基坑開挖引起土體側移對樁的影響

1、浙江大學寧波理工學院畢業(yè)論文 外文翻譯 陳若曦2005年6月外文翻譯基坑開挖引起土體側移對樁的影響 HGPoulos，F(xiàn)ellow，ASCE，and L.Chen摘要：在這篇論文中，我們將應用有限元分析法和邊界元法分析基坑開挖引起的土體側向位移對單樁的影響。具體要關注在黏土層中有支撐系統(tǒng)的基坑開挖情況。將考慮不同直徑樁體的土體側移的影響。用設計圖表法的形式來估算樁的彎矩和偏移。這些工作可能已經被實際的工程師們用來估算基坑開挖時對樁性質的影響大小。我們將應用圖表法的形式通過研究兩件已經發(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測樁，我們發(fā)現(xiàn)圖表法可以推廣應用到相近

2、類型的其他土體中，但不能應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，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計而且確實是一種有效的方法。像上面闡述的Finnoetal（1991）和Haraetal（1991）都是用此法分析的。盡管如此，在許多情況下，由于缺乏詳細的地址或者巖土信息，有限元法分析既不安全，使用時又不靈活，在那種情況下，利用合理的原始數(shù)據(jù)設計簡單的圖表法可

3、能更適用。最初發(fā)展這種圖表形式的意圖是為現(xiàn)在的工作服務的。盡管基坑開挖將會引起土體豎向和側向位移，但后者的影響因素被認為對鄰近樁的影響更加關鍵，尤其是混凝土樁，因為樁通常在設計時很少考慮大的側向荷載。因此，現(xiàn)在研究的樁都只是考慮基坑開挖引起土體側向位移對其影響，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情況。樁體的反應（如彎矩和偏移）將作為結果以圖表的形式反映出來，既而將應用到實踐當中去，我們將分析歷史上發(fā)生的工程案例去闡

4、明現(xiàn)行方法的可應用性。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，影響單樁反應的關鍵因素包括基坑開挖的空間大小，基坑的支撐狀況，施工的過程，土的性質和樁的性質。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變分析條件。 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=基坑的半徑；H=整個原粘土層的厚度；X=樁距基坑邊緣表面的距離；=土體的不排水的抗剪強度；=土體的楊式模量；r=單位土體的重度；=樁長；d=樁的直徑；=擋土墻的剛度；s=支撐的

5、剛度；=擋土墻的長度；=基坑的開挖的最大深度?；娱_挖從頂部到底部分為10個步驟，每一步都挖走1m厚的土層，擬定有四個水平支撐支持當墻。第一道支撐在第一步開挖后設置，其余三道支撐分別在第4步、第7步和第10步開挖工作完成后加設，所有支撐都沒有預先加力。 通?；娱_挖的深度可以用一個眾所周知的穩(wěn)定參數(shù)表示，的表達式如下： = （1）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變問題。這種有限元法又被稱為AVPULLC（分析在側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

6、早用于分析側向荷載作用下或側向土體位移中群樁的反應情況；隨后經過改進使之適用于基坑開挖時的分析。用8節(jié)點的相關參數(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，它的剛度是由各支撐節(jié)點相應的位置所決定的。土體和邊界元素看成是彈塑性材料，服從Tresca屈服準則和不相適應流動法則。擋土墻被視為線彈性材料。應該指出，根據(jù)Hashash和Whittle（1992）分析，用有限元法計算的土體的位移是依靠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用在目前的研究中可能因為沒有考慮土體的

7、質量特別是在很高的穩(wěn)定系數(shù)的情況下（接近于6）而不能獲得固定的應變值而導致錯誤。有限元網法用來分析如圖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，擋墻假定設置在基坑前面，它對于周圍土體沒有影響。用有限元法計算的土體位移將作為用邊界元法分析樁的反應的初始數(shù)據(jù)，邊界元法有稱為PALLAS（用作樁的和側向荷載分析），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，但是限制了樁土表面的壓力，允許考慮由于地域原因土對鄰近樁沒有影響。這種方法可以分析單樁和非理想化的群樁

8、，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雖然從理論上說樁與側土的相互作用的極限土壓力可用有限元法分析獲得（chen和poulos 1994）曾推導過。在本次論文中，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偏于保守，因為在此情況下，基坑開挖或挖方會使減小，poulos（1976），chen和poulos（1994）曾指出過這種情況。chen（1994）曾檢

9、測過樁在極限壓力下的反應。這里采用基礎工程的方法已經用于解決許多問題，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)研究和設計圖表的發(fā)展。基本問題的結果圖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墻側移和土體側移的計算情況。可以看出擋土墻和土體位移隨著穩(wěn)定系數(shù)的增加而增加。增加的比率在土體接近破壞時會明顯加快。土體的側移在遠離

10、基坑表面的地方比在擋墻或其附近更加緩和。圖3顯示的土體側移本質上與其他研究者預測的類似，像Hashash和Whittle（1992）年預測的那樣。 圖3 擋土墻側移和土體位移的計算如圖4所示土體的最大側移量與不同的穩(wěn)定參數(shù)相關，而與基坑表面離樁的距離成反比，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，會減少，樁對于自由土體的位移在X=1m（如圖3（b）所示）時所產生的結果在圖5中顯示，樁圖在圖1中有圖示。樁的偏移量與自由土體的位移密切相關，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。當土體接近破壞時，彎距的增大率隨

