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。     

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。     

软土初始应力各向异性弹塑性模型

自然土体处于初始应力状态,其强度和应力-应变关系都呈现出各向异性,而以往广泛使用的剑桥模型是建立在重塑土试验结果的基础上的,因此,计算实际问题时有一定缺陷.在总结了一些在修正剑桥模型基础上进行扩展而得到的各向异性模型,尤其是S-CLAY1模型.然后,假定了初始屈服面的倾角为K0线,这样使S-CLAY1的计算更加简单.此外,还编制了相关程序,进行了比较计算.结果表明,该模型简单合理,参数正确,可以在实际工程中应用.     

人工制备初始应力各向异性结构性土方法探讨

通过对结构性黏土的研究可以掌握天然土受荷过程中的变形破坏过程,从而为考虑土结构性的结构物的设计、地基加固等提供依据。近年来随着高、深和大型建筑的兴建,结构性黏土的研究变得尤为重要。天然土都具有结构性和各向异性。发展了一种能够考虑初始应力各向异性影响的结构性土的人工制样方法。通过对原料粉质黏土中添加水泥形成颗粒之间的胶结作用,添加盐粒并溶解后形成大孔隙组构分布和在水化过程中的侧限应力状态的结构性土样的端部施加竖向荷载,从而人工制备了具有初始应力各向异性的结构性土样。然后对初始均质结构性土样、初始应力各向异性结构性土样和重塑土样进行了三轴固结排水剪切试验,初步分析了初始应力对结构性土样的应力-应变特性的影响和初始应力各向异性结构性土的破损机制。     

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。     

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。     

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。     

上海软土的初始应力状态的影响研究

在K_0固结不排水三轴试验和各向等压固结不排水三轴试验的基础上,探讨初始应力状态对上海软土的强度和变形的影响规律,从而得出一些有益的结论,可供进一步的研究参考。     

复杂初始应力状态下松砂多向循环单剪特性

松砂极易液化,微小的应力状态变化也会影响其液化特性。基于多向循环单剪试验,采用松砂作为试验材料,开展不同静剪应力大小、方向和复杂剪切路径下的循环单剪试验,研究复杂初始应力状态下松砂循环单剪特性,得到以下主要结论：（1）随静剪应力比增大,试样剪应力峰值增大,第1个循环内孔隙水压力增量变大,试样更易液化;初始静剪应力大小对孔隙水压力的影响在剪切初期更显著。（2）随初始静剪应力和动剪应力主轴之间夹角增大,试样在X方向的剪应力峰值减小,试样孔隙水压力加速增长,在第1个循环以及最后1个循环内孔隙水压力增量变大,循环间差值增大,试样更易发生瞬时液化。（3）8字形剪切路径试样的应力-应变滞回圈面积最大,每个循环消耗能量最多,圆形剪切路径次之,直线剪切路径最小。复杂剪切路径会在剪切开始时诱发孔隙水压力的突然增加,加大各循环中孔隙水压力的增量,试样更易液化。（4）影响松砂液化因素的排序为：初始静剪应力与动剪应力夹角、剪切路径、初始静剪应力大小。     

初始应力条件对松砂动力变形特性影响的试验研究

实际建筑物地基或土坡中土体在地震或波浪等复杂动力荷载作用前往往处于复杂的初始应力状态,而常规的土工动力试验通常无法再现这种复杂固结应力条件下土的动力特性。利用最新研制开发的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对福建标准砂（ %）,进行了循环扭剪试验,探讨了初始主应力方向角 和初始偏应力比 等初始固结条件对松砂动剪切模量G和阻尼比 等动力变形特性的影响。     

Analytical solution of undrained cylindrical cavity expansion in saturated soil under anisotropic initial stress

This paper presents an analytical solution for undrained elasto-plastic cylindrical cavity expansion in saturated soil under anisotropic initial stress. The problem is formulated by assuming small-strain deformation in the elastic zone and large-strain deformation in the plastic zone. Plastic yielding is determined by the Tresca failure criterion and an associated flow rule. Two stress functions are used to describe the stress state in the two zones around the cavity. The elasto-plastic boundary can subsequently be determined by solving the two stress functions under the stress boundary conditions. Additionally, the cavity pressure-expansion relationship, the total stress and the excess pore pressure around the cavity wall under anisotropic initial stress can be easily obtained by application of a numerical integration. The results show that the cavity pressure and excess pore pressure under the isotropic initial total stress (K = 1) are larger than those under the anisotropic initial stress (K > 1 and K < 1), which is true at all states of the expansion. The higher value of K develops lower stress and pore pressure around the cavity wall at the ultimate states. However, the stress and excess pore pressure are not sensitive to the value of K. The present solution may be used for analyzing the uplift capacity of plate anchors in soils and Horizontal Directional Drilling (HDD) problems such as the tunneling, and pipeline installation.     

