【辦公總結(jié)】基坑開挖引起土體側(cè)移對樁的影響外文翻譯

1、【辦公總結(jié)】基坑開挖引起土體側(cè)移對樁的影響外文翻譯沈陽工業(yè)大學(xué)本科生外文翻譯文章中文題 LI ：外文翻譯基坑開挖引起土體側(cè)移對樁的影響文章外文題 U :Pile response due to excavation-inducedlateral soil movement學(xué)院：建筑工程學(xué)院專業(yè)班級：土木工程 0804學(xué)生姓名：崔世鵬指導(dǎo)教師：宇寶寬2011年 3月 24日外文翻譯基坑開挖引起土體側(cè)移對樁的影響H(G(Poulos, Fellow, ASCE, and L. Chen 摘要：在這篇論文中，我們將應(yīng)用有限元分析法和邊界元法分析基坑開挖引起的土體 側(cè)向位移對單樁的影響。具體要關(guān)注在黏

2、土層中有支撐系統(tǒng)的基坑開挖情況。將考 慮不同直徑樁體的土體側(cè)移的影響。用設(shè)訃圖表法的形式來估算樁的彎矩和偏移。 這些工作可能已經(jīng)被實際的工程師們用來估算基坑開挖時對樁性質(zhì)的影響大小。我 們將應(yīng)用圖表法的形式通過研究兩件已經(jīng)發(fā)生的歷史案例來進行闡述。通過分別用 圖表和計算機分析的方法來比較已測樁和預(yù)測樁，我們發(fā)現(xiàn)圖表法可以推廣應(yīng)用到 相近類型的其他土體中，但不能應(yīng)用到無支撐的基坑中。引言：有許多例子可以說明由于基坑開挖引起土體側(cè)移而對樁基的影響甚至破壞。例如:Finnoetal (1991) Amirsoleymani (1991)和 Chu(1994)。因此對于工程師來說 要能夠估計建造工程時

3、，基坑開挖對鄰近樁群的影響是十分重要的。從理論上來 說，有限元分析法可以用來做那樣的估訃而且確實是一種有效的方法。像上面闡述 的 Finnoetal(1991)和Hawetal(1991)都是用此法分析的。盡管如此，在許多情況 下，由于缺乏詳細(xì)的地址或者巖土信息，有限元法分析既不安全，使用時乂不靈 活，在那種悄況下，利用合理的原始數(shù)據(jù)設(shè)計簡單的圖表法可能更適用。最初發(fā)展 這種圖表形式的意圖是為現(xiàn)在的工作服務(wù)的。盡管基坑開挖將會引起土體豎向和側(cè)向位移，但后者的影響因素被認(rèn)為對鄰近 樁的影響更加關(guān)鍵，尤其是混凝土樁，因為樁通常在設(shè)計時很少考慮大的側(cè)向荷 載。因此，現(xiàn)在研究的樁都只是考慮基坑開挖引起

4、土體側(cè)向位移對其影響，它們的 影響可以同時用有限元法和邊界元法同時考慮。有限元法可以用來首先模擬基坑開 挖的過程和確定自由場地土體的位移，也就是土體的位移發(fā)生在沒有樁存在的情況 下。這些確定的土體側(cè)移數(shù)據(jù)將作為一個初始進量用邊界元法分析樁的反應(yīng)情況。 樁體的反應(yīng)(如彎矩和偏移)將作為結(jié)果以圖表的形式反映出來，既而將應(yīng)用到實踐 當(dāng)中去，我們將分析歷史上發(fā)生的工程案例去闡明現(xiàn)行方法的可應(yīng)用性。問題分析問題的分析將顯示在圖 1中。在圖 1中，單樁埋在離基坑附近的土中，隨著基 坑的開挖，周圍的土體將朝著開挖方向移動，這會引起樁的彎矩和偏移變化，影響 單樁反應(yīng)的關(guān)鍵因素包括基坑開挖的空間大小，基坑的支撐

