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。     

模袋袖阀管压密注浆的注浆压力理论计算方法研究

针对常规注浆施工中串浆、跑浆严重，对地层加固效果不理想的现状，模袋袖阀管注浆技术开始在隧道超前注浆施工中得到应用，但目前模袋注浆压力的确定多以经验为主。考虑模袋在注浆过程中始终保持柱形扩张，同时在周围被挤密土体中形成一个由弹性区和塑性区组成的应力影响区。基于弹塑性理论，考虑在周围土体的塑性影响区内采用非关联流动法则，推导得到了表征模袋注浆过程中浆体初始半径R0、浆体现时半径Ru和土体塑性区半径Rp之间关系的表达式，由此可以解出模袋注浆压力P的理论计算公式。参数分析结果表明：模袋注浆压力值受土体弹性模量、内摩擦角、黏聚力和初始应力的影响显著。将所得的模袋注浆压力理论计算公式应用于人民会堂站的模袋袖阀管注浆工程中，由浆体扩张半径Ru随注浆压力P的变化规律可以得出：当浆液对周围土体的挤密效果最佳时,模袋注浆压力 ，浆体最终扩张半径R' = 20 cm。注浆效果检验结果表明：模袋注浆膨胀构造的止浆岩盘成功实现了对浆液扩散的控制，达到了预期的控域注浆效果。     

基于流体体积法的劈裂注浆有限元分析

劈裂注浆作为一种有效的土体加固方法,其理论研究落后于工程实践。提出了基于弥散裂缝模型和流体体积法的劈裂注浆有限元分析方法,并通过ABAQUS二次开发编写劈裂注浆有限元程序。数值分析结果能与室内试验较好吻合,验证了有限元算法的合理性。在此基础上研究了注浆孔埋深和注浆流量对劈裂浆脉形状的影响。结果表明,劈裂注浆过程可分为起劈和劈裂发展两个阶段。当劈裂浆脉扩展到模型边界后,继续注浆会引起注浆压力的大幅提高和已有浆脉宽度的增加。随着注浆孔埋深的增加,浆脉分支减少,长度减小,宽度增加,劈裂浆脉形状的主要控制因素从土体参数的随机性变成大小主应力值的差异。注浆量一定的情况下,注浆速率越大,劈裂浆脉长度越短,宽度越大,注浆终压也越大。研究为劈裂注浆的工程应用提供理论支撑。     

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。     

黏土地层盾构隧道临界注浆压力计算及影响因素分析

合理选择注浆压力是确保盾构隧道壁后注浆效果良好的前提。假定在黏土地层中,壁后注浆先对周围土体产生压密效应,当注浆压力超过一定值以后,浆液开始劈裂土体。为得到最优注浆压力,基于弹塑性理论,推导了考虑浆体无限扩张时的注浆压力上临界值计算式;将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,推导了考虑螺栓剪切破坏的注浆压力上临界值计算式;基于主、被动土压力公式,提出了保持地层稳定的注浆压力上、下临界值计算式。在此基础上,提出了最优注浆压力计算方法。通过工程实例,分析了土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,及隧道埋深对临界注浆压力的影响。结果表明：临界注浆压力与土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,管片结构性能以及隧道埋深等因素有关;上临界值随着土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压及隧道埋深的增大而增大;下临界值亦随隧道埋深的增大而增大。     

压密注浆的能量分析方法

为了能够从能量的角度分析压密注浆的力学机理,并给出注浆压力的理论解,将整个注浆过程视为无限土体中的圆孔扩张问题,根据注浆过程中能耗区土体在注浆压力和静止土压力作用下的应力、应变和体变关系以及注浆扩孔过程中的能量和体变守恒原理,推导出压密注浆极限注浆压力的理论解答。计算和分析表明,理论解的计算结果与工程实际比较吻合,而且球形扩孔的注浆压力比柱形扩孔的注浆压力要小得多,初步证实了理论解的可靠性。     

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。     

盾构隧道壁后注浆扩散模式及对管片的压力分析

在假定注浆浆液为牛顿流体,并在盾尾间隙影响厚度范围内均匀柱面扩散的前提下,通过引入等效孔隙率替代土体本身的孔隙率来考虑建筑间隙的影响,对盾尾注浆和管片注浆2种情况下的浆液渗透范围及因注浆而对管片造成的压力进行了理论推导,得到了浆液扩散半径及对管片产生的压力计算式。结果表明,盾构隧道壁后注浆浆液的扩散半径及对管片产生的压力与注浆压力、注浆时间、土体特性及浆液性质等众多因素有关,盾尾注浆对管片产生的注浆压力小于管片注浆对管片产生的压力。在假定其他参数已知的条件下,通过一具体实例,讨论了盾尾注浆时浆液扩散半径及注浆对管片产生的压力与注浆压力及注浆时间的关系。结果显示,虽然增大注浆压力、延长注浆时间均能增大浆液的扩散半径及对管片产生的压力,但增长速度不尽相同。     

