堆載土體側(cè)移模式及對鄰近樁基影響分析

科技論衰在線hrrpWwww paper edu cnhttp:/ vww.pape匚堆載土體側(cè)移模式及對鄰近樁基影響分析*李忠誠”楊敏(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海，200092)摘要：對地而超我條件下自由場土體的側(cè)向位移模式進(jìn)行了數(shù)值分析，得出了土體側(cè)向變形 規(guī)律.在此基礎(chǔ)上，舟堆栽條件下土體的側(cè)向位移簡化為雙線性變形模式，對堆載作用下鄰 近樁基的性狀進(jìn)行了分析，包括不同堆載大小、不同堆載距離和不同樁間距等情況下樁基的 側(cè)向變形和彎矩的變化規(guī)律。關(guān)犍詞：被動樁；位移模式；數(shù)值分析；堆載1引言地而堆我對J：鄰近建筑物地族基礎(chǔ)的影響是一個(gè)不容忽視的問題。過去對J：這一問題認(rèn) 識不夠,引起了不少工程問題,甚至造成了嚴(yán)兩的工程事故。例如天津中板廠原料車間地面 堆載為200KN/m2,設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮大面積堆載對J：樁基礎(chǔ)的影響,致使廠房在使用期間樁 身折斷，柱角處水平位移102mm,樁頂位移220mm：建筑在軟上地基上的上海寶山鋼鐵廠 的鋼渣處理廠房山，由十多年的長期堆我，引起了柱卜樁棊發(fā)生了較人側(cè)移，從而導(dǎo)致上 部結(jié)構(gòu)斷裂而倒塌。土體在長期堆載條件卜，必然產(chǎn)生較人的側(cè)向位移，鄰近樁基受到側(cè)向運(yùn)動土體的作用 產(chǎn)生變形，H 被動狀范疇。被動樁分析計(jì)算的難點(diǎn)是如何準(zhǔn)確確定堆ridJ場土體的側(cè)向 位移和側(cè)移土體對樁施加的爪力.iii j-地面堆伐并不直接作用于樁上，而是通過土的側(cè)向變 形間接傳遞到樁身卜.，所以被動樁受力不明確，樁與土存在著一個(gè)相互作用的過程。由此町 見，柑對r通常情況卜，在樁頂受明確豎向荷載和水丫荷載的主動樁慕，彼動樁不僅受力不 明確，而且樁身受荷是i個(gè)動態(tài)的過朽!，這就給被動樁的研究帶來了一定困難。為了避免側(cè)移土體與鄰近樁甚復(fù)雜的相互作用過程，木文從自由場在堆載條件卜土體的 位移模式入手，分析七體的側(cè)向變形規(guī)律，以此為基礎(chǔ)分析堆我對鄰近樁基的影響。探討不 同堆載大小、不同堆鐵距離、不同樁間距等影響因素對鄰近樁基力學(xué)性狀的影響。2自由場土體位移模式2.1 土體側(cè)向變形數(shù)值分析受土體位移作用的被動樁的分析過程，是一個(gè)復(fù)雜的樁土相互作用過程。從日前對彼動 樁的研究現(xiàn)狀來看，如來能準(zhǔn)確預(yù)測無樁門由場的土體位移，則被動樁的問題就迎刃陽解了， 因此自由場中土體位移的確定是研究受土體位移作用被動樁的關(guān)鍵。自由場地基在荷載;作用卜，會發(fā)生豎向變形和側(cè)向變形，眾多的專家學(xué)者対卜土體的豎 向變形即沉降變形進(jìn)行了不懈的研究，而上體的側(cè)向變形山r彩響因索多，相對r豎向變形 更加復(fù)雜,對此進(jìn)行的研究相對較少何然而在許多工程中,土體的側(cè)向變形又是非常重 要的，側(cè)向變形不僅影響沉降，也影響著結(jié)構(gòu)的受力刃。尤比是在港門碼頭和存在大杲堆我基金項(xiàng)目：匕海市科委乖點(diǎn)準(zhǔn)礎(chǔ)研究項(xiàng)忖資助(02DJ14062)：高等學(xué)校博七學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研加金資助 (20020247003).通訊聯(lián)系人：李忠誠，男,博士生，主耍從事樁基礎(chǔ)理論研究和巖上工程數(shù)值分析-Email： lzenc的匸業(yè)廠房.對土體側(cè)向變形的分析更為重耍,由F土體側(cè)向運(yùn)動而造成的樁基側(cè)向變形 和彎矩往往是工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵。