孔擴(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(kuò)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(jī)理解釋及反分析確定土體特性參數(shù)外，孔擴(kuò)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(jìn)行

3、的孔擴(kuò)張分析尚少。因此，發(fā)展和完善孔擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(yùn)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(kuò)張問題進(jìn)行了分析及數(shù)值計算，不僅得到了砂土中柱孔擴(kuò)張的應(yīng)力場、應(yīng)變場、極限擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)張結(jié)果圖，為確定具有相似性質(zhì)的砂土中柱孔擴(kuò)張的極限擴(kuò)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(kuò)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)。考慮土體的剪脹與內(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(kuò)張問題的求解步驟，得到柱形孔擴(kuò)張的孔擴(kuò)張率、塑性流動參數(shù)(剪脹)、極限擴(kuò)孔壓

7、力、塑性區(qū)變化規(guī)律等。進(jìn)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(kuò)孔壓力的影響；并與基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的解答進(jìn)行對比分析，研究了中主應(yīng)力對孔擴(kuò)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(qiáng)度的影響進(jìn)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(qiáng)度值。當(dāng)只考慮長徑比對確定不排水剪切強(qiáng)度的影響時，以從L/D=∞的旁壓曲線確定的不排水剪切強(qiáng)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(qiáng)度真實值與不同長徑比時確定的不排水剪切強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度值的影響顯著，隨著應(yīng)變區(qū)間的增大，不排水剪切強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(kuò)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(jìn)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(qiáng)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