非轴对称位移边界下球孔扩张挤土位移弹性解答

以现有半无限土体中球孔扩张挤土位移的解答为基础,分别对水平地表和非轴对称斜边两个位移边界进行应力修正,运用坐标转换法和叠加法的原理,改进现有的分析方法,得到较为简化的非轴对称位移边界下扩孔问题的解答,并对非轴对称斜边倾角以及球孔离斜边距离等因素对挤土位移的影响进行了分析。结果表明：倾斜边界条件的存在对球孔两侧的挤土位移有明显影响,且随着非轴对称边界倾角的增大,靠近倾斜边界侧的挤土位移也随之增大;球孔距自由边界的距离越大,自由边界对挤土位移的影响也越小。该解答对非轴对称边界条件下的静压沉桩以及相关扩孔问题的设计和施工具有一定的指导意义和实用价值。     

预钻孔孔径对部分挤土桩挤土效应的影响研究

推导了具有一定初始半径的圆柱形孔扩张的弹塑性解，据此讨论了预钻孔取土打桩时，预钻孔孔径大小对挤土效应的影响。     

应用圆孔柱扩张理论对预制管桩的挤土效应分析

假定预制管桩在沉桩时的挤土过程是一个有初始孔径的圆柱形孔的扩张过程,初始孔径等于管桩的内径,最终孔径等于管桩外径,应用前人提出的圆孔扩张理论对管桩进行弹塑性分析,得到塑性区半径、土体位移等解析表达式,也对实际工程中常遇到的土塞效应对该理论应用的影响进行了讨论,并对某电厂扩建工程中预制管桩施工引起的土体位移进行计算,通过现场监测,验证了上述解析表达式的合理性,得出可以参考该组解析解来预测预制管桩施工的挤土效应的结论。     

预应力混凝土管桩挤土效应引起土体位移分析

预应力管桩具有桩身质量易于保证和检查、现场施工方便、造价低等特点,在沿海软土地区得到广泛应用。预应力管桩属于挤土桩,沉桩产生挤土效应,如果处理措施不当,会引起周边的环境问题,影响成桩质量。本文通过分析某工程沉桩引起土体水平位移实测资料,得到沉桩过程中,土体水平位移随沉桩区域、深度及土性差别较大时的变化规律。研究群桩施工所引起的土体的位移,提出了采用叠加的方式来进行简化估算土体的水平位移和隆起位移,推导群桩施工时引起的土体位移的估算公式,并与工程实测进行了比较,可作工程参考。     

静压单桩挤土位移的有限元分析

在大型通用软件ANSYS平台上,对静力压桩的连续贯入全过程进行有限元模拟,并对静压单桩的挤土位移进行详细地分析,给出了桩土模量比、桩土间摩擦系数、土体泊松比对挤土位移场的影响规律。利用位移贯入法使桩体贯入,考虑了弹塑性本构关系、自重应力场、大变形和桩-土滑动摩擦等复杂问题,更符合静力压桩的实际,具有仿真效果。     

预钻孔对邻近斜坡沉桩挤土影响分析

在沉桩位置处设置预钻孔是工程中减小扩孔挤土效应的常用有效措施。针对邻近斜坡的沉桩挤土问题,假定土体为线弹性模型,采用镜像方法,将桩体的贯入模拟为一系列球形孔连续扩张过程,在已有文献的基础上进一步推导出邻近斜坡设有预钻孔时的沉桩挤土位移表达式。结果表明,受斜边非轴对称位移边界的影响,远离斜边自由边界一侧的挤土位移不如靠近斜边自由边界一侧明显;斜边自由倾斜边界越陡（即参数 越小）,斜坡挤土位移越大;随着边界角度 的增大,斜边倾斜边界对沉桩挤土位移的影响逐渐减弱;预钻孔的孔深和孔径对减小邻近斜坡沉桩挤土位移有较大的影响,二者的结合能更有效地减少挤土位移的范围和深度。     

沉桩挤土的防护措施及位移监测

在软土地区进行预制桩沉桩施工时，往往由于挤上效应造成邻近建筑物产生破坏。本文结合工程实例，提出通过采用取土卸压孔减少被保护建筑附近的挤土位移，结合信息化施工手段，是一种解决沉桩挤土效应的有效方法。本文还对土体位移监测成果进行了分析。     

