一种黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法

本发明涉及岩土工程地质勘察与数值模拟技术，特别是涉及一种黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法。

背景技术：

1、孔压静力触探试验(piezocone penetration test，简称cptu)是岩土工程领域中一种十分重要的原位测试试验，其可以采用不同尺寸探头以不同速率贯入土体中，通过解译理论得到土体物理力学响应，为岩土工程地质勘察提供了重要依据。除量测传统双桥静力触探试验(cone penetration test，简称cpt)的锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs以外，孔压静力触探试验还能够量测锥肩部位孔隙水压力u2变化，该参数对分析黏土中地下水位分布、土层特性起到了关键的作用。

2、然而，由于现场人员操作不规范、试验所用探头未能成功饱和等人为因素，孔隙水压力值经常量测不准确，使得试验效果大受影响，返工量测多组试验结果又大大耗费人力、物力和财力。

3、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于解决上述背景技术中存在的问题，提供一种黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、在本发明第一方面，一种黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，包括以下步骤：

4、s1.利用高级有限元分析与模拟软件建立并配置黏土孔压静力触探的二维轴对称模型，包括定义cptu探头和土体的尺寸参数，并进行部件建模；

5、s2.定义土体材料属性，分别建立土体本构关系弹性部分和塑性部分的模型；

6、s3.将探头模型和土体模型装配在一起，将坐标原点与土体模型的参考对齐点对齐；

7、s4.创建地应力平衡分析步和探头贯入分析步，启用预设的大变形选项，并根据实际工况定义探头贯入分析步的时间步长；

8、s5.实施面对面接触的算法，以探头锥面为主面，土体与探头接触面为从面，法向为硬接触，切向采用罚函数接触算法，确定接触面摩擦系数；

9、s6.根据实际工况定义荷载大小和边界条件；

10、s7.对土体模型进行网格划分，在土体模型与探头模型接触的区域实施网格布局；

11、s8.获取原始自动化脚本，在其基础上编写参数化后的自动化脚本，创建数化建模与自动化计算插件并将参数化脚本与该插件关联，以及运行该插件进行模型的自动化计算；

12、s9.根据计算结果，获取超静孔隙水压力云图，并提取锥肩超静孔隙水压力随深度变化的曲线，结合静水压力计算得到锥肩孔隙水压力随深度变化的具体数值。

13、进一步地：

14、步骤s1中，探头为离散刚体，土体为可变形实体；探头的主要尺寸参数包括直径、探杆长度、细管长度，土体的主要尺寸参数包括土体长度、土体高度。

15、步骤s2中，土体材料属性包括密度和渗透系数，土体本构关系弹性部分采用多孔弹性介质模型，弹性参数为弹性对数体积模量κ和泊松比ν，塑性部分采用修正剑桥模型，塑性参数为塑性对数体积模量λ、应力比m、初始等向正常固结曲线incl上的参考孔隙比e1或初始屈服面位置α0两者之一、控制屈服面形状的参数β、流动应力比k，并创建梁截面属性，赋予给土体。

16、步骤s2中，应力比m计算公式如下：

17、

18、其中，φ′为土体临界状态摩擦角。

19、步骤s5中，接触面摩擦系数μ为：

20、μ＝tan(0.5φ′)

21、其中，φ′为土体临界状态摩擦角。

22、步骤s7中，对土体网格进行倾斜布置，以防止网格畸变。

23、步骤s8具体包括：

24、创建新的工作，提交计算任务，获取原始python脚本文件；

25、将原始python脚本文件中的尺寸参数、材料参数、荷载参数定义为基本参数，并编写参数化后的python脚本文件；尺寸参数包括：cptu探头直径d、探杆长度、细管长度、土体长度、土体高度，材料参数包括：土体密度ρ、弹性对数体积模量κ、泊松比v、塑性对数体积模量λ、应力比m、接触面摩擦系数μ、渗透系数k0、初始孔隙比e0、incl中p’＝1kpa时的孔隙比e1，荷载参数包括：cptu贯入时间t、贯入深度z、静止土压力系数k0、上覆应力p；

