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静压桩沉桩过程中贯入机理理论研究进展

工程地质学报 2022年第2期30卷 484-495页

作者：刘雪颖王永洪张明义白晓宇青岛理工大学土木工程学院青岛266033 山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心青岛266033

在静压桩的理论研究中,分析静压桩沉桩过程中贯入特性所面临的首要难题是明确静压桩贯入机理。本文以分析静压桩沉桩过程中贯入机理为基础,对静压桩沉桩的3种理论分析方法——圆孔扩张理论、应变路径法和有限元分析分别进行了总结与分析... 详细信息

在静压桩的理论研究中,分析静压桩沉桩过程中贯入特性所面临的首要难题是明确静压桩贯入机理。本文以分析静压桩沉桩过程中贯入机理为基础,对静压桩沉桩的3种理论分析方法——圆孔扩张理论、应变路径法和有限元分析分别进行了总结与分析,指出了目前研究静压桩贯入机理所存在的不足,并提出了对贯入机理研究的若干建议与认识。建议在传统的圆孔扩张理论基础上,结合应变路径法加以修正,基于土的非线性、桩与土的共同作用、空间特性等对静压桩的沉桩机理本质进行分析。对静压桩贯入机理理论研究的总结为估算静压桩的施工影响提供参考,从而为静压桩的设计和施工提供更多的借鉴,带来一定的经济效益。

关键词：静压沉桩贯入机理圆孔扩张有限元分析

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CPTU贯入机理的研究

CPTU贯入机理的研究

作者：卫才皇济南大学

学位级别：硕士

高效准确地确定岩土参数,是可靠地计算沉降与承载力,缩短工程周期、降低工程造价保证工程质量,提高社会与经济效益的关键一环。原位测试技术不需要像室内试验与钻孔取样那样扰动原试样,而孔压静力触探(CPTU)在原位测试中效果最佳,应用... 详细信息

高效准确地确定岩土参数,是可靠地计算沉降与承载力,缩短工程周期、降低工程造价保证工程质量,提高社会与经济效益的关键一环。原位测试技术不需要像室内试验与钻孔取样那样扰动原试样,而孔压静力触探(CPTU)在原位测试中效果最佳,应用范围最广,可以有效定出土名,量测土体剖面,获取岩土工程参数,确定地基土类型,判断地震作用下土体液化情况,对桩基与浅基础承载力进行评价,计算地基沉降等等。本文首先介绍CPTU在国内外的研究进展与与现状,总结其在工程实践中的应用情况。同时,简要介绍一定的岩土力学知识,以为深入探讨CPTU贯入过程的理论分析作必要的铺垫和补充。根据CPTU的贯入特点,结合有限元计算理论,引出CPTU贯入过程的有限元理论。充分运用ABAQUS在强大的非线性处理能力以及在其特有的ALE(任意拉格朗日-欧拉法)网格划法,对CPTU贯入过程进行数值模拟。一方面,孔压静力触探(CPTU)技术不同于室内简单条件的试验,现场条件的复杂性,较多的影响因素,运用数值模拟可以孤立和抽取CPTU贯入过程中的某些因素,便于分析其对贯入过程的影响大小。另一方面,CPTU主要采取反馈分析间接求参数,一般不是由测试结果直接写入参数。这种统计得到的经验和半经验公式,反应的是一种相关关系,更多的是一种定性分析,因此,不利于CPTU贯入机理分析,而CPTU数值模拟可以克服这一缺点。CPTU测试理论中无论是承载力理论还是孔穴扩张理论,都对CPTU贯入边界作了近似处理,致使理论解很难精确反应CPTU贯入全过程。模型槽试验虽然缩短了CPTU原位测试研究的时间,提高了研究效率,但是其边界效应及扰动因素影响测试结果。而CPTU数值模拟可以克服模型槽的这一缺点,还可以简化条件,便于观察比较,易于发现其中的因果关系。通过ABAQUS数值模拟,研究了CPTU贯入过程中探头锥尖阻力与周围土体的应力应变及孔压场分布情况,同时分析了探头贯入过程中的影响因素,探索了土体的屈服强度、侧压力系数0K、CPTU贯入速率对CPTU测试的影响,并结合现场原位测试及模型试验的相关资料对模拟结果进行对比分析。分析表明:(1)当CPTU贯入较浅,小于0.4m(约10个探头直径)时,探头对土体扰动较大。随着贯入深度的增加,这种扰动逐渐变小。(2)贯入过程中,探杆周围土体塑性区水平影响范围约1个探头半径,在探头附近形成了应力泡,其特点与Yu等的孔穴扩张理论吻合较好。(3)探头贯入使土体发生一定剪胀与细微开裂现象,对土体径向的挤压在锥头所在土层最大。(4)孔压透水元件最佳位置置于锥头与锥身交界处。(5)土的初始应力状态对锥尖阻力的影响比较显著,土静止侧压力系数K0由0.2增加到1.0时,锥尖阻力增大较为明显。土体屈服强度与锥尖阻力有着良好的相关性。(6)CPTU探头贯入速率的改变不影响土体应力场分布,锥尖阻力随着贯入速率的的增加而减小,但是减小不大。当贯入速率在2～10cm/s时,锥尖阻力变化不大,当速率较小时锥尖阻力有较明显的变化,这也反映了CPTU贯入速率通常选为2cm/s的合理性,以2cm/s贯入即使电压不稳等因素造成速率的一定范围内波动也不对结果产生较大误差。(7)CPTU贯入过程模拟无论是与现场原位测试及理论计算得到的圆锥系数相近,且其贯入过程中场变化也保持了良好的一致性,都是离探头越近土体应力越大,离探头越远应力越小,并与模型槽中探头锥尖所在土层横向变形最大结论一致。

