剪胀性砂土中球孔扩张弹塑性解

目前砂土中球孔弹塑性扩张解无法合理考虑砂土的峰值强度和剪胀特性,因而其解答与实际情况存在一定偏差。为得出剪胀性砂土中球孔扩张问题的合理解答,采用砂土临界状态模型考虑球孔扩张过程中砂土剪胀特性和峰值强度对球孔扩张机制的影响,基于相关联流动法则推导了球孔扩张问题的弹塑性本构张量,进而在塑性区采用大变形理论并引入辅助变量,将球孔扩张问题归结为基于拉格朗日描述的一阶偏微分方程组的初值问题。在此基础上,结合孔周弹塑性边界条件求解得出了剪胀性砂土中球孔扩张问题的严格解答。通过与基于修正剑桥模型的球孔扩张解答相对比,研究了砂土峰值强度和剪胀特性对孔周土体应力状态和位移的影响规律。结果表明,基于砂土临界状态模型的弹塑性解答不仅可以合理反映球孔扩张过程过程中剪胀性砂土的峰值强度和剪胀特性,而且可退化为非剪胀性土体中的球孔扩张解答,因而可以更加广泛地应用于静力触探、静压沉桩等岩土工程问题中。     

考虑砂土颗粒破碎的柱孔扩张问题弹塑性分析

目前对砂土中圆孔扩张问题的研究均未考虑到砂土颗粒的破碎以及剪胀特性,且为了方便后续求解,很多学者对剪应力,剪切模量等计算参数做了简化,使得最终的求解结果无法准确反映实际情况。针对上述问题,采用考虑颗粒破碎和剪胀特性的砂土临界本构模型,在塑性区联合相关流动法则和拉格朗日分析法,将传统的欧拉描述下的柱孔扩张问题转换为基于拉格朗日描述的带初值的一阶非线性常微分方程组,最终通过数值方法得到砂土中柱孔扩张问题的半解析精确解,并通过算例分析了土体初始应力对扩孔结果的影响。结果表明,颗粒破碎和初始应力对孔周应力和塑性区半径影响巨大,两者共同作用使得土体在扩孔期间表现出不同的剪胀/剪缩特性;此外,高初始应力下的孔周土体在扩孔期间难以到达临界状态。     

考虑砂土颗粒破碎的柱孔扩张问题弹塑性分析

目前对砂土中圆孔扩张问题的研究均未考虑到砂土颗粒的破碎以及剪胀特性,且为了方便后续求解,很多学者对剪应力,剪切模量等计算参数做了简化,使得最终的求解结果无法准确反映实际情况。针对上述问题,采用考虑颗粒破碎和剪胀特性的砂土临界本构模型,在塑性区联合相关流动法则和拉格朗日分析法,将传统的欧拉描述下的柱孔扩张问题转换为基于拉格朗日描述的带初值的一阶非线性常微分方程组,最终通过数值方法得到砂土中柱孔扩张问题的半解析精确解,并通过算例分析了土体初始应力对扩孔结果的影响。结果表明,颗粒破碎和初始应力对孔周应力和塑性区半径影响巨大,两者共同作用使得土体在扩孔期间表现出不同的剪胀/剪缩特性;此外,高初始应力下的孔周土体在扩孔期间难以到达临界状态。     

软土地区钻孔灌注桩成孔卸荷影响分析

针对钻孔灌桩桩在成孔过程中的成孔卸荷问题,基于统一强度理论对孔周土体的应力场和位移场进行分析。推导了孔周塑性区起始深度、塑性区半径的解析解,并通过算例分析了泥浆比重、土体强度参数和统一强度理论参数的取值对各解析解的影响。结果表明:孔内泥浆比重直接影响着孔周土体卸荷程度。泥浆比重越大,孔周塑性区起始深度越深,塑性区范围越小。当泥浆比重大至某一定值后孔周土体不再卸荷,而是慢慢由卸荷缩孔过渡至加荷扩孔。     

