土拱效應產(chǎn)生機制及性狀的三維有限元分析

土拱效應產(chǎn)生機制及性狀的三維有限元分析

1樁間土拱效應機理當被動樁被移動到另一側時，樁之間的土壤試驗存在填充和積聚現(xiàn)象。樁間距較小時,樁間土體在樁間形成土拱效應。樁間土拱效應是樁土應力遷移的一種現(xiàn)象,即將樁后土體所承受的應力轉移至樁體上,因此,土拱效應可定義為一種剪切應力遷移現(xiàn)象。Terzaghi采用活門拱試驗驗證了土拱效應現(xiàn)象,并于1943年首先將這種應力轉移的現(xiàn)象稱之為“土拱效應”。隨后在20世紀70年代,也有一些學者研究了隧道中土拱效應現(xiàn)象。在Liang和Zeng以及Chen和Martin等人工作的基礎上,陳福全(2003年)和張建勛(2004年)采用土工有限元軟件Plaxis8.1詳細地研究了土拱效應的產(chǎn)生機制,分析了導致側向位移的荷載大小、土體性質(zhì)、群樁以及樁土接觸面性質(zhì)等影響因素對土拱效應性態(tài)和樁土應力分擔比的影響。但是樁間土拱效應本質(zhì)是一種復雜的三維應力轉移機制,在地面堆載作用下,樁土作用復雜,土層側移方向未必在水平面內(nèi),同水平面的土體側移大小不同,上下層土體存在相互作用,而二維分析忽略了這一情況;無論樁頂或樁端是何種約束條件,樁身在土層側移作用下會有一定的側移,而在簡化的二維問題中樁身是位移完全約束。Chen和Martin(2002年)采用美國土工差分數(shù)值分析軟件FLAC3D2.1進行被動樁三維數(shù)值分析,并與二維比較,但三維計算成果有限。Vermeeretal.(2001年)對基坑支護樁結構后土拱效應進行了類似的簡單分析。本文采用土工有限元軟件PlaxisTunnel3D1.2,對堆載荷載作用下鄰近樁基中的土拱效應產(chǎn)生機制和形狀進行三維數(shù)值分析?？紤]樁土相對位移,改進了現(xiàn)有的二維數(shù)值分析方法,采用Plaxis2D8.2軟件進行詳細研究。為了給后繼的數(shù)值分析提供合適的方案,無論三維分析還是二維分析,均預先研究了網(wǎng)格尺寸與密度、及邊界條件對分析結果的影響。2樁身變形及其土拱效應本節(jié)分析在地面堆載荷載作用下土層產(chǎn)生位移,因而造成鄰近樁基樁間土產(chǎn)生的土拱效應?？紤]對稱性,縱向取單位寬進行分析。d為被動樁樁徑,為1.0m;s為樁的中心距,s/d=4;樁長L為14.0m。如同Branby&Springman(1996年)的算例,土層為兩層,上層為軟土,厚8.0m,下層為較硬軟土層,厚17.0m。排樁的前后計算域取至少大于2L,4側邊界采用水平向約束,底面完全約束,樁頂無約束。土體本構模型采用Mohr-Coulomb模型,樁體采用線彈性模型。荷載作用面長為6.0m,離樁水平凈距為3.0m。圖1(a)和(b)為均布堆載荷載p=120kPa時,整體土層和樁的位移示意圖,其中圖1(b)為兩樁中間x向剖面的位移,顯然樁間軟土層中部土體的位移比樁身位移要來得大。圖2為樁身位置與x軸正交剖面的水平位移示意圖。在堆載作用下,土層產(chǎn)生側向位移,使鄰近樁承受水平壓力導致彎曲,而且樁土之間產(chǎn)生相對位移,因而產(chǎn)生不同性狀的土拱效應。在地面附近,樁身的水平位移比土體大,大主應力拱主要產(chǎn)生在樁的被動側,如圖3(a)所示。由于淺層土體直接受堆載荷載的作用,因而樁的左側應力比較大。而在軟土層的中間,土拱效應主要產(chǎn)生在主動側,如圖3(b)和(c)所示。在上下土層交界處,樁土相對位移較小,所以土拱效應較為不明顯,如圖3(d)所示。在下層土中,土拱效應發(fā)生在樁的被動側,如圖3(e)和9(f)所示。分析表明,被動樁中土拱效應的位置及其強弱與樁土的相對位移大小和方向及土體性質(zhì)有很大的關系。3考慮到樁底板向移動的二維數(shù)值分析3.1有限元模型及邊界條件以往,許多學者采用二維數(shù)值或解析解研究被動樁中的土拱效應時,一般假定樁身固定不動,從第2節(jié)中即可看出與實際不符。但是三維分析難以分析各種因素作用下的樁土荷載分擔比和土拱效應,因此,本文采用二維數(shù)值分析方法,考慮樁身側移,研究各種因素對土拱效應性狀和樁土荷載分擔比的影響。為了考慮樁身位移的影響,如圖4所示,采用地表下一定深度的單位厚度土層作為分析對象,并用假定該單位厚度土層的位移限定在水平方向;取單位寬進行分析,排樁的前后計算域取至少大于10倍的樁徑,對稱邊界采用x向約束,前側邊界采用y向約束?；舅憷嬎銋?shù)為s=5d,d=1.0m,土層參數(shù)為上節(jié)中的上層土的參數(shù)。