非对称荷载作用下土体劈裂注浆压力分析

为研究在非对称荷载作用下土体劈裂注浆压力,基于扩孔理论和统一强度准则并考虑非对称荷载的作用,建立基于扩孔理论的劈裂注浆启劈压力分析模型,推导出浆泡周围塑性区土体的应力场、位移场、塑性区半径以及启劈注浆压力的理论解答,并以工程算例进行论证。结果表明,考虑对称荷载作用下的启劈注浆启劈压力较考虑非对称荷载作用下的值要大,对称荷载作用下的分析方法低估了塑性区半径;无论是柱形劈裂还是球形劈裂,当 1时,启劈压力会随着 的增大而增大,塑性半径会随着 的增大而明显减小;当 1时,启劈压力会随着 的增大而减小,而塑性半径的变化是有限的。预先了解土体的初始应力条件对正确的确定劈裂注浆启劈压力至关重要,可为劈裂注浆的设计和施工会提供更加完善的理论依据。     

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。     

XCC pile installation effect in soft soil ground: A simplified analytical model

This paper presents a simplified analytical model: the X-shaped cylindrical cavity expansion method (XCEM), which can be used to interpret and predict the displacement, stress, and excess pore pressure caused by the X-section cast in place concrete (XCC) pile installation in soft soil. Analytical solutions for the displacement and strain field are obtained with a streamlined solution, base on the strain path method (SPM). The stress and excess pore pressure can then be subsequently determined with the assumption of the elastic-perfectly plastic soil behavior. A positive agreement was found when the theoretical prediction of the displacement, stress, and excess pores pressure was compared against the field measurements. The proposed XCEM improves the conventional cavity expansion method (CEM) and offers a framework for understanding the non-circular cross-section penetrator problem, which is different from the conventional circular penetrator problem.     

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。     

静压沉桩与CPTU贯入离心模型试验及机制研究

为了探究静压沉桩与CPTU贯入力学机制,开展了饱和黏土中静压沉桩及CPTU贯入的离心模型试验,获得了静压沉桩与CPTU贯入过程中土压力、超孔压和贯入阻力的变化规律。同时,将静压桩和CPTU压入过程视为一系列球孔的连续贯入,应用圆孔扩张解答,建立了静压沉桩和CPTU贯入过程中锥头阻力、侧阻力与超孔压的预测方法。通过离心模型试验和理论预测结果的对比分析表明：随着桩体的压入,桩周土体的超孔压和土压力均逐渐增大,当桩头通过监测点时,超孔压与土压力均达到最大值;在饱和黏土中,CPTU锥头阻力、锥侧摩阻力和锥头超孔压与锥头贯入深度总体上呈线性关系。预测方法估算沉桩和CPTU贯入引起的土压力、超孔压与模型试验结果相符,较好地反映了饱和黏土中静压沉桩和CPTU贯入的力学机制。     

Numerical and experimental studies of pressure-controlled cavity expansion in completely decomposed granite soils of Hong Kong

Compaction grouting is the injection of a viscous grout into a soil under high pressure, which then densifies the surrounding soil by reducing void space. Laboratory and field tests of compaction grouting have been carried out. In this paper, a numerical model is used to simulate the compaction grouting process with the primary purpose of investigating relationships among various control parameters, such as injection pressure, void ratio and excess pore water pressure at various radial distances from the injection point. The compaction process is treated as a cavity expansion process in the numerical simulation. The soil is modelled with an elasto-plastic Mohr–Coulomb model using the commercial finite element program ABAQUS. In addition to numerical simulations, pressure-controlled cavity expansion laboratory tests were carried out on completely decomposed granite (CDG) soil specimens. Data collected from laboratory tests are compared with the finite element simulation to validate the finite element analyses. Factors that control the compaction process, such as the coefficient of earth pressure (K), initial void ratio, number of loading cycles and effective confining pressure, are explored in the numerical simulations.     

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。     

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。     

岩溶地区土洞地基灌浆处理过程研究

[摘 要] 灌浆是岩溶土洞地基处理的一种常用方法,灌浆压力对灌浆施工的有效性有着至关重要 的作用。针对岩溶地区土洞地基所处地质环境的复杂性,为了科学合理地确定其灌浆施工过程中的灌 浆压力,本文通过传统理论力学分析方法以及数值模拟方法对灌浆过程中灌浆压力变化及其引起的整 个地基应力应变场的变化进行了分析与研究,同时与施工现场监测结果进行了对比研究。研究结果表 明:在灌浆施工过程中,合理适当的灌浆压力既能确保浆液充分填充土洞,又不会破坏原土体结构;通过 对原土体抬升位移的监测,能准确预测与控制施工时的灌浆压力;理论分析与数值模拟结果和现场情况 吻合较好,为灌浆工艺施工提供了可靠的理论依据与指导。     

