現(xiàn)代多功能CPTU的數(shù)值模擬-防災(zāi)減災(zāi)及防護工程碩士畢業(yè)論文開題報告表.docx

碩 士 學(xué) 位 論 文 開 題 報 告 表學(xué) 號： 2015220524 姓 名： 衛(wèi)才皇 導(dǎo)師姓名： 楊令強 王君鵬 學(xué)科、專業(yè)： 防災(zāi)減災(zāi)及防護工程 所屬學(xué)院： 土木建筑學(xué)院 填 表 說 明一、 本表若用電腦錄入，用小四號楷體填寫，不得改動表格格式，內(nèi)容力求詳盡，如欄內(nèi)填寫不下，可另加附頁。二、 簽名處必須用碳素筆簽字，字跡務(wù)必清楚。三、 表內(nèi)所列項目要全部填寫，不留空白。用A4紙雙面打印。四、2015 年 5 月 15 日學(xué)科、專業(yè)防災(zāi)減災(zāi)及防護工程研 究 方 向孔壓靜力觸探學(xué)位論文題目現(xiàn)代多功能CPTU的數(shù)值模擬論 文 類 型基礎(chǔ)研究應(yīng)用研究綜合研究其 他論文選題的目的、意義和研究動態(tài)：1. 選題目的及意義近十幾年來，我國經(jīng)濟建設(shè)高速發(fā)展，高速公路、鐵路、橋梁及港口碼頭等大型交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異，工程規(guī)模與建設(shè)水平處于國際空前水平。然而，工程建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計參數(shù)不可靠或不完全，施工過程中不斷變更設(shè)計，沉降計算可靠性低，橋梁樁基設(shè)計隨意性大等等問題，往往造成巨大經(jīng)濟損失或工程安全問題，影響正常營運。產(chǎn)生這些題的主要原因是巖土參數(shù)確定與設(shè)計方法與實際不符合。由于巖土工程參數(shù)與復(fù)雜多變的自然條件密切聯(lián)系，確定巖土工程參數(shù)與合理設(shè)計往往成為工程建設(shè)的難點，是保證工程質(zhì)量、縮短工程周期、降低工程造價、提高工程經(jīng)濟效益和社會效益的關(guān)鍵技術(shù)之一。鉆孔取樣、室內(nèi)試驗會造成土樣擾動，試驗結(jié)果難以反映地基巖土的真實狀況，原位測試技術(shù)是在天然位置對巖土工程性能進行測試的一種技術(shù)，它勿需取樣，簡便快捷，是準(zhǔn)確獲得土性參數(shù)的有效方法。因此，研究基于高精度現(xiàn)場原位測試理論與技術(shù)，建立基于原位測試的土木工程設(shè)計計算理論，是當(dāng)前我國工程領(lǐng)域迫切需要解決的重要課題。 靜力觸探技術(shù)(Cone Penetration Test,CPT)是巖土工程原位測試的主要技術(shù)之一，具有快速便捷、不需取樣、數(shù)據(jù)量大、測試可靠等優(yōu)點，尤其適用于高速公路、鐵路這種線形分布、范圍寬廣的大型工程。但目前，我國工程設(shè)計中，主要采用我國上世紀(jì)60年代開發(fā)的單橋或雙橋CPT技術(shù)，近幾十年來幾乎沒有發(fā)展，存在著功能單一、技術(shù)粗糙、測試精度低、穩(wěn)定性差和應(yīng)用面窄等問題，與發(fā)達國家廣泛使用的現(xiàn)代數(shù)字式多功能孔壓靜力觸探試驗(Piezocone Penetration Test,CPTU)存在巨大差距。 在此背景下，針對目前國內(nèi)CPT測試技術(shù)與國際通用CPTU技術(shù)在理論研究與應(yīng)用上的巨大差距和工程設(shè)計中存在的困難，而現(xiàn)代多功能數(shù)字式CPTU測試系統(tǒng)價格昂貴，國內(nèi)高校很少具有備置條件，故很難對高速公路工程與大型橋梁工程等進行現(xiàn)場測試。通過對現(xiàn)代數(shù)字式多功能CPTU測試理論機理、工程設(shè)計應(yīng)用方法等進行研究，采用數(shù)值模擬方式對多功能CPTU的新應(yīng)用仿真，經(jīng)濟、周期短，與工程應(yīng)用對比分析，為我國研制和開發(fā)多功能CPTU提供參考資料，實現(xiàn)CPTU功能進一步優(yōu)化以及為CPTU在國內(nèi)的普及具有積極意義。2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究成果原始的靜力觸探設(shè)備為螺旋錐頭式靜探儀。該儀器操作復(fù)雜，不便應(yīng)用，受外界因素影響較大測試精度較低，1930年，荷蘭人設(shè)計了“荷蘭靜力觸探試驗”，其使用的設(shè)備簡稱“荷蘭錐”，用于測試淺層軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。