留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟

孟翔 高路恒 吴浩 Atangana NjockPierre Guy

孟翔,高路恒,吴浩,等. 基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟[J]. 水利水运工程学报,2020(4):111-118 doi:  10.12170/20190215002
引用本文: 孟翔,高路恒,吴浩,等. 基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟[J]. 水利水运工程学报,2020(4):111-118 doi:  10.12170/20190215002
(MENG Xiang, GAO Luheng, WU Hao, et al. Numerical simulation of continuous penetration of spudcan based on SPH mesh-free method[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(4): 111-118. (in Chinese)) doi:  10.12170/20190215002
Citation: (MENG Xiang, GAO Luheng, WU Hao, et al. Numerical simulation of continuous penetration of spudcan based on SPH mesh-free method[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(4): 111-118. (in Chinese)) doi:  10.12170/20190215002

基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟

doi: 10.12170/20190215002
基金项目: 2018南通市科技计划项目(JC2018097);江苏工院自然科学基金重点项目(GYKY/2018/4)
详细信息
    作者简介:

    孟 翔(1980—),男,江苏南通人,讲师,主要从事建筑工程结构设计及数值计算。E-mail: 36202569@qq.com

  • 中图分类号: TU473

Numerical simulation of continuous penetration of spudcan based on SPH mesh-free method

  • 摘要: 纺锤形桩靴在饱和土中贯入过程涉及土体极大变形和复杂的土、水、结构三者耦合作用,由于网格畸变问题,采用传统网格类数值方法很难进行模拟。SPH无网格法借助于一系列粒子进行插值,粒子与粒子之间无联系,将偏微分形式的控制方程转化为常微分方程组进行求解,可有效避免网格畸变问题。基于土-水-结构耦合SPH无网格算法,对桩靴在中密、密实砂土及饱和黏土中的连续贯入过程进行模拟,研究土体存在极大变形条件下桩靴贯入阻力、超孔隙水压力及总应力等物理量在贯入过程中的变化规律,并与CEL大变形有限元分析结果及室内离心机测值进行对比和分析。研究结果表明:采用土-水-结构耦合SPH算法可以准确地捕捉土、水混合物发生大变形时的自由面特征、贯入阻力、孔隙水压力及超孔隙水压力等物理量。
  • 图  1  桩靴贯入模型

    Figure  1.  Schematic diagram of the simulation arrangement

    图  2  桩靴在砂土(中密)中贯入过程

    Figure  2.  Penetration process of spudcan into medium dense sand

    图  3  桩靴贯入阻力随正则化贯入深度变化

    Figure  3.  Penetration resistance versus normalized penetration depth

    图  4  桩靴贯入离心机模型(单位:mm)

    Figure  4.  Centrifuge model set-up for spudcan penetration (unit: mm)

    图  5  桩靴贯入过程中孔隙水压力分布云图(单位:kPa)

    Figure  5.  Contours of pore water pressure during spudcan penetration (unit: kPa)

    图  6  桩靴贯入过程中超孔隙水压力分布云图(单位:kPa)

    Figure  6.  Contours of excess pore water pressure during spudcan penetration (unit: kPa)

    图  7  贯入过程中桩靴顶部及底部正则化孔压

    Figure  7.  Normalized pore water pressure at top and bottom of spudcan during penetration

    图  8  贯入过程中桩靴顶部及底部正则化总应力

    Figure  8.  Normalized total stress at top and bottom of spudcan during penetration