11、穩(wěn)定系數(shù)在較大范圍內增大而增大。我們還可以發(fā)現(xiàn)在離基坑表面的一切距離內樁的偏移與土體的位移密切相關。因此，樁的最大偏移量可以認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）圖4土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：a）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)的研究和圖表的設計為了研究對樁的影響最大的關鍵參數(shù)，我們研究了許多不同的情況下各種參數(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s和樁的直徑d。土的楊氏模量假定為400。通

12、過參數(shù)的研究可以得出以下結論：（1） 土的極限側向荷載對樁的影響（彎矩和偏移量）隨著（和）的增大而增大。（2） 更大的土體的側移對樁的影響隨穩(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d10m）基于上述對參數(shù)的研究分析，我們可以發(fā)現(xiàn)樁的最大彎矩和偏移量可以用以下公式表示： =* （2a） =* （2b）其中：=最大彎矩，KN

13、·m；=最大偏移量 mm；，=各自的為修正的彎矩和偏移；，=不排水抗剪強度的修正系數(shù)；，=樁徑的修正系數(shù)；，=基坑開挖深度的修正系數(shù)；，=擋土墻剛度的修正系數(shù)；，=支撐剛度的修正系數(shù)；，=支撐距離修正系數(shù)。 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分別獲得的。結論相應取=3，我們可以得出和隨X的變化而變化，如圖7和9分別所示，所有的修正系數(shù)都在相應取=3基本結論的基礎上修正。用公式（2）和微型化的圖表形式，這里不可避免的出現(xiàn)了誤差，這樣的誤差是由于用公式（2）計算的結果與直接從邊界元法得出的結果所產生的。不過這種偏差在15%范圍

14、內，除了十分軟的粘土以外（如，Cu低于20kp）。 圖8 彎矩的影響因素修正圖需要說明的是，公式（2）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工作載荷下的彎矩和偏移。同樣需要指出的是單樁的側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，各樁距和樁頂部的約束條件，土的特性等因素。公式（2）也可以用于估計類似的群樁。 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雜，公式（2）沒有涉及無支撐的基坑開挖情況，那種情況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

15、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。由于限于篇幅，這種圖表法沒有在本文中介紹。 圖10 撓度的系數(shù)修正圖 問題的應用為了檢驗本方法對預測樁的影響能力，我們分析了兩件已發(fā)生的有關案例，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）曾描述過在框架結構內部進行大型基坑開挖的情況。這種框架結構是被階梯狀的錐型群樁支撐的，這些樁離基坑表面很遠，雖然基坑在開挖是用臨時的錨桿支護，但當要開挖基坑的板樁墻時

16、，群樁就向基坑內部傾斜嚴重?；娱_挖被分為好幾個階段，板樁墻的偏移和樁的影響除了第一階段外其他幾個階段都被測量記錄了下來。圖11用有限元網法來研究自由土體的位移?，F(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計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），已經確定了的土體側向位移作為原始數(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1.5m，樁頂部被限制不能轉動，階梯狀的錐形樁被模擬成是單一的樁型，平均直徑為327mm，長度為25m。土體參數(shù)的選擇都是以可獲得的

17、信息為基礎的，如圖11所示 圖11 有限元網對案例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，而忽略樁土樁之間的相互影響，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）。（2） 它會改變樁土的極限側向土壓力，由于一定數(shù)量的實際樁構成一個整體，群樁效應下的不是很大，在實際是群樁的條件下考慮單樁的是有些保守的（chen 1994）。 圖12 案例1中樁的側移曲線 圖13 案例1中樁的彎矩曲線 圖12結合已有的測量數(shù)據(jù)預測了兩個基坑開挖步驟中土體的側移情況，可以看出，兩者符合得相當好。本文中在同一階段中側

18、向彎矩的預估計與前人的計算結果如圖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。在公式（2）中，我們也預測了樁的最大彎矩和最大偏移量。假定土體為單一的硬粘土，=100。這里假定土體具有平均的抗剪強度。這種假定不會造成計算結果的很大出入，因為一些早年的研究表明，值的過大或過小產生的影響會在上得到一定程度的補償，與成反比關系，第一階段的計算結果如下所示：初始數(shù)據(jù)：X=1.5m；=37KN·m，如圖7圖9所示，=14mm，如圖8所示。修正系數(shù)如下所示：=100，=1.4如圖8、10所示，=1.95；=1.1（=19×6

19、100），=0.5如圖8、10所示，=0.5，d=0.372m，=0.2如圖8、10所示，=1.0；=11× KN·m ，=1.3如圖8、10所示，=1.06；K=1× KNmm，=1.3如圖8、10所示，=1.5，S=5m，=1.45。如圖8、10所示，=1.2。從公式（2a）中得：=37×14×0.5×0.2×1.3×1.45=13 KN·m， 從公式（2b）中得：=14×1.95×0.75×1.0×1.06×1.5×1.2=26mm，從第四

20、個階段可得：=2.9（=19×15100），=1.0 如圖8、10所示，=1.0，其他初始數(shù)據(jù)和修正系數(shù)與前同，從公式（2a）中得：=37×14×1.0×0.2×1.3×1.45=25 KN·m；從公式（2b）中得：=14×1.95×1.0×1.0×1.06×1.5×1.2=52mm.。 這些計算結果與圖12、13的結果具有可比性。案例2chu（1994）曾報道了由沙漿樁作為基坑開挖支撐的大型基坑項目，在基坑開挖過程中卻產生了明顯的偏移現(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130m×100m，分許多階段施工，每個階段都要從總面積中挖去一部分土。第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12.8m。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。由于工程建設的復雜性，本次論文只研究用AVPULL模擬。第一階段兩側一部分板樁的位移，防護墻在基坑兩側的傾斜角為27.2°，群樁效應在