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。     

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。     

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。     

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。     

考虑土体结构性损伤的沉桩挤土效应解析分析

根据土塑性力学基本原理,采用简化的线性软化模型并考虑土的结构性损伤影响,推导出沉桩时产生的挤压应力的空间解析解,并在此基础上分析了土体具有不同的损伤程度时沉桩产生的挤压应力和极限扩张压力的空间分布规律。同时,采用Henkel孔隙水压力公式,进一步分析孔隙水压力的发展规律,该解析解可以弥补经典圆孔扩张理论在沉桩应用中的不足,能更好地揭示沉桩时的挤土机理。     

天然饱和黏土地基静压桩承载力时效性研究

分别以柱孔和球孔扩张模拟桩身和桩端的贯入过程,采用可以考虑天然饱和黏土应力历史和应力各向异性的圆孔扩张解答描述桩周土体的应力状态,推导了饱和黏土地基中静压桩终压力的理论解,进而基于桩周孔压径向消散的固结解答,在考虑桩周土再固结过程中松弛效应的基础上,推导了沉桩结束后静压桩时变承载力的解答,建立了静压桩承载力时效性系数的理论表达式。通过离心模型和现场试验对所提的理论解答的正确性进行了验证,研究了天然饱和黏土中静压桩承载力的时效性。结果表明:沉桩结束后较短时间内静压桩承载力时效性是超孔压消散和土体触变恢复共同作用的结果,一定间歇期后超孔压消散成为承载力增长的主要原因。     

隧道盾构法施工引起周围土体附加应力分析

结合弹性力学Mindlin解,运用边界单元法,推导了施工过程中盾构正面推力和盾壳与土体之间的摩擦力引起的周围土体附加应力计算公式。根据土体损失的空间分布规律,应用镜像法原理,推导了土体损失产生的附加应力计算公式。将正面推力、摩擦力和土体损失引起的附加应力进行叠加,得到盾构推进过程中周围土体总的附加应力计算公式。以上海某隧道工程为例,分析了正面推力、摩擦力、土体损失及共同作用引起附加应力的分布规律及对周围环境的影响,为保护盾构推进一定范围内的建（构）物提供了依据。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

Mechanism of strata deformation under protective seam and its application for relieved methane control

In this paper, an equation correlated with normal stress and permeability was developed and FLAC^3D software was used to investigate the rock mass stress evolution and distribution to understand the methane flow characteristics. Research results show that the rock mass under the protective coal seam can be divided into three belts (zones) in the vertical direction, including total de-stressed belt, vertical de-stressed belt and original stress belt. Methane in the total de-stressed belt can flow into the working face of protective coal seam by its own pressure gradient. Methane in the vertical de-stressed belt can only be extracted by boreholes. In the horizontal direction, the rock mass was also divided into five zones, including original zone, compression zone, expansion zone, recovering zone and re-compacted zone, which have been proved correct by the field experiments. The rock mass permeability in the de-stressed belts doesn't increase until stepping into the expansion zone, and from then on higher concentration of methane can be extracted. The methane in original regions is difficult to extract because rock stresses stay the same. The division of “three belts and five zones” reveals the rock mass stress and permeability distribution and evolution and supplies theoretical guidance for relieved methane control.