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孔扩张理论研究及其在静力触探技术中的应用

李波  
【摘要】: 静力触探土工原位测试技术是获得土性参数较准确的方法之一,多年来受到岩土工程界的广泛重视。该技术是通过将带有探头的锥杆匀速贯入土中,用传感器来测探头上的阻力q_c、锥杆侧壁摩阻力f_s及探头或锥杆上的超孔隙水压力△u。利用测试结果,可以进行土层划分、辨别土性、确定土的物理力学性质及确定地基土的承载力等,具有较高的精度。在q_c、f_s、△u三者之中,q_c的应用最广泛。在实际生产中通常利用数理统计的方法建立锥头阻力和土的工程特性之间的各种相关关系,处于经验阶段。对锥头阻力进行近似理论分析研究是很必要的,是本论文研究的目的之一。在揭示静力触探贯入机理方面,主要应用刚塑性理论的纯剪切理论。而实际上静力触探在一定深度的土层中连续贯入,是高应力水平下探头周围附近土体大应变的塑性破坏与更外围土体小应变的弹性变形共同作用的结果。无限土体中孔扩张理论能够很好地考虑土体的压缩机理而被广泛用于解决静力触探和深基础承载力的有关岩土工程问题中,发展和完善孔扩张理论是本论文研究的另一目的。具体地,论文主要研究内容及所取得的研究成果包括以下方面: 1.孔扩张理论的研究和发展 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ε_v与大主应变ε_1及大主应变ε_1与小主应变ε_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和砂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、软化特性以及中主应力对孔扩张问题的影响。具体有以下结论:(1)空间准滑动面理论在平面应变状态下的形式简单,便于解析分析研究,与普遍采用的Mohr-Coulomb准则相比,包含了中主应力对土体强度的效应。结果表明,基于SMP准则即考虑中主应力影响时塑性区半径比基于Mohr-Coulomb准则的塑性区半径明显减小,而极限扩孔压力比不考虑中主应力时要大。基于Mohr-Coulomb准则的圆柱孔在黏土和砂土中扩张问题的解偏于保守。(2)土体的剪胀特性对柱形孔扩张影响很显著。随着剪胀参数的增大,柱孔在黏土和砂土中的扩张极限压力、塑性区扩展范围和径向位移相应增大。(3)在相同的扩张压力下,土体的软化程度越高,孔扩张位移越大;极限扩张压力则随着软化参数的增加而明显降低,软化程度越高越明显。软化现象对应力的分布影响很小。故对于以位移为控制设计参数的实际工程,考虑土体的应变软化和剪胀特性是必要的。 进一步地,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,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,在塑性区内采用不相关联流动法则和对数应变定义分别考虑剪胀效应和大应变特性,推导并给出一般黏性土中柱形孔扩张问题的弹性区和塑性区的应力场及孔扩张率。通过算例分析,探讨了大小应变理论的采用、土的剪胀因素、软化特性以及中主应力对孔扩张率的影响。具体有以下结论:(1)当扩张压力较小时,分别采用大小应变理论计算的柱形孔扩张率结果非常接近,但随着扩孔压力的的增大,差距也逐渐增大,因此小应变理论只能应用于扩张压力较小的情况。但两种理论分析结果的总趋势是一致的。(2)在大应变理论情况下,进一步证实了土体的剪胀特性、土体的应变软化和中主应力对柱形孔扩张影响的显著性。 2.锥头阻力的近似理论分析方法研究 锥头阻力在静力触探试验中扮演着十分重要的角色,在获得土性参数的过程中起着不可磨灭的作用。本文对现有主要的基于承载力理论和孔扩张理论的锥头阻力近似理论分析方法进行了全面的总结和进一步的比较分析。根据回顾与比较,可知承载力理论忽略了土的压缩性和锥杆周围应力增加的影响,故不能精确地模拟探头的深层贯入,其计算结果和实测值相比偏小。而孔扩张理论提供了一个分析锥头阻力的简单而较精确的方法。它考虑了土的压缩性(或膨胀)和探头贯入过程中锥杆周围应力增加的影响,能更加真实地模拟静力触探在黏土和砂土中的贯入过程。比较结果证明,基于柱孔扩张理论的锥头阻力近似理论分析方法的解与试验结果符合得最好。说明了柱孔扩张理论在建立静力触探近似理论分析方法方面的可行性。 采用SMP屈服准则以考虑中主应力对砂土强度的影响,基于增量弹塑性模式和柱孔扩张理论推得砂土中静力触探极限锥头阻力和极限锥头阻力临界深度解析解。该解对于砂土中桩端阻力及静力触探探头端阻力所存在的临界深度及其以下的稳值现象能够给予比较合理的定量解释。增量弹塑性模式能够反映砂土塑性区大应变下的增量剪胀特征和外围弹性区小应变下的压缩特征,可以很好地模拟静力触探的贯入机理。同时,分别基于Mohr-Coulomb准则柱孔扩张控制方程和Mohr-Coulomb准则球孔扩张控制方程推导了锥头阻力和极限锥头阻力临界深度解析解。结合试验数据,将分别基于SMP准则柱孔扩张控制方程、Mohr-Coulomb准则柱孔扩张控制方程和Mohr-Coulomb准则球孔扩张控制方程的解析解进行了比较。结果表明基于SMP准则柱孔扩张控制方程的解与试验数据拟合的最好,而基于Mohr-Coulomb准则柱孔控制方程的解偏高,基于Mohr-Coulomb准则球孔控制方程的解在内摩擦角没有修正的情况下偏低。再一次说明柱孔扩张理论在建立静力触探理论分析方法的可行性,以及建立静力触探在砂土中锥头阻力理论分析方法时考虑中主应力影响的必要性。 以有限元软件ABAQUS为工具,分别考虑了土体的大变形和小变形特征,模拟静力触探探入后周围土体内的各响应,分析了锥尖部位及沿探杆长度的应力场和位移场,并探讨了各土性参数对应力场和位移场的影响、探头的尺寸效应以及贯入的深度影响。


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