5、狀況，施工的過程，土的性質(zhì)和樁的性質(zhì)。為了簡化問題起見，圖 1中的土體是一種典型的粘 土?；蛹俣ㄊ菬o限長的，因此符合二維平面應(yīng)變分析條件。BX圖 1基本問題分析基本問題的分析和參數(shù)的選擇都顯示于圖 1中。B二基坑的半徑;H 二整個原粘土 層的厚度;X二樁距基坑邊緣表面的距離;二土體的不排水的抗剪強度;二 CEus土體的楊 式模量;r二單位土體的重度;L二樁長;d 二樁的直徑;二擋土墻的 EIpw剛度;s二支撐的剛度;二擋土墻的長度;二基坑的開挖的最大深度?；?Lhwmax開挖從頂部到底部分為 10個步驟，每一步都挖走 lm 厚的土層，擬定有四個水 平支撐支持當(dāng)墻。第一道支撐在第一步開挖后設(shè)

6、置，其余三道支撐分別在第 4步、 笫 7 步和笫 10步開挖工作完成后加設(shè)，所有支撐都沒有預(yù)先加力。通?；娱_挖的深度可以用一個眾所周知的穩(wěn)定參數(shù)表示，的表達(dá)式如 NNcc 下：rh = (1) NcCu有限元法和邊界法分析二維的有限元方法來模擬沒有樁情況下基坑開挖的平面應(yīng)變問題。這種有限元 法乂被稱為 AVPULLC(分析在側(cè)向荷載作用下的垂直樁)， 在其他地方也有陳述(詳 見 chen和poulos 1993;chen 和 poulos 1994 : chen 1994)。此法最早用于分析側(cè) 向荷載作用下或側(cè)向土體位移中群樁的反應(yīng)情況;隨后經(jīng)過改進使之適用于基坑開 挖時的分析。用 8節(jié)點的

7、相關(guān)參數(shù)來形成土體和擋土墻，而 goodman類型的元素用 來形成土和擋墻的分界面。在本次研究中，墻與土體的分界面假定是粗糙的，也就 是說沒有發(fā)生滑移，支撐被看作是彈簧，它的剛度是山各支撐節(jié)點相應(yīng)的位置所決H=x22ne4ma400ea 16MP&7LPLp2md 0.5m定的。 土體和邊界元素看成是彈一塑性材料， 服從 Tresca屈服準(zhǔn)則和不相適應(yīng)流 動法則。擋土墻被視為線彈性材料。應(yīng)該指出,根據(jù) Hashash和 Whittle （1992）分析,用有限元法計算的土體的位 移是依黑組成土體的成份模型而得出的。這種相對簡單的彈塑性土模型應(yīng)用在 L1前 的研究中可能因為沒有考慮土體的

8、質(zhì)量特別是在很高的穩(wěn)定系數(shù)的情況N下（接近于 6）而不能獲得固定的應(yīng)變值而導(dǎo)致錯誤。c有限元網(wǎng)法用來分析如圖 2所示的基本問題，由于對稱性，這里只模擬了一半 基坑的情況。在有限元模擬中，擋墻假定設(shè)置在基坑前面，它對于周圍土體沒有影 響。用有限元法訃算的土體位移將作為用邊界元法分析樁的反應(yīng)的初始數(shù)據(jù)，邊界 元法有稱為 PALLAS （用作樁的和側(cè)向荷載分析） ， 其他地方也有介紹 （例如 poulosetal 1995） 。PALLAS用簡化形式的邊界元法分析。在分析中，他將樁理想 化為一根彈性梁，土體是一種彈性的連續(xù)介質(zhì)，但是限制了樁土表面的壓力，允許 考慮 111于地域原因土對鄰近樁沒有影響

9、。 這種方法可以分析單樁和非理想化的群 樁， 但不能處理頂部有樁帽的群樁。組成樁的原始參數(shù)有抗彎剛度，樁群中每根樁 的直徑和長度。土體模型需要具體的泊松比（盡管一般來說影響很?。┖碗S著土層深 度分布的各種楊氏模量。圖 2有限元法對基本問題的分析有限元法對基本問題的分析雖然從理論上說樁與側(cè)土的相互作用的極限土壓力P可用有限元法分析獲得(chen和 poulos 1994)曾推導(dǎo)過。在本次論文 u中，極限壓力假定簡化為 9(為不排水的抗剪強度)。這樣的假定對于 CCPuuu基坑表面到樁的距離小于 4倍樁直徑的情況特別是基坑支撐條件較靈活時可能P偏于保守，因為在此惜況下，基坑開挖或挖方會使減小，po

