Expansion of spherical cavity of strain-softening materials with different elastic moduli of tension and compression

An expansion theory of spherical cavities in strain-softening materials with different moduli of tension and com-pression was presented. For geomaterials,two controlling parameters were introduced to take into account the different moduli and strain-softening properties. By means of elastic theory with different moduli and stress-softening models,general solutions cal-culating Tresca and Mohr-Coulomb materials' stress and displacement fields of expansion of spherical cavity were derived. The effects caused by different elastic moduli in tensile and compression and strain-softening rates on stress and displacement fields and development of plastic zone of expansion of cavity were analyzed. The results show that the ultimate expansion pressure,stress and displacement fields and development of plastic zone vary with the different elastic moduli and strain-softening prop-erties. If classical elastic theory is adopted and strain-softening properties are neglected,rather large errors may be the result.

砂土中能量桩单桩水平承载特性模型试验研究

为探究能量桩单桩水平承载特性,针对砂土中能量桩在水平荷载下的承载特性进行研究,基于模型试验,分析了水平荷载作用下能量桩在制冷和加热过程中的桩顶位移、桩前土压力以及桩身弯矩等的变化规律。研究结果表明:制冷会引起能量桩桩顶水平位移略微增大,增量为0.48%D(D为桩体直径),而加热会引起较大的桩顶水平位移,达到了2.38%D;制冷和加热在初始阶段会引起桩前土压力增大,初始增长阶段结束后,土压力变化较小,多为缓慢增长或基本不变。相较于初始土压力,制冷和加热结束时的土压力基本呈增长趋势,仅个别埋深处土压力减小。制冷过程中,埋深0%L~40%L(L为有效桩长)范围内的弯矩增大,埋深40%L~100%L位置处的弯矩变化较小;加热过程中,埋深0%L~60%L范围内的弯矩均有所增大,0%L~40%L位置处的弯矩增大最为明显。制冷和加热过程中均在20%L处产生了最大弯矩,最大弯矩的增加量分别为9.93%和10.32%。进一步基于圆孔扩张理论提出了弯矩计算的理论解,并与试验结果进行对比分析,理论计算值与实测值较为吻合。

考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型

温度变化对土体性质和行为的潜在影响已成为许多岩土工程设计和应用的重要组成部分。针对粉土中孔压静力触探试验(piezocone penetration test,简称CPTu)的温度效应及部分排水状态,提出了基于小孔扩张理论的计算模型和分析方法。采用一种能够表征粉土强度温度效应的本构模型,给出了完全不排水和排水条件下的解析解;以Bourke粉土为例,分析了温度对扩张压力的影响,揭示了扩张压力随温度升高而减小的规律。采用一种线性映射方法给出了部分排水条件下的小孔扩张半解析解,并基于物理模型试验的结果得出了排水状态与温度的相关关系,建立了考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型。研究了不同贯入速率下温度对CPTu测试结果的影响,结果表明,温度升高导致锥尖阻力与锥肩孔压减小,且变化幅度随超固结比的增加而增大,通过试验结果与计算模型预测结果的对比验证了模型的可靠性。

电渗增强桩模型试验与承载理论研究

为研究布桩方式、导电塑料排水板的布设形式对电渗增强桩电渗效果的影响,开展了电渗增强桩模型试验。试验得到了电渗平均排水量、电流、有效电势、桩-土界面电阻、桩周土体沉降、电渗前后桩周土的抗剪强度及电渗增强桩的承载力极限值等数据。数据分析发现:导电塑料排水板正方形排列条件与错位排列条件的电渗试验相比之下,正方形排列条件下的电渗效果更好,但错位排列条件经济效益更好且便于施工,因此仍需结合实际情况选择排列条件;正方形布桩与三角形布桩条件相比,电渗处理后平均排水量更大,桩的承载力和桩周土体抗剪强度也更大,因此正方形布桩条件下的电渗处理效果更好;结合圆孔扩张理论、二维电渗固结理论以及承载时效理论,推导得到电渗增强桩承载力理论;将理论计算值与试验实测值进行对比,发现计算误差在3.1%~5.6%。