关键词：原位测试 CPTU 贯入机理数值模拟锥尖阻力

软土中静力触探贯入机理及土体参数变化对触探影响研究

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软土中静力触探贯入机理及土体参数变化对触探影响研究

作者：杜瀚洋沈阳建筑大学

学位级别：硕士

在岩土工程的众多原位测试实验中,静力触探已有的工程实例数据丰富,使用简便快捷,应用范围广泛,是最常见的原位实验之一,静力触探的机理与许多其它工程都有相类似的部分,如单桩承载力的计算,但在细节上有着一定的差别。因此对于静力触... 详细信息

在岩土工程的众多原位测试实验中,静力触探已有的工程实例数据丰富,使用简便快捷,应用范围广泛,是最常见的原位实验之一,静力触探的机理与许多其它工程都有相类似的部分,如单桩承载力的计算,但在细节上有着一定的差别。因此对于静力触探的机理进行研究是很有必要的。这些年国内外的许多学者对于静力触探的机理这一方向进行了很多不同角度的研究工作,虽然陆续也取得了许多研究成果,但是由于土自身力学性质的不确定性,和真实土体超高的复杂性使得对土体的建模很难与真实情况相符,又由于触探的过程中探头附近土体受力产生的变形幅度很大,会使模拟情况产生一定失真,这使得实验与模拟两种途径获得相应数据的方法都无法保证数据的准确性,这使得机理的研究有很高的难度和不确定性。所以时至今日对于静力触探机理研究的结果还是不能让人满意,大多数的研究成果都是通过实验及相应数据分析获得的,之前也有学者通过有限元软件建模对静力触探的过程进行模拟,以此分析其机理得到过一些论断,不过因为大家所建立的模型间差异都很大,所以各自所得的结果间差别也很大。本文采用ABAQUS的有限元软件对静力触探整个的贯入过程进行了模拟分析。并将分析的结果与前人实验所获得数据分析得到的公式进行比对。本文的主要研究内容:(1)介绍国内外对静力触探贯入机理研究的现状,对静力触探仪器规格及功能的发展历史进行介绍,对静力触探理论的发展过程,以及国内外学者总结出的经验公式或半经验公司进行介绍。(2)介绍前人对静力触探机理研究得到的不同承载力理论方法,并阐述这些理论的发展历史,原理假设,还有与其它理论相比较的优劣势。(3)通过有限元模拟软件Abaqus对静力触探的整个贯入过程进行了模拟,分析静力触探的贯入过程中以及贯入到达终点时土体的应力应变情况。(4)通过修改土体与静力触探结果相关的参数,如内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比,可以获得这些参数变化对锥尖阻力、侧摩阻力以及摩阻比的影响,并将这些数据在spss数据分析软件中进行回归分析,得出相应的回归方程。(5)同时改变土体的粘聚力c与内摩擦角,求出其对侧摩阻力的影响,建立粘聚力、内摩擦角与侧摩阻力之间的相关数据,并通过spss数据分析软件进行回归分析,得出相应二元回归方程。(6)对李琳实验获得的数据中的静力触探与三轴实验部分进行处理,选取其中静力触探得到的锥尖阻力、侧摩阻力和摩阻比,三轴实验得到的土体粘聚力与内摩擦角对这些数据进行检验剔除异常数据后,导入spss软件中进行回归分析得到相关的一元回归方程和二元回归方程,将这一结果与前面模拟过程中的结果进行比对分析。

