數值計算方法

CPTU貫入試驗的數值模擬計算過程包括：(1) 模型構建；(2) 參數賦值；(3)邊界條件設置；(4) 接觸設置；(5) 網格劃分。

(1)? 模型構建

為了簡化計算過程，采用軸對稱幾何模型，CPTU探桿設置為線單元，土體設置為殼單元。錐頭半徑為17.85mm、錐頭截面積為10。側壁摩擦筒的長度為133.7mm，探頭總長為60cm。半徑為1.0m，深度為1.5m，邊界范圍不影響軸心附近的土體受力和變形。在CPTU貫入的數值模擬過程中，涉及土體的大變形破壞。為了提高數值模擬計算的收斂性，在軸心的幾何位置預留與錐頭尺寸一致的缺口。并在錐尖位置，添加半徑為1mm的光滑剛體細管，長度為1.5m，貫穿整個土層，導致錐面面積減少，占原錐面積的3‰，可忽略對結果的影響。使用相互作用模塊中的model change功能，在第二分析步中，刪去剛體細管與缺口位置處的土體，提高CPTU貫入數值模型的收斂性。

(2) 材料參數

在ABAQUS的材料庫中，臨界狀態塑性模型是MCC模型的推廣。當b為1時，臨界狀態塑性模型退化為MCC模型，。采用材料庫中的多孔彈性模型，描述MCC模型的彈性關系。

(3) 邊界條件

約束數值模型右邊界的水平位移、下邊界的垂直位移，上邊界為自由邊界，模型中的上、下和有邊界都設為不透水邊界。數值模擬只計算CPTU貫入過程中的超孔隙水壓力，靜水壓不納入計算。數值模擬運算至Soil分析步時，CPTU探桿開始貫入，貫入深度為50cm。通過設置Soil分析步時長，控制貫入速度，例如當Soil分析步時長為25s時，貫入速度為2cm/s。在CPTU貫入過程中，為了便于觀察土體中應力、超孔隙水壓力等因素的變化特征，假設土體內應力分布不隨深度改變。

(4) 接觸條件

接觸面的關系包括法向接觸和切向接觸，法向接觸用于描述接觸面間的距離間隙，當表面互相靠近，間隙為0或者負數時，認為表面之間互相接觸；當間隙大于0時，認為兩表面脫離，接觸壓力為0。

當兩個表面存在接觸壓力，并產生相對位移時，接觸面將傳遞切向應力，即摩擦力，ABAQUS采用庫倫定律計算，

根據相關研究，探桿與土體接觸面摩擦角取土體有效內摩擦角的一半。常用的接觸面關系定義方式有兩種，分別為面與面接觸和通用接觸。一般將剛度較大的材料設置為主面，從面的接觸網格應當比主面更精細，防止主面侵入量過大導致計算不收斂。此外，在選取主、從面時，從面的方向應當與主面相對。否則，CPTU將穿透網格，導致計算結果失效。

(5) 網格劃分

在CPTU貫入數值模擬中，網格劃分的質量決定了模型計算的準確性和收斂性。土體單元類型采用四結點軸對稱雙線性四邊形孔壓單元(CAX4P)，CPTU探頭采用剛體單元(RAX2)。在開展數值模擬時，CPTU的貫入過程導致土體的大變形，引起的網格畸變，會造成收斂困難。為了減輕CPTU貫入過程中的網格扭曲程度，將網格以左上至右下的方式，掃掠生成四邊形網格。紅色部分為剛體細管和錐頭的缺口，保持完整的土體單元，加快地應力平衡分析步的計算速度和收斂性，地應力平衡后，刪除該部分單元。