隧道地表高压旋喷加固的浆液渗透范围计算方法

由于隧道浅埋段软弱围岩地表高压旋喷加固后具有整体性好、强度高及渗透性低等优点,已被逐渐应用于实际工程,但高压旋喷浆液的渗透范围受到孔隙率、渗透路径及施工参数的影响难以确定。通过考虑岩土体性质、浆液流体力学特性及渗透路径等因素影响,基于圆孔扩张理论,建立浆液渗透范围的平面分析模型,推导出高压旋喷浆液的径向渗透范围计算公式,分析其适用范围及参数取值方法;结合现场开挖验证理论计算公式的可靠性,探讨影响浆液渗透范围的主控因素。研究表明:理论计算与现场实测的浆液渗透径向范围分别为成桩半径的0.630倍、0.618倍,两者相差仅2%,能较好地体现隧道浅埋段软弱围岩特性及各施工参数的影响;随岩土体孔隙率、浆液水灰比、旋喷压力的增大以及迂曲度的减小,浆液渗透范围呈增大的变化规律。该方法可为隧道软弱围岩地表高压旋喷加固的桩间距及桩径设计、加固效果评价等提供理论参考。

CPTU数据校准上海深层软土参数的随机力学-贝叶斯方法

城市深层地下空间的开发需要开展科学计算。合理的本构模型和准确的岩土参数是岩土力学分析的两大支撑。修正剑桥模型(modified cam-clay,MCC)的岩土参数简单直观,被广泛应用于岩土工程实践。室内土工试验由于取样扰动、试验误差等不可避免的缺陷,难以精确获得深层岩土参数。结合先验知识、室内试验数据和孔压静力触探(piezocone penetration test,CPTU)测试数据,将关键岩土参数视为随机变量,采用随机力学-贝叶斯方法,校准深层软土的关键岩土参数,如临界状态应力比、压缩系数、回弹系数和超固结比。以上海市苏州河深层排水调蓄管道系统工程——云岭竖井基坑工程为背景,以基础底板处的深部第(8)层土为研究对象。首先,利用MCC模型的柱孔扩张理论,揭示了CPTU数据(锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力)与极限扩孔应力之间的力学转换机理,利用苏格兰Bothkennar岩土试验场地的试验数据,验证CPTU测试数据力学模型的适用性;其次,建立关键岩土参数与CPTU数据之间的二次非交叉响应面,利用MCMC(Markov-chain Monte Carlo)抽样算法,获得关键岩土参数的后验统计特征;最后,结合岩土参数的后验均值,开展超深基坑工程的数值计算。结果表明,经过柱孔扩张随机力学-贝叶斯方法校准后,关键岩土参数的不确定性大幅度降低,后验均值的预测结果与监测值较为接近,证明了该方法的高效、合理性。

隧道掘进机滚刀破岩动态荷载理论模型及试验研究

滚刀荷载的动态信息(如峰值荷载、增长速度以及频率等)对保持全断面隧道掘进机系统稳定、控制刀盘振动等至关重要。目前的破岩力预测公式不足以满足刀盘受力及振动的求解需要。因此,基于离散化建模思路,将传统空腔膨胀理论的一维贯入运动扩展至高维度的回转破岩中,对岩体参数及操作参数对荷载特性的影响进行了研究。并通过多组全尺寸回转破岩试验进行验证。结果表明:安装半径、转速以及贯入度的增大使单位时间内滚刀挤压的岩体体积增多、密实核边界速度升高,导致侵岩荷载的增长速度及频率均升高,荷载变化及刀盘振动更加剧烈。岩体强度的增大会导致荷载峰值及增长速度升高、频率降低。所建立的回转破岩动态荷载理论模型与试验结果相差5%以内,验证了该模型的准确性。

