堆載土體側(cè)移模式及對(duì)鄰近樁基影響分析

1、堆載土體側(cè)移模式及對(duì)鄰近樁基影響分析*李忠誠(chéng) 楊 敏（同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海，200092）摘要：對(duì)地面超載條件下自由場(chǎng)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，將堆載條件下土體的側(cè)向位移簡(jiǎn)化為雙線性變形模式，對(duì)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)鍵詞：被動(dòng)樁；位移模式；數(shù)值分析；堆載*1 引言地面堆載對(duì)于鄰近建筑物地基基礎(chǔ)的影響是一個(gè)不容忽視的問題。過去對(duì)于這一問題認(rèn)識(shí)不夠，引起了不少工程問題，甚至造成了嚴(yán)重的工程事故。例如天津中板廠原料車間地面堆載為200KN/m2，設(shè)計(jì)

2、時(shí)沒有考慮大面積堆載對(duì)于樁基礎(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；建筑在軟土地基上的上海寶山鋼鐵廠的鋼渣處理廠房1，由于十多年的長(zhǎng)期堆載，引起了柱下樁基發(fā)生了較大側(cè)移，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)斷裂而倒塌。土體在長(zhǎng)期堆載條件下，必然產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，鄰近樁基受到側(cè)向運(yùn)動(dòng)土體的作用產(chǎn)生變形，屬于被動(dòng)狀范疇。被動(dòng)樁分析計(jì)算的難點(diǎn)是如何準(zhǔn)確確定堆載自由場(chǎng)土體的側(cè)向位移和側(cè)移土體對(duì)樁施加的壓力。由于地面堆載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上，所以被動(dòng)樁受力不明確，樁與土存在著一個(gè)相互作用的過程。由此可見，相對(duì)于通常情況下，在樁頂受明確豎向荷載

3、和水平荷載的主動(dòng)樁基，被動(dòng)樁不僅受力不明確，而且樁身受荷是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，這就給被動(dòng)樁的研究帶來(lái)了一定困難。為了避免側(cè)移土體與鄰近樁基復(fù)雜的相互作用過程，本文從自由場(chǎng)在堆載條件下土體的位移模式入手，分析土體的側(cè)向變形規(guī)律，以此為基礎(chǔ)分析堆載對(duì)鄰近樁基的影響。探討不同堆載大小、不同堆載距離、不同樁間距等影響因素對(duì)鄰近樁基力學(xué)性狀的影響。 2 自由場(chǎng)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(dòng)樁的分析過程，是一個(gè)復(fù)雜的樁土相互作用過程。從目前對(duì)被動(dòng)樁的研究現(xiàn)狀來(lái)看，如果能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)無(wú)樁自由場(chǎng)的土體位移，則被動(dòng)樁的問題就迎刃而解了，因此自由場(chǎng)中土體位移的確定是研究受土體位移作用被動(dòng)樁的

4、關(guān)鍵。自由場(chǎng)地基在荷載作用下，會(huì)發(fā)生豎向變形和側(cè)向變形，眾多的專家學(xué)者對(duì)于土體的豎向變形即沉降變形進(jìn)行了不懈的研究，而土體的側(cè)向變形由于影響因素多，相對(duì)于豎向變形更加復(fù)雜，對(duì)此進(jìn)行的研究相對(duì)較少 2。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3。尤其是在港口碼頭和存在大量堆載 *基金項(xiàng)目：上海市科委重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助 （02DJ14062）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助（20020247003）.*通訊聯(lián)系人：李忠誠(chéng)，男，博士生，主要從事樁基礎(chǔ)理論研究和巖土工程數(shù)值分析。Email：lzenc的工業(yè)廠房，對(duì)于土體側(cè)向變形的分析更為重要，由于

