岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (11): 3224-3234.doi: 10.16285/j.rsm.2022.1770

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考虑弹塑性卸荷的柱孔和球孔反向扩张解

张家奇1, 2,赵春风1, 2,赵程1, 2,吴悦3,龚昕4   

  1. 1. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092;2. 同济大学 地下建筑与工程系,上海 200092; 3. 重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;4. 井冈山大学 建筑工程学院,江西 吉安 343009
  • 收稿日期:2022-11-12 接受日期:2023-03-02 出版日期:2023-11-28 发布日期:2023-11-28
  • 通讯作者: 赵春风,男,1964年生,博士,教授,主要从事桩基础工程方向的研究。E-mail: tjzhchf@tongji.edu.cn E-mail:zjq@tongji.edu.cn
  • 作者简介:张家奇,男,1993年生,博士研究生,主要从事岩土力学与桩基础方向的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. U1965108,No. 42142019,No. 41672265);重庆市自然科学基金博士后基金项目(No. CSTB2023NSCQ-BHX0149);中国博士后科学基金面上项目(No. 2023MD734112)。

Cylindrical and spherical cavity reverse expansion considering elastoplastic unloading

ZHANG Jia-qi1, 2, ZHAO Chun-feng1, 2, ZHAO Cheng1, 2, WU Yue3, GONG Xin4   

  1. 1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering, Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 4. College of Building Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China
  • Received:2022-11-12 Accepted:2023-03-02 Online:2023-11-28 Published:2023-11-28
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (U1965108, 42142019, 41672265), the Natural Science Foundation of Chongqing (CSTB2023NSCQ-BHX0149) and the China Postdoctoral Science Foundation (2023MD734112).

摘要: 为研究卸荷对灌注桩、隧道等复杂受力岩土结构的影响,建立了考虑弹塑性卸荷的圆孔反向扩张简化解模型。该模型在应力计算中采用了叠加法的思想,在反向塑性区采用了非关联的Mohr-Coulomb准则、塑性区大应变假设和忽略塑性区弹性应变的假设。研究表明,圆孔反向扩张过程可划分为弹性阶段和两个弹塑性阶段。当孔压重新加至初始值时,不论柱孔还是球孔其半径均未能恢复到初始值,且在孔周存在一定范围的应力薄弱区。与经典原位扩张解相比,当圆孔压力增至一定值后圆孔反向扩张的屈服面发展、圆孔应力变化及孔周应力场将与之趋于一致。忽略塑性区的弹性应变假设会使简化解的土体位移偏小,极限扩张压力偏大,但对应力相关量的计算没有影响。与Tresca解相比,所提模型考虑了内摩擦角的影响,更接近于土体实际。通过数值模拟建立了圆孔反向扩张的平面应变模型,其应力分析结果与理论模型基本一致。

关键词: 弹塑性卸荷, 圆孔反向扩张, 圆孔半径, 大应变假设, 孔周应力场

Abstract: To study the influence of unloading on complicated geotechnical structures such as cast-in-place piles, tunnels, etc, a simplified solution model of cavity reverse expansion considering elastoplastic unloading in drained soil is established. In this model, the superposition method is adopted in the derivation of stresses. In the reverse plastic zone, the non-correlated Mohr-Coulomb criterion, the assumption of large strain and ignoring the elastic strain are adopted. This study shows that the reverse expansion process can be divided into an elastic and two elastoplastic stages. When the cavity pressure is restored to the initial value, the radius of both cylindrical and spherical cavities cannot revert to the initial value, and there is still a certain range of stress weak zone around the cavity. Compared with the classical in-situ expansion solution, the yield surface development, stress variation and stress field around the cavity tend to be the same when cavity pressure increases to a certain value. The assumption of ignoring the elastic strain in the plastic zone will lead to a smaller displacement and a larger ultimate expansion pressure of the simplified solution, but it has no effect on the stress-related quantities. Compared with the Tresca solution, the proposed model takes into account the effect of internal friction angle and is closer to the actual soil mass. A plane strain model of cavity reverse expansion is established by numerical simulation, and the stress analysis results are basically consistent with that of theoretical model.

Key words: elastoplastic unloading, cavity reverse expansion, cavity radius, large strain hypothesis, stress field around cavity

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