非线性土体圆孔扩张理论研究现状与展望

黄 玉 龙

(天津滨海新区公共产业建设投资有限公司建设管理分公司，天津 300457)

·岩土工程·地基基础·

非线性土体圆孔扩张理论研究现状与展望

黄 玉 龙

(天津滨海新区公共产业建设投资有限公司建设管理分公司，天津 300457)

对非线性土体圆孔扩张理论的研究现状进行分析总结，提出了现阶段该研究领域存在的主要问题，并给出了针对性的研究方向，以供相关研究人员参考借鉴。

非线性土体，圆孔扩张理论，存在问题，研究方向

0 引言

圆孔扩张理论自从被Vesic提出后，便在岩土工程领域里得到了广泛的应用，目前广泛应用于确定桩周土体的围压、隧道开挖的孔、爆炸引起的缩孔、锚杆抗力失效和孔壁的稳定性、地基极限承载力、旁压试验和静力触探的锥尖阻力等研究中，其潜在的经济社会效益巨大。

1 研究现状

郑大同最先对扩孔问题进行了较为系统的研究，他根据国内外的相关资料，对扩孔问题中极限扩孔压力、孔隙水压力、体变以及在工程中的应用都进行了较为详尽的叙述。随后，沈珠江和蒋明镜等根据Mohr-Coulomb、双剪强度理论、Tresca等屈服准则对应变软化土体的扩孔压力进行了研究，揭示了排水情况下的极限扩孔压力和塑性区半径的解析解。龚晓南和李向红对扩孔问题的理论研究及其应用方面进行了前瞻性的概述，并提出了理论领域需要进行深入研究以便更好的为工程服务的几个重要思想。胡士兵和朱向荣采用三折线线性软化模型和线性Mohr-Coulomb屈服准则，对扩孔问题中的剪胀和软化等现象进行了深入的研究，获得了扩孔后各个区域的应力、应变及位移解析解；并讨论了剪胀角、应变软化系数及塑性区弹性变形对解答结果的影响，揭示了考虑塑性区弹性变形对扩张问题解答的影响随扩张半径增大越趋显著、考虑塑性区的弹性变形时最终扩孔压力偏小的重要结论。俞茂宏和范文利用统一强度准则，对应变软化岩土体中圆孔扩张时中主应力对极限扩孔压力的影响进行了深入研究，并获得了统一强度准则下扩孔问题的系列解析。刘裕华应用圆孔扩张理论对管桩进行弹塑性分析，揭示了塑性区半径、土体位移的分布规律，并进一步提出了扩建工程中预制管桩施工引起的土体位移的计算方法。朱宁和施建勇等在现有研究的基础上引入了应力函数解答来求解弹性条件下半无限空间问题，很好地修正了地表应力，得到了相应的解答。与原有的解答相比，所提出的解答能够更好地反映半无限的特性压桩问题解。Mata等采用弹塑性变形理论，提出了应变硬化土体中球孔扩张问题的近似解析解，揭示了硬化土体中静力触探的极限阻力的影响因素。Russel等采用临界状态的土体、有效应力方法和塑性边界条件，获得了扩孔问题的理论分析方法。该方法可以揭示扩孔时土体的应力应变关系、应力路径等问题。并采用扩孔理论研究了饱和土体中静力触探试验的结果，并获得了扩孔压力和静力触探的阻力之间的关系及影响因素。

2 当前研究中存在的问题

目前国内外学者对圆孔扩张问题的研究主要还是线性解析。虽然考虑到土体的剪胀、软化、大变形以及排水等因素，但是均未考虑扩孔过程中的压缩破坏机制、体变和非线性特性，而这些因素又是实际工程应用中必须考虑且无法回避的问题。在大型物体贯入(注浆、沉桩等)土体时，现有理论认为其实质就是将贯入过程视为局部土体的剪切破坏，在求解过程完全忽略了土体的体变以及其破坏是由压缩机理来控制的实质。事实上，在一定深度范围内，圆孔扩张过程中，土体破坏不仅局限在有限范围内，而且也看不到完整的滑动面。在这种有限范围内，土体的运动轨迹主要还是由土体的压缩所致。由此可见，纯剪切和剪切与压缩混合理论是不能反映土体压缩破坏控制机理的。