Undrained expansion analyses of a cylindrical cavity in anisotropic sands incorporating the SANISAND model

Soils are known to be inherently anisotropic, resulting in complex responses to loading. This paper aims to develop an elastoplastic solution for the undrained expansion of a cylindrical cavity in sands adopting a non-associated and anisotropic model, SANISAND. The rigorous derivation of the stress-strain state of the soil element is provided following a standardized solving procedure. The dilatancy and crushing of the soil are invoked in the three-dimensional cavity expansion solution by adopting the critical state soil mechanics and limiting compression curve, respectively. By combining this with a governing equation that considers the undrained condition, the stress-strain state of the surrounding soil around the cavity can be determined. A subroutine is then implemented into the ABAQUS FEM simulation to verify the solution. The solutions are also validated against those based on an isotropic model, and anisotropic sand is used to investigate the effects of the initial effective mean stress, at-rest coefficient of earth pressure, and overconsolidation ratio on the stress distribution, stress path, and boundary surfaces.     

弹塑脆性岩土材料中柱形孔扩张大应变解

在应力跌落模型基础上引进软化阈值,建立弹塑脆性模型,模拟岩土材料的脆性软化特性,采用双剪统一强度理论和不相关联流动法则,考虑软化区的大应变,对柱形孔扩张问题进行求解,得出了扩张率-扩张压力的解析表达式。算例分析表明,软化阈值对扩张变形和塑性区范围影响显著,软化阈值越小,扩张变形和塑性区范围越大,且软化区占整个塑性区的比重越大;是否考虑中间主应力对屈服的影响,对解答也有明显的影响。     

基于统一状态参数模型的砂中柱孔扩张分析

目前关于不同初始状态砂土砂中柱孔扩张的研究结果还缺乏更深层次的分析,并且由于没有考虑砂土屈服面形状因素的影响,造成许多研究成果难以在不同类型砂土中推广。采用统一状态参数模型（clay and sand model,CASM）和Rowe剪胀方程来描述砂的弹塑性变形特点,结合大变形理论并引入辅助变量,推导了基于拉格朗日描述的弹塑性区内砂土体积和有效应力的一阶偏微分方程组,在此基础上结合弹塑性区的边界条件和柱孔扩张弹性解,建立了饱和砂中的排水柱孔扩张半解析解。结果表明,CASM可以通过改变应力状态参数n和间距比r*的值使砂的屈服面形状发生改变,进而使文中解答能够用于不同类型饱和砂中的排水柱孔扩张计算,其中n、r*值越大,松砂初次屈服时的偏应力和后续砂中的扩孔压力越大,但中密、密实砂土中的情况与松砂完全相反。极限扩孔压力随砂土初始状态参数的减小而增大,相应的砂土体积也从一直剪缩变为先剪胀后剪缩,弹塑性区半径先减小后增大,硬化行为从一直硬化变为先软化后硬化。静止侧压力系数增大时,极限扩孔压力也增大,但对砂的体积变化规律影响不大。本研究可为相关岩土工程问题分析提供可靠理论支持。     

基于SMP准则柱孔扩张问题相似解

以柱孔扩张理论为基础,将柱孔扩张后塑性区半径b作为时间刻度,引入扩孔速度概念,将塑性区内任意一点的应力、应变描述成塑性区半径b和柱孔扩张后扩张体单元距孔心距离r的函数,采用平面应变条件下无黏性土的SMP准则和不相关联流动法则,考虑到无黏性土的剪胀性,推导出柱孔扩张后极限扩张力 的相似解。通过参数分析表明,土体强度和剪胀性对塑性区半径和极限扩张力产生很大的影响,即随着土体强度和剪胀性的增加,极限扩张力明显增加,相应塑性区半径却随之减小。通过与基于摩尔-库仑准则解答进行对比分析表明,考虑中间主应力影响的SMP准则所得到的极限扩张力明显高于基于摩尔-库仑准则的解答。该解答为无黏性土中进行静力触探（CPT）试验和静压桩等岩土工程问题提供必要的理论依据。