基于Ottosen屈服条件的不同强度混凝土空腔膨胀模型及侵彻机理

针对毁伤与防护领域对深层超硬目标理论研究及工程应用的迫切需求,引入改进的Ottosen屈服条件,对混凝土空腔膨胀过程中的响应分区和边界条件进行优化,求解空腔膨胀的全过程,分析不同强度混凝土响应分区的变化规律;根据空腔边界应力和空腔膨胀速度的关系,建立了弹体侵彻深度计算模型,对弹体侵彻不同强度混凝土工况进行了对比计算,并深入分析了靶体强度对侵彻深度影响的机理。通过与实验数据进行对比发现,改进的空腔膨胀理论对于普通混凝土和高强混凝土均有很好的适用性,可准确计算径向应力与空腔边界速度关系以及侵彻深度。研究结果显示,高强混凝土的弹塑性开裂区范围更大,密实区范围更小,表明了高强混凝土脆性大,材质密实的特点,引入塑性开裂区可以更好地反应侵彻过程中高强混凝土压实时对应速度更高的现象;随着混凝土强度的提高,其屈服包络面变化越来越小,因此混凝土的空腔边界应力增大但变化程度越来越小,导致弹体侵彻深度随速度增加的增量变小。

自旋对弹体侵彻效应的影响

为解释带有自旋角速度的侵彻弹体在试验和仿真中的更好表现,开发了考虑自旋角速度的弹体侵彻模型。姿态动力学分析表明了一般侵彻情况下自旋角速度引起弹体非平面运动,正侵彻情况下则出现自旋弹体保持平面运动的特殊情况。基于空腔膨胀模型的推导表明,弹靶接触处的切应力方向改变是自旋弹体侵彻阻力减小的原因之一,与剪切效应导致的空腔表面正应力衰减共同构成了侵彻深度增加的机制。刚体运动学推导表明,多层间隔靶侵彻情况下,靶间进动导致弹体轴线与靶面法向夹角增速减缓甚至减小,是弹道稳定性增加的重要原因。自旋角速度改变了弹体侵彻过程的受力和运动形式,导致其侵彻深度和弹道稳定性增加,总体上对弹体侵彻效应起积极作用。

空腔膨胀理论中混凝土材料模型的对比

基于三向应力空腔膨胀理论,对比研究了具有代表性的7种混凝土介质球形空腔膨胀模型。与三组试验数据的对比表明,混凝土材料本构可压缩性假设明显优于不可压缩性假设,而塑性锁应变假设与线性压力—体积应变假设差别不大,材料响应弹塑性假设与弹性—断裂—塑性假设差别不大。在合理的参数选择下,相对简单的模型可以获得令人满意的结果。

弹体在含钢球的钢纤维混凝土介质中侵彻深度工程计算模型

本文运用空腔膨胀理论通过引入两系数λ1,λ2 分别研究斜入射和钢球对侵彻深度的影响 。

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。

侵彻岩石深度计算公式对比分析

介绍了几个目前应用较广的弹体侵彻岩石深度预估经验公式,并对其适用范围进行了讨论,通过计算给出了各经验公式以及空腔膨胀理论公式的计算结果与实验结果的对比关系,经过分析指出经验公式在使用时应该注意其适用范围和单位。

基于土塞效应的柱形孔扩张问题解析解

钢管桩和混凝土管桩在沉桩过程中会同时产生挤土效应和土塞效应,然而目前国内外学者对钢管桩的研究主要侧重于其土塞效应,对混凝土管桩的研究则主要集中在其挤土效应上。首先综述了国内外管桩挤土效应和土塞效应的研究现状,然后在考虑土塞效应的前提条件下,利用圆孔扩张理论对管桩的挤土效应进行了分析研究。通过合理的假设,得到了桩周土体在弹塑性阶段的应力场和位移场的解析解答,为综合研究管桩的挤土效应和土塞效应提供了一种新的思路。

软土地基中单桩施工引起的超孔隙水压力

通过对桩基施工过程中实测资料的分析,探讨了沉桩时单桩周围土中产生的超孔隙水压力的大小、分布及影响范围,并与理论解进行了对比。还对桩-土界面处的超孔隙水压力进行了讨论。