5、土體側(cè)向運(yùn)動(dòng)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。下面以雙層土體為例，如圖1所示，探討大面積堆載條件下土體的側(cè)向變形模式。數(shù)值分析時(shí)，模型邊界條件為單向約束，土體參數(shù)見表1所示，堆載寬度為8m。表1 土體參數(shù)體積模量土層分類 上層軟土 下層硬土泊松比粘聚力內(nèi)摩擦角容重E(Mpa)c( kPa)()o(kn/m3)4.24 0.40 10.0 22.7 18.0 20.18 0.25 40.0 30.018.0p-10深度(m)-10深度(m)-20-20-30-40-30圖1 雙層土模型平面?zhèn)认蜃冃?mm)-40側(cè)向變形(mm)圖2 不同荷載下土體側(cè)向變形 圖3 不同堆載距離下土

6、體側(cè)向變形圖2為距堆載邊緣2m不同荷載大小條件下土體的側(cè)向變形。圖3為堆載450kPa不同堆載距離條件下土體的側(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)最大變形發(fā)生的深度也將增大。當(dāng)堆載較小時(shí)，表層土體有向著荷載方向偏移的趨勢(shì)，荷載增大時(shí)，表層土體逐漸向遠(yuǎn)離堆載的方向偏移。這主要是由于在靠近堆載的樁頂附近，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(dòng)。實(shí)際土體不能承受拉力，這動(dòng)現(xiàn)象并不明顯。當(dāng)堆載較大時(shí)，無(wú)論數(shù)值分析還是實(shí)測(cè)結(jié)果，樁都會(huì)向遠(yuǎn)離堆載的方向位移。圖46為距堆載邊緣2m不同堆載大小時(shí)，土體的側(cè)向位移場(chǎng)等值線（單位為m），由圖可知，隨著荷載的增大，土體側(cè)向變形明顯增大

7、，等值線相應(yīng)變密，并且等值線逐漸向下突出，可見荷載的影響深度隨著荷載的增大逐漸增加，最大側(cè)移深度一般發(fā)生在812倍的樁徑范圍內(nèi)。圖4 堆載為50kPa條件下土體的側(cè)向位移場(chǎng)圖5 堆載為100kPa條件下土體的側(cè)向位移場(chǎng)圖6 堆載為150kPa條件下土體的側(cè)向位移場(chǎng)2.2 土體側(cè)向變形模式探討迄今為止，已有一些學(xué)者提出或假定了自由場(chǎng)中土體側(cè)移的分布模式，代表性的主要有：Ashour 5提出的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)力楔塊模型，Viggiani6提出的滑動(dòng)土層內(nèi)土體均勻變形模型（圖7a）、Bolton7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(dòng)模型等；y(z)一般情況下，土體的側(cè)向變形分布模式可

8、以采用圖9所示雙線性簡(jiǎn)化模式。即保持最大側(cè)向位移值及其出現(xiàn)位置相同，軟土層交界面的側(cè)移值相等，從而形成雙線性簡(jiǎn)化模式。顯然，這樣的簡(jiǎn)化對(duì)于工程設(shè)計(jì)是可以接受的2。圖8為中曲線y0(z)方程按照Bourges經(jīng)驗(yàn)公式確定：Y=1.83Z3-4.69Z2+2.13Z+0.73 （1）由式1可知，當(dāng)Zz/L0.27時(shí)，Yy/ymax1.0，因此，當(dāng)z0.27L時(shí)，yymax；當(dāng)z0時(shí)，y0.73ymax，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(jiǎn)化模式，土體最大位移值以下位移按照直線AC確定，而表層硬土層的側(cè)移則按直線AB確定。直線AB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

9、于雙曲線型分布，最大值出現(xiàn)在812倍的樁徑范圍內(nèi)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Begemann8的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ捷^為吻合，最大側(cè)移值出現(xiàn)的位置也基本一致（如圖9所示）。將數(shù)值分析時(shí)得到的最大側(cè)向位移Ymax代入Bourges經(jīng)驗(yàn)公式中，即可得到土體的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑@樣可以考慮堆載距離和堆載大小對(duì)土體側(cè)向位移模式的影響。 3 堆載對(duì)鄰近樁基影響分析 采用上面的簡(jiǎn)化模式，下面對(duì)堆載作用下鄰近被動(dòng)樁的性狀分析。分析模型如圖10所示，土層參數(shù)見表1，樁采用彈性模型，樁長(zhǎng)20m，樁徑1m。 3.1 不同堆載大小對(duì)被動(dòng)樁的影響 圖10 被動(dòng)樁模型0-5樁長(zhǎng)(m)0-5樁長(zhǎng)(m)-10-15-10-15-20樁身變位(mm)-20

