考虑土应力状态与温度效应的CPTU离散元数值模拟研究

With the rapid development of Chinese civil engineering and geothermal energy projects, the reasonable measurement values of rock and soil parameters become growing important for the construction project. However, soil stress state and effect of temperature still make inevitable errors on the in situ CPTU measurement parameters. This paper aims at improving the accuracy of CPTU test by performing discrete element method on numerical simulation of CPTU penetration process, creates respectively the particle contact model of sand particle materials and clay particle materials, studies contact force transfer and stress distribution of normal consolidated soil、 over consolidated soil、 unconsolidated soil during the penetration test; proposes thermal mechanical coupling contact model to prove geothermal gradient of variation of soil mechanical properties and thermal physical parameters, clarifies the influence of soil stress state and temperature conditions on CPTU test parameters, puts forward measures to improve the accuracy of CPTU test. Our study can not only improve the accuracy of a multifunction CPTU test, meets the requirements of the development of Chinese economy, but also enhance the level of design theory and application of geotechnical engineering of our country.

随着我国大型土建工程与地热能源工程的快速发展，岩土参数的正确取值对土建工程的重要价值日益突显，然而土应力状态与温度效应对原位CPTU岩土测试参数的影响机理仍不明确，影响了相关工程项目的进程。本课题针对提高CPTU测试精度的关键科学问题，采用离散元数值模拟的技术手段，对CPTU贯入土体过程进行模拟研究，分别建立砂土颗粒材料与黏土颗粒材料的颗粒接触模型，研究正常固结土、超固结土、欠固结土在贯入过程中土颗粒间的接触力传递与应力分布情况；提出热力耦合接触模型，探明地温梯度对土体力学属性与热物性参数的变化情况，阐明土应力状态与温度条件对CPTU测试参数精度的影响规律，并提出提高CPTU测试精度的方法。研究成果不仅可以完善多功能CPTU技术的测试理论，还可以为地基工程提供理论支持与技术指导。

CPTU是进行原位岩土参数测试的重要技术手段，但是CPTU在地温影响下的贯入机理仍不明确。本项目对土应力状态与温度效应下的CPTU贯入机理进行研究，采用离散元数值模拟的手段，建立了CPTU贯入砂土的离散元数值模型，制备了不同围压，k0值，超固结比，孔隙比等状态的土体试样，研究了不同应力状态的土体试样的抗剪强度，分析了不同应力状态土层对CPTU实测参数的影响规律，总结了土体抗剪强度与CPTU贯入参数间的内在联系，阐明了CPTU贯入过程中颗粒间接触力的传递现象，以及颗粒介质位移场、速度场的变化情况，提出了根据土抗剪强度推算CPTU锥尖阻力的经验公式。采用颗粒细化法，在减少计算颗粒数量的基础上，提高了运算效率，解决了颗粒与CPTU锥头尺寸比以及标定罐尺寸与CPTU锥头尺寸比不能同时满足要求的难题。同时建立了热力耦合离散元颗粒接触模型，阐明了土颗粒间热传导规律与颗粒动能热能转化原理，分析了土热物性参数对土体传热机制的影响规律，明确了土体初始温度，比热容，热传导系数，热膨胀系数等土体热物性参数对热能在土体间的传递效率的影响规律，通过模拟CPTU贯入制备好的不同温度试样，开展了温度对CPTU贯入过程中锥尖阻力与侧壁摩擦力的工作原理，揭示了地温梯度影响对土体微观结构与宏观力学特性的影响规律，阐明了CPTU贯入过程中土颗粒间的强弱力链的分布情况，多尺度研究温度梯度影响的下天然沉积黏土微观结构与宏观力学特性的变化规律。