堆载土体侧移模式及对邻近桩基影响分析

科技论衰在线hrrpWwww paper edu cnhttp:/ vww.pape匚堆载土体侧移模式及对邻近桩基影响分析*李忠诚”杨敏(同济大学地下建筑与工程系，上海，200092)摘要：对地而超我条件下自由场土体的侧向位移模式进行了数值分析，得出了土体侧向变形 规律.在此基础上，舟堆栽条件下土体的侧向位移简化为双线性变形模式，对堆载作用下邻 近桩基的性状进行了分析，包括不同堆载大小、不同堆载距离和不同桩间距等情况下桩基的 侧向变形和弯矩的变化规律。关犍词：被动桩；位移模式；数值分析；堆载1引言地而堆我对J：邻近建筑物地族基础的影响是一个不容忽视的问题。过去对J：这一问题认 识不够,引起了不少工程问题,甚至造成了严两的工程事故。例如天津中板厂原料车间地面 堆载为200KN/m2,设计时没有考虑大面积堆载对J：桩基础的影响,致使厂房在使用期间桩 身折断，柱角处水平位移102mm,桩顶位移220mm：建筑在软上地基上的上海宝山钢铁厂 的钢渣处理厂房山，由十多年的长期堆我，引起了柱卜桩棊发生了较人侧移，从而导致上 部结构断裂而倒塌。土体在长期堆载条件卜，必然产生较人的侧向位移，邻近桩基受到侧向运动土体的作用 产生变形，H 被动状范畴。被动桩分析计算的难点是如何准确确定堆ridJ场土体的侧向 位移和侧移土体对桩施加的爪力.iii j-地面堆伐并不直接作用于桩上，而是通过土的侧向变 形间接传递到桩身卜.，所以被动桩受力不明确，桩与土存在着一个相互作用的过程。由此町 见，柑对r通常情况卜，在桩顶受明确竖向荷载和水丫荷载的主动桩慕，彼动桩不仅受力不 明确，而且桩身受荷是i个动态的过朽!，这就给被动桩的研究带來了一定困难。为了避免侧移土体与邻近桩甚复杂的相互作用过程，木文从自由场在堆载条件卜土体的 位移模式入手，分析七体的侧向变形规律，以此为基础分析堆我对邻近桩基的影响。探讨不 同堆载大小、不同堆鐵距离、不同桩间距等影响因素对邻近桩基力学性状的影响。2自由场土体位移模式2.1 土体侧向变形数值分析受土体位移作用的被动桩的分析过程，是一个复杂的桩土相互作用过程。从日前对彼动 桩的研究现状來看，如來能准确预测无桩门由场的土体位移，则被动桩的问题就迎刃阳解了， 因此自由场中土体位移的确定是研究受土体位移作用被动桩的关键。自由场地基在荷载;作用卜，会发生竖向变形和侧向变形，众多的专家学者対卜土体的竖 向变形即沉降变形进行了不懈的研究，而上体的侧向变形山r彩响因索多，相对r竖向变形 更加复杂,对此进行的研究相对较少何然而在许多工程中,土体的侧向变形又是非常重 要的，侧向变形不仅影响沉降，也影响着结构的受力刃。尤比是在港门码头和存在大杲堆我基金项目：匕海市科委乖点准础研究项忖资助(02DJ14062)：高等学校博七学科点专项科研加金资助 (20020247003).通讯联系人：李忠诚，男,博士生，主耍从事桩基础理论研究和岩上工程数值分析-Email： lzenc的匸业厂房.对土体侧向变形的分析更为重耍,由F土体侧向运动而造成的桩基侧向变形 和弯矩往往是工程建设成败的关键。卜而以双层土体为例，如图1所示，探讨人面积堆我条件卜土体的侧向变形模式。数值软土 JS%宾土层图1双层十模些平面030-40r A A 叫-201020304050(mm)图3不同堆载距离下土体侧向变形Y-150kPa 一-300kP. 尸 450炉 Q*600-40 L亠亠亠亠* 亠亠亠亠J -200204060(mm)图2不同荷我下土体侧向变形-20-30分析时，模型边界条件为单向约束，土体参数见表1所示，堆我宽度为 表1土体参数上肚分类体枳模就E (Mpa)泊松比V粘聚力C ( kPa)内摩擦角(po/ (kn/m上层软七4.240.4010.022.71&0下层谀土20.180.2540.030.01&0科技论衰在线hrrpWwww paper edu cn图2为距堆载边缘2m不同荷我人小条件卜土体的侧向变形。图3为堆我450kPa不同 堆载距离条件卜土体的侧向变形。由图可知,随着荷载的增大，土体侧向变形将增加，同时 最丿、变形发生的深度也将増人。当堆载较小时，衣层土体仃向着荷载方向偏移的趙势，荷载 峭丿、时，衣屋上体逐渐向远离堆载的方向偏移。这上耍是山r在靠近堆我的桩顶附近，往往 出现拉应力区，导致桩顶可能向堆载方向移动。实际丄体不能承受拉力，这动现彖并不明显。 当堆我较人时，无论数值分析还是实测结果，桩都会向远离堆我的方向位移。图46为距堆裁边缘2m不同堆载人小时，土体的侧向位移场等值线(单位为m),由 图可知，随看荷我的增人，土体侧向变形明显增人，等值线相应变密，并J1尊值线逐渐向F 窠出，可见荷我的影响深度随着荷我的増人逐渐增加，最人侧移深度一般发生在8-12倍的 桩径范由内。1*1 4堆徴为50kPa条件下土休的侧向位移场http. /wA图5堆载为lOOkPe条件卜土体的侧向位移场-30 -20 -10 61020 3040图6堆我为150kPa条件下土体的侧向位移场2.2 土体侧向变形模式探讨迄今为止，已有一些学者提出或假泄了口由场中土体侧移的分布模式，代农性的主耍何: Ashour151提出的经验应力楔块模型，Viggiani捉出的滑动土层内土体均匀变形模型（图7a）. Bolton提出的倒三角形模型（图7b）、Ito和沈珠江提出的土体绕桩流动模熨等；(b)图7 土体位移模式比较图-般情况卜，土体的侧向变形分布模式可以采用图9所示双线性简化模式。即保持址人 侧向位移值及苴出现位置相同，软土层交界而的侧移值相等，从而形成双线性简化模式。