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扩孔问题的线性与非线性解析及其工程应用研究

邹金锋  
【摘要】: 扩孔理论在岩土工程领域有着广泛的应用,如用来确定地基的极限承载力、分析沉桩、静力触探和压密注浆等土工问题。早期的扩孔理论视圆孔周围塑性区土体为不可压缩的塑性固体,不考虑体变和大变形的影响,属于以纯剪理论为主的弹塑性混合课题。本文以压缩机理和大变形原理为出发点,首先采用能量法对高应力土体中的扩孔问题进行研究,然后采用大变形原理并考虑中主应力,对应变硬化和应变软化土体在排水与不排水条件下的扩孔问题进行研究,并将研究成果应用于注浆机理的分析和注浆压力的预估;最后采用Hoek-Brown强度准则,对隧道与地下工程中的扩孔问题进行研究。本文通过理论分析、试验验证、工程实例分析,取得了如下主要成果: (1)根据土体在高应力作用下的应力——应变——体变关系、非关联流动准则以及摩尔库仑破坏准则,推导出高应力状态下砂性土与粘性土极限扩孔压力的理论计算公式,该公式分别考虑了体变守恒和土体的大变形规律。与实测结果对比表明考虑大变形时的理论结果与实际情况更加吻合。该理论成功的对压密注浆的注浆压力进行了预估,说明该方法具有一定的工程应用价值。 (2)假设在弹性区中土体服从小变形理论,在塑性区中服从大变形理论,推导出塑性区半径、扩孔压力和超孔隙水压力的理论解答。上述解答考虑了土体剪胀、排水与不排水条件、中主应力以及大变形原理等因素。理论计算结果与工程实例的对比证实了该成果的可靠性。 (3)假设在弹性区中土体服从小变形理论,在塑性软化和塑性流动区中服从大变形理论以及非相关联流动准则,推导了软化土体扩孔过程中三个区域中的超孔隙水压力、极限扩孔压力和区域半径近似解以及总应力与有效应力场的分布规律。与前人理论成果的对比分析表明,上述理论成果具有一定的工程应用价值。 (4)借助水力致裂理论,对饱和土体中劈裂注浆初始阶段的力学机理进行了分析,并推导出排水与不排水条件下的劈裂注浆压力预估公式;现场实测结果与理论计算结果的对比表明,考虑中主应力时的理论结果与工程实践更加吻合。 (5)进行了现场注浆试验研究,获得了注浆压力时程曲线和注浆速率时程曲线,并将劈裂注浆压力预估公式的理论计算结果与现场试验结果进了对比,进一步证实劈裂注浆压力预估公式的工程应用价值。 (6)考虑围岩受力后的剪胀特性,应用Hoek-Brown强度准则,推导了破碎围岩中扩孔问题的极限扩孔压力和塑性区半径统一解答以及应力和位移场的理论解。


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