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。     

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。     

Analysis of dynamic spherical cavity expansion in undrained modified Cam Clay soil

In order to capture the influence of the cavity expansion velocity, this paper presents a semianalytical solution for dynamic spherical cavity expansion in modified Cam Clay (MCC) soil. The key problem is solving the six coupled partial differential equations (PDEs) of cavity expansion, in which the dynamic term is considered in the stress equilibrium equation. The similarity transformation technique is used to transform the PDEs into ordinary differential equations (ODEs). Subsequently, the numerical method using the function “ODE45” in MATLAB is selected to solve the ODEs, which allows the stress and excess pore pressure around the expanding spherical cavity wall to be obtained. The proposed semianalytical solution for dynamic spherical cavity expansion was validated by comparting the degenerate solution with the published quasistatic solution for the MCC model. Parametric study was then conducted to capture the influence of the cavity wall velocity on the cavity expansion response. The proposed solution has potential application to geotechnical problems such as dynamic pile driving, the dynamic cone penetration test, and so forth.     

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.     

考虑混凝土孔隙压实效应的球形空腔膨胀理论

根据混凝土材料动态响应的特点,将常规弹速范围内混凝土球形空腔的动态响应区域划分为弹性区、开裂区和孔隙压实区,孔隙压实区的混凝土材料采用两段式线性状态方程和考虑拉伸破坏的Mohr-Coulomb屈服准则描述。运用相似变换方法推导了球形空腔动态膨胀响应的理论表达式,采用Runge-Kutta-Felhberg数值方法给出了球形空腔动态响应的数值解。结果表明,运用该理论建立的侵彻模型与试验结果具有良好的一致性。     

基于球孔扩张理论和侧阻力退化效应的压桩力计算模拟

根据静压桩的贯入机制,将沉桩过程模拟为半无限土体中一系列球形孔的连续扩张,土体假定为Mohr-Coulomb材料。利用球孔扩张和源-源假设理论,并采用Boussinesq解进行地面应力的修正,在此基础上分别计算出桩侧极限摩阻力和桩端阻力。通过现场试验研究发现,沉桩过程中侧摩阻力退化效应带来的影响是明显的,提出了相应的侧阻力退化公式。在充分考虑以上因素的基础上推导出了静压桩压桩力的模拟计算公式。使用Matlab6.5软件进行理论计算,并与山西太原某试验进行对比分析,一定深度以下理论值与实测数据基本吻合,证明该计算模拟是可行的。     

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。     

具有球形空腔饱和土分数导数 黏弹性土的动力特性

将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于Biot两相饱和介质模型,建立具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体稳态振动的控制方程。通过引入势函数,得到球对称情形下具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体的位移、应力和孔隙流体压力等解析表达式。考察分数导数模型参数和饱和土参数等对土体振动特性的影响,结果表明,流体压缩性对饱和土体的动力特性有显著影响,而土骨架压缩性和流-固耦合系数的影响相对较小;分数导数阶数对土体动力特性的影响与材料参数比的取值有关。同时,边界不排水条件下饱和土体的动力响应大于排水条件下饱和土体的动力响应。     

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。     

垃圾土中排水柱孔扩张问题弹塑性解

随着城市规模扩大,一些垃圾场地被再次利用进行工程建设。垃圾土具有高压缩性、可降解性,其纤维成分具有一定的加筋作用,这些特性给垃圾场地中静力触探、沉桩、旁压试验等工程的开展带来新的挑战。为此,基于考虑纤维加筋作用的垃圾土本构模型和大变形理论,通过引入中间变量,将孔扩张问题转化为求解一组给定边界条件的常微分方程组,继而给出垃圾土中排水柱孔扩张问题的弹塑性理论解。通过将退化解与既有基于修正剑桥模型的柱孔扩张解答对比验证了结果的可靠性。在此基础上,系统分析了超固结比和纤维含量对柱孔扩张过程中孔周应力分布和应力路径的影响。结果表明：与黏性土相比,垃圾土具有更大的塑性区半径;随着超固结比和纤维含量的增加,孔壁处极限压力和塑性区半径分别呈增加和减小趋势,不同纤维含量的垃圾土经历塑性阶段后,均达到泥状物成分的临界状态线附近。