关键词：静力触探贯入机理有限元土的物理参数

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孔压静力触探贯入机理及其桩基工程应用研究

孔压静力触探贯入机理及其桩基工程应用研究

作者：耿功巧东南大学

学位级别：硕士

随着我国经济建设高速发展,工程规模与建设水平的不断提高,对岩土工程参数准确性的要求也逐渐提升。原位测试技术是一种在原位场地对土体性能进行测试的技术,无需取样,方便快捷,是准确获得土性参数的有效方法。孔压静力触探技术(Piezoco... 详细信息

随着我国经济建设高速发展,工程规模与建设水平的不断提高,对岩土工程参数准确性的要求也逐渐提升。原位测试技术是一种在原位场地对土体性能进行测试的技术,无需取样,方便快捷,是准确获得土性参数的有效方法。孔压静力触探技术(Piezocone Penetration Test, CPTU)是20世纪80年代兴起的新型原位测试技术,相比于静力触探技术(Cone Penetration Test, CPT)具有测试数据量大、稳定性高以及应用范围广等优点。然而,CPTU贯入机理如土体参数敏感性、超前滞后深度等缺乏系统的理论研究使得CPTU在国内发展较为缓慢。由于土塞效应的存在,基于CPTU桩基承载力计算方法难以准确计算开口管桩的单桩承载力,为桩基础设计带来了困难。在此背景下,采用东南大学引进的多功能CPTU测试系统,以高速公路与大型桥梁工程为依托,通过理论分析、数值模拟、现场试验等方法,对CPTU参数敏感性、超前滞后深度以及开口管桩承载力计算方法进行系统研究。主要研究内容与成果如下：(1)在总结国内外CPTU贯入机理研究基础之上,通过大变形有限元模拟方法对CPTU的动态贯入过程进行了参数敏感性分析,总结土体内摩擦角、剪胀角、弹性模量、初始应力状态以及渗透系数等参数对CPTU贯入过程的影响。研究结果表明：内摩擦角、剪胀角、弹性模量以及初始竖向应力均能够不同程度地提高锥尖阻力;CPTU贯入过程中超孔隙水压力的产生与消散主要由水平向渗透系数决定,与竖向渗透系数相关性较小。(2)通过有限元法模拟了CPTU在双层土中的贯入,并结合江苏四个典型场地66个试验孔位中的157个土层分界处的数据,系统分析了超前滞后深度与上下土层强度之间的关联性。提出了上软下硬与上硬下软土层条件下的超前深度计算公式,为CPTU准确识别土层边界提供理论依据。(3)全面回顾了基于CPT/CPTU单桩承载力的计算方法,结合崇启大桥北岸引线试验场地与靖江文化中心管桩场地工程资料,评价了各方法对于开口管桩的适用性。对开口管桩的桩端阻力与土塞增长率IFR的相关性展开现场试验研究,在Eslami和Fellenius提出的CPTU直接法基础上进行改进,提出了基于CPTU计算开口管桩承载力的新方法。

关键词：孔压静力触探贯入机理数值模拟超前滞后深度开口管桩承载力

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球型全流触探仪的机理研究及工程应用综述

工程地质学报 2017年第6期25卷 1603-1609页

作者：杨岩刘松玉蔡国军彭鹏郑金伙江涛东南大学岩土工程研究所南京210096 江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室南京210096 福建省建筑设计研究院福州350100

近年来,随着全球海洋开发战略的逐步开展,越来越多的工程建设和试验研究将在海洋中进行,为了掌握海底的土体环境,静力触探(CPT)技术在国内外海洋工程领域中的运用变得更加重要。本文根据国内外大量文献中相关海洋原位测试技术的报道,对... 详细信息

