球(柱)孔扩张问题的扩孔压力与扩孔半径分析

为研究无黏性土中沉桩扩孔和静力触探试验等岩土工程问题,采用Tresca准则对球(柱)孔扩张问题的扩孔压力和扩孔半径关系进行理论分析。以圆孔扩张理论为基础,利用弹塑性交界面处的边界条件建立平衡方程,推导出球(柱)孔扩张问题中塑性区半径rp与扩孔压力p和扩孔半径a的关系,并结合孔周土体体积变化规律,得到了初始半径a0、扩孔半径a和对应的扩孔压力p三者之间的理论关系;同时为判断孔周围土体是否进入弹塑性状态,确立了可由扩孔半径a判定的公式。此外,基于上述理论公式推导出了不排水条件下球(柱)孔扩张的应力场、位移场和扩孔压力极限值pu。分析结果表明:同一初始状态下,扩孔压力p随初始半径a0与扩孔半径a的比值而变化;且塑性区半径rp仅与扩孔半径a的变化有关;当扩孔半径a大于某一定值时孔周土体进入弹塑性状态。最后通过算例分析,对球(柱)孔扩张中应力场和位移场分布、塑性区半径、扩孔压力以及扩孔压力极限值的变化规律进行了分析。     

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。     

饱和黏土中考虑土塞效应的柱孔扩张分析

为研究静压开口管桩的挤土效应,在考虑土塞效应的前提下,采用柱孔扩张理论对管桩压入饱和软黏土时的扩孔过程进行了分析。基于可以合理描述黏性土强度特性的拓展Lade-Duncan屈服准则,对柱孔扩张过程中的桩周土体进行了弹塑性理论推导,得到了桩周土体应力场、位移场、塑性区半径、极限扩孔压力和塑性区外侧边界径向位移的解析解。在此基础上,通过室内模型实验获得了软土中开口管桩的土塞高度,且运用等效替代法验证了理论解答的合理性;并通过引入土塞长度比对参数进行了分析。结果表明:在沉桩过程中随着土塞长度比的增大,塑性区半径、极限扩孔压力和塑性区外侧边界径向位移均逐渐减小;土体的剪切模量和黏聚力对沉桩挤土效应有显著的影响,挤土效应始终随着土塞效应的增强而减弱。该研究成果对开口管桩工程的实际应用具有一定理论指导意义。     

不同排水条件下非饱和土中柱孔扩张问题的解析分析

现有的圆柱孔扩张理论已可为诸如石油工程中井筒稳定性鉴定、 及旁压和圆锥贯入实验分析等提供理论依据, 但在非饱和地基压力注浆, 复合地基处理等实际工程问题中却鲜有应用. 基于弹塑性理论和非饱和土力学原理, 采用统一强度理论, 对非饱和土中柱形小孔扩张问题进行了解析研究. 首先将柱孔周围土体分为弹性区和塑性区, 并考虑在弹性区遵循小应变理论, 在塑性区遵循大应变理论, 同时考虑了中间主应力及粒间吸力对非饱和土体强度的影响. 其次应用有效应力表示的统一强度准则, 在本构关系、几何方程、动量平衡方程等基本方程的基础上, 结合相应的边界条件, 最终获得了不同排水条件下柱孔扩张时周围弹塑性区域内的应力场、应变场、位移场及极限扩孔压力的解析表达式. 通过数值算例和参数分析, 在与现有的饱和及非饱和土中柱孔扩张理论进行退化验证的同时, 分析了吸力、剪胀参数、中主应力效应参数及初始径向有效应力等对弹塑性区域内的应力场、应变场及位移场的影响规律, 验证了本文理论的正确性及有效性, 以期为实际工程问题提供合理的理论依据.      

