受沖擊荷載作用下土體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

1鉆頭沖擊碎巖動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析影響方法是土壤樣品的一定結(jié)構(gòu)和輸出，其中一些可切割土層深度，以及鉆頭對(duì)柱狀土芯的擾動(dòng)。根據(jù)鉆頭沖擊碎巖特點(diǎn)，鉆頭高速?zèng)_擊土，而后又離開(kāi)土層，是一個(gè)高速動(dòng)力過(guò)程，可以采用有限元中瞬時(shí)動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析來(lái)模擬分析。有限元分析的關(guān)鍵是建立合適的計(jì)算模型。把土當(dāng)作一種彈塑性材料來(lái)看，則鉆頭沖擊土體的過(guò)程可以抽象為一個(gè)半無(wú)限體在圓環(huán)面積上受均布力作用的問(wèn)題。2分析條件2.1鉆體鉆頭與土體接觸部分的尺寸，外徑D=129mm，內(nèi)徑d=91mm。2.2單次激發(fā)能量和影響時(shí)間根據(jù)室外傳感器測(cè)沖擊力實(shí)驗(yàn)可得，作用在鉆頭上的沖擊力為4.92kN，接觸時(shí)間為0.029s。據(jù)此分析土體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀況。2.3boussi現(xiàn)行修正把土當(dāng)作一種彈塑性材料來(lái)看，則鉆頭沖擊土體的過(guò)程可以抽象為一個(gè)半無(wú)限體在圓環(huán)面積上受均布力作用的問(wèn)題，則土體變形分析體可以是一段圓柱體，只需確定其徑向尺寸和軸向尺寸即可。為了確定土體的受力影響范圍，筆者從受沖擊土體的軸向位移著手，利用著名的Boussinesq解答,推導(dǎo)出了土體表面上某點(diǎn)和土體樣品軸線上某點(diǎn)的軸向位移即沉陷,并由此作了解答。具體推導(dǎo)過(guò)程如下設(shè)圓環(huán)形區(qū)域的內(nèi)外半徑分別為rz方向的位移分量ω可由Boussinesq位移解答的第二式確定：積分可得對(duì)于式(3)，設(shè)v=0.27，經(jīng)換算最終可得如下結(jié)果：當(dāng)z=0時(shí)，當(dāng)z=12r由此可得，在深為6倍的鉆頭外半徑處的沉陷為地表沉陷的1/10，可忽略。對(duì)于鉆頭外圍土體表面上任意一點(diǎn)，由半無(wú)限體表面任意一點(diǎn)的法向位移積分并變換，最終得到如下公式：對(duì)于式(6)，當(dāng)r=r當(dāng)r=2r當(dāng)r=3r由以上結(jié)果可知，水平向3倍鉆頭外徑處土體的沉陷為鉆頭周圍的1/5，因?yàn)樗椒较虿皇俏覀冴P(guān)心的重點(diǎn)，故范圍可定到此處。因此，受沖擊影響的土體范圍可按如下式子確定：水平方向：寬度=6r垂直方向：高度=12r2.3土體的泊松比和抗剪強(qiáng)度土體的彈性變形模量：E=5.6MPa土體的泊松比：ν=0.27土的重度：γ=19.6kN/m土體的抗剪強(qiáng)度：τ=0.23MPa土體的內(nèi)摩擦角：φ=13o2.4土體分析體結(jié)構(gòu)利用2.3所述土的力學(xué)性能參數(shù)，經(jīng)對(duì)比得出采用能考慮土體塑性的軸對(duì)稱4節(jié)點(diǎn)平面單元對(duì)整個(gè)土體進(jìn)行自動(dòng)粗剖分，該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)稱，可采用Mapping方式進(jìn)行，通過(guò)不斷試計(jì)算，并細(xì)化應(yīng)力較大的部位，剖分結(jié)果為12800個(gè)單元，13041個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分后的土體有限元模型見(jiàn)圖12.5土體接觸分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)，由動(dòng)量定律可算得鉆頭沖擊土體的接觸時(shí)間為0.029s。