压力控制的圆孔扩张数值模拟分析

受沉积历史的影响,实际工程中土体的初始应力往往呈各向异性,此时传统圆孔扩张理论的假定条件不再成立,故其适用性也受到限制。借助于FLAC有限差分数值软件,建立了以压力为圆孔扩张边界的二维圆孔扩张模型,从圆孔的变形、孔周土屈服范围、圆孔扩张产生的超静孔水压力分布等方面进行分析,获得在初始应力各向异性的条件下压力控制圆孔扩张过程土体响应规律。计算分析结果表明,初始应力各向异性时,压力控制的圆孔扩张孔口径向位移、塑性区分布、超静孔隙水压力影响范围各个方向不相等;塑性区的分布具有明显的方向性,塑性区最大半径位于孔周土体初始大主应力方向上,并且其值比在相同的扩张压力作用下各向同性初始应力条件下的塑性区半径大,因此传统的初始等应力条件下位移控制的圆孔扩张理论用于分析各向异性初始应力的工程是偏于不安全的。     

考虑中主应力时土体劈裂灌浆力学机制的大变形分析

在塑性力学和大变形理论的基础上分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机制,将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为两个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在塑性区中服从大变形假设。假设初始劈裂灌浆压力是圆孔扩张到极限时极限扩孔压力;当土体在灌浆压力作用下,大小主应力正好换位时,则出现劈裂时的灌浆压力就为二次劈裂灌浆压力值,推导出塑性区半径、劈裂灌浆的竖向劈裂灌浆和水平向劈裂灌浆压力的理论解答,同时也获得了弹塑性区中的应力场分布规律。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。     

基于圆孔扩张理论的碎石桩承载力计算方法

本文深入研究碎石桩复合地基的受力变形机理,利用摩尔库伦弹塑性材料的剪胀特性,同时引入应力跌落三折线模型,视筋箍碎石桩承受上部荷载时的径向鼓胀为圆孔扩张,将产生变形的桩周土体分为弹性区和塑性区两部分,运用Vesic圆孔扩张理论分别建立了弹性区和塑性区桩周土体的应力场和位移场表达式,进而利用桩体影响半径处土压力为静止土压力的假设,求出了桩周土对碎石桩的径向围限力,再结合被动土压力公式导得了碎石桩的单桩承载力计算式。为验证该方法的可行性,本文结合实际工程数据对所推导的承载力计算式进行了验证分析,结果表明计算值与实测值吻合。     

K0固结饱和土柱孔扩张问题弹塑性分析

采用K0固结各向异性土体本构模型,将柱孔扩张后周围土体分为弹性区和塑性区,根据柱孔扩张理论和边界条件,推导出K0固结状态下饱和天然土体柱孔扩张问题弹塑性区的应力、塑性区半径以及超孔隙水压力的理论解答。同时,通过算例与修正剑桥模型解答进行对比分析,结果表明,土的不同初始固结状态对柱孔扩张后孔周围的应力和超孔隙水压力产生很大影响,采用考虑K0固结诱发各向异性土体本构模型所得到的应力和超孔隙水压力解答大于修正剑桥模型的解答,但塑性区影响半径却明显小于后者。     

饱和土中劈裂灌浆压力研究

在塑性力学和大变形理论的基础上,分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机理。将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为两个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在塑性区中服从大变形假设。利用水力压裂理论和圆孔扩张理论,假设孔隙水压力大于或等于初始应力与扩张应力增量之和时,土体将出现拉应力,若拉应力超过土的抗拉强度,土体将产生开裂,此时的灌浆压力就为初始劈裂灌浆压力。当土体在灌浆压力作用下,大小主应力正好换位时,则出现劈裂时的灌浆压力就为二次劈裂灌浆压力值,推导出饱和土体劈裂灌浆压力的理论公式。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。     

土体劈裂灌浆力学机理分析

为了在塑性力学和大变形理论的基础上分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机理,将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为3个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在软化区和流动区中土体服从大变形假设。根据应力平衡方程以及应力和应变连续的边界条件,推导出劈裂灌浆初始阶段的最终扩孔压力和最终扩孔半径的理论解答。同时,还分析了灌浆压力、最终扩孔半径、土体的泊松比和大变形以及压缩模量之间的相互关系。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。     