应变软化土体中柱形扩孔解析

给出子考虑剪胀作用的线性软化土体中柱形孔扩张的应力、位移场解析解;根据体积平衡方程导出极限护孔压力和最大塑性区半径的解析表达式,较好地弥补了经典理论的不足;计算讨论了土体软化和剪胀特性对柱形扩孔的影响。     

考虑土体结构扰动的三维柱孔扩张模型研究

基于考虑土体结构扰动的三维柱孔扩张模型分析沉桩挤土效应,提出对数式的土体原位强度扰动函数,引入土体灵敏度参数描述扰动的影响,推导出饱和土不排水条件下柱孔扩张的应力场、应变场及超孔隙水压力的解析解。参数分析结果显示:考虑土体结构扰动下的应力场及超孔隙水压力均高于不考虑扰动情况;应力在径向方向呈非线性变化,在深度方向呈线性变化;极限扩张压力随深度呈非线性变化,且受土体内摩擦角影响较大;一定深度时,扩张产生的相对超孔隙水压力恒定不变。通过案例比较,验证了所提出的三维柱孔扩张模型在挤土效应分析上具有更高的适用性,将传统理论由平面应变问题扩展到三维空间分析上,可以为沉桩施工提供更加科学的理论指导。     

沉桩扩孔速度对非饱和土中柱形扩孔挤土效应的影响

以柱形孔扩张模型模拟沉桩过程,推导出考虑速度因素时桩周土体的位移、应力解析解.以弹塑性交界面处单元体的运动情况作为参考标准,将区域内任何一点的应力、位移描述成塑性区半径和扩张后土体单元距孔心的距离函数.采用小变形理论求解出r处的径向扩张速度与弹塑性交界面的径向扩张速度之比应满足的关系式.最后结合沉桩扩孔速度的已知条件推导出沉桩后桩周土体塑性区、破坏区的范围.整个土体范围内应力、位移表达式形式仍与不考虑沉桩扩孔速度因素时一样.对比分析表明:相同桩径条件下,随着沉桩扩孔速度的增加,沉桩影响范围也越来越大;随着桩径的增加,沉桩影响范围受沉桩扩孔速度的影响程度则降低.此外,相应于一定的桩径存在一个临界速度,当沉桩扩孔速度大于临界速度时,需要考虑速度因素;小于临界速度时不考虑则是偏于安全的.本文的研究成果主要适合于软土.     

不同拉压模量厚壁球壳弹塑性分析

对具有不同拉压模量的厚壁球壳,采用双剪统一强度理论推导了其扩张问题的应力及位移的统一解.分析了不同模量、不同模型控制参数对厚壁球壳扩张时的扩张压力和应力场的影响.结果表明:厚壁球壳弹性极限压力、应力场、位移场等均随着模量控制参数、模型参数的变化而变化,在α1的情况下(即E~+E~-),可以明显提高球壳的弹性极限压力p_e;厚壁球壳塑性极限压力与材料的拉压模量无关,与模型参数η有关,且随η的增加,先增大后减小.因此若采用经典的弹性理论和单一的模型参数对厚壁球壳进行设计计算,会带来较大的误差.     

拉,压模量不同材料的球孔扩张问题

本文推导了抗拉、抗压模量不同材料的球孔扩张时的应力及位移的计算公式,并运用所推导的公式分析了材料的拉压模量不同时对球孔扩张时的应力、位移及塑性区开展规律的影响,并得出了一些有益的结论。     

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对具有不同拉压模量的厚壁球壳,采用双剪统一强度理论推导了其扩张问题的应力及位移的 统一解. 分析了不同模量、不同模型控制参数对厚壁球壳扩张时的扩张压力和应力场的影响. 结果表明：厚壁球壳弹性极限压力、应力场、位移场等均随着模量控制参数、模型参数的变 化而变化,在$\alpha<1$的情况下(即$E^ + < E^ - $),可以明显提高球壳的弹 性极限压力$p_e $; 厚壁球壳塑性极限压力与材料的拉压模量无关,与模型参数$\eta $有关,且随$\eta$的增加,先增大后减小. 因此若采用经典的弹性理论和单一的 模型参数对厚壁球壳进行设计计算,会带来较大的误差.     