近年来,随着全球海洋开发战略的逐步开展,越来越多的工程建设和试验研究将在海洋中进行,为了掌握海底的土体环境,静力触探(CPT)技术在国内外海洋工程领域中的运用变得更加重要。本文根据国内外大量文献中相关海洋原位测试技术的报道,对海洋静力触探的国内外发展历程进行总结,重点阐述和研究了一种适用于海底淤泥质土的球型全流触探仪。分析结果表明,球型全流触探仪在海洋岩土工程勘察中具有很好的应用前景,且集测量数据精确可靠、试验方法多样化、理论解析丰富全面等优点于一身;利用球型全流触探仪能够有效避免较大的实测数据修正,贯入机理清晰严谨,开展循环贯入试验可以评价土的重塑特性,变速率贯入试验在评价应变速率和现场土体强度以及测试中土体固结状态之间的关系上具有优势;结合现场试验,对比分析传统CPT和球型全流触探仪的试验结果,并考虑海底软土的性质,摸索出一种可停靠球型探头新形式。

关键词：海洋岩土工程球型探头全流触探仪贯入机理

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地/月环境下静力触探试验数值仿真研究

东南大学学报(自然科学版) 2024年

作者：赵学亮刘子雄李宇陈正瀚杨建中徐赵东东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育重点实验室长大桥梁安全长寿与健康运维全国重点实验室北京空间飞行器总体设计部

采用三维离散元法（DEM），对地面/月面环境下的静力触探试验（CPT）贯入机理及力学行为进行数值仿真研究。DEM仿真采用考虑范德华力迟滞效应的月壤颗粒接触模型，以更好地反映月面环境下具有黏聚力特征的月壤中的CPT力学特性。结果表... 详细信息

采用三维离散元法（DEM），对地面/月面环境下的静力触探试验（CPT）贯入机理及力学行为进行数值仿真研究。DEM仿真采用考虑范德华力迟滞效应的月壤颗粒接触模型，以更好地反映月面环境下具有黏聚力特征的月壤中的CPT力学特性。结果表明，由于月壤存在黏聚力和所处的低重力环境，其力学行为与地面环境下砂土有较大差别。在贯入过程中，探头附近浅表的月壤颗粒产生了更大的竖向位移，发生位移的颗粒数目更多，颗粒的速度场和模型力链分布也发生了变化。现有研究中重力加速度大于1g时得到的结果不能直接应用于月面重力加速度小于1g的情况，针对这2种情况应分别采用不同的线性关系式来描述稳定归一化锥尖阻力与重力加速度倒数之间的关系。与地面环境下的CPT试验相比，月面环境下的CPT试验贯入过程需要提供更大的归一化反力，且探头周围土体变形范围更大。

关键词：地/月环境静力触探试验数值分析贯入机理

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基于离散元法的温度静力触探贯入与传热研究

防灾减灾工程学报 2022年第5期42卷 913-921页

作者：莫品强胡裕琛王宽君王洪国中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 深圳市城市公共安全技术研究院广东深圳518034 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江杭州310014 山东高速建设管理集团有限公司山东济南250098

温度静力触探是一种新型原位测试方法,可同时获取土体的力学和热学参数,为浅层地温能资源勘查提供技术保障。为研究温度静力触探的贯入与传热机理,通过离散元数值模拟实现了离散元模型的建立和试样的力学和热学参数标定。研究分析了贯... 详细信息

温度静力触探是一种新型原位测试方法,可同时获取土体的力学和热学参数,为浅层地温能资源勘查提供技术保障。为研究温度静力触探的贯入与传热机理,通过离散元数值模拟实现了离散元模型的建立和试样的力学和热学参数标定。研究分析了贯入过程中的贯入阻力变化、土体应力场、位移场及位移路径;获得了加热-散热过程中探头加热段与隔热段的温度响应规律以及土体温度场演化,并与室内模型试验进行了对比分析。采集的温度变化曲线通过数据解译反演得到了土体的导热系数,为温度静力触探的贯入-传热机理研究及工程应用奠定了理论依据。研究结果表明:贯入过程中,贯入阻力随深度的增加而增加,且土体颗粒位移范围在距锥身B/2内;传热过程中,探头加热60 s,加热段实现了5.5℃的升温;在加热和散热的初期,探头的温度变化最快,与实验结果相同;利用探头散热温度所反演导热系数为0.330 W/(m·K),误差为6.5%,优于加热数据反演结果。