显 然，这样的简化对于工程设计是可以接受的。图8为中曲线y0(Z)方程按照Bourges经验公式确定:r= 1.83Z3-4.69Z2+23Z+O.73(1)由式I可知,当Z=z/E=027时，X=y/ymax=1.0,因此,当z=0.27L时，)，=几疵；当2=0 时，y=0.73);，L为软土层厚度，z为计算点到地面的距离。按照双线性简化模式，土体 最大位移值以卜位移按照直线AC确定,而表层硬土层的侧移则按直线AB确定。員线AB 的长度为Z=0时,r=0.73Lo图8 土体侧向变形収线性简化模式图9侧移模式对比图http. /wA由图2、3计算所得，土体侧移主要发生在软土层，形状近似J双曲线型分布.最人値 出现在812倍的桩径范H；l内。数值计算结果与Begemann181的经验模式较为吻合，最人侧 移值出现的位宣也压本-致(如图9所示)。将数值分析时得到的垠人侧向位移仏代入 Bourges经验公式中，即可得到土体的经验模式，这样可以考虑堆我距离和堆我人小对土体 侧向位移模式的影响。3堆载对邻近桩基影响分析采用上而的简化模式，卜而对堆载;作用卜邻近被动桩的性状分析。分析模型如图io所 示，土层参数见表1,桩采用弹性模型，桩长20m,桩径lm。3.1不同堆载大小对被动桩的影响http. /wAhttp. /wA图10帔动桩模盘ED国科技疋乂丘线http: ,www paper, 图11不同堆载大小对桩身恻移和弯矩的影响图图11为不同荷载大小条件卜,桩的侧向位移和桩身弯矩图。数值分析时,桩间距采用 3倍桩径,堆载边缘距桩2m,桩身刚度为12GPao由图可知,随着堆裁的增加,桩身侧移 和弯知都仃比较明显的增人。为堆载较小时，桩顶向荷载方向偏移，師养荷我増人，桩顶逐 渐向外偏移，桩身逐渐弯曲。堆载:增人时，桩身弯矩有显著的增长，最人弯矩发牛在桩的中 上部，Z卜弯矩迅速减小。3.2不同堆载距离对被动桩的影响(kNm)图12不同堆我更离对桩身水平侧移和弯矩的形响图图12为不同堆我距离度条件卜，桩的侧向位移和桩身弯矩图。数值分析时，堆载大小 为200kPa,桩间距为3倍桩径,桩身刚度为12GPa由图可知,随着堆载与桩距离的接近, 桩的侧向变位与弯矩都仃明显的增加。当桩逐渐接近堆载边缘时，桩的垠人侧移和厳人弯矩 发生的位置逐渐上移。33不同桩身刚度对被动桩的影响图13为不同桩身刚度条件卜，桩的侧向位移和桩身弯矩图。数值分析时，堆我丿、小为 200kPa,堆载边缘距离桩2m,桩间距为3倍桩径。由图可知,随着桩身刚度的不断增大, 桩的弯曲程度逐渐减小，变形逐渐接近水平。这纭刚度很丿、的短桩在侧向桩顶荷我作用卜会 发牛整体侧移的现象一致。桩身弯矩随希桩身刚度的増人呈增加的趋势，肖桩的刚度较小时, 桩身弯矩也较小。桩的刚度逐渐增人时，桩身侧移逐渐减小，相丿就的桩身弯矩却逐渐增人。-5300GPa 60GPa -12GPa 2.4GkPa2oo 100 300 500 700(kN m)图I3不同桩身刚度对桩身水平侧移和弯矩的影响图4结论长期以來土体的侧向变形常常被忽视，但由过大的土体侧移导致的工程爭故却屡见不 鲜。本文首先对堆我作用卜71由场地基侧向变形规律进行了探讨，将十体的侧向位移简化为 双线性变形模式，并将位移简化模式与有限尤分析结果进行了比较。在此基础上，利用不同 加我条件卜给定的双线性模式，分析了堆我对邻近被动桩的影响，得出了堆妆和桩参数变化 时，邻近被动桩侧移和弯矩的变化规律發考文献：1 畅敬，朱列堂.堆我引起某厂房圳塌审故的初步分析J.岩土工程学报.2002. 24 (4)： 446-450.2 杨敏朱理喩.堆殺下土体侧移及对邻桩作用的冇限元分析J.同济大学学报，2003, 31 (7):772-777.3 股宗泽.十体的侧向变形.第三届全国青年岩土力学与I程会议沦文集A.南京，1998, 44 Poulos H.G Difficullies in prediction of horizontal defonnations of foundations/* JSMFD. 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China)Abstract： Numerical analysis method is adopted to explore soil lateral deformation mode in the free field state and conclusion of soil lateral defonnation is drawn in the paper. On the base of that, soil lateral defonnation is simplified to the bilinear abbreviated mode then the mode is applied to discuss the variable regularity of lateral defonnation and moment for adjacent piles due to surcharge loads on the ground, including different loads, loading distance, pile spacing and so on. Keywords： passive pile； displacement mode； numerical analysis： surcharge loads