被动桩中土拱效应特征与影响参数研究

采用平面有限元方法,对被动桩在粘性、无粘性土体条件下的土拱形成机理进行了分析。从土拱效应的4个主要方面:土拱形状、桩周土体塑性(拉裂)区的分布、竖向位移等值线及桩后土体残余荷载分担比,探讨了改变桩、土参数,如粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、剪胀角、桩土接触面特性时,土拱效应的变化规律。研究表明,土性不同时,土拱形成过程中土体的受力和破坏形式不同;泊松比、剪胀角、桩土接触特征对土拱效应的影响最明显;强度高、剪胀角大、桩土接触面粗糙或泊松比小的土体,易形成土拱。根据研究结果,指出Tom io Ito排桩塑性绕流土压力理论计算公式尚存不足。     

SOLUTION AND ANALYSIS OF CIRCULAR TUNNEL FOR THE STRAIN-SOFTENING ROCK MASSES CONSIDERING THE AXIAL IN SITU STRESS AND SEEPAGE FORCE

为了研究轴向应力和渗透力共同作用下软化围岩的应力与位移的变化及分布规律. 基于摩尔-库伦屈服准则及应力-应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用,将整个塑性区分为有限个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值,并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径,据此重构了考虑渗透力和轴向力共同作用下软化围岩应力应变特性的逐步求解方法. 利用该方法,推导出软化围岩应力应变的解. 计算结果表明：在考虑轴向应力作用下,塑性区半径和隧道围岩位移都随着渗透力的增加而有所减小;当轴向应力为最小主应力时,渗透力的影响更为显著. 这说明渗透力的存在对于隧道围岩的应力应变分布以及塑性半径和围岩的位移有不可忽略的影响.     

考虑轴向力和渗透力时软化围岩隧道解析

为了研究轴向应力和渗透力共同作用下软化围岩的应力与位移的变化及分布规律. 基于摩尔-库伦屈服准则及应力-应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用,将整个塑性区分为有限个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值,并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径,据此重构了考虑渗透力和轴向力共同作用下软化围岩应力应变特性的逐步求解方法. 利用该方法,推导出软化围岩应力应变的解. 计算结果表明:在考虑轴向应力作用下,塑性区半径和隧道围岩位移都随着渗透力的增加而有所减小;当轴向应力为最小主应力时,渗透力的影响更为显著. 这说明渗透力的存在对于隧道围岩的应力应变分布以及塑性半径和围岩的位移有不可忽略的影响.      

理想弹塑性压力敏感性材料中球形孔洞的动态扩展研究

通过椭圆形的屈服方程和自相似假设,结合Hopkins三区模型,研究了理想弹塑性压力敏感性材料中球形孔洞的动态扩展问题,得到了塑性区场量的非线性控制微分方程组。通过弹性区的应力场以及弹塑性边界的塑性屈服条件,给出了塑性区的初值,并应用打靶法给出了问题的数值解。结果表明:与幂硬化材料中的应力场变化不同,理想弹塑性压力敏感性材料中,应力场的变化较小,且基本不受参数孔洞膨胀速度m和压力敏感性参数α1、α2的影响;随到孔边距离的减小,应变明显增大,同时相对密度稍有增大。     

RESEARCH OF CONSTITUTIVE RELATION CORRECTION OF GEOTECHNICAL MATERIALS AND THEORETICAL SOLUTION DUE TO PILE-SOIL INTERACTION

地基土的变形模量值不仅和土层所受的先期固结压力大小直接相关, 还受桩土作用产生的附加体积应变的影响.首先, 针对岩土散体材料分析其本构关系的主要影响因素, 研究模量随埋藏深度和体积应变的变化规律, 并对Duncan-Chang本构模型进行抗拉模量值修正.其次, 综合考虑岩土材料拉压模量不等修正以及桩土作用位移边界特点, 应用变分理论推导桩土作用造成的位移、应变和应力场理论解答.最后, 应用已有的经典土压力理论和小孔扩张理论对理论推导结果进行对比和分析验证.研究结果对桩基础设计施工、相应环境保护措施的选择和设计有较大的指导作用.     