卜而以雙層土體為例，如圖1所示，探討人面積堆我條件卜土體的側(cè)向變形模式。數(shù)值軟土 JS%賓土層圖1雙層十模些平面030-40r A A 叫-201020304050(mm)圖3不同堆載距離下土體側(cè)向變形Y-150kPa 一-300kP. 尸 450爐 Q*600-40 L亠亠亠亠* 亠亠亠亠J -200204060(mm)圖2不同荷我下土體側(cè)向變形-20-30分析時(shí)，模型邊界條件為單向約束，土體參數(shù)見表1所示，堆我寬度為 表1土體參數(shù)上肚分類體枳模就E (Mpa)泊松比V粘聚力C ( kPa)內(nèi)摩擦角(po/ (kn/m>上層軟七4.240.4010.022.71&0下層諛土20.180.2540.030.01&0科技論衰在線hrrpWwww paper edu cn圖2為距堆載邊緣2m不同荷我人小條件卜土體的側(cè)向變形。圖3為堆我450kPa不同 堆載距離條件卜土體的側(cè)向變形。由圖可知,隨著荷載的增大，土體側(cè)向變形將增加，同時(shí) 最丿、變形發(fā)生的深度也將増人。當(dāng)堆載較小時(shí)，衣層土體仃向著荷載方向偏移的趙勢，荷載 峭丿、時(shí)，衣屋上體逐漸向遠(yuǎn)離堆載的方向偏移。這上耍是山r在靠近堆我的樁頂附近，往往 出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致樁頂可能向堆載方向移動。實(shí)際丄體不能承受拉力，這動現(xiàn)彖并不明顯。 當(dāng)堆我較人時(shí)，無論數(shù)值分析還是實(shí)測結(jié)果，樁都會向遠(yuǎn)離堆我的方向位移。圖46為距堆裁邊緣2m不同堆載人小時(shí)，土體的側(cè)向位移場等值線(單位為m),由 圖可知，隨看荷我的增人，土體側(cè)向變形明顯增人，等值線相應(yīng)變密，并J1尊值線逐漸向F 窠出，可見荷我的影響深度隨著荷我的増人逐漸增加，最人側(cè)移深度一般發(fā)生在8-12倍的 樁徑范由內(nèi)。1*1 4堆徴為50kPa條件下土休的側(cè)向位移場http. /wA圖5堆載為lOOkPe條件卜土體的側(cè)向位移場-30 -20 -10 61020 3040圖6堆我為150kPa條件下土體的側(cè)向位移場2.2 土體側(cè)向變形模式探討迄今為止，已有一些學(xué)者提出或假泄了口由場中土體側(cè)移的分布模式，代農(nóng)性的主耍何: Ashour151提出的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)力楔塊模型，Viggiani捉出的滑動土層內(nèi)土體均勻變形模型（圖7a）. Bolton提出的倒三角形模型（圖7b）、Ito和沈珠江提出的土體繞樁流動模熨等；(b)圖7 土體位移模式比較圖-般情況卜，土體的側(cè)向變形分布模式可以采用圖9所示雙線性簡化模式。即保持址人 側(cè)向位移值及苴出現(xiàn)位置相同，軟土層交界而的側(cè)移值相等，從而形成雙線性簡化模式。顯 然，這樣的簡化對于工程設(shè)計(jì)是可以接受的。圖8為中曲線y0(Z)方程按照Bourges經(jīng)驗(yàn)公式確定:r= 1.83Z3-4.69Z2+23Z+O.73(1)由式I可知,當(dāng)Z=z/E=027時(shí)，X=y/ymax=1.0,因此,當(dāng)z=0.27L時(shí)，)，=幾疵；當(dāng)2=0 時(shí)，y=0.73);，L為軟土層厚度，z為計(jì)算點(diǎn)到地面的距離。按照雙線性簡化模式，土體 最大位移值以卜位移按照直線AC確定,而表層硬土層的側(cè)移則按直線AB確定。員線AB 的長度為Z=0時(shí),r=0.73Lo圖8 土體側(cè)向變形収線性簡化模式圖9側(cè)移模式對比圖http. /wA由圖2、3計(jì)算所得，土體側(cè)移主要發(fā)生在軟土層，形狀近似J雙曲線型分布.