基于动态空腔膨胀模型的土壤Mohr-Coulomb参数反演方法

邹欧; 薛健; 李娜; 王鑫; 杨荣; 李玉琼

doi:10.37188/OPE.20233105.0565

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于动态空腔膨胀模型的土壤Mohr-Coulomb参数反演方法

地面力学 | 更新时间：2023-03-22

- 基于动态空腔膨胀模型的土壤Mohr-Coulomb参数反演方法
- Inversion method of soil Mohr-Coulomb parameters based on dynamic cavity expansion model
- 光学精密工程 2023年31卷第5期页码：565-580
- 作者机构：
  
  1.中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
  2.中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
  3.中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京 100190
- 作者简介：
  
  [ "邹欧（1998-），男，湖南娄底人，硕士研究生，2020年于中国矿业大学（北京）获得学士学位，主要从事车辆地面力学相关研究。E-mail： zouou20@mails.ucas.ac.cn" ]
  [ "李玉琼（1982-），男，湖南娄底人，研究员，2010年于北京理工大学获得博士学位，主要从事车辆地面力学，星壤力学探测与模型构建研究。E-mail：liyuqiong@imech.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  中国科学院青年创新促进会项目(2018024);国家自然科学基金资助项目(61575209);钱学森实验室太空探索实验培育项目(TKTSPY-2020-05-01)
- DOI：10.37188/OPE.20233105.0565
  中图分类号： TP391.4
- 收稿日期：2022-08-26，
  
  修回日期：2022-10-14，
  
  纸质出版日期：2023-03-10
- 稿件说明：
移动端阅览
邹欧,薛健,李娜等.基于动态空腔膨胀模型的土壤Mohr-Coulomb参数反演方法[J].光学精密工程,2023,31(05):565-580.

ZOU Ou,XUE Jian,LI Na,et al.Inversion method of soil Mohr-Coulomb parameters based on dynamic cavity expansion model[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(05):565-580.
邹欧,薛健,李娜等.基于动态空腔膨胀模型的土壤Mohr-Coulomb参数反演方法[J].光学精密工程,2023,31(05):565-580. DOI： 10.37188/OPE.20233105.0565.

ZOU Ou,XUE Jian,LI Na,et al.Inversion method of soil Mohr-Coulomb parameters based on dynamic cavity expansion model[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(05):565-580. DOI： 10.37188/OPE.20233105.0565.

摘要

为实现土壤原位力学参数的精准、快速解译，定量评估军事装备机动性，本文利用冲击贯入过程中测得的阻力-速度曲线、加速度时程曲线、速度时程曲线以及贯入深度-初速度关系，基于动态空腔膨胀模型建立了土壤Mohr-Coulomb参数的反演方法。本文分析表明准确拟合贯入阻力系数是反演Mohr-Coulomb参数的关键，而利用冲击贯入过程中的速度时程曲线进行拟合能够对Mohr-Coulomb参数进行准确的反演。针对Forrestal等人报道的实验结果，利用本文方法对土壤内聚力进行反演的相对误差为2.14%，对土壤内摩擦角反演的相对误差为9.77%。本文进一步给出了动态空腔膨胀模型下Mohr-Coulomb参数反演的可解域，讨论了参数敏感性。本文提出的反演方法突破了传统半经验解译方法中物理图像不清晰、经验参数依赖性强的问题，可为复杂地质环境下土壤Mohr-Coulomb参数快速确定及土壤承载力评估提供一个新的方法和途径。

Abstract

To achieve accurate and rapid interpretation of in-situ soil mechanical parameters and quantitatively evaluate military equipment mobility， an inversion method for soil Mohr-Coulomb parameters is established based on the dynamic cavity expansion model using the resistance-velocity relationship， acceleration and velocity curves， and the relationship between depth and initial velocity measured during the impact penetration process. It indicates that accurate fitting of the resistance coefficients is critical for interpreting Mohr-Coulomb parameters. Precise results could be derived using the measured velocity curve. Based on the experimental results reported by Forrestal

et al

. using the proposed method， the relative errors of soil cohesion and internal friction angle interpretation are 2.14% and 9.77%， respectively. Furthermore， the solution domain of the Mohr-Coulomb parameters under the dynamic cavity expansion model is revealed， and parameter sensitivity is investigated. The proposed inversion method resolves the problems of unclear physical images and strong parameter dependency in traditional semi-empirical interpretation methods. It could provide a new approach for rapidly determining soil Mohr-Coulomb parameters and assessing soil bearing capacity in complex geological environments.

关键词

Keywords

references

WASFY T ， JAYAKUMAR P . Next-generation NATO reference mobility model complex terramechanics - Part 1： definition and literature review ［J］. Journal of Terramechanics ， 2021 ， 96 ： 45 - 57 . doi: 10.1016/j.jterra.2021.02.002 http://dx.doi.org/10.1016/j.jterra.2021.02.002

WASFY T M ， JAYAKUMAR P . Next-generation NATO reference mobility model complex terramechanics - Part 2： requirements and prototype ［J］. Journal of Terramechanics ， 2021 ， 96 ： 59 - 79 . doi: 10.1016/j.jterra.2021.02.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.jterra.2021.02.007

陈薪硕，李守定，张晓静，等 . 行星地质工程原位测试方法［J］. 工程地质学报， 2021 ， 29 （ 5 ）： 1525 - 1544 .