至于樁土相互作用,Liang&Zeng(2002年)曾令樁間土體有一定的預位移來實現(xiàn),也可用應力邊界來實現(xiàn),而本文采用在y坐標正方向邊界上施加一均布荷載來實現(xiàn)土體側移的模擬,在樁體賦予一定的位移來模擬樁身側移。顯然土拱效應與土體的屈服條件有關。Plaxis可以截取任一斷面,通過應力積分,得到斷面等效的荷載,即可方便地得到作用于樁身上的殘余荷載和斷面土體所承擔的荷載,有限元網(wǎng)格和邊界條件如圖5所示。經(jīng)計算表明,荷載加載路徑對土拱效應性狀影響很小,但對樁土荷載分擔比和塑性區(qū)分布和發(fā)展過程有一定影響,本文不考慮其影響,計算時為先施加樁身的位移dy,再施加均布荷載p。3.2樁身側移土拱圖6(a)為樁身的位移dy=0.05m時樁前主應力拱示意圖,與圖3(a)、(e)和(f)類似;圖6(b)為dy=0m,p=50.0kPa時主應力拱,與圖3(b)、9(c)及(d)類似。說明本文方法可以進行考慮被動樁身側移時土拱效應的模擬。當樁的位移起主要作用時,在樁的主動側的土體中產(chǎn)生應力拱效應,當被動荷載即土體側移起主要作用時,在樁的被動側的土體中產(chǎn)生應力拱效應。圖7為各種情況下樁間中心對稱線上豎向剖面法向應力σx的分布曲線。在p=0kPa時,樁位移所產(chǎn)生的等效荷載均由土體承擔,當均布荷載起主要作用時,σx在成拱區(qū)域內(nèi)急劇增大,在樁間連線前則變得較小,說明被動荷載產(chǎn)生的大部分土體應力轉移至樁身,由樁身承擔。而且其增大而引起的應力增量也主要由樁身承擔。但土拱形狀受位移與荷載大小的影響不大,與文獻的結論一致,黏土層中的土拱更像等腰三角形。3.3樁身荷載分擔比文獻沒有研究被動荷載對土拱效應的影響。圖8說明了在不同的樁身側移條件下,當均布荷載p大于臨界值時,樁的荷載分擔比均隨之增大而減小,但當荷載較大時,減小幅度就變小;當小于臨界值時樁土荷載分擔比不變。樁身位移越大,被動荷載臨界較大,但一般難以準確確定其各種情況下的值。因為均布荷載較大時,樁身附近土體塑性區(qū)越大,將荷載傳遞至大范圍的土體。限于篇幅,這里沒有給出塑性區(qū)的分布示意圖。3.4樁身荷載分擔比隨樁身側移的變化規(guī)律土體參數(shù)與三維分析所用的參數(shù)一致,對作用有20,50,100,200kPa和400kPa均布荷載時樁身荷載分擔比隨樁身側移變化規(guī)律進行分析,結果如圖9所示。當樁身位移較小時,由樁所承擔的被動荷載的比例隨樁身位移增大而增大;當樁身位移達到臨界值時,在不同樁身位移作用下,樁土荷載分擔比保持不變。當被動荷載較小時,其樁身側移臨界值較小。3.5被動荷載分擔比文獻指出,樁間成拱效應的最主要影響因素是樁間距,本文同樣采用參數(shù)s/d來表征樁間距和樁徑對土拱效應的影響。在不同的樁身位移和被動荷載作用下,隨著s/d增大,土拱效應越不明顯,因而樁土荷載分擔比隨之減小,如圖10所示。樁身位移減弱了土拱效應,文獻指出,當s/d≥8時,樁的遮攔效應不明顯,樁的荷載分擔比僅有61%。但考慮樁身側移的影響,當s/d=5~8時,分擔比就降到了60%,當被動荷載較大時,分擔比下降的幅度就更大。如當s/d=5和dy<10cm,被動荷載由50kPa增大到100kPa時,樁的荷載分擔比就減小了15%。3.6土體荷載分擔比隨埋深的變化已有文獻研究表明,土體的性質(zhì)對土拱效應有一定的影響。圖11為s/d=5時,不排水條件下土體凝聚力對土拱效應的影響。計算分析表明,凝聚力越大,土拱效應越明顯,樁的荷載分擔比越大,且當內(nèi)摩擦角較大時,變化幅度也較小。當被動荷載較小時,很快達到穩(wěn)定值;當不排水強度達到80kPa時,樁身側移和被動荷載對樁土荷載分擔比的影響就很小。如圖12所示,總體上,土體內(nèi)摩擦角越大,土拱效應越明顯,樁的荷載分擔比呈增長趨勢。但是,當c=0kPa時,樁身側移和被動荷載對樁土荷載分擔比影響很小;當被動荷載較小時,黏土中被動樁的荷載分擔比變化不大。4土拱區(qū)域塑性區(qū)的變化,可減少和化解土拱效應的影響本文通過三維數(shù)值分析和考慮樁身側移的二維數(shù)值分析表明,樁身位移對被動樁的土拱效應性狀和樁土荷載分擔比有較大的影響,其較小時,隨之變大,荷載分擔比越大。但本文二維分析不足之處在于沒有考慮加載路徑對土拱效應的影響,特別是發(fā)生土拱區(qū)域塑性區(qū)的發(fā)展和分布有待進一步研究,以及仍是假定位移方向是在水平內(nèi)。初步地可以得到如下結論:(1)不同的樁身側移條件下,當被動荷