单齿冲击作用下破岩机制分析

研究牙齿冲击下破岩机制是提高冲旋破岩效率的理论基础,目前对牙齿低速冲击下的岩石力学研究主要集中在仿真和试验,因此,有必要研究牙齿低速冲击下的破岩机制。首先分析了单齿冲击下岩石破碎坑的形貌,提出了分区建立物理模型和力学模型。考虑到单齿冲击的低速条件和岩石围压效应,得到修正的球形空腔膨胀理论,推导了岩石破碎坑的密实区、开裂区、弹性区3个区域的应力与位移解析解。利用Matlab对各区域解析解进行数值求解,得到了围压、质点运动速度以及岩石物理性质参数等对破碎坑各区域无量纲应力和位移变化的影响,采用仿真试验验证结果的正确性。该模型不仅解释了岩石破碎坑的形成,而且也提供了一种分析牙齿冲击破岩力学模型。

高寒高海拔多年冻土地区抗侵彻深度研究

为深入探讨弹体对高寒高海拔地区多年冻土的侵彻作用,从多年冻土温度特性出发,用符合冻土特性的摩尔-库伦强度准则推导该地区抗侵彻深度理论计算公式。结果表明,该公式能反映冻土温度与侵彻阻力关系,为空腔膨胀理论在冻土材料中的有益尝试。将理论分析计算结果与Young侵彻公式计算结果比较知,最大侵彻深度与速度变化趋势一致,理论公式的合理性获得论证。案例分析表明,多年冻土层温度状况对弹体最大侵彻深度关系较密切,能较客观的反映冻土类材料特性。

饱和软土单桩沉桩超孔隙水压力分析

通过分析工程桩沉桩过程中的实测资料,探讨了单桩桩周土体中产生的超孔隙水压力大小、分布规律及影响范围,得到桩周土中超孔隙水压力的分布随距离呈对数型衰减,影响范围约为30倍桩径。对实测值、理论值进行了比较,分析结果表明:从实测拟合直线中求得的塑性区半径代入圆柱孔扩张理论得到的估算值与实测值吻合较好。

基于摩尔库伦准则考虑渗流影响的孔扩张理论

通过球对称问题的应变协调方程、渗流理论、统一强度准则和相关联流动法则分析了球孔扩张问题.首先,根据渗流理论推导出了球对称状态下的球孔扩张的超孔隙水压力分布公式,确定了考虑渗流影响的球形孔扩张问题的应力场、应变场和位移场的基本公式.利用位移公式,结合塑性区球孔孔壁位移,推导了球孔初始半径a0,扩孔半径a和对应的塑性区半径rp三者的理论关系式.利用该关系式和其他相关公式给出了求解球孔扩张问题的具体求解方法.通过该方法求得具体问题的应力场、应变场和位移场.总之,通过扩孔压力p、初始孔径a0和扩孔孔径a这三者中的任意两者可求得具体问题的扩孔压力、应力场和位移场等.最后分析了一个计算实例的主要参量、应力场、位移场.

陶瓷材料抗长杆弹侵彻阻抗研究

为探讨长杆弹侵彻陶瓷靶中的阻抗与侵彻速度关系，基于长杆弹侵彻半无限靶的修正流体动力学模型（Tate模型）和空腔膨胀理论流体动力学模型，结合文献中已知试验数据，求解了氧化铝和氮化铝陶瓷的Tate模型侵彻阻抗R。和空腔膨胀模型侵彻阻抗Rc．结果表明在1500～3500m／s速度范围内，氧化铝陶瓷的Rt随速度的增加而缓慢降低，氮化铝的Rc基本为恒值；在3600～4500m／s速度范围内，氮化铝陶瓷的Rt随速度的增加反而增加，可能是侵彻速率超过裂纹传播最终速率所导致；两种陶瓷的Rc都随速度的增加而减小，接近流体动力学极限时Rc值非常小，表明该模型不适合于超高速侵彻．采用平均阻抗计算的侵彻深度结果表明平均阻抗可以用于侵彻深度计算．