10、ulos (1976), chenuP和 poulos(1994)曾指出過這種情況。chen(1994)曾檢測過樁在極限壓力下 u 的反應(yīng)。這里采用基礎(chǔ)工程的方法已經(jīng)用于解決許多問題，包括樁受外部地面動力 荷載時的情況(poulos 和 Davis 1980;poulos 1989, poulos. etal. 1995)與單樁分 析法用于土、基坑支護和樁間相互作用相比較，基礎(chǔ)工程方法在挖方過程中使用相 同的計算土位移的方法來反映大量不同樁對基坑開挖時的影響方面有巨大優(yōu)勢。這 樣的便利能力極大地推動了參數(shù)研究和設(shè)計圖表的發(fā)展?；締栴}的結(jié)果圖 3顯示了在離基坑表面不同距離的四個基坑開挖階段擋土

11、墻側(cè)移和土體側(cè)移 的訃算情況?？梢钥闯鰮跬翂屯馏w位移隨著穩(wěn)定系數(shù)的增加而增加。增c加的比率在土體接近破壞時會明顯加快。土體的側(cè)移在遠(yuǎn)離基坑表面的地方比 在擋墻或其附近更加緩和。 圖 3顯示的土體側(cè)移本質(zhì)上與其他研究者預(yù)測的類似，像 Hashash和 Whittle(1992)年預(yù)測的那樣。圖 3擋土墻側(cè)移和土體位移的訃算如圖 4所示土體的最大側(cè)移量與不同的穩(wěn)定參數(shù)相關(guān)，而與基坑表面離 ymax樁的距離成反比，可以推斷（尤其是對那些穩(wěn)定系數(shù)大的基坑來說），隨著 X的 增大，y會減少，樁對于自由土體的位移在 X=lm（如圖 3（b）所示）時所產(chǎn) max生的結(jié)果在圖 5中顯示，樁圖在圖 1中有圖示

12、。樁的偏移量與自由土體的位移 密切相關(guān)，這表明樁相對較柔的事實，樁的彎矩在圖 5（b）中顯示，可以發(fā)現(xiàn)有兩 種曲率。彎距的最大值隨穩(wěn)定系數(shù)的增大而增大。當(dāng)土體接近破壞時，彎距的增大 率隨穩(wěn)定系數(shù)在較大范圍內(nèi)增大而增大。我們還可以發(fā)現(xiàn)在離基坑表面的一切距離 內(nèi)樁的偏移與土體的位移密切相關(guān)。 因此， 樁的最大偏移量可以認(rèn)為與土體的最大 位移相等 （如圖 4 所示） ，而離樁不同距離的 X的側(cè)向彎矩都具有十分相似的形狀， 而彎矩的最大值隨著 X的增大而減小，（如圖 6所示）7-fJft VQ _15Lmmd will raovemmi. y (mm,3-0？0ylfrIJylfrIJUitmd so

13、i I movtamt. yiiam)LflEcnl wil nwvtvncnl, y(imn) o-40 -id6c)X5n5 5 0 0 5 5 st*fst*fi i知圖 4上體最大位移隨離基坑表面的距離大小變化曲線圖 5樁對基本問題的反應(yīng):R 撓度曲線 b）彎曲彎矩曲線圖 6基本問題中最大彎矩隨距離變化曲線參數(shù)的研究和圖表的設(shè)訃為了研究對樁的影響最大的關(guān)鍵參數(shù)，我們研究了許多不同的情況下各種參EI數(shù)的變化。如:不排水抗剪強度，擋土墻剛度，支撐剛度 K,支撐距離 sCwu 和樁的直徑 d。土的楊氏模量假定為 400。通過參數(shù)的研究可以得岀以下結(jié)論:、Ne 1.5-3 0 4.0一 5.0

14、*-i. j-fcl、.J -7 一 f j4G30Q0la1520Xm)a 2050Defledim (tnm)0*2040 MW NO -100Bcndlnu nxwnent (和耐 ior looJooCu（1） 土的極限側(cè)向荷載對樁的影響（彎矩和偏移量）隨著 C （和 E）的增 US大而增大。（2）更大的土體的側(cè)移對樁的影響隨穩(wěn)定系數(shù)的增大而增大。（3） 樁的影響隨著基坑支撐剛度條件的改善而減少。（例如增大擋土墻剛度和支撐剛度，減少支撐間的距離 s）因為那樣的支撐條件會使土體的位移 減少。（4）因為樁自身剛度的原因，樁的彎矩會隨樁直徑的增大而增大。樁的偏移 減小的趨勢很微小，但樁的偏移