基于修正剑桥模型的挤密桩挤土效应分析

将挤密桩挤土过程视作沿桩长不变的一系列点位形成的球形孔扩张过程,把扩张过程中的桩周土体分为3个区域：流动破坏区、塑性变形区、弹性变形区。应用圆孔扩张理论,结合修正剑桥模型推导出了球孔扩张引起的土体应力、位移分布解析解。结果表明,挤密桩塑性区半径为桩半径的2.92倍,与试验结果基本吻合,验证了该分析方法的可行性。其结果可为挤密桩挤土效应的研究提供一种新的思路。     

基于相似性原理超固结土不排水扩张半解析解

在实际工程中,土体往往因卸载、再加载等复杂应力路径而处于超固结状态,而现有的圆孔扩张问题的计算模型往往不能反映超固结土中剪胀、软化等一些特殊性质。为了解决这一问题,基于相似性原理和统一硬化（UH）模型,结合相关联的流动法则和大变形理论,采用相似求解技术求解了超固结土不排水扩张问题的半解析解答。通过理想化算例分析了圆孔扩张挤土产生的应力和孔压响应,并通过分析不同超固结比OCR的土体应力路径的变化规律,讨论了UH模型的适用性。结果表明：对于轻超固结土,空腔周围土体孔压在塑性区沿径向单调递减,随着OCR增大,塑性区内孔压分布呈现出“S”形的趋势,孔壁附近的孔压逐渐减小,孔壁周围甚至出现负孔压。随着OCR增大,压力?扩张曲线收敛变慢。在扩孔过程中正常固结土一直处于剪缩硬化阶段。而对于超固结土,土体则经历了临界状态→剪胀硬化阶段→临界（特征）状态→剪缩硬化阶段。该研究成果不仅丰富了相似求解技术的应用,而且为超固结土中桩基承载力、隧道围岩变形预测和原位测试参数等岩土工程问题的计算提供了理论依据。     

基于应变梯度理论的砂土中扩孔闭合解

扩孔理论作为一种简单适用的理论工具,目前已经被广泛用于隧道、土工原位测试、桩基和锚定板承载力设计等岩土工程问题的研究中。现有扩孔理论无法考虑土体小半径扩孔的尺寸效应问题,以砂土中的圆柱孔和球孔扩张为研究对象,基于应变梯度塑性理论,引入能够考虑土体尺寸效应的力学参数——土体特征长度l并给出解释,同时考虑土体大变形特性,推导出能够考虑土体微观结构尺寸效应的扩孔问题闭合解。通过将土体归一化特征长度l/a0(a0为初始圆孔半径)退化为0（即不考虑尺寸效应）,将该解退化为经典不考虑尺寸效应的扩孔解答,验证了本文理论解答的正确性。同时开展参数分析,详细探讨了土体归一化特征长度l/a0、摩擦系数μ、剪胀系数β、形状系数k对压力扩张关系、孔周应力分布、孔周应变梯度、极限扩孔应力的影响规律。最后将提出的理论解答应用到微型圆锥贯入试验（micro cone penetration test,简称MCPT）等实际问题中,提出了MCPT贯入阻力的计算公式,通过跟既有试验结果对比,验证了本文理论的适用性。     

基于旁压试验土体弹塑性本构模型初探

在大量旁压试验数据分析的基础上,通过曲线拟合,建立了旁压试验弹塑性阶段曲线的椭圆方程,利用土体SMP屈服准则和Rowe流动法则,推导出土体塑性阶段应力增量与应变增量间关系矩阵。在弹性阶段,假设土体应力-应变服从广义虎克定律,建立了基于旁压试验的土体弹塑性本构模型。编制了相应的计算程序,将文中模型计算结果与实际旁压试验曲线进行对比,初步验证了模型的正确性。将本构模型编译为ABAQUS自定义材料子程序UMAT,通过有限元对比分析,文中模型计算变形较弹性模型小,较摩尔-库仑模型大,与模型建立的假设一致。基于旁压试验的土体弹塑性本构模型参数少,且易于获取,便于在实际工程中应用。     

