Study on plastic zone features around holes in underexcavation procedures for leaning buildings rectification and its applications

在建筑物水平掏土纠倾工程中，掏土孔间距是影响纠倾工程安全与工期的重要因素。为了快速准确地确定纠倾工程中的水平掏土孔间距，研究了单个掏土孔和多个掏土孔情况下孔周边土体塑性区发展特性。利用土体塑性力学分析计算得到了单孔下的孔周土塑性区半径，而后通过有限元模拟得到孔周土体塑性区半径的数值解，将孔周塑性区半径解析解与数值解进行了对比。并通过有限元数值模型研究了多个掏土孔相互影响情况下的塑性区发展规律，以孔间土体塑性区贯通时的距离作为掏土孔间距。考虑土体参数随机特性的影响，研究不同上部荷载作用下掏土孔间距的取值变化规律，上部面荷载与地基承载力特征值比值用p表示，孔间距与掏土孔直径比值用n表示。研究发现：多孔塑性区半径（孔间塑性区贯通时）是单孔塑性区半径的1.3倍左右;标准化荷载p与孔间距比值n二者呈线性关系;通过不同土体参数及上部荷载的不同情况下的p-n曲线，给出了掏土孔间距建议值。同时，将研究结果与三个实际工程进行对比，发现p-n曲线法与实际结果更为接近。     

建筑物水平掏土纠倾法孔周土体受力状态分析

研究单个和多个掏土孔在开挖时和开挖完成后的孔周土体受力状态,结果表明在土体承载力范围内,塑性区半径与掏土孔半径基本呈线性关系,两者比值为2～3;掏土孔孔深方向塑性区影响范围为建筑物前约0.25m至建筑物中间位置随掏土孔开挖深度增加,孔周压力发生移动,从掏土孔孔顶转移至孔侧位置,出现土拱效应;对粉质粘土,当掏土孔间距设置为其半径的4～6倍时,孔间土体大部分出现塑性破坏现象,可认定相邻掏土孔孔周土体塑性区贯通,即孔间土体塌陷.     

基于土极限应变的建筑物纠倾方法模拟与工程应用

水平掏土法是建筑物纠倾常用方法之一,确定临界掏土孔间距是建筑物安全平稳回倾的关键,其与土体性质、上部荷载等因素有关,目前主要依靠工程经验确定.针对建筑物掏土纠倾法,采用有限元极限分析方法,将土体极限应变作为破坏准则,并通过立方体模型数值分析得到土体极限应变值,超过极限应变定义为土体破坏.在此基础上,通过数值分析研究了工...     

基于鲁宾涅特解的建筑物掏土纠倾孔周土塑性区计算

考虑建筑物掏土纠倾地基土体侧压力和掏土的动态扰动影响,提出了基于鲁宾涅特解的掏土孔孔周土体塑性区计算方法,并推导了建筑物掏土纠倾孔间土体最大宽度确定方法。在某高层住宅楼掏土纠倾实例中,将其计算结果与圆孔扩张理论对比,并由现场监测结果进行了验证。结果表明:基于鲁宾涅特解的掏土孔孔间距与住宅楼施工间距基本一致,而基于小孔扩张理论的掏土孔孔间距理论解与现场施工相差较大,鲁宾涅特解对建筑物掏土纠倾孔周土体塑性区的求解具有更高的精度,由此证明,提出的孔周土体塑性区求解方法以及孔间土体最大宽度确定方法是可行的,与建筑物掏土纠倾工程实例吻合度较高。     

建筑物掏土纠倾法孔周土压力和破坏特性试验研究

掏土孔孔周土受力与变形以及破坏模式是建筑物纠倾研究的关键问题,影响纠倾设计中掏土孔直径及掏土孔间距等参数的确定。为了研究建筑物掏土纠倾法掏土孔周土压力变化、掏土孔破坏模式以及地基的沉降情况,设计并制作了可用于模拟掏土纠倾的模型箱,对掏土孔直径为200 mm,孔间距分别为400、600、800 mm的纠倾模型进行试验,分析了由于掏土孔开挖引起的地基土沉降及倾斜率。研究结果表明:掏土孔的破坏呈现立式椭圆、卧式椭圆及近似圆形三种破坏模式;通过孔侧和孔上部压力的变化,发现孔周土压力发生转移,从孔上部土压力向孔侧边土体转移,孔顶土压力减小,孔侧土压力增加,形成土拱效应;随着孔间距增加,土体形成稳定拱脚,从而不利于纠倾工程回倾;通过试验结果,建议孔间距为2～3倍掏土孔直径。     

