孔擴張理論研究及自鉆式旁壓試驗數(shù)值分析.pdf

1、旁壓試驗的基本原理是利用旁壓儀對鉆孔壁施加橫向均勻應(yīng)力，使孔壁土體發(fā)生徑向變形直至破壞，量測壓力和徑向變形的關(guān)系，或加壓使孔壁膨脹至某孔徑時做保持試驗，觀測超孔隙水壓力的消散過程，然后可根據(jù)試驗結(jié)果(壓力-體積曲線或超孔隙水壓力消散曲線)確定土體的物理力學(xué)性質(zhì)、區(qū)分土類及確定地基承載力等。其中，自鉆式旁壓試驗(SBPT)因具有擾動小、測試深度大等優(yōu)點成為確定土性參數(shù)有效的原位測試手段之一。在飽和軟黏土層中宜采用SBPT，但利用常用的步驟

2、確定的黏土不排水剪切強度及滲透特性參數(shù)與其它高質(zhì)量的試驗結(jié)果有差別。因此，分析其在確定黏土不排水剪切強度和滲透性參數(shù)時可能產(chǎn)生的誤差及修正研究是本論文的研究目的之一。大多數(shù)旁壓試驗的分析方法基于柱形孔擴張理論，其中包含材料特性、旁壓儀幾何特征和排水條件等重要假設(shè)。除了對旁壓試驗機理解釋及反分析確定土體特性參數(shù)外，孔擴張理論還是許多其它巖土工程問題研究的基礎(chǔ)理論。目前利用較符合實際地描述土體的非脆性軟化及剪脹，并考慮中主應(yīng)力影響的模型進行

3、的孔擴張分析尚少。因此，發(fā)展和完善孔擴張理論是本論文研究的另一目的。具體地，論文主要研究內(nèi)容及所取得的研究成果包括以下方面： 1、回顧SBPT在確定土性參數(shù)上的應(yīng)用，討論了以孔擴張理論為基礎(chǔ)確定的土性參數(shù)的誤差來源，總結(jié)了現(xiàn)有的誤差分析方法及誤差修正。 2、針對中主應(yīng)力對孔擴張問題的影響，采用SMP破壞準(zhǔn)則及非關(guān)聯(lián)流動法則，并結(jié)合Bolton簡化的應(yīng)力-剪脹關(guān)系及Bolton模型，以反映砂土的剪脹和應(yīng)變軟化特性，運用塑性

4、區(qū)離散分析方法，對不同初始狀態(tài)下典型石英砂(Ottawa砂)中的柱形孔擴張問題進行了分析及數(shù)值計算，不僅得到了砂土中柱孔擴張的應(yīng)力場、應(yīng)變場、極限擴孔壓力、塑性區(qū)半徑，還可獲得塑性區(qū)土體的內(nèi)摩擦角、剪脹角和孔隙比的變化。該數(shù)值方法可同時用來分析零和非零初始孔徑的柱形孔擴張問題。通過與基于Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的計算結(jié)果比較分析，探討了孔擴張問題中的中主應(yīng)力效應(yīng)，并闡述了砂土的相對密度、初始應(yīng)力、臨界狀態(tài)摩擦角對塑性區(qū)半徑比、極

5、限擴孔壓力、剪脹等的影響。比較結(jié)果表明基于Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的解答偏于保守。繪制了一系列不同初始狀態(tài)和臨界狀態(tài)內(nèi)摩擦角時Ottawa砂的孔擴張結(jié)果圖，為確定具有相似性質(zhì)的砂土中柱孔擴張的極限擴孔壓力和塑性區(qū)半徑提供直接的參考。 3、針對非脆性軟化及剪脹的摩擦黏性巖土材料中的柱形孔擴張問題，將土體損傷后的軟化特性用材料的力學(xué)性能參數(shù)下降來描述，引入損傷軟化參數(shù)?？紤]土體的剪脹與內(nèi)摩擦角、黏聚力以及平均有效應(yīng)力的相關(guān)性

