类型a：学术研究报告
1. 主要作者及机构
本文由Yaotian Gu（河海大学岩土工程研究所、扬州工业职业技术学院建筑工程学院）、Guo Hui Lei（河海大学岩土工程研究所）、Xiaogang Qin（中山大学土木工程学院、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海））合作完成，发表于Acta Geotechnica期刊，2024年3月在线发表（DOI: 10.1007/s11440-024-02290-3）。
2. 学术背景
本研究属于海洋岩土工程与计算力学交叉领域，聚焦于水下自由落体球形贯入仪（free-fall spherical penetrometer, FFP）在黏土中的动态贯入行为数值模拟。FFP是近海和 offshore 地质调查的重要工具，其无连接轴的球形设计可消除轴长和投影面积比对贯入阻力的影响，但现有研究多忽略上覆水体对贯入过程的影响。作者团队基于耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）方法，首次建立了同时模拟水体自由下落和黏土贯入全过程的大变形有限元模型（Model A），并与传统仅模拟黏土贯入的模型（Model B）对比，旨在揭示自由水体对贯入行为、空腔形态及黏土表面变形的调控机制。
3. 研究流程与方法
3.1 研究对象与模型构建
- 研究对象：复现了4组离心机试验数据（O’Beirne等报道的3组高岭土试验和Morton等报道的1组Laminaria黏土试验），涉及不同黏土强度、下落高度和冲击速度。
- 模型设计：
- Model A：包含水体层（理想化为弱可压缩牛顿流体，采用Mie-Grüneisen状态方程）和黏土层（Tresca材料，考虑应变率效应），使用总应力分析法。
- Model B：仅模拟黏土贯入，以实测冲击速度为初始条件，采用浮容重等效水体效应。
- 软件与算法：基于ABAQUS/Explicit平台，开发用户子程序（VUSDFLD）实现应变率相关的黏土强度动态更新，采用自适应网格技术处理大变形。
3.2 关键实验步骤
1. 自由落体过程验证：
- 通过CEL模拟球体在水中下落，对比Guo提出的解析解（含附加质量系数Ca=2.0的Rubey拖曳定律），校准下落高度（hdc）以匹配离心机实测冲击速度（如Test 1中hdc=0.0238m）。
2. 黏土贯入模拟：
- 边界条件：对称面约束，黏土初始应力场按总应力生成（考虑k0=0.5的侧压力系数）。
- 材料参数：黏土弹性模量E=500su-op（su-op为动态剪切强度），应变率参数b=0.08（高岭土）或0.08-0.17（Laminaria黏土）。
3. 数据对比分析：
- 提取贯入深度（de）、速度（vz）、加速度（az）时程曲线，对比离心机试验数据；
- 可视化空腔形态（全开、部分闭合、全闭合）和黏土表面变形。
4. 主要结果
4.1 模型性能对比
- 贯入深度预测：Model A的de/d（贯入深度/球径）比值与实测值误差平均为2%（Model B为12%），如Test 2中Model A预测de=3.02d，Model B为3.39d，实测约2.7d。
- 空腔形态重现：Model A成功复现了离心机观察到的三种空腔类型（图1c-e）：
- 全闭合空腔（Test 1）：黏土回流导致空腔颈部收缩；
- 部分闭合空腔（Test 11）：空腔顶部宽度仅0.2d；
- 全开放空腔（Test 7）：水体流动抑制黏土回填。
- 黏土表面变形：Model A预测的初期隆起（如Test 7隆起高度0.15d）后期因水体冲刷降低，与高速摄像记录一致；Model B则高估隆起高度且无动态变化。
4.2 自由水体的影响机制
- 动力学作用：水体在球体尾流中形成涡旋，对空腔壁施加拖曳力和负压，导致黏土块剥落（图12）；
- 能量耗散：Model A中水体黏滞耗能使贯入速度降低10-15%，解释其较Model B更浅的贯入深度。
5. 结论与价值
科学价值：
1. 首次通过CEL方法量化自由水体对FFP贯入的调控作用，修正了传统模型（Model B）高估贯入深度的系统性偏差；
2. 提出应变率参数b与黏土类型的关系，为动态贯入阻力解析提供标定依据。
应用价值：
1. 指导FFP设计优化（如球体形状对空腔稳定性的影响）；
2. 为海底锚固、管线贯入等工程提供高精度数值仿真工具。
6. 研究亮点
- 方法创新：开发了首个耦合水体-黏土相互作用的CEL模型，通过用户子程序实现应变率效应与强度各向异性的解耦；
- 现象发现：揭示水体流动诱导的黏土表面“冲刷-剥落”机制，解释了浅贯入时空腔闭合的动态过程；
- 数据重现性：在4组独立离心机试验中验证模型普适性，冲击速度误差%。
7. 其他贡献
- 公开了材料参数标定流程（如通过T-bar试验反演b值），促进同类研究可比性；
- 讨论了k0（侧压力系数）对贯入阻力影响不敏感的发现，简化了初始应力场设置。
（注：专业术语如Tresca material（特雷斯卡材料）、CEL（耦合欧拉-拉格朗日方法）等首次出现时标注英文，符合要求。）