考虑黏土结构性影响的柱孔卸荷收缩问题解析及数值验证

作     者：张亚国 肖书雄 翟张辉 张勋 黄沛 ZHANG Ya-guo;XIAO Shu-xiong;ZHAI Zhang-hui;ZHANG Xun;HUANG Pei

作者机构：长安大学建筑工程学院陕西西安710061 长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 

出 版 物：《中国公路学报》 (China Journal of Highway and Transport)

年 卷 期：2023年第36卷第5期

页      面：88-98页

核心收录：

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0814[工学-土木工程] 0701[理学-数学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(41807242) 中央高校基本科研业务费专项资金项目(300102281202,300102262503) 

主　　题：道路工程 柱孔收缩 解析解 黏土 结构性 各向异性 显式算法 

摘      要：圆孔收缩理论是岩土开挖问题的主要分析方法之一,然而已有研究中大多未考虑土体的结构性影响。为此,采用结构性参数和结构损伤速率分别表征土体结构性强弱和损伤快慢,基于S-CLAY1S模型求解了不排水条件下各向异性天然结构性黏土中的圆柱孔卸荷收缩问题。首先推导了反映应力-应变关系的弹塑性刚度矩阵,进而联立硬化法则和塑性区大变形理论,得到了关于有效应力分量、各向异性分量和结构性参数的微分方程组,并结合边界条件进行了求解;同时编写了S-CLAY1S模型的显式积分算法,通过相应的有限元数值解验证了理论解的正确性。结果表明:土体结构性对圆孔卸荷收缩过程影响显著,结构损伤使得孔周有效应力减小和超孔隙水压力增大,该现象随着土体结构性增强变得更为明显;土体抗剪强度随其结构破坏而降低,土体表现出应变软化特征,分析认为是缩孔过程中土体结构破坏引起的应力释放所致。参数分析表明结构损伤速率越大,缩孔过程中土体结构损伤效应的影响越显著。研究结果可为隧道围岩压力计算、竖井收缩变形预估以及钻孔泥浆护壁压力预测等提供理论依据。