隧道围岩弹-脆-塑性应力的三剪统一解

基于三剪统一强度准则,采用更符合脆性岩石峰后强度特性的弹-脆-塑性模型,推导了考虑第二主应力和脆性软化共同影响的隧道围岩应力解,并与广义Hoek-Brown强度准则解进行了比较。研究结果表明:第二主应力、围岩材料模型、脆性软化均对围岩应力大小及分布具有显著影响。本文准则参数b=0时的应力解析解与广义Hoek-Brown强度准则应力解的峰值和分布规律均有较好的一致性,说明了本文应力解的合理性;当岩体强度具有明显的第二主应力效应时,广义Hoek-Brown强度准则已不再适用,但本文准则参数b>0时的应力解则具有很好的适用性。同时,理想弹-塑性模型低估了围岩塑性区范围,在准则参数b分别为0、0.05、0.1的情况下,弹-脆-塑性模型的围岩塑性区半径R相比理想弹-塑性模型平均可以增大45.5%;考虑第二主应力效应可以更加充分发挥岩石材料的强度潜能,随着准则参数b的增大,即第二主应力σ2效应的增大,围岩塑性区半径R和临界支护力py均不断减小,相比准则参数b=0时最大值分别减小了18.9%和10.8%。峰后粘聚力cr对围岩应力的影响也很显著,随着峰后粘聚力cr的增加,塑性区半径R不断减小,cr=0.11 MPa时的塑性区厚度比cr=0.055 MPa时减小43.3%。     

椭圆形孔扩张弹性分析

圆孔扩张理论作为一种相对成熟的理论工具已经广泛运用于岩土工程中的各类问题,但是对于初始孔为椭圆孔的扩孔问题,圆孔扩张理论并不适用。基于保角变换的方法将原物理平面上初始椭圆孔洞的外部映射到像平面上的单位圆外部,将原物理平面上由于椭圆孔洞扩张所产生的位移边界条件转换到像平面上,利用平面复变弹性理论,得到初始椭圆形孔洞孔扩张的弹性解。将本文椭圆孔扩张的退化解与传统圆孔扩张的弹性解进行对比分析,验证椭圆孔扩张弹性解的正确性。续而,针对一算例详细分析了椭圆孔扩张的弹性力学特性。研究结果表明,椭圆孔的退化解与传统的圆孔扩张弹性解完全一致,椭圆孔在弹性扩张过程中长轴方向比短轴方向较难扩张,长轴方向需要的扩张压力比短轴方向的要大。此外,当扩张率a2/a1=0.11/0.1=1.1时,扩张的影响半径为10倍的孔径左右.     

磁电热弹耦合材料三维多裂纹超奇异积分法

用超奇异积分方程法将多场耦合载荷作用下磁电热弹耦合材料内含任意形状和位置三维多裂纹问题转化为求解一以广义位移间断为未知函数的超奇异积分方程组问题,退化得到内含任意形状平行三维多裂纹问题的超奇异积分方程组;推导出平行三维多裂纹问题的裂纹前沿广义奇异应力场解析表达式、定义了广义(应力、应变能)强度因子和广义能量释放率;应用有限部积分概念及体积力法,为超奇异积分方程组建立了数值求解方法,编制了FORTRAN程序,以平行双裂纹为例,通过典型算例,研究了广义(应力、应变能)强度因子随裂纹位置、裂纹形状及材料参数变化规律,得到裂纹断裂评定准则. 最后,分析了裂纹间干扰、屏蔽作用及其在工程实际中的应用.      

土剪胀性的应力路径相关规律及其模拟

建立能够反映土的变形和强度特性应力路径依存性的本构模型, 首先需要解决土剪胀规律的应力路径依存性问题. 对黏土和砂土剪胀性的应力路径依存性做了系统的分析和比较,模型预测与试验结果的比较表明: 剑桥模型和统一硬化模型在描述土的这一特性方面都有一定缺陷; 采用部分塑性体应变与塑性剪应变耦合的思路建立的渐近状态模型能够较好地反映土剪胀性的应力路径依存性.      

分数阶广义热弹性理论下中空柱热弹性分析

基于Laplace变换及特征值法,推导并给出了分数阶广义热弹性理论下中空柱内表面作用有热冲击情况的解析解,通过Laplace数值逆变换法求解得到了位移场、温度场、应力场的分布规律。结果表明:特征值法能准确给出Laplace域内方程组的解;分数阶参数对温度场和应力场有较大影响,对位移场影响较小。作为广义热弹性理论的一种推广,在处理热传导问题时,通过分数阶广义热弹性理论进行研究更科学、全面。