基于球形固结模型的桩端后注浆残余应力理论研究

基于球形空腔扩张及一维径向固结理论,对桩端后注浆桩的桩端注浆残余应力进行理论研究,分析了残余应力的消散过程,在负指数衰减的初始超孔隙压力分布基础上,得到了残余应力随时间及扩散半径消散的解析解;同时将提出的方法与未考虑浆液扩散半径影响的简化方法进行了比较,对模型的主要影响参数进行了分析。参数分析显示,流变指数、稠度系数、土体的压缩模量及固结时间是影响注浆残余应力的关键因素;另外,通过试验实测数据对新方法及简化计算方法进行了验证,结果表明,新计算方法能有效地模拟后注浆残余应力的消散。其研究结果对后注浆残余应力的理论研究及工程实践有重要的指导价值。     

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。     

Extreme pressure due to expanded cylindrical and spherical cavity in a limitless medium: applications in soil mechanics

The extreme net pressure resulting from an expansion in a cylindrical or spherical cavity within a limitless medium is studied. Performing the static and kinematic approaches of yield design theory, analytical solutions of the extreme net pressure are established for cohesive–frictional as well as for purely cohesive medium. In the case of a cylindrical cavity, the identification between the analytical extreme net pressure and limit net pressure leads to the prediction of shear strength characteristics of soil. As useful result, in soil mechanics, the assessment of correlations using pressuremeter data has been discussed. Also, some assumptions for designing foundations, from pressuremeter data, have been highlighted.     

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。     

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。     

真空预压加固软土地基变形与固结计算研究

考虑真空度的衰减情况,对真空预压加固软基的变形和固结度计算方法进行了研究。先根据真空预压时砂井的真空压力状态建立了真空预压的空间轴对称变形模型,用位移法推导该模型在等应变条件下的变形及体积应变计算公式。在此基础之上结合Hansbo砂井地基固结理论和真空预压的边界条件,推导了忽略竖向渗流情况下的真空预压加固软土地基的固结解析解。比较文中计算方法与已有计算理论和现场试验实测资料结果表明,体积应变的计算对真空预压的孔压和固结度的计算有较大的影响,而直接引用传统堆载预压的体积应变计算公式计算会导致较大误差。在固结度计算中,采用Hansbo的近似方法能满足计算精度的要求,所得计算结果与实测结果吻合较好     

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。     

基于二次抛物线型强度包络线的管桩挤土效应分析

假定管桩在沉桩时的挤土过程是一个圆柱形孔扩张过程。基于具有抛物线型强度包络线和圆孔扩张理论对管桩的挤土效应进行分析研究。分析了桩周土体周围土体的弹塑性力学行为,得到应力场和位移场等的表达式,并求得其塑性区半径、孔内最终压力。其结果可以为管桩工程问题提供理论依据。      

黏土地层盾构隧道临界注浆压力计算及影响因素分析

合理选择注浆压力是确保盾构隧道壁后注浆效果良好的前提。假定在黏土地层中,壁后注浆先对周围土体产生压密效应,当注浆压力超过一定值以后,浆液开始劈裂土体。为得到最优注浆压力,基于弹塑性理论,推导了考虑浆体无限扩张时的注浆压力上临界值计算式;将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,推导了考虑螺栓剪切破坏的注浆压力上临界值计算式;基于主、被动土压力公式,提出了保持地层稳定的注浆压力上、下临界值计算式。在此基础上,提出了最优注浆压力计算方法。通过工程实例,分析了土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,及隧道埋深对临界注浆压力的影响。结果表明：临界注浆压力与土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,管片结构性能以及隧道埋深等因素有关;上临界值随着土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压及隧道埋深的增大而增大;下临界值亦随隧道埋深的增大而增大。     

斜边非轴对称位移边界下球孔扩张挤土分析

针对斜边非轴对称位移边界条件下的沉桩球孔扩张,将桩体贯入模拟为球孔扩张过程,在线弹性土体模型的基础上,通过对地表边界以及倾斜边界上应力修正的镜像法,改进现有直边非轴对称球孔扩张理论,得到了斜边非轴对称位移边界下的球孔扩张挤土位移解答,并分析边界倾角及球孔边界距离等因素的挤土位移规律。研究结果表明,边界倾角越小,倾斜边界对球孔挤土位移的影响也越小;球孔边界距离越大,其对挤土位移的影响反而越小。文中解答可为类似斜边工程挤土位移的控制及参数设置提供参考。     

盾构隧道施工土体扰动范围研究

盾构隧道施工,隧道周边土体应力场发生改变,临近隧道土体因应力扰动出现塑性区,塑性区的分布范围与注浆压力、注浆量等注浆参数密切相关。塑性区被认为是施工扰动比较严重的区域,为分析盾构施工扰动范围,基于小孔扩张理论研究了注浆压力、注浆量对土体扰动塑性区的影响,推导了塑性区与注浆压力和注浆量之间的函数关系。在定义扰动评价标准基础上,提出应用有限元计算盾构施工塑性区和扰动范围的一种简捷实用的数值方法。最后采用静力触探现场测试盾构施工扰动范围,并与理论公式及有限元方法进行比较,理论公式、有限元及现场测试三者取得了较为一致的结果,验证了推荐方法的有效性。其研究结果可对盾构施工注浆参数的正确选择提供理论支持。