最人値 出現(xiàn)在812倍的樁徑范H；l內(nèi)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Begemann181的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ捷^為吻合，最人側(cè) 移值出現(xiàn)的位宣也壓本-致(如圖9所示)。將數(shù)值分析時(shí)得到的垠人側(cè)向位移仏代入 Bourges經(jīng)驗(yàn)公式中，即可得到土體的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑@樣可以考慮堆我距離和堆我人小對土體 側(cè)向位移模式的影響。3堆載對鄰近樁基影響分析采用上而的簡化模式，卜而對堆載;作用卜鄰近被動樁的性狀分析。分析模型如圖io所 示，土層參數(shù)見表1,樁采用彈性模型，樁長20m,樁徑lm。3.1不同堆載大小對被動樁的影響http. /wAhttp. /wA圖10帔動樁模盤ED國科技疋乂丘線http: ,"www paper, 圖11不同堆載大小對樁身惻移和彎矩的影響圖圖11為不同荷載大小條件卜,樁的側(cè)向位移和樁身彎矩圖。數(shù)值分析時(shí),樁間距采用 3倍樁徑,堆載邊緣距樁2m,樁身剛度為12GPao由圖可知,隨著堆裁的增加,樁身側(cè)移 和彎知都仃比較明顯的增人。為堆載較小時(shí)，樁頂向荷載方向偏移，師養(yǎng)荷我増人，樁頂逐 漸向外偏移，樁身逐漸彎曲。堆載:增人時(shí)，樁身彎矩有顯著的增長，最人彎矩發(fā)牛在樁的中 上部，Z卜彎矩迅速減小。3.2不同堆載距離對被動樁的影響(kNm)圖12不同堆我更離對樁身水平側(cè)移和彎矩的形響圖圖12為不同堆我距離度條件卜，樁的側(cè)向位移和樁身彎矩圖。數(shù)值分析時(shí)，堆載大小 為200kPa,樁間距為3倍樁徑,樁身剛度為12GPa<>由圖可知,隨著堆載與樁距離的接近, 樁的側(cè)向變位與彎矩都仃明顯的增加。當(dāng)樁逐漸接近堆載邊緣時(shí)，樁的垠人側(cè)移和厳人彎矩 發(fā)生的位置逐漸上移。33不同樁身剛度對被動樁的影響圖13為不同樁身剛度條件卜，樁的側(cè)向位移和樁身彎矩圖。數(shù)值分析時(shí)，堆我丿、小為 200kPa,堆載邊緣距離樁2m,樁間距為3倍樁徑。由圖可知,隨著樁身剛度的不斷增大, 樁的彎曲程度逐漸減小，變形逐漸接近水平。這紜剛度很丿、的短樁在側(cè)向樁頂荷我作用卜會 發(fā)牛整體側(cè)移的現(xiàn)象一致。樁身彎矩隨希樁身剛度的増人呈增加的趨勢，肖樁的剛度較小時(shí), 樁身彎矩也較小。樁的剛度逐漸增人時(shí)，樁身側(cè)移逐漸減小，相丿就的樁身彎矩卻逐漸增人。-5300GPa 60GPa -12GPa 2.4GkPa2oo 100 300 500 700(kN m)圖I3不同樁身剛度對樁身水平側(cè)移和彎矩的影響圖4結(jié)論長期以來土體的側(cè)向變形常常被忽視，但由過大的土體側(cè)移導(dǎo)致的工程爭故卻屢見不 鮮。本文首先對堆我作用卜71由場地基側(cè)向變形規(guī)律進(jìn)行了探討，將十體的側(cè)向位移簡化為 雙線性變形模式，并將位移簡化模式與有限尤分析結(jié)果進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，利用不同 加我條件卜給定的雙線性模式，分析了堆我對鄰近被動樁的影響，得出了堆妝和樁參數(shù)變化 時(shí)，鄰近被動樁側(cè)移和彎矩的變化規(guī)律發(fā)考文獻(xiàn)：1 暢敬，朱列堂.堆我引起某廠房圳塌審故的初步分析J.巖土工程學(xué)報(bào).2002. 24 (4)： 446-450.2 楊敏朱理喩.堆殺下土體側(cè)移及對鄰樁作用的冇限元分析J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003, 31 (7):772-777.3 股宗澤.十體的側(cè)向變形.第三屆全國青年巖土力學(xué)與I程會議淪文集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