為分析方便，鉆頭對(duì)土體的沖擊可用一個(gè)脈沖力來(lái)模擬，變化曲線如圖2所示。其中，F(xiàn)2.6．應(yīng)用廣泛ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于土木工程、機(jī)械制造等科學(xué)研究。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、求解模塊（即分析計(jì)算模塊）和后處理模塊3土體應(yīng)力分析有限元分析計(jì)算土體節(jié)點(diǎn)密塞斯應(yīng)力分布狀況和土體的軸向位移分布狀況。根據(jù)以上建立的幾何模型，確定土體的邊界條件，使鉆頭在沖擊土體的過(guò)程中，只有在圓柱體范圍內(nèi)的土才受沖擊力的影響，在其內(nèi)有應(yīng)力的重分布、質(zhì)點(diǎn)位移。有代表性的時(shí)間子步上土體節(jié)點(diǎn)密塞斯應(yīng)力分布狀況和土體的軸向位移分布狀況見(jiàn)表1。密塞斯應(yīng)力分布狀況和軸向位移分布狀況見(jiàn)圖3和圖4。4地層沖擊試驗(yàn)結(jié)果在時(shí)間后處理器中，可以對(duì)分析土體中某一個(gè)感興趣的點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間追蹤，從而得出在沖擊過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間變化曲線；應(yīng)力、應(yīng)變和位移關(guān)系。由于鉆頭幾何模型和加載的軸對(duì)稱性，我們只取模型的右半邊進(jìn)行跟蹤分析。由分析土體的網(wǎng)格剖分圖可知，土樣中心所在點(diǎn)節(jié)點(diǎn)號(hào)為2019，記為M2019。為了研究沖擊鉆進(jìn)對(duì)土樣的擾動(dòng)影響，沿分析土體的上端面取一路徑，長(zhǎng)度為鉆頭的外徑，記為Surface。Surface路徑上的密塞斯應(yīng)力分布情況如圖5所示。由圖可知，密塞斯應(yīng)力在土樣部位幾乎都保持在應(yīng)力最小值的水平，不到鉆頭底唇面部位應(yīng)力值的1/10，而且分布情況幾乎沒(méi)變；而在土中鉆頭內(nèi)外壁和土層接觸處的應(yīng)力幾乎是突變的?？梢钥闯?，沖擊對(duì)土樣的擾動(dòng)只是在一個(gè)很小的范圍內(nèi)的。Surface路徑的軸向位移分布情況如圖6所示。該路徑的長(zhǎng)度是鉆頭的外徑，其中點(diǎn)就是土樣的中心。由圖可知，分析土體的軸向位移都是負(fù)的，即為軸向壓縮，其壓縮量以鉆頭底唇面處為最大；土樣中心部位為最小，而且土樣中心部位的位移相對(duì)比較平緩。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在同一時(shí)刻，土體中軸向和徑向位移的值絕大部分都相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著在沖擊條件下沖擊功主要用于軸向壓縮土體，而徑向的擠壓作用則相對(duì)很小。鉆頭底唇面中點(diǎn)處的軸向位移和時(shí)間的的關(guān)系幾乎是呈線性的，土體壓實(shí)速率很快。從表1可知：在鉆頭底唇面的中心部位，土體的軸向壓縮量是最大的。在單次沖擊條件下，土體最大的軸向壓縮量達(dá)13.129mm。并且由分析可知，單次沖擊條件下，在徑向的最大壓縮量?jī)H為1.11mm。5鉆頭內(nèi)外土體應(yīng)力值對(duì)比通過(guò)運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)土受沖擊變形的研究，得出以下結(jié)論：(1)土體軸向壓縮量在鉆頭底唇面處為最大，土樣中心部位為最小；(2)鉆頭內(nèi)外壁和土層接觸處土中的密塞斯應(yīng)力幾乎是突變的，而應(yīng)力在土樣