结构性黏土中球孔扩张不排水解析及其在静力触探中的应用

圆孔扩张理论被广泛用于静力触探(CPT)和静压沉桩等问题的贯入阻力或挤土位移分析预测中.目前结构性黏土中的圆柱孔扩张解答难以考虑扩孔过程中土体结构破坏或退化影响,一定程度上限制了该理论解答的工程适用范围.将锥尖或桩端贯入作为球形孔的扩张挤土过程,基于结构性黏土剑桥模型和塑性区大应变理论,将球孔扩张不排水问题归结为各有效应力分量的常微分方程组边值问题,以弹塑性边界上应力值为边值条件对该问题进行求解.结果表明,随着土体结构性增强,球孔周围的临界状态区和塑性区范围减小,扩孔应力增大,超固结土的应变软化特征和剪胀性更明显;对于初始应力相同的结构性黏土,各有效应力分量在孔壁附近均趋于对应重塑土中的应力分量,说明土体在扩孔扰动过程中发生了结构破坏或退化.最后将确定的扩孔应力用于CPT贯入阻力及孔隙水压力的理论计算中,与已有解答进行对比分析,发现考虑土体结构性影响后能得到与实测值更接近的预测结果.

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。

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。

考虑土应变软化及剪胀特性的大应变球孔扩张的问题

以Mohr Couloub屈服准则和不相关联的流动法则考虑土体屈服塑性流动和剪胀特性,用对数应变来描述土体的变形,给出了球形孔扩张问题的弹塑性解析解。分析了剪胀和软化程度对球孔扩张时的应力、位移、塑性区半径及极限扩张压力等方面的影响,并将大、小应变理论的结果进行了比较。结果表明:在扩张压力较大时,用小应变理论会引起很大误差,因此考虑大应变非常必要;相同扩张力作用下,土的软化程度越高,扩张率越大;土的剪胀角越小,则扩张率越大。土的软化和剪胀特性还影响极限扩张压力,软化越严重,极限扩张压力越小;剪胀角增大,极限扩张压力随之增大。

静压桩贯入地基的球孔扩张-滑动摩擦计算模式

针对静力压桩的特点,将沉桩过程中的侧摩阻力和端阻力分开计算,建立了一种新的计算模式,即球孔扩张-滑动摩擦模式。编制了计算程序,对桩端土按球形孔扩张计算;对桩侧土按滑动摩擦计算。算例证明,该计算模式是可行的。

拉压模量不同的剪胀土体中的球孔扩张问题

土体具有不同的拉压模量和剪胀特性。为使球形孔扩张问题的解答更符合实际情况,根据不同模量弹性理论和非关联Mohr-Coulomb流动法则研究了球形孔扩张时弹性区和塑性区的应力和位移,得到了弹性区和塑性区的径向应力和环向应力的解析解以及最大塑性区半径与扩张压力的计算表达式。探讨了不同拉压模量之比、拉压泊松比和剪胀角对球形孔扩张的扩张压力及塑性区半径的影响。结果表明:拉压模量比、拉压泊松比和剪胀角对球孔扩张时塑性区的开展和扩张后土体的应力有重要影响,计算中忽略这些参数将带来较大的误差。

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。

考虑压滤效应饱和黏土压密注浆球孔扩张理论

为了研究压滤效应对压密注浆的影响,在考虑滤出水渗流和土体弹性变形耦合的基础上,推导出了考虑压滤效应时饱和黏土压密注浆球孔扩张的控制方程.并在不考虑土体渗透率变化的前提下,对该控制方程进行简化,得到径向应力和径向位移的表达式,该简化方法可较好地计算球孔扩张问题中径向应力和径向位移.与本文计算方法相比,传统的球孔扩张理论无法考虑压滤效应和有效应力比的影响,当有效应力比较小时(即浆液较稀),传统方法的误差较大.利用本文方法对压密注浆过程进行分析,结果表明:随着半径的增大,径向应力显著减小,随着有效应力比的减小,内侧土体的径向应力逐渐减小;有效应力比对内侧土体径向位移的影响不大,而随着有效应力比的减小,周围土体的径向位移逐渐增大.

饱和粘土中球孔扩张问题弹塑性解析

为了研究静力触探试验及沉桩扩孔等工程问题,基于修正剑桥模型,推导了不排水条件下球孔扩张问题的半解析解.将扩张球孔周围土体分为临界状态区、塑性区以及弹性区三个区域.弹性区内,利用弹性理论得到应力和孔隙水压力的解答;临界状态区及塑性区内,利用相关联的流动法则、拉格朗日分析法建立了关于应力的一阶非线性常微分方程组,以弹塑性界面处的应力分量作为初值,求解微分方程组可得到应力和孔隙水压力的解答.研究结果表明:各向同性超固结比对扩孔压力、土体应力、超孔隙水压力以及塑性区范围均具有显著影响,且扩孔过程中土体剪切模量并非常量,其随扩孔半径、各向同性超固结比的变化而变化;同时通过与已有解答进行比较,对本文方法的可靠性进行了验证.