砂土中柱孔扩张问题的扩孔压力与扩孔半径分析

 通过SMP屈服准则,对砂土中柱孔扩张问题进行理论分析。以柱孔扩张理论为基础,利用孔周土体塑性区的边界条件和土体体积变化规律,推导柱孔扩张问题中初始半径a0,扩孔半径a和对应的扩孔压力p三者之间的理论关系。利用上述理论公式,得到平面应变条件下柱孔扩张问题的扩孔压力的极限值pu和孔周土体的弹塑性区域应力场、位移场,进而求得塑性区半径rp与扩孔压力p和初始孔径a0的关系。分析表明,该应力场和位移场分布规律仅与柱孔的初始半径a0和扩孔压力p相关。此外,应用应力场公式,推导散体材料桩极限强度表达式。最后通过算例分析,对柱孔扩张中应力场和位移场分布、塑性区半径和扩孔压力的变化规律进行分析。     

建筑物基底掏土灌水法纠倾──设计方法与工程实例

通过确定塑性区最小半径,引人了掏土灌水法工程纠倾设计方法。八层砖混住宅楼纠倾工程实践证明,在粘土类地区采用基础迫降——基底掏上成孔灌水纠倾,具有技术合理、施工简单、可控性强、回倾速度容易控制的特点。     

刚性桩复合地基上建筑物掏土法纠偏研究

以某高层建筑纠偏项目为工程背景,采用实测数据分析和数值计算研究等方法对刚性桩复合地基上高层建筑物纠偏机理展开了系统研究。现场依据信息化监测数据分步、分批次对褥垫层掏土,采用多台钻孔机沿建筑纵向多个作业段同步掏土作业,实现了纠倾过程中建筑物的均匀回倾。建立了刚性桩复合地基上建筑物纠偏的三维数值计算模型,通过对比分析数值模拟结果和实际工程监测数据,得到了掏土量和掏土孔进深等因素对建筑物纠偏变形的影响规律。该研究可为类似纠偏工程的设计和施工提供参考。     

结构性黄土排水柱孔扩张问题弹塑性解析

为研究黄土地区原位测试、沉桩扩孔以及劈裂注浆等岩土工程问题,基于结构性黄土修正剑桥模型,在严格遵循平均有效应力与偏应力定义前提下,针对排水柱孔扩张问题导出严密解。在孔周弹性区采用小变形理论求得土体应力与位移解析解,在孔周塑性区采用大变形理论,并借助中间变量将圆孔扩张问题转化为基于拉格朗日描述的一阶常微分方程组的初值问题,结合孔周弹塑性边界条件,导出塑性区土体有效应力分量与比容的半解析半数值严格解。结果表明:得出的退化解与已有解析解完全吻合,并且考虑土体结构性的计算结果与黄土地区开展的原位试验结果也较接近,从而验证了该分析方法与计算结果的合理性;结构性对土体塑性区半径、塑性区应力与比容影响显著,考虑结构性影响能够提高土体强度,在超固结比较大时也能减小土体软化程度。该解答不仅能为静压桩的桩侧阻力、劈裂注浆压力与原位试验参数等计算提供参考,还能为该类工程的简化计算提供理论验证依据。     

初始半径对柱孔扩张问题的影响分析

从柱孔扩张过程中的体积假定,即弹性区和塑性区体积的变化等于扩张引起的体积变化出发推导了考虑初始半径的土体的塑性区半径和极限扩张压力公式,讨论了不同摩擦角、塑性区体应变、刚度比条件下,初始半径对土体的塑性区半径和极限扩张压力计算结果的影响。结果表明：随着初始半径、塑性区体积应变的增加,塑性区半径和极限扩张压力减小,减小的趋势随Ri／Ru的增大而逐步加大。对旁压试验与预钻孔打桩的工程实例进行了分析。     

溪洛渡电站地下厂房爆破损伤范围及判据研究

通过现场爆破振动测试和数值模拟方法研究地下厂房爆破损伤范围及判据;在应用FLAC3D数值模拟软件中,损伤变量D被引入弹塑性本构模型,同时将简化的三角形荷载作为爆破冲击荷载施加在炮孔孔壁上,并根据岩石中有效应力确定爆破损伤范围。调整同时起爆炮孔数目,改变单段起爆药量,研究爆破损伤范围与单段药量的关系,结果表明:损伤深度和损伤水平半径均随单段药量的增加而增大,损伤范围随着炮孔深度增加而减小,爆破损伤最大水平半径出现在炮孔顶部面上。根据爆破近区质点速度衰减规律,并通过数据拟合得到对应于不同单段起爆药量的最大损伤水平半径和相应部位爆破质点临界损伤振动速度的关系,临界损伤振动速度可作为爆破损伤安全判据。研究成果有效地应用到实践中,对类似开挖爆破工程具有一定指导意义。     