陇东非饱和黄土扩孔问题的排水弹塑性大变形解析

将孔周围的土体应力分布分为两个区域,结合陇东非饱和黄土黏聚力与基质吸力的关系,在弹性区采用小变形理论,在塑性区采用大变形理论和一般强度准则。考虑大变形与排水条件,根据应力平衡方程、应力-应变连续边界条件推导出非饱和黄土扩孔问题的塑性区半径、极限扩孔压力的理论解及孔周围土体的应力-应变分布规律,并采用MATLAB对理论解进行参数分析,最后结合Vesic解析解及工程算例进行论证。结果表明:排水条件下,不同屈服准则对应的计算值均不同,现场实测值在计算范围之内。其中以SMP准则计算的理论值与实测值较为接近,采用Lade-Duncan准则计算的理论值偏大,采用Mohr-Coulomb准则计算的理论值偏小。     

基于鲁宾涅特解的建筑物掏土纠倾孔周土塑性区计算

考虑建筑物掏土纠倾地基土体侧压力和掏土的动态扰动影响,提出了基于鲁宾涅特解的掏土孔孔周土体塑性区计算方法,并推导了建筑物掏土纠倾孔间土体最大宽度确定方法。在某高层住宅楼掏土纠倾实例中,将其计算结果与圆孔扩张理论对比,并由现场监测结果进行了验证。结果表明:基于鲁宾涅特解的掏土孔孔间距与住宅楼施工间距基本一致,而基于小孔扩张理论的掏土孔孔间距理论解与现场施工相差较大,鲁宾涅特解对建筑物掏土纠倾孔周土体塑性区的求解具有更高的精度,由此证明,提出的孔周土体塑性区求解方法以及孔间土体最大宽度确定方法是可行的,与建筑物掏土纠倾工程实例吻合度较高。     

基于黄土联合强度的黄土隧道围岩应力及位移研究

隧道围岩应力及位移计算问题是隧道工程界中传统研究课题之一,但黄土抗拉强度在黄土隧道围岩应力及位移计算中存在的影响需要进行合理性评价。基于建立的可综合考虑黄土抗拉和抗剪特性的联合强度,开展了极限应力平衡分析,重新推导了强度破坏曲线的主应力表达式;然后重新确定了轴对称圆形隧道条件下黄土围岩塑性区半径;最后得到了隧道周边黄土围岩位移表达式。研究结果表明:在围岩塑性区应力计算与比较中,基于联合强度确定的围岩塑性区应力小于基于传统的Mohr-Coulomb理论确定的围岩塑性区应力,而塑性区半径和隧道周边围岩位移相对较大;基于拉强度建立的联合强度理论克服了Mohr-Coulomb理论高估黄土抗拉强度的缺陷,可以合理评价黄土隧道围岩应力及位移。     

湿陷性黄土的变形机理与本构关系

基于微结构突变失稳假说,深入研究湿陷性黄土的变形机理,将体积湿陷与剪切湿陷统一到同一个突变模式,给出了黄土湿陷变形的一个完整的本构关系。计算和实验结果都表明:湿陷变形与应力状态及应力路径有很大关系,且体应变与八面体剪应变受球应力与八面体剪应力的交叉影响。发现不同应力比对应的剪切曲线上的交叉现象是湿陷性黄土的物理特征之一。最后,利用该理论对与黄土湿陷变形有关的问题进行了讨论     

基于修正剑桥模型桩的有限元分析

将桩挤土过程视作沿桩长不变的一系列点位形成的球形扩张过程,把扩张过程中的桩周土体分成3个区域：流动区域、塑性变形区和弹性变形区。应用圆孔扩张理论,结合修正剑桥模型推导出了球形孔扩张引起的土体应力、位移分布解析解,并与有限元ABAQUS模拟的结果对比分析。     

砂土中柱孔扩张问题的扩孔压力与扩孔半径分析

 通过SMP屈服准则,对砂土中柱孔扩张问题进行理论分析。以柱孔扩张理论为基础,利用孔周土体塑性区的边界条件和土体体积变化规律,推导柱孔扩张问题中初始半径a0,扩孔半径a和对应的扩孔压力p三者之间的理论关系。利用上述理论公式,得到平面应变条件下柱孔扩张问题的扩孔压力的极限值pu和孔周土体的弹塑性区域应力场、位移场,进而求得塑性区半径rp与扩孔压力p和初始孔径a0的关系。分析表明,该应力场和位移场分布规律仅与柱孔的初始半径a0和扩孔压力p相关。此外,应用应力场公式,推导散体材料桩极限强度表达式。最后通过算例分析,对柱孔扩张中应力场和位移场分布、塑性区半径和扩孔压力的变化规律进行分析。     