基于广义SMP准则的球孔扩张理论解及其应用

通过广义空间滑动面(广义SMP)准则,结合非相关联流动法则对球孔扩张问题进行了理论分析。利用应力不变量推导了符合黏性土中球孔扩张的屈服准则;通过弹塑性区边界条件,推导了孔周土体应力场和考虑剪胀角影响的应变场、位移场。利用体积守恒和塑性区平均体应变表达式,推导出扩孔压力p与初始孔半径a0、扩孔后半径a三者之间的理论关系式,通过该关系式给出了求解球孔扩张问题的具体方法和极限扩孔压力pu的计算式。此外,运用镜像法推导了考虑半无限空间下的压密注浆挤土竖向位移计算公式。最后通过算例分析了球孔扩张问题中应力场分布、不同剪胀角下位移场分布,以及扩孔后半径a对塑性区半径rp和扩孔压力p的影响规律。结果表明,剪胀角是球孔扩张问题中的一个重要参数,随着剪胀角增大,径向位移减小,塑性区半径和扩孔压力均增大。

邻近斜坡沉桩挤土球孔扩张分析

针对邻近斜坡条件下沉桩挤土球孔扩张问题,假定土体为线弹性模型,将桩体的贯入模拟为球形孔扩张过程,采用镜像方法,得到了邻近斜坡条件下球孔扩张挤土位移解答。分析了考虑边界的不同倾斜角度下的球孔扩张挤土位移场变化规律。结果表明,随着倾斜角度的减小,倾斜边界对球孔挤土位移的影响逐渐减小。此可以为类似工程挤土位移控制及参数设置提供参考。

考虑渗流影响的球孔扩张理论解答

为研究沉桩过程中渗流作用下球孔扩张引起的土体力学响应,基于桩端应力为三轴压缩状态下的空间滑动面(SMP)准则和非相关联流动法则,考虑渗流和剪胀特性等因素的综合影响,结合弹塑性边界条件推导了饱和无黏性土球孔扩张问题的弹塑性解答。利用体积守恒并考虑塑性区的弹性变形条件,得出了极限扩孔压力的理论解答。在此基础上,通过与不考虑渗流影响的球孔扩张解答对比,研究了渗流体积力对球孔扩张中应力和塑性区半径的影响。研究结果表明:随着渗流体积力的增大,扩孔压力和塑性区半径均减小;剪胀特性对土体的位移和变形影响显著,随着剪胀角的增加,扩孔周围土体的径向位移减小,并沿径向逐渐趋于零;随着土体强度的增大,扩孔压力明显增大。该解答可为富水工程中进行扩底沉桩等岩土渗流问题提供必要的理论依据。

基于球孔扩张理论的静压桩桩端阻力解析解

为了研究静压桩在饱和黏土中的沉桩端阻力,利用球孔扩张理论推导出极限桩端阻力的计算公式,并通过室内模型试验测量出不同深度桩端阻力的数值.结果表明,静压沉桩过程中桩端阻力随着压桩深度先是呈快速增长,之后渐渐变缓且趋于平稳.极限桩端阻力的理论值是随着桩体半径呈二次曲线增长的,随着土体粘聚力的增大而增大,也随着内摩擦角的增大而变大.经对比分析可知,对于长桩采用本文理论方法所求得的极限端阻力计算值更贴近沉桩终止时的实测值.

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。

基于球孔扩张理论的软黏土中载体桩桩端挤密加固效应

载体桩是近年来出现的一种新桩型,其主要利用柱锤对深层土体进行填料夯实,形成桩端扩大载体,从而大大提高桩体竖向承载力。虽然载体桩在实际工程中广泛应用,但目前仍缺乏较为严格的理论分析,特别在关于评价载体的加固范围和载体对土体的挤密效应方面,仍然研究较少,这大大制约了载体桩的推广和发展。针对该问题,将柱锤对填料夯实的过程简化为球孔扩张力学模型,软黏土采用修正剑桥模型的本构关系来模拟,建立球孔扩张偏微分控制方程组,通过相似变换的求解技术将偏微分方程转化为常微分方程组,利用微分方程数值求解技术获得常微分方程组的数值解。开展参数分析,探讨球孔扩张过程中孔周土体强度和刚度的变化、孔周土体挤密区的范围等,从理论角度揭示载体桩载体成形过程中的加固机理,为建立考虑桩端挤密效应的载体桩竖向承载力计算方法提供理论基础。

岩土工程中多因素下球孔扩张解析

文中通过球对称问题的应变协调方程,考虑渗流理论、中间主应力和相关流动法则分析球孔扩张问题,得出考虑渗流作用的基于统一强度理论的塑性区应力和位移基本公式,研究了球孔问题中塑性区半径和扩孔压力的参数变化规律。

基于球孔扩张的盾构隧道壁后注浆压密模型

为研究盾构隧道壁后注浆的压密效应,假设压密阶段浆体在土体中呈半球形扩张。应用弹塑性理论对球形浆体的扩张过程进行了理论推导,建立了盾构隧道壁后注浆压密模型,计算了压密注浆体的扩张率、土体塑性区扩张率以及注浆对管片产生的压力,分析了注浆压力和土体的弹性模量、粘聚力、内摩擦角等特性参数对管片压力荷载的影响。分析结果表明:注浆对管片的压力随着注浆压力和土体泊松比的增大而增大,随着土体弹性模量、粘聚力和内摩擦角的增大而减小;注浆对单位面积管片产生的压力不随注浆压力和土体特性的改变而改变;注浆对管片产生的压应力随着远离注浆孔而减小。

考虑土体超固结特性及拉压模量的球孔扩张解答

为了研究土体超固结特性、拉压模量及拉压泊松比差异等因素对球孔扩张的影响,将球孔扩张周围的土体分为弹性区和塑性区,在弹性区采用小变形理论,在塑性区采用大变形理论和修正剑桥模型,推导出考虑以上因素的塑性区半径、临塑扩孔压力以及极限扩孔压力的理论解答。研究结果表明:塑性区半径随着超固结比β的增大而逐渐减小,临界扩孔压力以及极限扩孔压力随超固结比β的增大而呈非线性增大;拉压泊松比v-/v+越小,临界扩孔压力越大,塑性区开展半径越小;临界扩孔压力随着拉压模量比E-/E+的增大而不断减小,塑性区半径随E-/E+的增大而不断增大;考虑以上因素能更加经济、合理地指导工程设计。