基于能量理论的球孔扩张大变形分析

以常用的摩尔-库仑强度准则模拟弹塑性区的本构关系,研究小孔扩张问题,推导了扩孔压力和能耗理论解。基于球孔扩张的假设,结合能量理论和非关联流动法则,将扩孔过程视为能量转换问题,进行黏土大应变能耗分析。弹性区采用小应变理论分析。考虑塑性区弹性变形和塑性区大应变的影响,得到了扩孔压力、能耗与扩孔半径的关系。通过与已发表结果比较,验证了所提方法的有效性。最后,研究塑性区弹性变形和大应变对扩孔压力和能耗的影响。结果表明,扩孔压力随剪胀角的增大而增大,外力所做的大部分功在塑性区转化为能量。剪胀角对塑性区域发展和扩孔压力演化影响显著,随着剪胀角的增加,塑性区半径和扩孔压力明显增加。该能耗理论解为揭示注浆、土工试验与贯入桩等方面提供了一种新的分析手段和必要的理论依据。     

各向异性初始应力状态下圆柱孔扩张理论弹塑性分析

传统的圆柱孔扩张理论假定初始应力为各向同性的。在城市地下管道的铺设、隧道工程等的水平掘进施工过程中,圆柱孔受到的初始竖向应力不等于初始水平应力,并不满足各向同性初始应力条件。考虑土体的各向异性初始应力条件,假定土体满足Mohr-Coulomb屈服准则,推导了各向异性初始应力状态下的圆柱孔扩张问题弹塑性解答。算例计算结果表明：土性参数一定时,在相同内压力作用下,各向异性初始应力状态下的圆柱孔扩张形成的塑性区半径大于各向同性初始应力状态下的圆柱孔扩张的塑性区半径,但前者的极限扩孔压力小于后者。     

初始应力各向异性状态下圆柱孔扩张机制分析

采用静止土压力系数K0描述土体初始应力各向异性程度,建立了压力控制边界条件的柱孔扩张数值模型,分析压力为边界条件的圆柱孔扩张特性。计算结果表明,初始应力条件各向异性时,柱孔周围的土体的径向位移是不相等的,扩张后的柱孔呈椭圆形,初始应力各向异性是柱孔非对称扩张的内在原因;塑性区的分布具有明显的方向性,塑性区最大半径位于柱孔周围初始大主应力方向上;在相同的扩张压力下,随不排水抗剪强度增加,土体的塑性区减小,且土体初始应力各向异性造成的土体塑性区分布各向异性程度也随之减小;在相同的扩张压力下,柱孔初始应力越大,其塑性区范围越大,且土体初始应力各向异性造成的土体塑性区分布的各向异性程度也越大。     

基于能量耗散的球孔扩张理论解答

以空间准滑动面（SMP）准则为基础,推导了扩底桩扩孔压力的理论解。从能量耗散的角度分析球孔扩张的全过程,利用应力不变量推导了符合球孔扩张的屈服准则;化简微分方程得到了弹塑性区应力表达式,进而求出位移、应变表达式;分别利用体积守恒和能量守恒性推导出扩孔压力的表达式。该法考虑了塑性区弹性变形,并得到了扩孔压力p、塑性区半径R与扩孔半径a的关系。算例分析表明,该方法计算的扩孔压力与现场试验得出的结果较好地吻合,塑性区半径和扩孔压力均随扩孔半径的增加而增大,但增幅逐渐减小而趋于稳定值,剪胀角对塑性区半径和扩孔压力影响显著,随着剪胀角的增加,塑性区半径和扩孔压力明显增加。     

大应变静力触探数值模拟及锥形因子影响因素分析

以模拟圆锥在不排水黏土中的静力贯入和分析其影响因素为目标,假设土体为均质弹性—完全塑性材料且服从Mises屈服准则,采用任意拉格朗日—欧拉(ALE)网格划分技术确保锥尖土体在大应变条件下的网格质量,进行大应变有限元数值模拟,并分析了稳定状态下土体刚度指数、原位应力状态和锥尖粗糙程度对塑性区半径与锥形因子的影响,获得了锥形因子表达式。模拟结果表明:塑性区随着刚度指数的增大而增大,锥尖周围塑性区的径向扩张处于柱形孔扩张和球形孔扩张之间,更接近于球形孔扩张;锥形因子随土体刚度指数、锥尖粗糙程度的增大而增大,随土体原位应力状态参数的增大而减小;得到的锥形因子表达式可以量化土体刚度指数、原位应力状态和锥尖粗糙程度的影响,具有较高的精确度。     

