入阻力和侧壁摩擦阻力的同时，还可以量测侧向应力、热传导率、地温、倾斜、地震波、电阻率等参数，并逐步代替了单一型探头。随着电子技术的快速发展和机械制造工艺的提升，静力触探设备由单一的单桥探头逐步发展到双桥探头、孔压静探探头、波速静探探头、密度静探探头、地震静探探头等；探测深度由原来的不足10m到现在的近100m;记录方式由传统的人工读数到自动记录,设备传输由原有的电缆传输发展到无电缆声波传输，作业方式由人工向半自动、全自动作业方式转变；工程应用范围由浅层软土扩展至砂土、粉土、黏土、淤泥质土、素填土及含少量碎石的土。我国CPT技术在1970年以前基本上与国际水平同步发展，之后，虽然一些学者也进行了开发研究，但与国际水平渐行渐远，目前还主要采用传统的单、双桥CPT技术，无论是机理还是理论研究，在规范化、功能拓展、工程应用等方面均已明显落后国际水平，使我国岩土工程技术发展受到制约。而国际上近二十年在工程建设和传感器技术上取得巨大发展，研发了一系列地震波，电阻率，热导率等新型传感器，实现CPT的多功能、数字化发展，并拓展到了环境工程、海洋工程等领域，达到前所未有的水平。 多功能CPTU测试技术除了具有传统CPT技术所有功能外，在新型传感器技术的支持下，扩展了其在下述几个方面的应用: (1)地震波孔压静力触探(SCPTU) SCPTU是在CPTU探头加设l2个加速度传感器从而形成“下孔法”测定U和V，进而可计算出土的小应变剪切模量(G)和约束模量(M)。目前，SCPTU在国外应用较成熟，主要用于确定地基土动力特性、桩基承载变形特性及荷载传递分析以及场地地震危险性分析、液化分析。 （2）电阻率孔压静力触探(RCPTU) 近年来，国内外一些学者开始研究土的结构性与电阻率指标之间的关系，并且将其应用于评价土的天然结构状态和地基加固效果。如何有效地进行原位电阻率测试与室内测试对比，RCPTU的诞生为上述电阻率与土结构性之间关系的研究提供了条件，评价地基处理效果等具有较大的应用价值。RCPTU目前在环境岩土工程领域得到了很好应用，关于原位电阻率测试指标与土天然结构状态、宏观土性指标之间关系的研究相对较少。 （3）可视化静力触探(VisCPT) VisCPT探头使用一高速CCD照相机透过探头上的一蓝宝石窗口将地层的连续图像记录在DVD录像机里，并通过一深度标记装置使图像与测试深度对应起来。然后工程技术人员使用数字图像处理软件，运用某种运算法则，来分析土颗粒尺寸的分布规律。使用VisCPT技术不仅可以验证测试结果，而且可以分辨出传统CPT试验易遗漏的“薄夹层”。近年来，VisCPT技术在环境岩土工程领域得到了越来越多的应用，主要应用于尾矿污染物质、污染范围、污染土性质的调查等。3. 选题的研究方法与内容 孔压静力触探(CPTU)的工程应用:土的分类及土层柱状图；固结系数、渗透系数的确定；确定土的物理力学性质指标；计算地基沉降；确定桩基承载力；应力历史(OCR)；砂土液化；环境岩土工程等。土的工程性质主要归结为四个方面：土的应力历史、初始状态；变形特性；强度特性；渗流与固结。国外在利用CPTU成果来求取上述四方面参数已形成了系统的成果，具有可靠、实用的特点。据CPTU测试成果，在岩土工程领域已得到广泛应用，其中主要包括四个方面：修正锥尖阻力，使锥尖阻力真正反映土的性质；评价渗流、固结特性；区分排水、部分排水、不排水贯入，以满足不同需要；提高土分层与土质分类的可靠性。 据当前研究现状趋势分析，提出本课题研究方法与内容： (1)系统总结了国际静力触探技术的发展，比较了国内外CPTCPTU技术应用情况和存在的差距，指出了存在的问题；全面回顾了国内外静力触探技术的工程应用研究成果，包括土的应力历史和初始应力状态、强度特性、变形特性和固结渗流特性评价方法和研究成果，明确了研究方向。 (2)在孔压静力触探(CPTU)贯入机理的基础上，研究了CPTU贯入过程中探头周围的孔压分布及其影响因素，采用三维数值模拟技术探索了CPTU探头的尺寸效应。采用孔穴扩张理论，基于修正剑桥粘土模型，推导了CPTU探头贯入过程中土体中超孔隙水压力的解析表达式，并利用现场试验数据证实了理论的合理性。