基于统一强度理论的柱形孔扩张问题研究

考虑了岩土材料的软化和剪胀特性,利用空间轴对称问题的统一强度理论分析了柱形孔扩张问题,求出了岩土材料在柱形孔扩张时的应力场、应变场、位移场和最终扩张压力的统一解表达式。对蒋明镜-沈珠江扩孔公式从不同的方面作了论述。通过算例分析了岩土材料的软化和剪胀特性以及统一强度理论参数对应力场、位移场和扩张压力的影响。已有的关于该问题的Tresca解和Mohr-Coulomb解均为本文的一个特例。     

弹塑脆性岩土材料中柱形孔扩张大应变解

在应力跌落模型基础上引进软化阈值,建立弹塑脆性模型,模拟岩土材料的脆性软化特性,采用双剪统一强度理论和不相关联流动法则,考虑软化区的大应变,对柱形孔扩张问题进行求解,得出了扩张率-扩张压力的解析表达式。算例分析表明,软化阈值对扩张变形和塑性区范围影响显著,软化阈值越小,扩张变形和塑性区范围越大,且软化区占整个塑性区的比重越大;是否考虑中间主应力对屈服的影响,对解答也有明显的影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种适合于岩石材料的双剪模型

岩土类材料强度理论分为单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论。三类强度理论的典型代表是Mohr -Coulomb强度理论、Drucker-Prager准则和双剪强度理论。单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论都有其相应的单元模型 ,分析单元体上对单元体破坏起主要作用的应力 ,建立各应力分量之间的数学关系 ,形成岩土类材料的强度理论。本文分析岩石围压试验和真三轴试验下的破坏及强度特征 ,提出一种适合于岩石材料的双剪模型 ,与三类强度理论建模方法相同 ,可以得出一系列新的强度理论     

土压力公式的统一解

传统的土压力公式不能反映土体材料强度的中间主应力效应,但中间主应力效应是存在的且不容忽视的。基于俞茂宏统一强度理论,考虑中间主应力效应,推导了土压力公式的统一解,给出了具有广泛意义的土压力公式,可以充分发挥材料的强度潜能,Rankine土压力公式为其特例。根据不固结不排水强度指标与固结不排水强度指标,按有效应力法与总应力法对土压力的计算公式进行了推导和分析,得出了两种强度指标下的土压力公式。另外,通过已有文献的实例进行了对比分析。     

基于统一状态参数模型的砂中柱孔扩张分析

目前关于不同初始状态砂土砂中柱孔扩张的研究结果还缺乏更深层次的分析,并且由于没有考虑砂土屈服面形状因素的影响,造成许多研究成果难以在不同类型砂土中推广。采用统一状态参数模型（clay and sand model,CASM）和Rowe剪胀方程来描述砂的弹塑性变形特点,结合大变形理论并引入辅助变量,推导了基于拉格朗日描述的弹塑性区内砂土体积和有效应力的一阶偏微分方程组,在此基础上结合弹塑性区的边界条件和柱孔扩张弹性解,建立了饱和砂中的排水柱孔扩张半解析解。结果表明,CASM可以通过改变应力状态参数n和间距比r*的值使砂的屈服面形状发生改变,进而使文中解答能够用于不同类型饱和砂中的排水柱孔扩张计算,其中n、r*值越大,松砂初次屈服时的偏应力和后续砂中的扩孔压力越大,但中密、密实砂土中的情况与松砂完全相反。极限扩孔压力随砂土初始状态参数的减小而增大,相应的砂土体积也从一直剪缩变为先剪胀后剪缩,弹塑性区半径先减小后增大,硬化行为从一直硬化变为先软化后硬化。静止侧压力系数增大时,极限扩孔压力也增大,但对砂的体积变化规律影响不大。本研究可为相关岩土工程问题分析提供可靠理论支持。     

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。     

碎石桩复合地基性状的弹塑性分析

基于双剪统一强度理论,利用复合地基中碎石桩与桩周土的竖向位移相等、侧向变形协调与连续的条件,通过弹塑性理论对碎石桩复合地基在竖向荷载作用下的应力、应变状态进行了弹塑性分析,探讨了权系数b的取值方法;讨论了b的大小对复合地基承载及变形性状的影响,并推出了作用在复合地基上的荷载、碎石桩所分担的荷载及加固区压缩量与桩周土的塑性区半径的关系的系列解析算式;提出了对于碎石桩复合地基的设计应该实行承载力和沉降双重控制的设计思想。为验证该方法的可行性,将模型试验的结果与计算结果进行了对比,结果表明该方法对碎石桩复合地基的设计具有指导意义。     

