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。     

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。     

拉力型锚杆锚固界面剪应力分布偶应力理论分析

锚杆锚固段界面剪应力分布规律是锚杆设计研究的重点,直接影响锚固效果。锚固段界面上的剪应力会引起界面附近的岩土体较大的应变梯度,而用经典弹性理论分析锚固段剪应力时没有考虑应变梯度。偶应力理论引进弯曲曲率,考虑弯曲效应对介质变形特性的影响,基于该理论建立平面应变问题的有限元计算模型,研究拉力型锚杆锚固段界面上的剪应力分布、界面附近的边界层效应和偶应力的尺度效应,并将偶应力理论的计算结果和经典弹性理论的计算结果进行比较。结果表明,在偶应力理论下,拉力型锚杆锚固段界面的剪应力和剪应变有所减小,特别是峰值处的剪应力减少明显;界面处的剪应力不再连续;界面附近的剪应变突变有所改善,出现一个过渡区域。特征长度减小,过渡区域变小,应变梯度增大,第二剪切模量对剪应力分布的影响不明显。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种半无限土体中圆孔扩张的分析方法

在静压桩贯入问题的研究中,常用无限土体中圆孔扩张法来模拟桩端对土体的扩张。实际上,压桩问题属于半无限问题,必须考虑从无限问题转化到半无限问题后地面边界处应力的差异。针对半无限问题中地表应力的修正,在现有研究的基础上引入了应力函数解答来求解弹性条件下半无限问题,很好地修正了地表应力,得到了相应的解答。与原有的解答相比,提出的解答能够更好地反映半无限的特性,为进一步分析压桩问题奠定了基础。     

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。     

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。     

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。     

考虑结构性黏土应变软化效应的桩靴竖向承载特性研究

为评估桩靴在结构性较强的黏土场地贯入时,土体的应变软化效应对桩靴竖向承载特性的影响,首先采用VUSDFLD子程序定义结构性黏土不排水抗剪强度s_u随累积绝对塑性剪应变ξ的变化关系,使现行的耦合欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian,简称CEL)数值分析方法能够模拟结构性黏土的应变软化效应。然后,基于改进后的CEL数值分析方法,分析土体灵敏度S_t、土体应变软化参数ξ_{9 5}及土体脆性参数β对桩靴上方土体回流及竖向承载特性的影响。结果表明：S_t、ξ₉₅及β均会对桩靴上方土体回流及桩靴竖向承载力产生影响,其中反映结构性黏土脆性特性的参数β影响最显著。与未考虑土体应变软化效应的情况相比,考虑结构性黏土应变软化效应的桩靴竖向承载力因子和极限孔穴高度明显偏低。此外,建立了桩靴在结构性较强的海洋黏土场地预压贯入时的归一化极限孔穴高度及桩靴深贯入竖向承载力预测公式,预测结果较合理。研究成果也可为实际工程中评估桩靴深贯入竖向承载力、预测桩靴最终贯入深度提供参考。     

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(II): 尺寸效应及弹性回跳

提出了利用不同尺寸试件的轴向应力-应变曲线得到轴向应力-侧向应变曲线的一种方法，并研究了结构尺寸对轴向应力-侧向应变曲线的影响。根据尺寸不同试件的轴向应力-轴向应变曲线的实验结果，并基于梯度塑性理论的解析解，在应变软化阶段，确定出了各种试件的剪切带条数。由此求出了不同宽度试样的轴向应力-侧向应变曲线。剪切带条数与试件宽度之比是决定轴向应力-侧向应变曲线特征的关键指标。若该比率为常量，则上述曲线不具有尺寸效应。当宽试件及窄试件在局部化启动后，在试件内部都出现一条剪切带时，随着试件宽度的增加，该曲线越陡，甚至出现回跳。上述方法也可用于分析轴向应力-环向应变曲线的尺寸效应问题。尺寸效应的原因是局部化，但局部化并非总引起尺寸效应。     

考虑转速比影响的砂土中螺旋挤扩钻具成孔特性宏细观模型试验

以福建标准砂为材料,采用宏细观模型试验方法,分析了转速比对松砂和密砂地基中螺旋挤扩钻具成孔特性的影响。宏观上,研究了竖向阻力、扭矩和土体应力随贯入深度的变化规律;细观上,结合环氧树脂砂土固化方法与数字图像分析技术,探讨了孔周土体相对密实度变化及其组构演化规律。试验结果表明,无论松砂还是密砂,钻具贯入时的竖向阻力、扭矩及孔周土体最大径向应力均随着转速比的增加而减小;钻具贯入导致松砂地基中钻头深度和孔周土体均发生挤密,而对于密砂则均发生不同程度的体胀;无论松砂还是密砂,孔周砂土切块环向面上的接触法向各向异性程度均随着转速比的增加而减小,而转速比对其径向面上的接触法向各向异性分布影响不大。该试验结果有助于提升对螺旋挤土桩成孔过程宏细观机制的认识。     

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。     

基于有效应力法的静压桩时变承载力研究

基于天然饱和黏土地基中静压沉桩扩孔问题的弹塑性解,以沉桩结束后桩周土体的应力状态为初始条件,推导了桩周孔压消散的解析解。在此基础上,考虑桩周土体再固结过程中的土体松弛效应,提出了采用有效应力计算天然饱和黏土中静压桩时变承载力的理论方法。通过已有离心模型试验和现场试验结果对该方法进行了验证,研究了沉桩结束后静压桩承载力随固结时间的变化规律。结果表明,提出的理论方法合理考虑了土体的原位力学特性、沉桩效应及沉桩结束后土体有效应力的变化,因而可以较好地预测静压桩的时变承载力。该研究成果为合理确定黏土中静压桩承载力提供了理论依据,具有一定的理论和工程意义。     

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。     

应变软化Tresca材料中扩孔问题解答及其应用

依据常规试验成果,对岩土材料的剪胀、剪缩和应变软化特性进行简化后,利用弹塑性理论和体积平衡原理,推导出应变软化Tresca材料中扩孔问题的一般解答,并分析了不排水饱和土扩孔问题的规律性,对解决诸如沉桩挤土效应等工程问题具有一定的应用价值。