关键词：温度静力触探离散元法贯入机理导热系数

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静力触探预估静压桩承载力的试验研究

静力触探预估静压桩承载力的试验研究

作者：张永雨郑州大学

学位级别：硕士

静压桩以其施工不污染环境、压桩力可控制以及单位承载力造价低等优点得到越来越广泛的应用。但是，在静压桩设计施工方面还有许多问题需要研究和探讨，比如静压桩的贯入机理、挤土问题以及承载力估算等问题。本文针对静力触探预估静压... 详细信息

静压桩以其施工不污染环境、压桩力可控制以及单位承载力造价低等优点得到越来越广泛的应用。但是，在静压桩设计施工方面还有许多问题需要研究和探讨，比如静压桩的贯入机理、挤土问题以及承载力估算等问题。本文针对静力触探预估静压桩单桩承载力方法，进行了一系列理论和试验方面的研究和探讨。本文的主要工作： 1．在国内外有关静压桩和静力触探贯入机理研究成果的基础上，阐述并指出承载力理论、圆孔扩张理论、混合理论、应变路径法、有限元分析法等几种理论方法的进展概况、应用范围及优缺点，进一步阐述了球孔扩张理论在沉桩机理方面的应用。 2．针对静压桩和静力触探的相关性，本文提出了在PHC管桩中预埋钢筋计测桩身轴力的现场试验方案，首次在静压桩贯入过程中测得桩身轴力，从而研究静压桩沉桩机理以及静压桩与静力触探的受力相似性。 3．对试验桩进行了抗压、抗拔静载试验，测得不同分级荷载作用下的桩身轴力图，以此来研究静压桩的承载力机理，进一步研究了静压桩的承载力与静力触探数据的相关性。 4．在理论和试验结果分析的基础上，提出了用静力触探指标预估静压桩承载力的方法，并用工程实例进行了验证，证明了本文所提方法预估的结果与静载试验结果基本吻合。从而，找到了预估静压桩承载力中最简单快捷、准确合理的方法，弥补了地区规范的不足，为设计施工提供了可靠合理的依据。

关键词：静压桩静力触探单桩承载力贯入机理静载试验

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静压桩压桩力计算及长期承载力预测

静压桩压桩力计算及长期承载力预测

作者：刘辉青岛理工大学

学位级别：硕士

随着城市化进程的发展,高层建筑在城市中日益增加,桩基础的应用越来越广泛。与其他桩型相比,静压桩噪音低,振动小,无污染的特性越来越受到工程设计人员的喜爱。但对于静压桩理论方面的研究却远远落后于工程实际应用,本文以理论分析为基... 详细信息

随着城市化进程的发展,高层建筑在城市中日益增加,桩基础的应用越来越广泛。与其他桩型相比,静压桩噪音低,振动小,无污染的特性越来越受到工程设计人员的喜爱。但对于静压桩理论方面的研究却远远落后于工程实际应用,本文以理论分析为基础,结合前期研究做过的现场原型试验,对静力压入桩的贯入机理,沉桩阻力及长期承载力预测等问题进行了较为深入的研究。本文的主要工作如下:(1)深入研究静力压入桩沉桩机理及在不同土质中的沉桩特性,并对比分析静压桩的沉桩过程和静力触探的贯入过程之间的异同。分析不同材质、贯入速率和尺寸效应三个影响因素对沉桩阻力的影响,为更好的利用静力触探资料估算静压桩沉桩阻力提供了依据。(2)在搜集整理国内外研究成果的基础上,分析沉桩过程中侧阻退化机理:总结归纳利用侧阻退化原理降低沉桩阻力的方法,以及侧阻退化在工程实践中的应用。(3)提出考虑侧阻退化计算沉桩阻力的基本公式,并利用Visual Basic语言编写了计算程序。利用在山西太原试验场区进行的2组原型试验的实测结果对比用程序计算得到的结果,验证计算公式的可行性。(4)利用BP人工神经网络建立了一个模型预测静压桩长期承载力,并利用Visual Basic语言编写了计算程序。利用在珠海的试验场区进行的3组“隔时复压”原型试验的试验数据,选其中两根桩的数据作为样本进行学习,预测第3根桩的长期承载力。将预测得到的静压桩长期承载力～时间曲线和实测承载力～时间曲线进行对比分析,验证计算结果的准确性。

关键词：静压桩贯入机理沉桩阻力侧阻退化承载力时间效应