分析表明：CPTU探头附近弹性区大应变解和小应变解的差异可以忽略，土的超固结比对扩张孔穴周围的应力和孔压以及消散影响显著；越大的圆锥横截面积得到越低的锥尖阻力，越大的摩擦筒表面积得到越低的侧壁摩阻力，锥尖角越大造成锥尖阻力越大，当锥尖角大于90°以后，锥尖阻力随着锥尖角的增长幅度变缓；土体中贯入速率对CPTU测试参数的影响是非常明显的，锥尖阻力随着贯入速率的的增加而减小，而超孔压随着贯入速率的增加而增加。 (3)研究得出了国际标准CPTU与中国CPT测试指标的对比关系。锥尖阻力是探头几何形状的函数，由于CPTU探头端部面积的不等，实测的锥尖阻力应进行孔压修正，以利成果的通用与解释。在划分土层、判别土类方面，多功能CPTU具有较高的分辨率。探头的尺寸是影响测试结果的主要因素之一，分别取探头半径为 9mm，18 mm（标准尺寸）、36mm，48 mm 进行模拟分析。通过对 4 种不同尺寸探头贯入全过程的分析，总结当探头刚开始贯入时，探杆附近的塑性区变化情况；对不同尺寸下的锥尖阻力模拟结果进行分析，绘制探头锥尖阻力与贯入深度的关系图，观察锥尖阻力随着贯入深度变化的情况；模拟贯入深度为3D、5D、10D、20D（D 为探头的直径）时的应力影响范围随贯入深度的变化情况。由于孔隙水压力和土结构的变化，CPTU 探头向土中的贯入速率对贯入阻力的测试结果有明显影响。分别取贯入速率为 0.1，1，2，3，4 cm/s，在完全不排水的条件下对贯入过程进行模拟，观察探头达到稳定状态下的深度随贯入速率的变化情况。 (4)针对基于多功能CPTU预测高速公路地基沉降量的问题，通过室内固结试验、多功能CPTU原位测试计算和沉降数值模拟资料反演得到的压缩模量进行了综合对比，提出了合理的软基沉降计算压缩模量和固结参数的确定方法。通过室内试验来预测沉降的精度很差，比最终沉降小很多，最大误差达到51：利用修正锥尖阻力预测沉降的精度不高，其误差大于20；利用修正锥尖阻力仂预测沉降的精度也不高，其误差大于10；而净锥尖阻力预测沉降比较准确。通过现场多功能CPTU消散试验、室内试验与反演结果的对比发现：多功能CPTU消散模拟可以较精确地评价软土固结参数，多功能CPTU解译方法预测沉降更接近于实际。 (5)总结了土电阻率的影响因素与测试方法，根据电阻率CPTU探头的测试原理，进行多功能电阻率CPTU在典型粘土场地上的数值模拟，对电阻率CPTU所测电阻率与土性变化、探头参数及土的其他特性指标进行了对比分析。研究方案：本课题以多功能CPTU数值模拟为基础，参照学习相似静力触探试验的理论和研究建模方法，对于静力触探的原理和影响因素进行分析。采用单一变量下的静力触探仿真模拟，并用matlab进行数据处理，最后结论。 （1）资料整理、理论学习：学习abaqus和matlab等软件,熟悉有限元软件使用，整理相关现场试验资料、数据，研究学习岩土流变理论和贯入过程相关解析理论，如承载力理论（如 Meyerhof、Janbu 等、Durgunoglu 等）、孔穴扩张理论（如 Vesic、Baligh）、应变路径法（如 Baligh）等解析法，为数值模拟做好理论上的准备。（2）数值模拟：用abaqus进行不同尺寸和贯入速率模拟分析以及原位电阻率测试模拟分析与室内测试结合，并进行数据比较。为了将土体划分为高质量的网格，采用 ALE任意拉格朗日欧拉法自适应网格划分法。该方法结合了纯拉格朗日分析和纯欧拉分析的优点，可以有效地防止变形前、后几何形状差异所导致的网格畸变。除了需要对 ALE 网格划分的频率与强度进行控制外，还必须选择 ALE 网格光滑化，减少单元的扭曲。(3)分析总结：通过计算结果，对静力触探规律进行总结归纳。研究计划进度和经费预算：2015.5-2015.6: 查阅文献，学习abaqus和ansys，进行数据资料整理；2015.7-2015.8: 进行多功能静力触探理论分析，运用abaqus进行静力触探数值模拟；2015.9-2015.12: 撰写硕士毕业论文，准备答辩；2016.1-2016.4: 毕业论文检查与审核；2016.5-2016.6: 进行毕业答辩。