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Large displacement FEM modelling of the cone penetration test (CPT) in normally
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资源说明：### 大位移有限元法在正常固结砂土锥探测试验中的应用
#### 摘要
本文介绍了一种基于大应变有限元法（FEM）的新模型，用于研究锥探测试验（CPT）在正常固结砂土中的行为。该模型采用自动适应重网格技术来处理围绕锥尖的砂土极端变形问题，并运用摩擦接触界面及Mohr-Coulomb理论来模拟锥体与砂土间的相互作用。为了模拟砂土的行为特性，选择非关联型Drucker-Prager本构模型。此外，利用商业有限元软件ABAQUS实现了这一模型，并采用了显式求解算法，因为这种方法对于复杂的接触问题特别有效。通过分析结果证明了该模型能够成功地捕捉到砂土中锥探测试验的行为特征。
#### 关键词
- 锥探测试验（CPT）
- 砂土
- 有限元建模（FEM）
- 自动适应重网格
#### 引言
研究锥探测试验在砂土中的行为，历来是地质力学领域的一个重要课题。以往的研究方法主要包括极限塑性理论、腔膨胀理论以及应变路径方法等。此外，实验室校准室试验也被广泛应用于探究锥探测试验的过程。近年来，随着计算机技术的发展，计算速度显著提高，有限元法被越来越多地应用于这一领域的研究中。Kiousis等人、Van Den Berg等人以及Abu-Farsakh等人均使用有限元法进行了土壤中的锥探测试验研究。
#### 1. 介绍
为了解决这一问题，本研究提出了一种新的有限元模型。该模型基于大应变公式，旨在更好地模拟砂土在锥探测试验过程中的复杂变形。模型中使用了自动适应重网格技术，这使得模型能够有效地处理砂土在锥尖周围的极端变形情况。同时，采用摩擦接触界面和Mohr-Coulomb理论来模拟锥体表面与砂土之间的相互作用，这有助于更准确地模拟实际工况下的物理现象。
#### 2. 模型开发
##### 2.1 自适应重网格技术
由于锥探测试验过程中砂土的变形非常剧烈，传统的固定网格有限元方法可能无法很好地捕捉到这些变形细节。因此，本研究采用了一种自适应重网格技术。该技术能够在砂土发生显著变形时动态调整网格的密度，从而确保关键区域（如锥尖周围）的网格足够精细，以便于精确模拟局部应力和应变的变化。
##### 2.2 接触界面模型
接触界面模型是模拟锥体与砂土间相互作用的关键部分。本研究选择了基于Mohr-Coulomb理论的摩擦接触界面模型。该模型考虑了砂土的抗剪强度，通过定义一个破坏包络面来模拟砂土在不同应力状态下的行为。这种模型能够很好地反映砂土的实际物理性质，包括其在受压时的抗剪强度变化。
##### 2.3 本构模型
为了模拟砂土的力学行为，研究中选用了非关联型Drucker-Prager本构模型。这种模型不仅能够描述砂土在压缩和拉伸下的线性和非线性弹性行为，还可以考虑砂土的塑性变形。通过设置适当的材料参数，Drucker-Prager模型能够很好地模拟砂土在不同应力水平下的应力应变曲线。
#### 3. 数值模拟结果
通过使用ABAQUS进行数值模拟，研究人员获得了以下结果：
- **锥尖阻力与渗透深度的关系**：模拟结果显示，锥尖阻力随渗透深度的增加而逐渐增大，直到达到某个稳定值。
- **袖套阻力分布**：发现沿锥体长度方向的袖套阻力并非均匀分布，而是呈现出特定的模式，这与实验观察结果一致。
- **典型应力分布图**：提供了砂土中垂直应力、水平应力以及剪切应力的典型分布图，有助于理解砂土在锥探测试验过程中的应力分布规律。
- **预测内部摩擦角**：基于锥尖阻力，提出了一个图表，可以用来预测不同垂直有效应力下砂土的内部摩擦角。
#### 结论
本研究提出的基于大应变公式的有限元模型能够有效模拟正常固结砂土中的锥探测试验过程。通过使用自适应重网格技术和基于Mohr-Coulomb理论的接触界面模型，该模型不仅能够准确模拟砂土在锥探测试验过程中的变形行为，还能够预测内部摩擦角，这对于工程实践中评估土壤性质具有重要意义。未来的研究将进一步优化模型，以提高其在实际应用中的准确性和可靠性。
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