6、和結(jié)構(gòu)性衰減(軟化特性)對應(yīng)力-剪脹關(guān)系的影響，將反映結(jié)構(gòu)性衰減的黏聚力下降公式代入Rowe(1971)的應(yīng)力-剪脹方程，修改了Rowe(1971)的應(yīng)力-剪脹關(guān)系。在塑性區(qū)采用對數(shù)應(yīng)變描述土體的大應(yīng)變特性，在彈性區(qū)采用小應(yīng)變理論，同時使用廣義SMP準(zhǔn)則和修改的應(yīng)力-剪脹關(guān)系，結(jié)合平面應(yīng)變軸對稱問題的控制方程，推導(dǎo)并給出完全排水條件下摩擦黏性巖土材料中的柱形孔擴張問題的求解步驟，得到柱形孔擴張的孔擴張率、塑性流動參數(shù)(剪脹)、極限擴孔壓

7、力、塑性區(qū)變化規(guī)律等。進一步，通過損傷軟化參數(shù)、內(nèi)摩擦角和黏聚力的變參數(shù)計算，探討了它們對土體剪脹性、塑性區(qū)應(yīng)力、塑性區(qū)變化規(guī)律及極限擴孔壓力的影響；并與基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的解答進行對比分析，研究了中主應(yīng)力對孔擴張結(jié)果的影響。 4、利用通用有限元分析軟件ABAQUS模擬黏土中不排水條件下的自鉆式旁壓加載試驗，針對旁壓儀探頭長徑比及應(yīng)變區(qū)間的選擇對確定土體不排水剪切強度的影響進行了分析。使用修正劍橋模型模擬土體應(yīng)力-

8、應(yīng)變特性，采用低滲透系數(shù)控制加載過程中的不排水條件，通過數(shù)值計算確定不同長徑比、不同應(yīng)力歷史下的旁壓加載曲線。根據(jù)Gibson等建議的方法，選擇幾個應(yīng)變區(qū)間，用最小二乘法確定該區(qū)間曲線的斜率，該斜率為不排水剪切強度值。當(dāng)只考慮長徑比對確定不排水剪切強度的影響時，以從L/D=∞的旁壓曲線確定的不排水剪切強度作為真實值S∞u，不同應(yīng)力歷史(OCR)下土體的不排水剪切強度真實值與不同長徑比時確定的不排水剪切強度的比值S∞u/SL/Du作為考慮

9、L/D影響的修正系數(shù)。通過OCR在1～20，L/D在6～∞范圍內(nèi)的計算，確定了從正常固結(jié)到重超固結(jié)土體，5種長徑比時不排水剪切強度修正系數(shù)。應(yīng)變區(qū)間對修正系數(shù)有一定影響，對于同一旁壓曲線，選擇的應(yīng)變區(qū)間越大，修正系數(shù)會有所減小，不排水剪切強度的高估量增加。而應(yīng)變區(qū)間的選擇對確定不排水剪切強度值的影響顯著，隨著應(yīng)變區(qū)間的增大，不排水剪切強度明顯增加。因此，選擇合適的應(yīng)變區(qū)間對測定較準(zhǔn)確的不排水剪切強度值至關(guān)重要。通過將從有限元模擬的平面應(yīng)

10、變和不排水條件下的旁壓加載曲線確定的不排水剪切強度和Cao等解析解比較，建議了不同應(yīng)力歷史下確定不排水剪切強度的應(yīng)變區(qū)間。 5、以Ducker-Prager理想彈塑性模型為基礎(chǔ)，模擬了旁壓應(yīng)變保持試驗(SHT)，分析旁壓儀幾何尺寸、加載應(yīng)變水平、滲透系數(shù)、應(yīng)變加載率對孔擴張過程中排水情況、超孔隙水壓力分布及土體固結(jié)行為的影響，建議了應(yīng)變加載率，給出了Randolph解的適用條件，并考慮不同滲透系數(shù)、不同應(yīng)變加載率引起的部分排水的

11、影響，對Randolph解進行修正，建議了誤差曲線。為分析土體流變性對SHT過程中超孔隙水壓力消散及推求土體固結(jié)系數(shù)的影響，采用Drucker-Prager理想彈塑性與土體流變的耦合模型描述土體的應(yīng)力應(yīng)變強度關(guān)系及其對時間的依賴性，利用有限元法模擬SHT過程，分析土體流變性對超孔隙水壓力消散的影響。其中，流變時間硬化模型參數(shù)由土體流變試驗確定。分析發(fā)現(xiàn)，土體的流變對超孔隙水壓力消散的影響，除了通過應(yīng)力松弛改變應(yīng)力水平而使超孔隙水壓力下降