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基于统一强度理论的桩基扩孔问题弹塑性分析

王亮  
【摘要】: 挤密桩、静压桩、沉管桩等具有挤密、挤土效应的施工方法是国内外工程界最常用的和最有效的常规地基处理方法,这些施工技术可以更好地改良土质,形成复合地基,达到提高地基承载能力的目的。它们所涉及的工程原理都属于桩基扩孔问题,因此,开展桩基扩孔过程中孔周土体的应力场和位移场分布的理论研究有重要的理论意义和工程应用价值。 目前,在桩基扩孔问题上的研究,大多是限于对其各种工程技术和不同土质处理方式方面的研究,但是对桩基扩孔过程中孔周土体的应力变化和随应力变化发生的孔周土体挤密机理研究却甚少涉及。同时,桩基扩孔过程中,孔周土体的应力场变化及其相应的土体塑性变形理论研究还很不完善,在以往的理论推导过程中多采用Tresca、Mohr-Coulomb等强度准则,没有考虑中间主应力和土壤SD效应的影响,致使其计算结果往往与实际情况不符。因此,本文采用统一强度理论和孔扩张理论对桩基扩孔中孔周土体的应力场和位移场进行弹塑性理论分析。 在粘性土中,假设桩周土的应力应变关系为理想的弹塑性模型,并认为土壤材料在塑性状态服从统一强度屈服准则,粘性土的弹塑性区均采用小应变理论。使用新的统一强度理论分别对桩基扩孔问题单桩和群桩两种情况下的平面应力场和平面应变场进行了理论推导,系统得给出了用以描述桩基扩孔行为的一系列新的解析式,单桩情况下所得解析式是群桩情况下所得解的特例。该过程考虑了土壤材料SD效应(拉压性能不同)和中间主应力效应,并可根据以上两种效应参数的确定,解析式均可退化为不同的、全新的用以描述粘性土桩基扩孔行为的新解,文中为便于和以往解析式对比,给出了描述粘性土桩孔扩张行为的Tresca系列解。同时进行了粘性土中统一强度参数的影响分析。上述取得的理论成果,填补了粘性土中桩基扩孔工程方面的理论空白,可以有效地应用于该方面工程问题的理论分析和设计参考。 在非粘性土中,假设桩周土的应力应变关系为理想的弹塑性模型,并认为土壤材料在塑性状态服从统一强度屈服准则,在弹性区、塑性区分别采用小应变理论和大应变理论进行分析,将非粘性土剪胀角引入塑性环的大应变中,并利用无穷级数的迭代运算,求得剪胀性土壤的大应变孔扩张关系,当非粘性土形成塑性环时,则利用非关联流动法则推导出应力与应变的关系。通过使用新的统一强度理论分别对非粘性土桩基扩孔问题单桩和群桩两种情况下的平面应力场和平面应变场进行了理论推导,系统得给出了用以描述桩基扩孔行为的一系列新的解析式,单桩情况下所得解析式是群桩情况下所得解的特例。该过程考虑了土壤材料SD效应(拉压性能不同)和中间主应力效应,统一强度参数拉压比α和中间主应力影响系数b的确定,解析式可退化为不同的、全新的用以描述非粘性土桩基扩孔行为的新解,文中为便于和以往解析式对比,给出了描述粘性土桩孔扩张行为的Mohr-Coulomb系列解。同时进行了非粘性土中统一强度参数的影响分析。上述取得的理论成果,填补了非粘性土中桩基扩孔工程方面的理论空白,可以有效地应用于该方面工程问题的理论分析和设计参考。 本文对桩基扩孔弹塑性理论进行参数影响分析,从粘性土和非粘性土的多个参数出发,讨论了群桩有限边界的扩孔力-孔扩比关系,分析了孔扩张过程中桩孔初始半径、桩孔边界、初始地应力、土壤剪切模量、土壤剪胀角和土壤内摩擦角这些因素对桩基扩孔问题中孔扩张行为的影响。对于粘性土,在相同土壤参数的前提下,本文理论解与Houlsby试验值具有较好的一致性和相似性。同样,对于非粘性土,在相同土壤参数的前提下,本文理论解相当接近Hughes试验值,尤其是单桩(即无限边界)情况下,理论解与试验值的拟合程度较好,两者误差在5%以内。同时,通过对上述土壤参数的影响分析,得出了桩基扩孔过程中孔周土体变形的参数影响规律。这些规律极大地方便了粘性土和非粘性土中桩基扩孔问题影响因素的宏观定性分析。 本文从内摩擦角、剪胀角、泊松比、土壤剪切模量和桩孔边界五个因素出发,对桩基扩孔过程中的极限扩孔力进行了影响分析,得到了土壤参数影响的一般性规律:极限扩孔力与内摩擦角成正比关系;土壤剪胀角对极限扩孔力的影响很小;泊松比影响极限扩孔力比有限;粘性土、砂土在合理范围内增加剪切模量,极限扩孔力比变化小于2倍;边径比越大者,极限扩孔力比就越大,但随着桩孔边界的增加则极限扩孔力比增量的斜率减缓,桩孔边界越小及弹性模量越大者影响桩孔边缘的极限扩孔力就越明显。这里得到的极限扩孔力受土壤参数影响的一般性规律,可以更好地为桩基扩孔问题方面的工程设计提供指导。


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