10、樁身彎矩(kNm)圖11 不同堆載大小對(duì)樁身側(cè)移和彎矩的影響圖圖11為不同荷載大小條件下，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12GPa。由圖可知，隨著堆載的增加，樁身側(cè)移和彎矩都有比較明顯的增大。當(dāng)堆載較小時(shí)，樁頂向荷載方向偏移，隨著荷載增大，樁頂逐漸向外偏移，樁身逐漸彎曲。堆載增大時(shí)，樁身彎矩有顯著的增長(zhǎng)，最大彎矩發(fā)生在樁的中上部，之下彎矩迅速減小。3.2 不同堆載距離對(duì)被動(dòng)樁的影響0-5樁長(zhǎng)(m)0-5樁長(zhǎng)(m)-10-15-10-15-20樁身變位(mm)-20樁身彎矩(kNm)圖12 不同堆載距離對(duì)樁身水平側(cè)移和彎矩的影響圖圖12為不

11、同堆載距離度條件下，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)向變位與彎矩都有明顯的增加。當(dāng)樁逐漸接近堆載邊緣時(shí)，樁的最大側(cè)移和最大彎矩發(fā)生的位置逐漸上移。3.3 不同樁身剛度對(duì)被動(dòng)樁的影響圖13為不同樁身剛度條件下，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，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。這與剛度很大的短樁在側(cè)向樁頂荷載作用下會(huì)發(fā)生整體側(cè)移的現(xiàn)象一致。樁身彎矩隨著樁身剛度的增大呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)樁

12、的剛度較小時(shí)，樁身彎矩也較小。樁的剛度逐漸增大時(shí)，樁身側(cè)移逐漸減小，相應(yīng)的樁身彎矩卻逐漸增大。樁長(zhǎng)(m)0-5樁長(zhǎng)(m)-10-15樁身變位(mm)-20樁身彎矩(kNm)圖13 不同樁身剛度對(duì)樁身水平側(cè)移和彎矩的影響圖4 結(jié)論長(zhǎng)期以來(lái)土體的側(cè)向變形常常被忽視，但由于過大的土體側(cè)移導(dǎo)致的工程事故卻屢見不鮮。本文首先對(duì)堆載作用下自由場(chǎng)地基側(cè)向變形規(guī)律進(jìn)行了探討，將土體的側(cè)向位移簡(jiǎn)化為雙線性變形模式，并將位移簡(jiǎn)化模式與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，利用不同加載條件下給定的雙線性模式，分析了堆載對(duì)鄰近被動(dòng)樁的影響，得出了堆載和樁參數(shù)變化時(shí)，鄰近被動(dòng)樁側(cè)移和彎矩的變化規(guī)律。 參考文獻(xiàn)：1 2

13、3 4楊敏，朱碧堂堆載引起某廠房坍塌事故的初步分析J巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24（4）：446-450 楊敏，朱碧堂堆載下土體側(cè)移及對(duì)鄰樁作用的有限元分析J同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31（7）：772-777. 殷宗澤土體的側(cè)向變形第三屆全國(guó)青年巖土力學(xué)與工程會(huì)議淪文集A南京，1998，4 Poulos H.G. Difficulties in prediction of horizontal deformations of foundations,” JSMFD, ASCE, 1971, Vol. 98 (8): 843-848.5 Ashour, M., Pilling, P., and N

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16、ode Subjected to Surcharge Loads and Its Influenceon Adjacent PilesZhongCheng LI，Min YANG(Department of Geotechnical Engineering, Tongji University of Shanghai 200092, China)Abstract：Numerical analysis method is adopted to explore soil lateral deformation mode in thefree field state and conclusion of soil lateral deformation is drawn in the paper. On the base of that, soil lateral deformation is simplified to the bilinear abbreviated mode, then the mode is applied to discu