非饱和土抗剪强度及土压力统一解

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,并与文献试验结果进行比较,验证了公式的正确性;进而考虑基质吸力的不同分布,得到非饱和土主动土压力和被动土压力统一解,克服了朗肯土压力的不足,并得出中间主应力和基质吸力对土压力的影响特性。研究结果表明,主动土压力随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断减小,被动土压力则相反;当基质吸力沿深度线性减小时,主动土压力和被动土压力都不像基质吸力沿深度为常数时变化得那么快。该结果为非饱和土抗剪强度和土压力分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

非饱和土库仑主动土压力统一解

基于非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土库仑主动土压力统一解,并对其进行可比性分析,将其计算结果与非饱和土朗肯主动土压力统一解进行对比,得出各因素的影响特性。研究结果表明,中间主应力和基质吸力对库仑主动土压力的影响显著,随统一强度理论参数和基质吸力的增加,库仑主动土压力不断减小直至为0,证明了考虑中间主应力可以充分发挥材料的自承载能力和强度潜能,具有可观的经济效益;库仑主动土压力随墙背倾角与填土倾角的增大而增大,随有效内摩擦角和基质吸力角的增大而减小,外摩擦角的影响不显著。非饱和土库仑主动土压力统一解具有更广泛的适用性,朗肯主动土压力统一解为其特例,其结果对边坡、基坑等工程的土压力确定和支挡结构设计有很好的借鉴作用。     

SBPT测定饱和黏土不排水强度的数值分析

自钻式旁压试验（SBPT）因其扰动小、测试深度大、可以获得应力-应变、超孔隙水压力-时间等数据,在确定地基土性参数和地基承载力上有广阔的应用前景。然而由于用以解释SBPT的柱孔扩张理论（Gibson解）所采用的平面应变假设与实际旁压腔几何特征存在差异,导致试验所确定的黏土不排水剪切强度su与其他原位试验或室内试验结果存在差别。针对旁压腔几何尺寸及应变区间的选择对确定su的影响,基于修正剑桥模型,采用低渗透系数控制加载过程中不排水条件,利用有限元法模拟SBPT,建议了不同应力历史下确定su的应变区间,并给出考虑几何尺寸影响时相应应变区间上su的修正系数。     

软黏土中预钻孔沉桩引起的土体隆起分析

基于考虑初始半径的圆孔扩张理论,并根据旁压试验临界深度的形成机制与沉桩挤土的相似性,求得沉桩土体隆起的分界面,并进一步推导了沉桩引致地表隆起的曲线方程,分析了预钻孔半径对土体隆起的影响规律。由于初始半径即为沉桩施工时较为常用的预钻孔半径,因此,推导的预估土体隆起的有关方程为通用公式,当初始半径取0时,可用于普通沉桩的土体隆起分析。实际计算表明,该公式计算结果略小于实测值,但比有限元模拟的结果更接近实测值。因而提出的沉桩导致土体隆起的预估公式是简洁而实用的     

基于梯度塑性理论的岩样拉压剪破坏统一失稳判据

提出了单轴拉伸,直剪及单轴压缩剪切破坏失稳判据的统一形式。首先对de Borst R及Muhlhaus H B关于单轴拉伸试件梯度塑性理论解析解方面的开创性工作进行了回顾、评论,并指出了他们工作的缺憾。受de Borst R等工作的启发,对直接剪切试件进行了分析,得到了快速回跳条件。并发现:岩样的快速回跳条件就是系统(由剪切带及带外弹性岩石构成)的失稳判据。又对单轴压缩岩样剪切破坏进行了分析,得到了其失稳判据。通过对单轴拉伸失稳判据、直接剪切失稳判据及单轴压缩剪切破坏失稳判据的类比,得到了失稳判据的统一形式。统一失稳判据表明:岩石材料的局部化带宽度及压缩或剪切弹性模量越小,软化模量及等效试件高度越大,试件越容易发生失稳破坏。