预期达到研究结果：（1）通过查阅资料和文献，了解掌握目前多功能CPTU技术的研究动态及趋势，提出通过对CPTU探测过程的数值模拟进行研究补充这方面的不足。（2）通过对相关弹塑性理论和数学建模方法学习，熟悉土的工程性质分析过程和运用数值理论建模分析过程。（3）用abaqus进行不同尺寸和贯入速率模拟分析以及原位电阻率测试模拟分析与室内测试，并进行数据对比分析，为科学研究提供依据，为多功能CPTU研发和推广提供一定参考。（4）发表相关论文1篇。主要参考文献目录：1 蔡国军.刘松玉.童立元.杜广印现代多功能数字式孔压静力触探(CPTU)技术分析会议论文-20072 童立元.蔡国军.刘松玉.杜广印现代多功能孔压静力触探(CPTU)试验研究会议论文-20083 宋秋明.SONG Qiu-ming 原位测试技术在检验强夯加固地基中的应用期刊论文-山西建筑2009,35(25)4 付江山.聂勇.FU Jiang-shan.NIE Yong 载荷试验确定粉喷桩复合地基承载力的探讨期刊论文-西部交通科技 2009(12)5张畅.张涛静力触探在黄河下游堤防工程中的应用会议论文-20026 蔡国军.刘松玉.童立元.杜广印.查甫生电阻率静力触探(RCPT)在地基处理中的应用现状会议论文-20067 李新武.陈刚.LI Xin-wu.CHEN Gang 原位测试技术在苏通大桥详勘中的应用期刊论文-水运工程2008(9)8 陈艺南.潘华良.刘松玉.缪林昌高等级公路软土地基勘探方法的探讨期刊论文-路基工程2002(4)9 蔡国军.汪春桃.刘松玉.童立元.杜广印多功能CPTU测试技术在软土工程性质评价中的应用研究综述会议论文-200810刘松玉.蔡国军.童立元.杜光印现代CPTU测试技术及其在环境土工测试中的应用会议论文-200811孟高头.土体原位测试机理、方法及其工程应用.北京:地质出版社,1997.12陈奇.海底静力触探若干关键技术研究D.中国地质大学(武汉)博士学位论文,2008,2一13.13石要红.海底土体静力触探关键技术研究D.中国海洋大学硕士学位论文.2005,3一11.14冯秀丽.海洋地质工程专论M.青岛:中国海洋大学出版社.2006,82一87.15黄兴鹊.无电缆全自动连续贯人静力触探试验.岩土工程界,2006,6,75一77.16陆凤慈等.海上静力触探C)测试技术的发展和应用J.海洋技术,2以科,23(4):32一34.17陆凤慈.静力触探技术在海洋岩土工程中的应用研究D.天津大学硕士学位论文,2005,14-21,18李世民.浅海域海底静力触探测试系统机械结构研究D.吉林大学硕士学位论文,2005,6-11,13-17.19李春,莫杰,静力触探稳定装置在浅海工程地质调查中的应用.海洋技术,1995,12,101一102.20刘荣毅,陈光顺.水域静力触探设备的研制和应用J.岩土工程技术,23:161-162.21唐贤强.地基工程原位测试技术.北京:中国铁道出版社,1993,3-21.22唐贤强,叶启民.静力触探M.北京:中国铁道出版社,1986,11-30.23朱长歧.WR一11型海洋静力触探(CS盯)数据处理系统中的岩土力学分层模型.岩土力学,1994,1,78-8824崔新壮，丁桦静力触探锥头阻力的近似理论与实验研究进展川力学进展，2004，34(2)：251-26225曹权 基于孔压静力触探试验 研究软土中静压桩的承载力性状 J南 京: 河海大学博士学位论文26蒋明镜，沈珠江考虑材料应变软化柱形孔扩张问题J岩土工程学报，1995，17(4)：10-1927蒋明镜，沈珠江岩土类软化材料的柱形孔扩张统一解问题岩土力学，1996，17(1)：l-828蒋明镜，沈珠江考虑剪胀的线性软化柱形孔扩张问题J岩石力学与工程学报，1997，16(6)：550-55729肖昭然，张昭，杜明芳饱和土体小孔扩张问题的弹塑性解析解川岩土力学，2004，25(9)：l 373-l 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