CHEN X S ， LI S D ， ZHANG X J ， et al . In-situ testing method for planetary geological engineering ［J］. Journal of Engineering Geology ， 2021 ， 29 （ 5 ）： 1525 - 1544 . （in Chinese）

华琛，牛润新，余彪 . 地面车辆机动性评估方法与应用［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2022 ， 52 （ 6 ）： 1229 - 1244 .

HUA C ， NIU R X ， YU B . Methods and applications of ground vehicle mobility evaluation ［J］. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2022 ， 52 （ 6 ）： 1229 - 1244 . （in Chinese）

张克健 . 车辆地面力学［M］. 北京：国防工业出版社， 2002 .

ZHANG K J . Vehicle-Terramechanics ［M］. Beijing ： National Defense Industry Press ， 2002 . （in Chinese）

何健，马吉胜，吴大林 . 车辆地面力学研究综述［J］. 火炮发射与控制学报， 2017 ， 38 （ 2 ）： 89 - 93 .

HE J ， MA J S ， WU D L . A research review of vehicle terramechanics ［J］. Journal of Gun Launch ＆ Control ， 2017 ， 38 （ 2 ）： 89 - 93 . （in Chinese）

ROSKODEN R . Processing advancements of free fall penetrometer data and their ground proving in regional studies in New Zealand ［D］. German ： University of Bremen ， 2020 .

孟醒，王栋 . 自由落体贯入试验获得土体强度的简化分析［J］. 土木与环境工程学报（中英文）， 2019 ， 41 （ 1 ）： 22 - 28 .

MENG X ， WANG D . Simplified analysis of determining undrained shear strength from FFP tests ［J］. Journal of Civil and Environmental Engineering ， 2019 ， 41 （ 1 ）： 22 - 28 . （in Chinese）

CHOW S H ， O'LOUGHLIN C D ， WHITE D J ， et al . An extended interpretation of the free-fall piezocone test in clay ［J］. Géotechnique ， 2017 ： 1 - 14 . doi: 10.1680/jgeot.16.p.220 http://dx.doi.org/10.1680/jgeot.16.p.220

AUBENY C P ， SHI H . Interpretation of impact penetration measurements in soft clays ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2006 ， 132 （ 6 ）： 770 - 777 . doi: 10.1061/(asce)1090-0241(2006)132:6(770) http://dx.doi.org/10.1061/(asce)1090-0241(2006)132:6(770)

AKAL T ， STOLL R D . A dynamic penetrometer for rapid assessment of seafloor parameters ［J］. The Journal of the Acoustical Society of America ， 1994 ， 96 （ 5 ）： 3219 . doi: 10.1121/1.411178 http://dx.doi.org/10.1121/1.411178

BENDOR G ， DUBINSKY A ， ELPERIN T . Ballistic impact： recent advances in analytical modeling of plate penetration dynamics–A review ［J］. Applied Mechanics Reviews ， 2005 ， 58 （ 6 ）： 355 - 371 . doi: 10.1115/1.2048626 http://dx.doi.org/10.1115/1.2048626

BOGUSLAVSKII Y ， DRABKIN S ， SALMAN A . Analysis of vertical projectile penetration in granular soils ［J］. Journal of Physics D： Applied Physics ， 1996 ， 29 （ 3 ）： 905 - 916 . doi: 10.1088/0022-3727/29/3/059 http://dx.doi.org/10.1088/0022-3727/29/3/059

陈小伟 . 穿甲/侵彻问题的若干工程研究进展［J］. 力学进展， 2009 ， 39 （ 3 ）： 316 - 351 . doi: 10.6052/1000-0992-2009-3-J2007-090 http://dx.doi.org/10.6052/1000-0992-2009-3-J2007-090

CHEN X W . Advances in the penetration/perforation of rigid projectiles ［J］. Advances in Mechanics ， 2009 ， 39 （ 3 ）： 316 - 351 . （in Chinese） . doi: 10.6052/1000-0992-2009-3-J2007-090 http://dx.doi.org/10.6052/1000-0992-2009-3-J2007-090

TRUE D . Undrained Vertical Penetration Into ocean Bottom Soils ［D］. Berkeley ， USA ， University of California ， 1976

刘君，张雨勤 . FFP在黏土中贯入过程的CFD模拟［J］. 力学学报， 2018 ， 50 （ 1 ）： 167 - 176 . doi: 10.6052/0459-1879-17-284 http://dx.doi.org/10.6052/0459-1879-17-284

LIU J ， ZHANG Y Q . Cfd simulation on the penetration of ffp into uniform clay ［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics ， 2018 ， 50 （ 1 ）： 167 - 176 . （in Chinese） . doi: 10.6052/0459-1879-17-284 http://dx.doi.org/10.6052/0459-1879-17-284

KARL T . Theoretical Soil Mechanics ［M］. Hoboken， NJ， USA ： John Wiley & Sons， Inc. ， 1943 .