15、一般會隨著土體的位移一起，只要樁的剛度 不是太大（比如直徑 d, 10m）048121620Distance from excavation face, X （m）圖 7 初始彎矩隨離基坑表面距離大小的變化曲線和兩者的值和所有修正系數(shù)如圖 710所示。從圖 6 和圖 4分別獲得 MPbb的。結(jié)論相應(yīng)取二 3,我們可以得出和隨 X的變化而變化，如圖 7和 9NMPbcb分別所示，所有的修正系數(shù)都在相應(yīng)取二 3基本結(jié)論的基礎(chǔ)上修正。用公式（2）Nc和微型化的圖表形式，這里不可避免的出現(xiàn)了誤差，這樣的誤差是山于用公式（2）計算的結(jié)果與直接從邊界元法得出的結(jié)果所產(chǎn)生的。不過這種偏差在 15%范圍內(nèi)，除

16、了十分軟的粘土以外（如，Cu低于 20kp） o圖 8彎矩的影響因素修正圖需要說明的是，公式僅僅是計算樁的附加影響，它是假定在基坑開挖前樁 自身不存在初始彎矩和偏移將會隨著基坑開挖的進行而或增大或減小，這也取決于 樁原來在丄作載荷下的彎矩和偏移。同樣需要指岀的是單樁的側(cè)向特性一般不會受鄰近群樁的密切影響，樁群受影響的程度取決于樁的數(shù)量，各樁距和樁0）也可以用于估計類似的群樁。頂部的約束條件，土的特性等因素。公式（2Distance from excavation face. X (m)圖 9隨基坑表面距離大小變化的初始位移值為了避免問題過于復(fù)雜，公式(2)沒有涉及無支撐的基坑開挖情況，那種情況

17、也可以用類似的方法分析。事實上，有限元研究表明在無支撐的情況下基坑開挖時對樁的影響是十分不同的，在這種情況下，考慮用分別的圖表法會更加適合。山于限于篇幅，這種圖表法沒有在本文中介紹。圖 10撓度的系數(shù)修正圖問題的應(yīng)用為了檢驗本方法對預(yù)測樁的影響能力，我們分析了兩件已發(fā)生的有關(guān)案例，并 作簡要表述，在每一個案例中，在對具體場地進行分析時，我們運用有限元法 AVPULL去估計土的位移，用 PALLAS法計算樁的影響。公式(2)也被用來計算第一 個樁的最大彎矩和位移。案例 1Finno etal（1991）曾描述過在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行大型基坑開挖的情況。這種框 架結(jié)構(gòu)是被階梯狀的錐型群樁支撐的，這些樁

18、離基坑表面很遠(yuǎn)，雖然基坑在開挖是 用臨時的錨桿支護，但旳要開挖基坑的板樁墻時，群樁就向基坑內(nèi)部傾斜嚴(yán)重。基 坑開挖被分為好兒個階段，板樁墻的偏移和樁的影響除了第一階段外其他兒個階段 都被測量記錄了下來。圖 11用有限元網(wǎng)法來研究自由土體的位移。現(xiàn)在所模擬的基坑開挖過程中， 錨定支撐被簡化為四個水平支撐，每個支撐的剛度都與 il算過的墻體位移相符合， 基坑開挖用 AVPULL模擬為四個階段（沒有模擬板樁墻的開挖，每個水平支撐在每一 步基坑開挖完成之后立刻加上去），已經(jīng)確定了的土體側(cè)向位移作為原始數(shù)據(jù)用 PALLAS法來分析代表離基坑近的單樁影響。單樁離基坑表面 l.om,樁頂部被限制 不能轉(zhuǎn)動，

19、階梯狀的錐形樁被模擬成是單一的樁型，平均直徑為。土體參數(shù)的選擇都是以可獲得的信息為基礎(chǔ)的，如圖 11所 327mm,長度為 25m圖 11有限元網(wǎng)對案例 1的分析因為 PALLAS法不能用來分析有樁帽的群樁，這項分析只是分析單樁，而忽略樁一土一樁之間的相互影響，這種相互影響有兩個方面：1）與單樁相比，它通常會減小樁中的剪力和彎矩，這時土體是完全彈性的（只 有少量的位移）。P（2）它會改變樁土的極限側(cè)向土壓力，由于一定數(shù)量的實際樁構(gòu)成一個整 u體， 群樁效應(yīng)下的不是很大， 在實際是群樁的條件下考慮單樁的是有 PPuu些保守的(chen1994)。Deflection mm)01020 iO 40