基于模型试验的劈裂注浆机制分析

依托钟家山隧道帷幕注浆工程,设计了一套大比例劈裂注浆模型试验装置,模拟断层破碎带劈裂注浆过程,通过布设监测元件记录,分析注浆过程关键参数的变化规律,通过开挖充填介质直观揭露浆脉分布特征。试验发现,注浆过程中土体劈裂压力呈现类似脉冲状变化规律,试验条件下土体启劈压力 0.12 MPa,与现有理论解进行了对比分析。基于浆液扩散形式转换、主次生劈裂通道饱和、新劈裂通道形成和后续次劈裂区域饱和4个阶段,分析了土体劈裂压力变化机制,提出了主、次生劈裂压力值界定方法,并对试验条件下7次主劈裂压力值、53次次生劈裂压力值进行了分析,发现主劈裂压力值呈递增规律。结合P-t曲线从能量角度将劈裂过程划分为土体劈裂能量积聚、劈裂和浆液能量转移3个阶段,通过开挖充填介质揭露浆脉的空间分区域分布规律和主、次生浆脉共存规律并分析其成因,在钟家山隧道帷幕注浆工程进行现场应用试验,进一步验证了试验结论的正确性。试验结论对于注浆理论的认知和注浆工程的应用有一定的指导作用。     

袖阀管注浆技术改性土体研究及效果评价

注浆技术作为一种有效的岩土工程施工方法,理论研究远落后于工程应用。在简要分析袖阀管注浆原理及注浆机制类型的基础上,采用岩土颗粒流程序,从微观上模拟了单孔条件下不同注浆压力对土体改性效果的影响,认为随注浆压力的提高,土体出现显著的压密效应,拉应力增加且范围扩大,并产生劈裂注浆效应,尤其是注浆孔周围土体,空间置换率较大;同时模拟了多孔状态下浆液扩散、土体压密及劈裂效应产生的过程,认为对于土体改性存在一合理的注浆压力,浆液挤压土体并在土体中产生劈裂缝,在多孔之间贯通、交叉,形成网状浆脉,土体得到整体改性。模拟结果与现场注浆试验取得了较为一致的结果,土体改性效果良好。     

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。     

桩端后注浆对大直径灌注桩影响的现场对比试验研究

基于郑州三环快速路工程开展的6个场地19根大直径灌注桩现场足尺试验,通过对比分析后注浆桩与未注浆桩实测结果,研究桩端后注浆对大直径灌注桩承载变形性状、荷载传递规律、桩端承载特性及桩侧摩阻力发挥性状的影响。结果表明,桩端后注浆条件下大直径灌注桩承载变形性能明显提高,且提高幅度受注浆龄期影响较为显著;在黄河中下游以中密～密实粉土、粉细砂及可塑～硬塑粉质黏土为主要冲积地层中桩长40 m左右的大直径灌注桩表现为摩擦型桩,但相比于未注浆桩,桩端后注浆桩传递至桩身下部及桩端的荷载更小;桩端后注浆在桩端下形成水泥沉渣坚硬固结体,有效地处理了桩端沉渣问题,且通过渗透劈裂作用,形成深度可达1 m的网状分布的水泥胶结体,加之对桩端土层的压密效应,显著提高了桩端支承性能与承载刚度;桩端后注浆显著提高大直径灌注桩桩侧极限摩阻力发挥水平,并降低了桩侧极限摩阻力对应的桩土相对位移,使得大直径灌注桩在较小的沉降下表现出较高的承载能力。     

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。     

盾构隧道施工土体扰动范围研究

盾构隧道施工,隧道周边土体应力场发生改变,临近隧道土体因应力扰动出现塑性区,塑性区的分布范围与注浆压力、注浆量等注浆参数密切相关。塑性区被认为是施工扰动比较严重的区域,为分析盾构施工扰动范围,基于小孔扩张理论研究了注浆压力、注浆量对土体扰动塑性区的影响,推导了塑性区与注浆压力和注浆量之间的函数关系。在定义扰动评价标准基础上,提出应用有限元计算盾构施工塑性区和扰动范围的一种简捷实用的数值方法。最后采用静力触探现场测试盾构施工扰动范围,并与理论公式及有限元方法进行比较,理论公式、有限元及现场测试三者取得了较为一致的结果,验证了推荐方法的有效性。其研究结果可对盾构施工注浆参数的正确选择提供理论支持。     

基于广义SMP破坏准则的柱形孔扩张问题理论分析

采用应力跌落的简化应力-应变模型考虑土的应变软化特性,同时采用简化的体积应变?v与大主应变?1及大主应变?1与小主应变?3之间的相互关系反映土的剪胀特性,根据空间准滑动面(SMP)理论和平面应变轴对称问题的柱形孔扩张基本方程,推导并给出一般黏性土中柱形孔扩张问题的应力场、应变场、位移场、塑性区半径和孔扩张压力。通过算例分析,探讨了土的剪胀因素、软化特性对孔扩张问题的影响程度。为了反映中主应力的影响,将本文解与基于Mohr-Coulomb破坏准则的解答进行了比较。计算结果表明,土的剪胀性和软化特性及中主应力对孔扩张问题的影响是显著的,基于Mohr－Coulomb破坏准则的孔扩张解答往往偏于保守。