扩孔理论在非饱和黄土劈裂注浆中的应用

针对扩孔理论在非饱和黄土劈裂注浆中的应用,将孔周围土体分为弹性区和塑性区,在弹性区中假设服从小变形理论,在塑性区中假设服从大变形理论,结合黏性土一般强度准则(SMP准则、Lade-Duncan准则、M-C准则),推导了不同理论下黄土地区在不排水条件下的劈裂注浆压力预估公式。利用现场注浆试验获得了压力P及注浆量Q的时程曲线,在P-Q-t三维散点图基础上,将理论计算结果与现场注浆数据对比分析,结果表明：基于黏性土一般强度准则推导的黄土劈裂注浆压力预估公式中,由于Land-Duncan准则及SMP准则考虑了中主应力的因素,较传统Mohr-Cunlomb模型的计算结果更加精确。对黄土注浆压力机理分析可知,当压力不大时,浆液对土体以挤密作用为主,当超过劈裂压力时,土体出现劈裂。     

Ko固结饱和土沉桩引起的超静孔隙水压力

根据饱和粘土中沉桩特点,用柱孔扩张理论模拟其贯入过程,将扩张后周围土体分为塑性区和弹性区,由柱孔扩张基本平衡方程和边界条件,采用能够考虑天然状态土体实际固结性状的K_o固结土体本构模型的屈服面方程为屈服准则,以对数应变考虑桩周土体发生的大变形,结合Henkel孔压公式,推导出沉桩后桩周超静孔隙水压力的理论表达式。通过算例分析了土体剪切模量、临界状态应力比、超固结比和静止侧压力系数对超静孔隙水压力的影响。同时,与基于修正剑桥模型解答和工程实例进行对比分析,理论计算值和现场实测值吻合较好,表明理论结果的合理性与实用性。     

考虑软黏土结构性损伤的圆柱孔扩张弹塑性分析

针对天然沉积软黏土中施工扰动导致原位土结构性损伤和强度降低的特征,根据圆孔扩张过程中产生的塑性剪切应变以及实测的渗透系数与不排水强度随径向距离的变化规律,提出对数式的原位扰动度函数以描述塑性损伤区的屈服强度变化;基于结构性剑桥模型屈服准则,采用屈服应力比和灵敏度分别表征初始结构稳定性和结构强度可变性大小,并与扰动函数相结合,推导了考虑土结构性损伤的软黏土柱孔扩张弹塑性解,表达式中灵敏度值为1时退化为不考虑结构损伤的传统解。进而通过竖井和沉桩施工引起的超静孔隙水实测结果与理论计算值的对比,验证了本文理论解的有效性;并分析了土结构及其损伤对柱孔扩张效应的影响,结果表明：屈服应力比越大,塑性区半径越小,径向应力越大,超静孔压随径向距离先增大后减小;灵敏度越大,径向应力越小,超静孔压越大。分析推导结果对准确预测挤土效应与合理揭示孔压静力触探等原位试验测试机理具有实用价值。     

湿陷性黄土中水泥浆液注浆加固机理

通过分析湿陷性黄土的组成结构、湿陷机理、力学性能,研究了外界荷载作用下湿陷性黄土的变形及破坏机理;在湿陷黄土中做原位水泥浆液注浆加固试验,分析了注浆过程中不同时间段两者之间的相互作用;对注浆后土体纹理结构以及变形进行分析,研究了水泥浆液在湿陷性黄土中的加固机理;采用弹性力学和断裂力学进行理论计算,研究了水泥浆液与土体之间在注浆过程中的相互作用。结果表明:水泥浆液注浆对湿陷性黄土能起到有效的加固作用;湿陷性黄土注浆过程中水泥浆液造成湿陷量极小,并在压力作用下能够迅速对湿陷进行补偿;水泥浆液在黄土中的加固机理包括填充注浆、劈裂注浆、压密注浆,控制注浆压力能有效实现在湿陷性黄土中的压密注浆、劈裂注浆。     