考虑岩体峰后非线性软化的衬砌压力隧洞应力解

采用弹性－塑性非线性软化―裂缝区三阶段围岩模型,根据全量理论将真实岩体单轴应变非线性软化特征推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,在此基础上对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。推导出了围岩裂缝区、塑性软化区、弹性区和衬砌内任一点的应力与位移的解析计算式,得到了衬砌边缘岩体开始产生塑性变形的临界内压力。该解析式具有广泛的适用性,基于理想塑性介质的解答如Kastner解和完全脆性介质的解答均为特例。     

考虑各向异性、剪胀和渗流的柱孔扩张问题统一解

基于统一强度理论,考虑渗流、各向异性、剪胀特性以及中主应力等因素的综合影响,推导了柱孔扩张问题弹塑性解答。结果表明,富水条件下的扩孔问题中考虑渗流体积力的影响是非常有必要的,不考虑渗流影响的扩孔压力比实际工程偏小;渗流体积力越大,塑性区半径越小。另外,传统的扩孔解答假定土体为各向同性初始应力状态高估了极限扩孔压力,也低估了扩孔过程中圆孔周边的塑性区范围,造成工程安全等级偏低。该结果为海底圆形隧道以及渗流条件下地下水平构筑物施工弹塑性分析提供了理论依据,对工程设计具有一定参考价值。     

考虑筋材蠕变特性的加筋土流变模型

把加筋土体的分析看成黏弹性阶段和黏弹塑性两个阶段。考虑筋材的蠕变特性,给出了黏弹性阶段加筋体的弹性应变、筋材的应力和土体的水平微观应力。由方程可知,随着时间的增长,筋材发生按负指数衰减的应力松弛,筋材的应力降低、应变增加。给出了塑性阶段开始到达的时间和变形,在黏弹塑性阶段,加筋体中应力保持恒定,整个应变由于蠕变的发生逐渐增加。由此可针对具体的工程例子分析加筋土体的应力和变形情况,尽量减轻由于加筋土体强度、稳定性降低、变形增加造成的严重后果。     

基于广义SMP准则及应力路径法的柱孔扩张分析

柱孔扩张理论广泛用于旁压试验机制分析、沉桩挤土效应等岩土工程问题中。基于经典的Vesic孔扩张理论,采用能够考虑中主应力效应的广义SMP屈服准则,并结合有限应变理论对均质土体中柱孔扩张问题进行分析,根据应力路径假设提出确定塑性区平均体应变的解析步骤。通过大量变参数计算给出具有不同刚度指标 、泊松比 和内摩擦角 的土中柱孔扩张极限状态下的塑性区平均体应变、孔扩张半径比和孔扩张系数。分析结果表明, 、 、 越大,塑性区平均体应变越小,塑性区半径比越大,孔扩张系数越大;随着 增加, 的变化对孔扩张系数的影响更显著。同时,将结果与基于Mohr-Coulomb准则的孔扩张解答进行比较,探讨不同土性参数时中主应力效应对孔扩张系数的影响。文中分析方法及给出的考虑中主应力效应的柱孔扩张系数表可为原位试验分析及桩侧摩阻力估算提供参考。     

复杂应力条件下土体各向异性及其建模思路

由于加荷方式不同,土体在复杂应力状态下在各主应力方向上应力-应变关系表现出显著应力各向异性,在常规三轴试验基础上,采用经典弹塑性理论各向同性土体模型对此不能合理描述。通过真三轴试验,总结应力各向异性柔度矩阵规律,结合试验规律进行相应理论研究,用非线性各向异性弹性矩阵代替弹塑性模型的弹性矩阵,用具有各向异性屈服准则的弹塑性模型描述塑性部分,建立非线性各向异性弹性-塑性模型,可以改善柔度矩阵矩阵形态,反映复杂应力状态下土体应力各向异性特征。