26、创建rsg插件，并将参数化脚本与插件程序关联；

27、运行rsg插件，进行模型的参数化计算。

28、步骤s8中，静止土压力系数k0表达式如下：

29、k0＝1-sinφ′

30、其中，φ′为土体临界状态摩擦角。

31、步骤s9中，通过下式计算得到锥肩孔隙水压力u2：

32、u2＝δu+u0

33、其中，u0为静水压力，δu为锥肩超静孔隙水压力。

34、在本发明第二方面，一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序由处理器执行时实现如权利要求1-9任一项所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法。

35、本发明具有如下有益效果：

36、本发明提供了一种黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，实现黏土孔压静力触探试验参数化建模和获取锥肩孔隙水压力随深度变化曲线。本发明方法能够简化孔隙水压力曲线获取流程，同时也为现场试验量测锥肩孔隙水压力是否准确提供可靠参照，具有预测精确、使用方便、实用性强等优点。

37、本发明与现有技术相比，本发明能够有效克服目前现场试验锥肩孔隙水压力量测不准确的问题，主要的技术优点有：

38、1、通过本发明，可以进一步评估实测锥肩孔隙水压力值，提高评估可靠性，为岩土工程原位测试cptu技术的有力支持。

39、2、本发明提出的方法经过大量有限元分析验证，效果良好。实施时，输入所需参数，通过运行rsg插件即可完成计算，是一种方便快捷的计算方法。

40、3、可替代现场cptu试验和室内标定罐试验，降低了时间、人力、物力和财力成本。

41、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

技术特征：

1.一种黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，其特征在于，步骤s1中，探头为离散刚体，土体为可变形实体；探头的主要尺寸参数包括直径、探杆长度、细管长度，土体的主要尺寸参数包括土体长度、土体高度。

3.如权利要求1或2所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，其特征在于，步骤s2中，土体材料属性包括密度和渗透系数，土体本构关系弹性部分采用多孔弹性介质模型，弹性参数为弹性对数体积模量κ和泊松比ν，塑性部分采用修正剑桥模型，塑性参数为塑性对数体积模量λ、应力比m、初始等向正常固结曲线incl上的参考孔隙比e1或初始屈服面位置α0两者之一、控制屈服面形状的参数β、流动应力比k，并创建梁截面属性，赋予给土体。

4.如权利要求3所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，其特征在于，步骤s2中，应力比m计算公式如下：

5.如权利要求1至4任一项所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，其特征在于，步骤s5中，接触面摩擦系数μ为：

6.如权利要求1至5任一项所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，其特征在于，步骤s7中，对土体网格进行倾斜布置，以防止网格畸变。

7.如权利要求1至6任一项所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，其特征在于，步骤s8具体包括：

8.如权利要求7所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，其特征在于，步骤s8中，静止土压力系数k0表达式如下：

9.如权利要求1至8任一项所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，其特征在于，步骤s9中，通过下式计算得到锥肩孔隙水压力u2：

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序由处理器执行时实现如权利要求1-9任一项所述的黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法。

技术总结
一种黏土孔压静力触探参数化建模与孔压预测方法，包括：S1.在高级模拟软件中建立二维轴对称的CPTu模型；S2.定义土体弹性和塑性本构模型；S3.装配探头与土体，对齐坐标原点；S4.创建分析步，启用大变形选项；S5.实施接触算法，确定摩擦系数；S6.定义荷载和边界条件；S7.网格划分，优化接触区域；S8.从原始脚本编写参数化脚本，创建并关联自动化计算插件；S9.提取并计算孔压数据。该方法简化孔压预测，为现场试验提供可靠参考，具有高预测精度和实用性。

技术研发人员：欧阳仲坤,陈雨露,段梦兰,任政儒
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5