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在海洋岩土勘察中，圆锥贯入试验（CPT）成本高昂。研究人员开展自由落体贯入仪（FFP）在黏性土中消散试验及原位固结系数测定的数值模拟研究。结果表明多种因素影响固结系数，还提出新方程。该研究为相关勘察提供新思路。
在海洋岩土工程领域，准确了解海底土壤的特性对于各类海洋基础设施建设至关重要。传统的圆锥贯入试验（CPT）虽然是常用的原位测量方法，能通过消散试验测定 “有效” 固结系数
ch，进而确定固结系数
cv ，但在深水中成本高昂。这一高昂成本限制了其在深海区域的广泛应用，促使科研人员探索更经济高效的替代技术。自由落体贯入仪（FFP）因成本低、效率高，逐渐进入研究人员的视野。它能凭借自身重量和在水中自由下落获得的动能穿透土壤，早期主要用于测定土壤不排水抗剪强度
su剖面。近年来，少量类似压电圆锥贯入仪的 FFP 消散试验被开展，以确定黏土的固结特性，但由于 FFP 高度动态的性质，其应变率效应对固结特性解释和
ch/
cv值的影响比 “静态” 压电圆锥贯入仪更为复杂，尚未被充分理解。在此背景下，研究 FFP 在黏性土中的消散试验及准确测定原位固结系数显得尤为重要。
为了解决这些问题，研究人员开展了关于 FFP 在黏性土中消散试验和原位固结系数测定的数值模拟研究。该研究成果发表在《Applied Ocean Research》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先，采用大变形有限元（LDFE）方法中的重划分和插值技术（RITSS）来模拟 FFP 的 “穿透 - 消散” 过程。通过将 FFP 的穿透过程离散为多个增量步，在每个步长内进行动态拉格朗日计算，并在步长结束时提取变形几何进行重划分，实现对 FFP 与土壤相互作用这一动态大变形问题的有效模拟。其次，选用基于超应力理论的弹黏塑性修正剑桥黏土（EVPMCC）模型，该模型能捕捉黏性土在冲击荷载下的时间相关行为，考虑了总应变率由时间无关的弹性分量和时间相关的黏塑性分量组成。此外，建立有限元模型，将 FFP 视为不透水刚体，模拟其在轴对称土壤域中的穿透和消散过程，并设定合适的边界条件和单元类型。
下面介绍该研究的主要结果：
- 模型验证：通过重现两组离心机试验，对比 FFP 的穿透速度剖面和最终穿透深度，以及消散试验中的孔隙水压力消散曲线，验证了 LDFE 方法结合 EVPMCC 模型的准确性。数值模拟结果与试验结果在穿透和消散阶段都有较好的一致性，尽管数值峰值速度比试验结果高约 10% ，但最终穿透深度误差大多接近或小于 6% 。在消散曲线对比中，采用归一化超孔隙水压力（Δu / Δui）与消散时间t进行比较，发现数值结果与试验结果在解释固结系数的中间部分（Δu / Δui = 0.5 左右）吻合良好。
- 参数研究：
- 初始穿透速度的影响：模拟不同初始穿透速度v0（0 - 20m/s）下的消散响应，发现v0对消散曲线有一定影响，但归一化后的曲线几乎重合，且ch值在 15.3 - 18.5m2/y 的窄范围内。ch/cv值随v0增加略有减小，LDFE 分析得到的ch/cv值在 4.2 - 4.6 之间，与离心机试验结果 4.0 - 4.9 接近。通过调整方程中塑性行为权重因子α ，将其从 0.75 调整为 0.65，可使预测的ch/cv值与 FFP 试验结果更好地吻合。
- 贯入仪几何形状和质量的影响：研究不同密度、直径和长径比的 FFP 对固结系数解释的影响，发现 FFP 的几何形状和质量对ch/cv值在归一化消散深度z / D > 8 时影响不明显，但在z / D > 8 后，ch/cv值随归一化消散深度的变化比理论预测更显著且更高。
- 贯入仪粗糙度的影响：改变 FFP 与土壤间的摩擦系数，研究其对消散曲线的影响。结果表明，较高的摩擦系数会导致较小的ch/cv值，但影响并不显著，ch/cv值范围在 3.9 - 5.3 之间，与理论方程接近。
- 泊松比、λ和κ的影响：通过改变泊松比ν 、压缩线斜率λ和膨胀线斜率κ进行分析，发现数值模拟的ch/cv值随ν增加而减小，与理论预测一致，且v0在较小ν时对ch/cv影响更显著。λ和κ变化时，数值ch/cv值与理论预测接近，在较小λ或较高κ时，v0引起的ch/cv差异更明显。
- 黏度参数的影响：研究 EVPMCC 模型中黏度参数N和μ对固结系数的影响，发现ch/cv值随N或μ增加而减小，表明应变率相关性降低。N控制着ch/cv对初始穿透速度的敏感性，黏度参数对固结系数影响显著，研究范围内ch/cv值在 3.0 - 6.5 之间。根据数值结果，对预测ch/cv的方程进行修改，得到新方程，其预测结果与 LDFE 结果和离心机试验结果相比，误差大多在 ±15% 以内。
研究结论和讨论部分指出，该研究通过 LDFE 分析有效模拟了 FFP 的穿透和消散试验，验证了模型的可靠性。多种因素对 FFP 消散试验解释的固结系数ch有不同程度的影响，其中初始速度、泊松比、λ 、κ和黏度参数影响较为显著，而 FFP 的质量、几何形状和粗糙度的影响相对较小。针对 FFP 试验，建议将方程中的α取值为 0.65，同时提出考虑应变率相关性的新方程，能更准确地预测黏性土中 FFP 的ch/cv值。该研究为海洋岩土勘察中 FFP 的应用提供了重要的理论依据和技术支持，有助于推动海洋工程领域的发展。然而，目前的研究是基于正常固结黏土进行的，未来可进一步研究超固结比和土壤分层对 FFP 试验数据解释的影响 。
