学术研究报告：基于物质点法的原位自由落体锥贯入试验数值模拟研究

第一作者及机构
本研究由芬兰阿尔托大学（Aalto University）土木工程系的Debasis Mohapatra（第一作者）、Saeideh Mohammadi Hasanbarough、Wojciech Tomasz Sołowski，以及芬兰地质调查局（Geological Survey of Finland）的Maarit Saresma和Joonas Virtasalo合作完成。论文题为《Numerical Simulation of In-Situ Free Fall Cone Penetrometer Tests Using the Material Point Method》，发表于2024年4月12日的《UK Association for Computational Mechanics》会议论文集（DOI: 10.62512/conf.ukacm2024.101）。

学术背景与研究目标
自由落体锥贯入试验（Free Fall Cone Penetrometer Test, FF-CPT）是海洋工程中用于快速评估海底软黏土力学特性的重要手段，但其数据解释长期依赖经验公式，缺乏对动态贯入过程的精确数值模拟。本研究针对芬兰湾北部波罗的海海域的敏感海洋黏土，提出了一种基于广义插值物质点法（Generalized Interpolation Material Point Method, GIMP）的数值框架，旨在解决以下问题：
1. 动态贯入过程的复杂性：传统方法难以模拟高应变率（strain rate）和黏土结构破坏（destructuration）对剪切强度的耦合影响；
2. 经验模型的局限性：现有FF-CPT数据与土体参数的关联性依赖半经验公式，精度不足；
3. 工程需求：海洋能源开发等领域需更可靠的土体特性评估方法。

研究流程与方法
1. 现场试验与数据采集
- 试验地点：芬兰湾Kytö岛以南海域，使用Graviprobe 2.0自由落体贯入仪（FFP）进行3组FF-CPT测试。FFP长1.97米，重20.2千克，直径0.05米，以7.6 m/s的冲击速度贯入海底。
- 土体参数：三轴试验测得黏土不排水抗剪强度（undrained shear strength）为6-7 kPa。

1. 数值模型构建

   • 软件与算法：采用Uintah软件中的GIMP方法，利用轴对称条件简化模型（图1）。网格尺寸为5mm×5mm，含10364个物质点。
     
   • 接触模型：摩擦接触算法（friction contact model）模拟锥体与黏土界面，摩擦系数μ=0.65。
     
   • 本构模型：扩展Tresca模型，引入应变率效应和结构破坏效应，公式如下：
     [ s_u(\delta\gamma, \xi, St) = s{u,ref} \left[ \left( \frac{\delta\gamma}{\delta\gamma_{ref}} \right)^\beta \right] \left[ \frac{1}{S_t} + \left(1 - \frac{1}{St}\right) e^{-\frac{3\xi}{\xi{95}}} \right] ] 其中，(s{u,ref}=6.5 \text{kPa})（参考强度），(\delta\gamma{ref}=0.56 s^{-1})（参考应变率），(\beta=0.08)（应变率参数），(St=10)（灵敏度），(\xi{95}=10)（95%强度退化所需剪切应变）。
     

2. 模拟与验证

   • 动态贯入过程：模拟锥体加速度随深度的变化（图2），最终贯入深度1.78米，与实测结果（1.8-1.95米）吻合。
     
   • 应变率与强度分布：图3显示锥尖附近剪切应变率显著升高（导致强度增强），而紧邻锥体的黏土因剪切应变积累发生结构破坏（强度降低）。
     

主要结果与逻辑关联
1. 应变率效应：高应变率区域（锥尖）的黏土强度提升，验证了公式(1)中幂律关系的准确性；
2. 结构破坏效应：锥体周围0.01米范围内黏土强度急剧下降，与实验室试验数据一致；
3. 边界无关性：通过试算确定模型尺寸，确保边界条件不影响结果。

结论与价值
1. 科学价值：首次将GIMP与扩展Tresca模型结合，量化了应变率和结构破坏对FF-CPT结果的耦合影响，为动态贯入理论提供了新工具；
2. 应用价值：提升海洋黏土特性评估精度，支持海底电缆、风电基桩等工程的设计优化；
3. 方法创新：Uintah软件中的摩擦接触算法和GIMP离散化方法为类似大变形问题（如滑坡、桩基贯入）提供了参考。

研究亮点
1. 多物理场耦合：同时考虑应变率硬化与结构破坏软化效应；
2. 高精度验证：数值结果与现场试验的加速度曲线和贯入深度高度匹配；
3. 参数普适性：模型参数（如(\beta)、(S_t)）可推广至其他敏感黏土场景。

其他有价值内容
- 研究受芬兰科学院Geomeasure项目资助（Grant 347602），后续可结合更多土体类型（如砂土）验证模型普适性。
- 作者团队此前已通过GIMP成功模拟实验室尺度FF-CPT（见参考文献[11][12]），为本研究奠定了方法基础。