在1948年荷蘭鹿特丹召開的第2屆國際土力學(xué)基礎(chǔ)會議上，該試驗被視為最有效測定錐頭貫入阻力的深層測試方法。1954年，我國學(xué)者陳宗基首次將該技術(shù)用于黃土地區(qū)，但測試效果不甚理想，原因是：桿與管之間的摩擦力極大地抵消，掩蓋或歪曲了原有的錐尖阻力；鉆桿自重產(chǎn)生的負壓力及土層摩阻力使得靠地面油壓表顯示的錐尖貫入阻力讀數(shù)失真；土體進入鉆桿與套管之間的空隙，產(chǎn)生極大的假貫入阻力。1950年，在“荷蘭錐”的基礎(chǔ)上，Vermeiden和Plantema設(shè)計了帶有一定長度的側(cè)壁摩擦筒的圓錐形探頭,較好的解決了上述問題，現(xiàn)有靜力觸探設(shè)備仍采用該結(jié)構(gòu)，1962年，我國原建筑工程部綜合勘察研究院成功研制了電阻應(yīng)變式靜力觸探儀，有效消除了舊式靜力觸探設(shè)備裝置的各項誤差，大大提高了測試精度，為靜力觸探方法在工程中的廣泛運用提供了堅實基礎(chǔ)。1980年以后，國外研制了具有多功能的靜力觸探探頭，在量測錐尖貫入阻力和側(cè)壁摩擦阻力的同時，還可以量測側(cè)向應(yīng)力、熱傳導(dǎo)率、地溫、傾斜、地震波、電阻率等參數(shù)，并逐步代替了單一型探頭。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展和機械制造工藝的提升，靜力觸探設(shè)備由單一的單橋探頭逐步發(fā)展到雙橋探頭、孔壓靜探探頭、波速靜探探頭、密度靜探探頭、地震靜探探頭等；探測深度由原來的不足10m到現(xiàn)在的近100m;記錄方式由傳統(tǒng)的人工讀數(shù)到自動記錄,設(shè)備傳輸由原有的電纜傳輸發(fā)展到無電纜聲波傳輸，作業(yè)方式由人工向半自動、全自動作業(yè)方式轉(zhuǎn)變；工程應(yīng)用范圍由淺層軟土擴展至砂土、粉土、黏土、淤泥質(zhì)土、素填土及含少量碎石的土。我國CPT技術(shù)在1970年以前基本上與國際水平同步發(fā)展，之后，雖然一些學(xué)者也進行了開發(fā)研究，但與國際水平漸行漸遠，目前還主要采用傳統(tǒng)的單、雙橋CPT技術(shù)，無論是機理還是理論研究，在規(guī)范化、功能拓展、工程應(yīng)用等方面均已明顯落后國際水平，使我國巖土工程技術(shù)發(fā)展受到制約。而國際上近二十年在工程建設(shè)和傳感器技術(shù)上取得巨大發(fā)展，研發(fā)了一系列地震波，電阻率，熱導(dǎo)率等新型傳感器，實現(xiàn)CPT的多功能、數(shù)字化發(fā)展，并拓展到了環(huán)境工程、海洋工程等領(lǐng)域，達到前所未有的水平。 多功能CPTU測試技術(shù)除了具有傳統(tǒng)CPT技術(shù)所有功能外，在新型傳感器技術(shù)的支持下，擴展了其在下述幾個方面的應(yīng)用: (1)地震波孔壓靜力觸探(SCPTU) SCPTU是在CPTU探頭加設(shè)l2個加速度傳感器從而形成“下孔法”測定U和V，進而可計算出土的小應(yīng)變剪切模量(G)和約束模量(M)。目前，SCPTU在國外應(yīng)用較成熟，主要用于確定地基土動力特性、樁基承載變形特性及荷載傳遞分析以及場地地震危險性分析、液化分析。 （2）電阻率孔壓靜力觸探(RCPTU) 近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者開始研究土的結(jié)構(gòu)性與電阻率指標(biāo)之間的關(guān)系，并且將其應(yīng)用于評價土的天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)和地基加固效果。如何有效地進行原位電阻率測試與室內(nèi)測試對比，RCPTU的誕生為上述電阻率與土結(jié)構(gòu)性之間關(guān)系的研究提供了條件，評價地基處理效果等具有較大的應(yīng)用價值。RCPTU目前在環(huán)境巖土工程領(lǐng)域得到了很好應(yīng)用，關(guān)于原位電阻率測試指標(biāo)與土天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)、宏觀土性指標(biāo)之間關(guān)系的研究相對較少。 （3）可視化靜力觸探(VisCPT) VisCPT探頭使用一高速CCD照相機透過探頭上的一藍寶石窗口將地層的連續(xù)圖像記錄在DVD錄像機里，并通過一深度標(biāo)記裝置使圖像與測試深度對應(yīng)起來。