基于圆孔扩张理论的支盘桩成型过程挤土效应分析

运用圆孔扩张理论对挤扩支盘桩成型过程的挤土效应进行了分析。得到了支盘成型过程中桩周土的临界压力pc、极限扩张压力pu及塑性区最大半径r1max的计算方法和挤扩设备挤土时施加的作用力的计算方法。同时得到了在特定场地土条件下挤土臂张角不同时桩周土的塑性区的变化范围。     

复合支护下深基坑的变形破坏和支护结构

以某深基坑工程为研究对象,利用岩土数值分析FLAC 3D软件,建立三维数值分析模型,模拟开挖和支护实际工况,分析了双排微型桩复合土钉支护下基坑开挖过程中的变形破坏和支护结构受力演化特征。结果表明:坑壁水平位移总体上呈现基坑顶部小、基坑中下部大的形式,位移等值线呈鼓肚状;基坑基底隆起量较大,随着距基坑壁距离的减小而减小;基坑边坡竖向沉降较小,最大沉降量出现在支护结构之后;土钉轴力分布呈中间大、两端小的形式,离基坑底部越近,土钉的最大轴力点越靠近基坑开挖面,且随着开挖深度增加,土钉轴力初始增长迅速而后发展较为缓慢;前排微型桩弯矩大于后排,微型桩最大弯矩随着开挖深度的增加不断增大且不断下移,开挖完成后弯矩最大值位于基坑底部以下2 m深度处;基坑开挖及支护过程中监测点的位移时程曲线和塑性区分布区域说明基坑整体稳定性较好,但在坡顶后缘出现拉张塑性区,基坑壁浅表层和基坑底角部位出现剪切破坏区,在施工中应对其采取针对性措施进行保护;该研究成果对深基坑开挖过程中动态演化过程认识和变形破坏防治具有一定参考意义。     

打桩对周围土体的影响

在饱和软土小孔扩张理论的基础上,推导了一般粘性土的弹塑性解主要包括弹性区、塑性区任一点的应力增量、塑性区边界上径向位移、塑性区半径及桩土间的挤压应力,通过现场测试分析了打桩对周围土体特性的影响,并给出了其扰动区域。     

圆形巷道围岩变形压力新解法

将巷道围岩塑性区内的岩体视为塑性软化介质，以岩体的全应力─应变曲线后破坏段的应力值作为岩体的塑性软化强度，得到了关于巷道围岩塑性区半径和应力的一般解，适用于具有理想弹塑性、应变软化和应变硬化特征岩体中巷道变形压力的分析计算。由于本文力学模型中引入了岩体的全应力─应变曲线，很好地反映了岩体出现塑性变形后强度降低的特点，所以计算结果对工程实践具有指导价值。著名的Ｈ．Ｋａｓｔｎｅｒ公式可以看成是本文公式在岩体出现塑性变形后强度不变的条件下的一个特解。     

K0固结饱和黏土中打桩对邻近桩影响分析

动力打桩过程可能会引起既有桩基产生较大位移,进而影响建筑物安全稳定。本文在K₀ 固结各向异性本构模型的基础上,推导了桩周土体破坏区和塑性区的半径计算方法,建立了打桩引起周围土体应力和超孔压的理论计算公式。在此基础上,以最小能量原理为理论依据,将超孔压视为外荷载,提出了其在向周围土层的传递方式,并在半无限空间体内推导了其对周围土体径向应力的影响,并结合天津典型软土对研究成果进行了分析。研究结果表明:建立的柱孔口扩张弹塑性理论计算结果与既有方法基本一致,超孔压在塑性区沿径向衰减速度明显较大;当桩间距较小时,打桩会使邻近已打设刚性桩产生较大水平位移。     

基于Drucker-Prager分析深埋球形洞室弹塑性

基于岩体力学中关于深埋圆形洞室的假设和Drucker-Prager准则,推导了深埋球形洞室开挖后应力弹性分布、塑性分布和塑性区半径的公式,并用所得到的公式与圆形洞室进行了比较,算例表明,在相同荷载和岩体强度参数的前提下,球形洞室的受力比圆形洞室的受力合理。