另外，现有的大多数线性本构模型虽然能够反映出一定的应力应变关系，但在大应力大应变的情况下这些线性本构模型就不能如实体现土体的应力应变关系。因为圆孔扩张问题中，圆孔周围土体不仅会产生严重的拉裂和挤压现象，部分土体还将进入塑性破坏状态，应变和应力值都很大，致使线性本构模型描述的应力应变关系失真。因此，选择合适的非线性本构模型将具有重要的现实意义。同时，在工程应用中，也由于忽略了圆孔扩张时的压缩破坏机理、土体的非线性特性、大变形和大位移等这些关键问题，导致理论结果与工程实际有很大出入，造成安全隐患和巨大的经济浪费。现阶段研究中存在的主要问题有：1)忽略了土体在圆孔扩张过程中的体变现象。即由八面体正应力和剪应力所产生的体变，导致现有理论在评估圆孔扩张过程的变形机理研究止于剪切变形机理。2)忽视了土体的破坏是由压缩机理控制的实质。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，也不考虑大变形、剪胀等因素的影响，属于以纯剪切理论为主的弹塑性混合课题。其理论实质就是将圆孔扩张过程视为局部土体的剪切破坏，该局部土体被视为刚塑性无体变材料，并采用极限平衡理论求解极限贯入阻力，忽视了土体的破坏是由压缩机理控制的实质。3)不能采用真正体现土体应力应变关系的非线性强度准则。传统的圆孔扩张问题中，其土体的强度准则都是线性的。而能够反映土体真正的应力应变关系的非线性强度准则很少有文献涉及。

3 展望

针对已有研究中的诸多问题，今后应在以下几个方面开展重点研究：1)研究非线性土体等向压缩时八面体正应力和八面体剪应力与体变之间的关系。利用各向等压三轴试验研究土体等向压缩时的体变，根据试验和理论分析来确定八面体正应力与体变之间的关系；利用不同的试验方法进行各向均等压试验，并配合在不同的平均法向应力保持不变时的一系列的剪切试验，或配合在各种不同的侧限应力状态下进行的一系列标准三轴压缩试验，研究八面体剪应力与体变之间的关系。2)研究非线性土体圆孔扩张时的大变形机制。采用连续介质力学大变形理论来研究圆孔扩张过程中的土体非线性几何特性和土体中质点的大变形和大位移特性。3)研究圆孔扩张过程中土体的能量耗散机制。以圆孔扩张过程中的能量守恒为出发点，根据圆孔扩张过程中耗散的能量与土体吸收的能量相等原理，研究圆孔扩张过程中的能量耗散过程；利用圆孔扩张过程中的体积变化守恒原理，研究圆孔扩张过程中土体的体积变化。4)研究非线性土体圆孔扩张问题能量耗散分析方法。采用广义非线性强度准则，研究压缩机制控制下圆孔扩张时能量耗散分析方法、土体的应力应变关系、扩孔压力的计算方法和非线性参数对扩孔压力及应力应变关系的影响规律等。5)能量耗散 分析方法的计算结果与试验结果的对比分析研究。通过对能量耗散分析方法的解析结果与现场试验结果的对比分析，研究能量耗散分析方法的理论不足，并完善该分析方法。

[1] 郑大同.地基极限承载力的计算[M].北京：中国建筑工业出版社，1979.

[2] 邹金锋.扩孔问题的线性与非线性解析及其工程应用研究[D].长沙：中南大学，2007.

[3] Russell A.R.，Khalili N.Cavity expansion theory and the cone penetration test in unsaturated sands[J].Proceedings of the Fourth International Conference on Unsaturated Soils，2006(47):2546-2557.

On research status of non-linear soil cavity expansion theory and its prospect

Huang Yulong

(ConstructionAdministrativeBranch,PublicIndustrialConstructionandInvestmentCo.,LtdinBinhaiNewDistrictofTianjinCity,Tianjin300457,China)

The paper analyzes and sums up the research status of the non-linear soil cavity expansion theory, points out its main problems currently, and provides respective research orientation, so as to provide some reference for related researchers.

non-linear soil, cavity expansion theory, problems, research orientation

1009-6825(2015)16-0028-02

2015-03-20

黄玉龙(1977- )，男，高级工程师

TU435

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