    表  1  土体、水的物理参数以及模型几何尺寸

    Table  1.   Dimensions and parameters for soil and water phases

    类别物理参数及模型几何尺寸
    μ=0.001 Pa·s, $\;{\tilde {\!\rho} _{\rm{f}}}^{\rm{}}$=1 000 kg/m3, cf=97.5 m/s
    几何尺寸 HW=3 m, HSW=7 m, WSW=12 m, D=6 m, Lb=0.54 m, Lm=0.15 m, Lt=0.858 m
    工况1 砂土(中密) $\;{\tilde {\!\rho} _{\rm{s}}}$=2 650 kg/m3, ID=0.5, E=30 MPa, n=0.44,k=2.0×10-5 m/s, υ=0.3, c=0 MPa, ϕ=31.5°, ψ=4.5°
    工况2 砂土(密实) ${\tilde \rho _{\rm{s}}}$=2 650 kg/m3, ID=0.85, E=50 MPa, n=0.35,k=1.0×10-5 m/s, υ=0.3, c=0 MPa, ϕ=34°, ψ=7.5°
    下载: 导出CSV
  • [1] 郑静, 范庆来, 王忠涛. 纺锤形桩靴基础贯入过程Eulerian-Lagrangian耦合有限元法的模拟[J]. 工业建筑,2013,43(12):104-108, 161. (ZHENG Jing, FAN Qinglai, WANG Zhongtao. Penetration process simulation of spudcan foundations by CEL[J]. Industrial Construction, 2013, 43(12): 104-108, 161. (in Chinese)
    [2] 高维杰, 王建华, 田兆丰, 等. 砂土及黏土场地钻井船插桩对邻近桩的影响[J]. 水利水运工程学报,2018(5):111-119. (GAO Weijie, WANG Jianhua, TIAN Zhaofeng, et al. Influences of spudcan penetration and extraction on adjacent piles in sand and clay[J]. Hydro-Science and Engineering, 2018(5): 111-119. (in Chinese)
    [3] 田兆丰, 王建华, 范怡飞. 钻井船插拔桩对邻近桩影响的模型试验[J]. 水利水运工程学报,2018(5):41-47. (TIAN Zhaofeng, WANG Jianhua, FAN Yifei. Scale model tests on effects of spudcan penetration and extraction on adjacent piles[J]. Hydro-Science and Engineering, 2018(5): 41-47. (in Chinese)
    [4] HOSSAIN M S, RANDOLPH M F. Deep-penetrating spudcan foundations on layered clays: numerical analysis[J]. Géotechnique, 2010, 60(3): 171-184. doi:  10.1680/geot.8.P.040
    [5] THO K K, LEUNG C F, CHOW Y K, et al. Eulerian finite element simulation of spudcan-pile interaction[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2013, 50(6): 595-608. doi:  10.1139/cgj-2012-0288
    [6] ZHOU X X, CHOW Y K, LEUNG C F. Numerical modelling of extraction of spudcans[J]. Géotechnique, 2009, 59(1): 29-39. doi:  10.1680/geot.2007.00008
    [7] HU P, WANG D, STANIER S A, et al. Assessing the punch-through hazard of a spudcan on sand overlying clay[J]. Géotechnique, 2015, 65(11): 883-896. doi:  10.1680/jgeot.14.P.097
    [8] QIU G, GRABE J. Numerical investigation of bearing capacity due to spudcan penetration in sand overlying clay[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2012, 49(12): 1393-1407. doi:  10.1139/t2012-085
    [9] TEH K L, LEUNG C F, CHOW Y K, et al. Centrifuge model study of spudcan penetration in sand overlying clay[J]. Géotechnique, 2010, 60(11): 825-842. doi:  10.1680/geot.8.P.077
    [10] LIU M B, LIU G R, ZONG Z. An overview on smoothed particle hydrodynamics[J]. International Journal of Computational Methods, 2008, 5(1): 135-188. doi:  10.1142/S021987620800142X
    [11] MAEDA K, SAKAI H, SAKAI M. Development of seepage failure analysis method of ground with smoothed particle hydrodynamics[J]. Structural Engineering/Earthquake Engineering, 2006, 23(2): 307s-319s. doi:  10.2208/jsceseee.23.307s
    [12] BUI H H, SAKO K, FUKAGAWA R. Numerical simulation of soil-water interaction using smoothed particle hydrodynamics (SPH) method[J]. Journal of Terramechanics, 2007, 44(5): 339-346. doi:  10.1016/j.jterra.2007.10.003
