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。     

饱和土体小孔扩张问题的弹塑性解析解

将土体在圆孔扩张过程中的应力分布分为三个区域，基于修正剑桥模型，推导了圆孔扩张过程中土体在三个区域的超孔隙水压力的解析表达式，对比分析了固结比对土体中应力分布的影响。分析推导可为沉桩、旁压试验、静力触探等岩土工程问题提供理论依据。     

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。     

考虑边界效应的非饱和土圆柱孔扩张问题解析

圆柱孔扩张理论是分析沉桩挤土及旁压试验等岩土工程问题的有效方法,然而已有研究中多假定土体为无限连续介质,当圆柱孔周围存在约束边界时并不适用。采用临界状态模型描述非饱和土的应力-应变关系,在此基础上引入反映土体比体积-吸力关系的液相本构方程,推导了非饱和土中存在固定边界时,圆柱孔扩张问题在不同排水条件下的半解析解。通过计算不同工况,对比分析边界效应、非饱和吸力效应和排水条件对圆柱孔扩张响应的影响。结果表明,受边界效应影响,扩孔压力随着孔径增大而持续增大,这与无边界时扩孔压力趋于某一稳定值的情况有所不同;当圆柱孔扩张相同孔径时,周围固定边界范围越小,所需扩孔压力越大。土体初始吸力越大,扩孔压力也越大,相同应力增量引起的体积压缩量减小,说明土体出现吸力硬化效应。在孔周相同位置处,不排水比排水条件下的土体饱和度高、吸力小,对应的有效应力分量也小;距孔壁越近,该差异越明显。     

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。     

考虑弹塑性卸荷的柱孔和球孔反向扩张解

为研究卸荷对灌注桩、隧道等复杂受力岩土结构的影响,建立了考虑弹塑性卸荷的圆孔反向扩张简化解模型。该模型在应力计算中采用了叠加法的思想,在反向塑性区采用了非关联的Mohr-Coulomb准则、塑性区大应变假设和忽略塑性区弹性应变的假设。研究表明,圆孔反向扩张过程可划分为弹性阶段和两个弹塑性阶段。当孔压重新加至初始值时,不论柱孔还是球孔其半径均未能恢复到初始值,且在孔周存在一定范围的应力薄弱区。与经典原位扩张解相比,当圆孔压力增至一定值后圆孔反向扩张的屈服面发展、圆孔应力变化及孔周应力场将与之趋于一致。忽略塑性区的弹性应变假设会使简化解的土体位移偏小,极限扩张压力偏大,但对应力相关量的计算没有影响。与Tresca解相比,所提模型考虑了内摩擦角的影响,更接近于土体实际。通过数值模拟建立了圆孔反向扩张的平面应变模型,其应力分析结果与理论模型基本一致。     

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。     

考虑扰动的饱和软黏土圆柱孔扩张弹塑性解

根据原位十字板试验扰动导致饱和软黏土不排水强度降低的事实,应用圆柱形孔扩张理论,假设饱和软黏土在塑性阶段满足Tresca屈服条件,提出了一种基于饱和软黏土灵敏度的扰动度D且是塑性区半径的对数函数。考虑在塑性区内不排水强度su是扰动度D的函数,得到了考虑扰动的圆柱形孔扩张的弹塑性解答。     

岩土类软化材料的柱形孔扩张统一解问题

用应力一次跌落应变软化模型来模拟岩土软化材料特性，采用双剪统一强度理论的屈眼函数形式，推导了柱形孔扩张问题应力场及位移场的统一计算公式，分析了不同模型、不同软化程度对柱形孔扩张时应力、位移及塑性区开展规律的影响。     

开口管桩压入法沉桩土塞效应机理分析

文章基于柱孔扩张理论依据沉桩过程引起大变形的机理得到了管桩挤土过程中塑性区半径解析表达式,分析了开口管桩静力压桩产生的应力场与位移场.分析了由于土塞存在导致的土塞效应对应力场与位移场的影响.     

Similarity solution for cavity expansion in thermoplastic soil

This paper presents an analytical solution for cavity expansion in thermoplastic soil considering non‐isothermal conditions. The constitutive relationship of thermoplasticity is described by Laloui's advanced and unified constitutive model for environmental geomechanical thermal effect (ACMEG‐T), which is based on multi‐mechanism plasticity and bounding surface theory. The problem is formulated by incorporating ACMEG‐T into the theoretical framework of cavity expansion, yielding a series of partial differential equations (PDEs). Subsequently, the PDEs are transformed into a system of first‐order ordinary differential equations (ODEs) using a similarity solution technique. Solutions to the response parameters of cavity expansion (stress, excess pore pressure, and displacement) can then be obtained by solving the ODEs numerically using mathematical software. The results suggest that soil temperature has a significant influence on the pressure‐expansion relationships and distributions of stress and excess pore pressure around the cavity wall. The proposed solution quantifies the influence of temperature on cavity expansion for the first time and provides a theoretical framework for predicting thermoplastic soil behavior around the cavity wall. The solution found in this paper can be used as a theoretical tool that can potentially be employed in geotechnical engineering problems, such as thermal cone penetration tests, and nuclear waste disposal problems.     

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.     

考虑软土结构性损伤的柱形孔扩张理论分析

采用考虑结构性损伤的四折线应变软化模型,针对管桩沉桩过程中产生的挤土效应,得出改进的柱形孔扩张理论解,并与已有模型进行对比分析,结果表明,简化的四折线模型与软土的典型压缩曲线最为接近,提出了四折线模型中各直线段和相应参数的确定方法。采用Mohr-Coulomb屈服准则和相关联流动法则,提出了桩周不同区域内土体的应力、应变计算公式,给出了极限软化半径、极限破坏半径和极限扩张压力的计算方法。结合工程实例,通过对比分析发现,四折线模型的位移计算值与实测值最为接近,能更好地符合管桩挤土效应的实际情况。     

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.     

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。     

饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射

在 Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,首次建立了求解饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面 P 波散射问题的波函数展开法。首先。分析了具有圆柱形孔洞的饱和土半空间场地在平面 P 波入射下产生散射波系,并将入射波和散射波的波函数在圆柱坐标下展开。然后,引入边界条件,求出散射波函数的待定系数,从而,得到饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射问题的解析解。根据所得的波函数的解,可求解区域内的位移、应力的值,同时,分析了入射波频率、入射角对柱面上的应力集中因子的影响。     

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。