软土中静压桩贯入引起的超静孔压力理论分析

根据静压桩在软粘土中贯入的特点,用柱孔扩张理论模拟其贯入过程,引入软化系数和对数应变描述沉桩过程中桩周土体塑性区的大变形和应变软化等特征,推导出柱孔扩张时弹性区和塑性区产生的超静孔隙水压力解析式,与Vesic解进行了比较表明,本文推导的理论解适用范围更广。基于该理论解,结合昆山市某场地地质资料,分析讨论了软化系数、孔径大小和剪切应力对超静孔隙水压力大小和分布范围的影响,同时与现场监测数据对比分析,理论计算和实测结果吻合较好,表明该解析解对预测软土中由静压桩的贯入引起的超静孔隙水压力的大小和分布具有一定实用价值。     

Anisotropic elasto-plastic solutions for cavity expansion problem in saturated soil mass

On the basis of the yield criterion of Matsuoka and Nakai (1974), novel elasto-plastic solutions are obtained for the cavity expansion problem in an anisotropic medium. The solutions are formulated by employing a small-strain analysis in an elastic zone and a large-strain analysis in a plastic zone around the cavity in a soil mass. In light of the initial condition, the plastic radius and the stress in the plastic zone are derived by incorporating the large-strain analysis, the influence of stress anisotropy (K0) and the non-associated flow rule, and two fundamental solutions for the cavity expansion problem under undrained and drained conditions are presented in an anisotropic soil mass. Finally, a comparison with the previous results is performed for verification.     

Cavity reverse expansion considering elastoplastic unloading and application in cast-in-situ bored piles

The construction process of a cast-in-situ bored pile is too complicated to be described by the cavity expansion theory with a single process. An exact unified semi-analytical solution for both cylindrical and spherical cavities reverse expansion after unloading in drained soil is developed. The non-associated Mohr-Coulomb model and definition of logarithmic strain are adopted in the reverse plastic zone. This model can be used to solve the stress and displacement fields of the soil around a bored pile along both the horizontal and depth directions. Parametric analysis shows that the effect of the unloading phase does not change the ultimate pressure of cavity reverse expansion compared with in situ expansion. The cavity cannot re-expand to its initial radius even though the cavity pressure reloads to the initial value. The increase of internal friction angle, cohesion, and Young's modulus has a positive effect on radius recovery, while the dilatancy angle has a negative effect. A simulation of the construction process of cast-in-situ bored piles is presented, where the role of boring, mud wall protection, and concrete placement is defined. An example that describes the stress and displacement fields around a pile shows that the total radial displacement of soil around the pile is dominated by contraction displacement. And it is closely related to depth and horizontal distance. The results of both parameter analysis and example analysis demonstrate that a low reverse cavity pressure corresponds to a stress-reduction area surrounding the cavity.     

考虑土的塑性损失特性的劈裂灌浆压力研究

劈裂灌浆技术是堤坝加固领域的一个非常有效的方法。基于柱形孔扩张大应变理论,将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中柱形孔扩张的平面应变问题。土体在初始灌浆压力作用下为理想弹性体;但随着灌浆压力的增大,假定土体发生塑性损伤大应变破坏,并服从广义SMP准则。通过相关的变参数计算,探讨了内摩擦角和粘聚力对灌浆压力的影响,为实际工程提供了理论依据。     

注浆作用对微型钢管桩抗压承载性能影响的试验研究

为了研究注浆作用对钢管桩承载性能的影响,本文开展了160 mm、200 mm两种桩径、5 m和8 m两种入土深度、注浆与不注浆两种条件下共18个试验桩的现场抗压静载荷试验,分析了注浆作用对钢管桩荷载位移曲线、极限承载力及破坏模式的影响。结果表明：注浆作用使钢管桩荷载位移曲线上的中间曲线段更加明显,塑性变形范围增加;注浆作用整体提高桩基承载力30%以上,管径最细、埋深最浅的I#桩提升效果最明显;注浆过程中浆液在桩周土中产生劈裂、渗扩、填充、胶结、压密等一系列物理化学作用,最终在桩端形成“水泥土加固体”,在桩侧形成水泥土护壁,改善了桩端土、桩周土的物理力学性能,从而提高了桩基承载力。