    [13] HUANG Y, ZHANG W J, DAI Z L, et al. Numerical simulation of flow processes in liquefied soils using a soil-water-coupled smoothed particle hydrodynamics method[J]. Natural Hazards, 2013, 69(1): 809-827. doi:  10.1007/s11069-013-0736-5
    [14] WU H, WANG J, WANG C, et al. Soil-water-structure interaction algorithm in smoothed particle hydrodynamics (SPH) with application to deep-penetrating problems[J]. International Journal of Computational Methods, 2018, 15(7): 1850135.
    [15] WENDLAND H. Piecewise polynomial, positive definite and compactly supported radial functions of minimal degree[J]. Advances in Computational Mathematics, 1995, 4(1): 389-396. doi:  10.1007/BF02123482
    [16] PURWANA O A, LEUNG C F, CHOW Y K, et al. Influence of base suction on extraction of jack-up spudcans[J]. Géotechnique, 2005, 55(10): 741-753. doi:  10.1680/geot.2005.55.10.741
    [17] YI J T, LEE F H, GOH S H, et al. Eulerian finite element analysis of excess pore pressure generated by spudcan installation into soft clay[J]. Computers and Geotechnics, 2012, 42: 157-170. doi:  10.1016/j.compgeo.2012.01.006
  • [1] 杨喜涛, 王建华, 范怡飞.  砂土中钻井船插桩对邻近群桩影响的模型试验 . 水利水运工程学报, 2020, (3): 75-81. doi: 10.12170/20190316001
    [2] 郭东, 王建华, 范怡飞.  桩靴贯入砂土层时邻近桩挤土压力分析 . 水利水运工程学报, 2019, (5): 91-100. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.05.012
    [3] 田兆丰, 王建华, 范怡飞.  钻井船插拔桩对邻近桩影响的模型试验 . 水利水运工程学报, 2018, (5): 41-47.
    [4] 陈俊鸿, 陈炼钢, 王岗, 施勇, 刘小龙.  基于耦合水动力模型的药湖联圩区洪水风险分析 . 水利水运工程学报, 2017, (5): 30-36.
    [5] 何叶, 赵明阶, 胡丹妮.  海上风机三桩基础与上部结构动力响应分析 . 水利水运工程学报, 2016, (2): 17-23.
    [6] 刘汉涛,常建忠,安康.  基于SPH的自由表面流动数值模拟 . 水利水运工程学报, 2009, (1): -.
    [7] 涂忠仁,尹健,荣耀.  动力荷载作用下预应力混凝土靠船桩变形性能理论及数值分析 . 水利水运工程学报, 2008, (4): -.
    [8] 鄢建华,洪晓林,汤雷.  挤压性围岩软化模型及在大变形分析中的应用 . 水利水运工程学报, 2005, (2): 28-31.
    [9] 赖锡军,姜加虎,黄群.  漫滩河道洪水演算的水动力学模型 . 水利水运工程学报, 2005, (4): 29-35.
    [10] 陈铁林,沈珠江,周成.  用大变形有限元对土体静力触探的数值模拟 . 水利水运工程学报, 2004, (2): 1-6.
    [11] 沈珠江,米占宽.  膨胀土渠道边坡降雨入渗和变形耦合分析 . 水利水运工程学报, 2004, (3): 7-11.
    [12] 张蔚.  平原河网的水动力学及泥沙模型研究 . 水利水运工程学报, 2004, (4): 70-74.
    [13] 周成,沈珠江,郦能惠,陈生水,陈铁林.  结构性土模型及固液耦合弹塑性损伤动力分析 . 水利水运工程学报, 2003, (3): 1-6.
    [14] 张瑞凯.  三峡船闸末级闸首超长泄廊道中阀门水力学关键问题研究(1)——正常开启过程的阀门水动力学特性 . 水利水运工程学报, 2001, (1): 22-29.
    [15] 张瑞凯.  三峡船闸末级闸首超长泄长廊道中阀门水力学关键问题研究(2):—事故运水关闭过程的阀门水动力学特性 . 水利水运工程学报, 2001, (2): 3-9.
    [16] 张瑞凯.  三峡船闸末级闸首超长泄水廊道中阀门水力学关键问题研究(2)——事故动水关闭过程的阀门水动力学特性 . 水利水运工程学报, 2001, (2): -.
    [17] ASD2000—结构动力学进展国际会议 . 水利水运工程学报, 2000, (2): -.
    [18] 包纲鉴,陈锦珍.  卷扬垂直升船机水动力学一些问题的探讨 . 水利水运工程学报, 1998, (4): -.
    [19] 周正明.  饱和土体大变形固结有限元分析 . 水利水运工程学报, 1992, (1): -.
    [20] 张诚厚,G. Greeuw W. F. Rosenbr,J. W. A. Jekel.  一种用孔压圆锥贯入试验测定软土的新分类图 . 水利水运工程学报, 1990, (4): -.
  • abc:
  • 加载中
图(8) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  21
  • HTML全文浏览量:  6
  • PDF下载量:  8
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-15
  • 网络出版日期:  2020-08-20
  • 刊出日期:  2020-08-26

/

返回文章
返回