20、 SO 607()0iO20203040-J圖e Pccscni method (step 1)一 Prcw；nt meihod zsp 4)一 X- Finno e【al 11991)(step 1) O- Finno ei al 1991) (step 4)13案例 1中樁的彎矩曲線圖 12結(jié)合已有的測量數(shù)據(jù)預(yù)測了兩個基坑開挖步驟中土體的側(cè)移情況，可以 看出，兩者符合得相當(dāng)好。本文中在同一階段中側(cè)向彎矩的預(yù)估計與前人的計算結(jié)果如圖 13所示，雖然在一些地方彎矩圖的形狀不太一樣，但彎矩的最大值在兩種 情況下十分接近，而且都在允許的彎矩范圍內(nèi)。在公式(2)中，我們也預(yù)測了樁的最大彎矩和最大偏移

21、量。假定土體為單kp的硬粘土，0100。這里假定土體具有平均的抗剪強度。這種假定不會造au成計算結(jié)果的很大出入，因為一些早年的研究表明，C值的過大或過小產(chǎn)生的UNNC影響會在上得到一定程度的補償，與成反比關(guān)系，第一階段的計算結(jié) ecu 果如下所示：初始數(shù)據(jù):X=l. 5m;=37KN?m,如圖 7圖 9所示，二 14mm，如圖 8所 MPbb示。修正系數(shù)如下所示:二 100,二 1.4如圖 8、10所示，=1. 95;=1. lKkpKNCcuacucu(=19X6,100), =0.5 如圖 8、10 所示，=0.5, d 二 0. 372m, =0. 2KKKNcNcd4 如圖 8、10

22、所示，=1.0;=UX KN?m , =1.3 如圖 8、10 所示，lOKEIKdwEIw,4=1.O6;K=1X KN, m, m, =1.3 如圖 8、10 所示，=1.5, S二 5m, lOKKKEIwkk =1.45。如圖 8、10所示，二 1.2。從公式(2a)中得:=37 X 14 X 0. 5KKMssmax X 0. 2 X 1. 3 X 1. 45=13 KN?m, 從公式(2b)中得:=14X 1. 95X0. 75X 1. 0X1. 06X 1. 5X 1. 2=26mm,從第四 Pmax個階段可得：=2. 9(=19X15, 100), =1. 0 如圖 8、10

23、所示，=1.0, KNKNcNcc 其他初始數(shù)據(jù)和修正系數(shù)與前同，從公式(2a)中得：=37X 14X1. 0X0. 2Mmax XI. 3X1. 45=25KN?m;從公式(2b)中得:=14X 1. 95X 1. 0X1. OX 1. 06Pmax X 1. 5X1. 2=52mm.。這些計算結(jié)果與圖 12、13的結(jié)果具有可比性。案例 2chu(1994)曾報道了山沙漿樁作為基坑開挖支撐的大型基坑項 U ,在基坑開挖 過程中卻產(chǎn)生了明顯的偏移現(xiàn)象，這些樁直徑為 400mm,長度為 30m,被排成了一 排。建筑場地主要有一些軟土組成，基坑開挖面積為 130mX100m,分許多階段施 工，每個階段都要從總面積中挖去一部分土。笫一階段是開挖基坑的最大開挖深 度，在基坑的周圍某些地方建造支撐用的防護墻。開挖的最大平均深度3ml2. 8mo 粘土層單位土體的重度和不排水的抗剪強度分別為 18 KN,和 40。 kpa由于工程建設(shè)的復(fù)雜性，本次論文只研究用 AVPULL模擬。第一階段兩側(cè)一部 分板樁的位移，防護墻在基坑兩側(cè)的傾斜角為 27.2?,群樁效應(yīng)在樁排成一排時時 并不明顯(chen和poulos 1993, 1994),因此,我們只用 PALLAS法分析離基坑表 面 3m 處的單樁對基坑開挖引起的土的側(cè)移的影響，理論研究的參