然后工程技術(shù)人員使用數(shù)字圖像處理軟件，運用某種運算法則，來分析土顆粒尺寸的分布規(guī)律。使用VisCPT技術(shù)不僅可以驗證測試結(jié)果，而且可以分辨出傳統(tǒng)CPT試驗易遺漏的“薄夾層”。近年來，VisCPT技術(shù)在環(huán)境巖土工程領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，主要應(yīng)用于尾礦污染物質(zhì)、污染范圍、污染土性質(zhì)的調(diào)查等。3. 選題的研究方法與內(nèi)容 孔壓靜力觸探(CPTU)的工程應(yīng)用:土的分類及土層柱狀圖；固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)的確定；確定土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)；計算地基沉降；確定樁基承載力；應(yīng)力歷史(OCR)；砂土液化；環(huán)境巖土工程等。土的工程性質(zhì)主要歸結(jié)為四個方面：土的應(yīng)力歷史、初始狀態(tài)；變形特性；強度特性；滲流與固結(jié)。國外在利用CPTU成果來求取上述四方面參數(shù)已形成了系統(tǒng)的成果，具有可靠、實用的特點。據(jù)CPTU測試成果，在巖土工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，其中主要包括四個方面：修正錐尖阻力，使錐尖阻力真正反映土的性質(zhì)；評價滲流、固結(jié)特性；區(qū)分排水、部分排水、不排水貫入，以滿足不同需要；提高土分層與土質(zhì)分類的可靠性。 據(jù)當(dāng)前研究現(xiàn)狀趨勢分析，提出本課題研究方法與內(nèi)容： (1)系統(tǒng)總結(jié)了國際靜力觸探技術(shù)的發(fā)展，比較了國內(nèi)外CPTCPTU技術(shù)應(yīng)用情況和存在的差距，指出了存在的問題；全面回顧了國內(nèi)外靜力觸探技術(shù)的工程應(yīng)用研究成果，包括土的應(yīng)力歷史和初始應(yīng)力狀態(tài)、強度特性、變形特性和固結(jié)滲流特性評價方法和研究成果，明確了研究方向。 (2)在孔壓靜力觸探(CPTU)貫入機理的基礎(chǔ)上，研究了CPTU貫入過程中探頭周圍的孔壓分布及其影響因素，采用三維數(shù)值模擬技術(shù)探索了CPTU探頭的尺寸效應(yīng)。采用孔穴擴張理論，基于修正劍橋粘土模型，推導(dǎo)了CPTU探頭貫入過程中土體中超孔隙水壓力的解析表達式，并利用現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)證實了理論的合理性。分析表明：CPTU探頭附近彈性區(qū)大應(yīng)變解和小應(yīng)變解的差異可以忽略，土的超固結(jié)比對擴張孔穴周圍的應(yīng)力和孔壓以及消散影響顯著；越大的圓錐橫截面積得到越低的錐尖阻力，越大的摩擦筒表面積得到越低的側(cè)壁摩阻力，錐尖角越大造成錐尖阻力越大，當(dāng)錐尖角大于90以后，錐尖阻力隨著錐尖角的增長幅度變緩；土體中貫入速率對CPTU測試參數(shù)的影響是非常明顯的，錐尖阻力隨著貫入速率的的增加而減小，而超孔壓隨著貫入速率的增加而增加。 (3)研究得出了國際標(biāo)準(zhǔn)CPTU與中國CPT測試指標(biāo)的對比關(guān)系。錐尖阻力是探頭幾何形狀的函數(shù)，由于CPTU探頭端部面積的不等，實測的錐尖阻力應(yīng)進行孔壓修正，以利成果的通用與解釋。在劃分土層、判別土類方面，多功能CPTU具有較高的分辨率。探頭的尺寸是影響測試結(jié)果的主要因素之一，分別取探頭半徑為 9mm，18 mm（標(biāo)準(zhǔn)尺寸）、36mm，48 mm 進行模擬分析。通過對 4 種不同尺寸探頭貫入全過程的分析，總結(jié)當(dāng)探頭剛開始貫入時，探桿附近的塑性區(qū)變化情況；對不同尺寸下的錐尖阻力模擬結(jié)果進行分析，繪制探頭錐尖阻力與貫入深度的關(guān)系圖，觀察錐尖阻力隨著貫入深度變化的情況；模擬貫入深度為3D、5D、10D、20D（D 為探頭的直徑）時的應(yīng)力影響范圍隨貫入深度的變化情況。由于孔隙水壓力和土結(jié)構(gòu)的變化，CPTU 探頭向土中的貫入速率對貫入阻力的測試結(jié)果有明顯影響。分別取貫入速率為 0.1，1，2，3，4 cm/s，在完全不排水的條件下對貫入過程進行模擬，觀察探頭達到穩(wěn)定狀態(tài)下的深度隨貫入速率的變化情況。 (4)針對基于多功能CPTU預(yù)測高速公路地基沉降量的問題，通過室內(nèi)固結(jié)試驗、多功能CPTU原位測試計算和沉降數(shù)值模擬資料反演得到的壓縮模量進行了綜合對比，提出了合理的軟基沉降計算壓縮模量和固結(jié)參數(shù)的確定方法。通過室內(nèi)試驗來預(yù)測沉降的精度很差，比最終沉降小很多，最大誤差達到51：利用修正錐尖阻力預(yù)測沉降的精度不高，其誤差大于20；利用修正錐尖阻力仂預(yù)測沉降的精度也不高，其誤差大于10；而凈錐尖阻力預(yù)測沉降比較準(zhǔn)確。通過現(xiàn)場多功能CPTU消散試驗、室內(nèi)試驗與反演結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)：多功能CPTU消散模擬可以較精確地評價軟土固結(jié)參數(shù)，多功能CPTU解譯方法預(yù)測沉降更接近于實際。 (5)總結(jié)了土電阻率的影響因素與測試方法，根據(jù)電阻率CPTU探頭的測試原理，進行多功能電阻率CPTU在典型粘土場地上的數(shù)值模擬，對電阻率CPTU所測電阻率與土性變化、探頭參數(shù)及土的其他特性指標(biāo)進行了對比分析。研究方案：本課題以多功能CPTU數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，參照學(xué)習(xí)相似靜力觸探試驗的理論和研究建模方法，對于靜力觸探的原理和影響因素進行分析。采用單一變量下的靜力觸探仿真模擬，并用matlab進行數(shù)據(jù)處理，最后結(jié)論。 （1）資料整理、理論學(xué)習(xí)：學(xué)習(xí)abaqus和matlab等軟件,熟悉有限元軟件使用，整理相關(guān)現(xiàn)場試驗資料、數(shù)據(jù)，研究學(xué)習(xí)巖土流變理論和貫入過程相關(guān)解析理論，如承載力理論（如 Meyerhof、Janbu 等、Durgunoglu 等）、孔穴擴張理論（如 Vesic、Baligh）、應(yīng)變路徑法（如 Baligh）等解析法，為數(shù)值模擬做好理論上的準(zhǔn)備。（2）數(shù)值模擬：用abaqus進行不同尺寸和貫入速率模擬分析以及原位電阻率測試模擬分析與室內(nèi)測試結(jié)合，并進行數(shù)據(jù)比較。為了將土體劃分為高質(zhì)量的網(wǎng)格，采用 ALE任意拉格朗日歐拉法自適應(yīng)網(wǎng)格劃分法。該方法結(jié)合了純拉格朗日分析和純歐拉分析的優(yōu)點，可以有效地防止變形前、后幾何形狀差異所導(dǎo)致的網(wǎng)格畸變。除了需要對 ALE 網(wǎng)格劃分的頻率與強度進行控制外，還必須選擇 ALE 網(wǎng)格光滑化，減少單元的扭曲。(3)分析總結(jié)：通過計算結(jié)果，對靜力觸探規(guī)律進行總結(jié)歸納。研究計劃進度和經(jīng)費預(yù)算：2015.5-2015.6: 查閱文獻，學(xué)習(xí)abaqus和ansys，進行數(shù)據(jù)資料整理；2015.7-2015.8: 進行多功能靜力觸探理論分析，運用abaqus進行靜力觸探數(shù)值模擬；2015.9-2015.12: 撰寫碩士畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯；2016.1-2016.4: 畢業(yè)論文檢查與審核；2016.5-2016.6: 進行畢業(yè)答辯。預(yù)期達到研究結(jié)果：（1）通過查閱資料和文獻，了解掌握目前多功能CPTU技術(shù)的研究動態(tài)及趨勢，提出通過對CPTU探測過程的數(shù)值模擬進行研究補充這方面的不足。（2）通過對相關(guān)彈塑性理論和數(shù)學(xué)建模方法學(xué)習(xí)，熟悉土的工程性質(zhì)分析過程和運用數(shù)值理論建模分析過程。（3）用abaqus進行不同尺寸和貫入速率模擬分析以及原位電阻率測試模擬分析與室內(nèi)測試，并進行數(shù)據(jù)對比分析，為科學(xué)研究提供依據(jù)，為多功能CPTU研發(fā)和推廣提供一定參考。（4）發(fā)表相關(guān)論文1篇。主要參考文獻目錄：1 蔡國軍.劉松玉.童立元.杜廣印現(xiàn)代多功能數(shù)字式孔壓靜力觸探(CPTU)技術(shù)分析會議論文-20072 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