BALIGH M M . Strain path method ［J］. Journal of Geotechnical Engineering ， 1985 ， 111 （ 9 ）： 1108 - 1136 . doi: 10.1061/(asce)0733-9410(1985)111:9(1108) http://dx.doi.org/10.1061/(asce)0733-9410(1985)111:9(1108)

BISHOP R F ， HILL R ， MOTT N F . The theory of indentation and hardness tests ［J］. Proceedings of the Physical Society ， 1945 ， 57 （ 3 ）： 147 - 159 . doi: 10.1088/0959-5309/57/3/301 http://dx.doi.org/10.1088/0959-5309/57/3/301

CHADWICK P . The quasi-static expansion of a spherical cavity in metals and ideal soils ［J］. The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics ， 1959 ， 12 （ 1 ）： 52 - 71 . doi: 10.1093/qjmam/12.1.52 http://dx.doi.org/10.1093/qjmam/12.1.52

CAO L F ， TEH C I ， CHANG M F . Analysis of undrained cavity expansion in elasto-plastic soils with non-linear elasticity ［J］. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics ， 2002 ， 26 （ 1 ）： 25 - 52 . doi: 10.1002/nag.189 http://dx.doi.org/10.1002/nag.189

HILL R . The Mathematical Theory of Plasticity ［M］. Oxford University Press ， 1998 .

FORRESTAL M J . Penetration into dry porous rock ［J］. International Journal of Solids and Structures ， 1986 ， 22 （ 12 ）： 1485 - 1500 . doi: 10.1016/0020-7683(86)90057-0 http://dx.doi.org/10.1016/0020-7683(86)90057-0

LUK V K ， FORRESTAL M J . Penetration into semi-infinite reinforced-concrete targets with spherical and ogival nose projectiles ［J］. International Journal of Impact Engineering ， 1987 ， 6 （ 4 ）： 291 - 301 . doi: 10.1016/0734-743x(87)90096-0 http://dx.doi.org/10.1016/0734-743x(87)90096-0

FORRESTAL M J ， LUK V K . Penetration into soil targets ［J］. International Journal of Impact Engineering ， 1992 ， 12 （ 3 ）： 427 - 444 . doi: 10.1016/0734-743x(92)90167-r http://dx.doi.org/10.1016/0734-743x(92)90167-r

SHI C C ， WANG M Y ， LI J ， et al . A model of depth calculation for projectile penetration into dry sand and comparison with experiments ［J］. International Journal of Impact Engineering ， 2014 ， 73 ： 112 - 122 . doi: 10.1016/j.ijimpeng.2014.06.010 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2014.06.010

JANBU N ， SENNESET K . Effective stress interpretation of in situ static penetration tests ［C］. Proceedings of the 1st European symposium on penetration testing ， ESOPT， Stockholm ， 1974 ， 2 ： 181 - 93 .

钱七虎，王明洋 . 高等防护结构计算理论［M］. 南京：江苏科学技术出版社， 2009 .

QIAN Q H ， WANG M Y . Calculation theory for advanced protective structure ［M］. Nanjing ： Phoenix Science Press ， 2009 . （in Chinese）

吴华杰，王明洋，吴春梅，等 . 钻地武器侵彻岩石滑动摩擦系数影响及计算研究［J］. 岩土工程学报， 2009 ， 31 （ 12 ）： 1845 - 1850 . doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2009.12.007 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-4548.2009.12.007

WU H J ， WANG M Y ， WU C M ， et al . Influence and calculation of friction coefficient of sliding of projectile penetration into rock ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2009 ， 31 （ 12 ）： 1845 - 1850 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2009.12.007 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-4548.2009.12.007

MARQUARDT D W . An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters ［J］. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics ， 1963 ， 11 （ 2 ）： 431 - 441 . doi: 10.1137/0111030 http://dx.doi.org/10.1137/0111030

何翔，吴祥云，曲建波 . 细长弹丸侵彻土壤介质的实验研究［C］. 第二届全国爆炸力学实验技术交流会论文集，安徽，中国：安徽省力学学会， 2002 ： 92 - 100 .

HE X ， WU X Y ， QU J B . Experimental study on the penetration of slender projectile into the soil medium ［C］. Proceedings of the Second National Explosion Mechanics Experimental Technology Exchange Conference， Anhui， China ： ASTAM ， 2002 ： 92 - 100 . （in Chinese）

武海军，曾费隐，李金柱，等 . 考虑含水率干密度的土壤动态球形空腔膨胀理论［J］. 北京理工大学学报， 2021 ， 41 （ 5 ）： 459 - 464 .

WU H J ， ZENG F Y ， LI J Z ， et al . Dynamic spherical cavity expansion theory of soil considering moisture content and dry density ［J］. Transactions of Beijing Institute of Technology ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 459 - 464 . （in Chinese）

浏览量

256

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

暂无数据