堆載土體側移模式及對鄰近樁基影響分析

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1、 科技論衰在線 hrrpWwww paper edu cn http:/ \vww.pape匚 堆載土體側移模式及對鄰近樁基影響分析* 李忠誠”楊敏 (同濟大學地下建筑與工程系，上海，200092) 摘要：對地而超我條件下自由場土體的側向位移模式進行了數值分析，得出了土體側向變形 規(guī)律.在此基礎上，舟堆栽條件下土體的側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 側向變形和彎矩的變化規(guī)律。 關犍詞：被動樁；位移模式；數值分析；堆載 1引言 地而堆我對J：鄰近建筑物地族基礎的影響是一個不容忽視的

2、問題。過去對J：這一問題認 識不夠,引起了不少工程問題,甚至造成了嚴兩的工程事故。例如天津中板廠原料車間地面 堆載為200KN/m2,設計時沒有考慮大面積堆載對J：樁基礎的影響,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)生了較人側移，從而導致上 部結構斷裂而倒塌。 土體在長期堆載條件卜?，必然產生較人的側向位移，鄰近樁基受到側向運動土體的作用 產生變形，H 被動狀范疇。被動樁分析計算的難點是如何準確確定堆ridJ場土體的側向 位移和側移土體對樁施加的爪力..iii j

3、■-地面堆伐并不直接作用于樁上，而是通過土的側向變 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。 為了避免側移土體與鄰近樁甚復雜的相互作用過程，木文從自由場在堆載條件卜土體的 位移模式入手，分析七體的側向變形規(guī)律，以此為基礎分析堆我對?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性狀的影響。 2自由場土體位移模式 2.1 土體側向變形數值分析 受土體位移

4、作用的被動樁的分析過程，是一個復雜的樁土相互作用過程。從日前對彼動 樁的研究現狀來看，如來能準確預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鍵。 自由場地基在荷載;作用卜?，會發(fā)生豎向變形和側向變形，眾多的專家學者対卜土體的豎 向變形即沉降變形進行了不懈的研究，而上體的側向變形山r彩響因索多，相對r豎向變形 更加復雜,對此進行的研究相對較少何?然而在許多工程中,土體的側向變形又是非常重 要的，側向變形不僅影響沉降，也影響著結構的受力刃。尤比是在港門碼頭和存在大杲堆我 基金項目：匕海市科委乖點準礎研究項忖資助(02DJ140

5、62)：高等學校博七學科點專項科研加金資助 (20020247003). ??通訊聯系人：李忠誠，男,博士生，主耍從事樁基礎理論研究和巖上工程數值分析-Email： lzenc@的匸業(yè)廠房.對「?土體側向變形的分析更為重耍,由F土體側向運動而造成的樁基側向變形 和彎矩往往是工程建設成敗的關鍵。 卜而以雙層土體為例，如圖1所示，探討人面積堆我條件卜?土體的側向變形模式。數值 軟土 JS % 賓土層 圖1雙層十模些平面 0 ?? ?30 -40 ??r ??? A ? A ?叫 -20 10 20 30 40 50 (mm) 圖3不同堆載距離下土體

6、側向變形 Y-150kPa 一《-300kP. 尸 450爐 Q —*—600 -40 L—亠亠亠亠* ?—亠亠亠亠J -20 0 20 40 60 (mm) 圖2不同荷我下土體側向變形 -20 -30 分析時，模型邊界條件為單向約束，土體參數見表1所示，堆我寬度為 表1 土體參數 上肚分類 體枳模就 E (Mpa) 泊松比 V 粘聚力 C ( kPa) 內摩擦角 (po / (kn/m> 上層軟七 4.24 0.40 10.0 22.7 1&0 下層諛土 20.18 0.25 40.0 30.0 1&0 科技論衰在線

7、hrrpWwww paper edu cn 圖2為距堆載邊緣2m不同荷我人小條件卜?土體的側向變形。圖3為堆我450kPa不同 堆載距離條件卜?土體的側向變形。由圖可知,隨著荷載的增大，土體側向變形將增加，同時 最丿、變形發(fā)生的深度也將増人。當堆載較小時，衣層土體仃向著荷載方向偏移的趙勢，荷載 峭丿、時，衣屋上體逐漸向遠離堆載的方向偏移。這上耍是山r在靠近堆我的樁頂附近，往往 出現拉應力區(qū)，導致樁頂可能向堆載方向移動。實際丄體不能承受拉力，這動現彖并不明顯。 當堆我較人時，無論數值分析還是實測結果，樁都會向遠離堆我的方向位移。 圖4?6為距堆裁邊緣2m不同堆載人小時，土體的側向位移場等

8、值線(單位為m),由 圖可知，隨看荷我的增人，土體側向變形明顯增人，等值線相應變密，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，最人側移深度一般發(fā)生在8-12倍的 樁徑范由內。 1*1 4堆徴為50kPa條件下土休的側向位移場 http. //w^A 圖5堆載為lOOkPe條件卜?土體的側向位移場 -30 -20 -10 6—10~~20 30~~40 圖6堆我為150kPa條件下土體的側向位移場 2.2 土體側向變形模式探討 迄今為止，已有一些學者提出或假泄了口由場中土體側移的分布模式，代農性的主耍何: Ashour151提出的經驗應

9、力楔塊模型，Viggiani⑹捉出的滑動土層內土體均勻變形模型（圖7a）. Bolton⑺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 側向位移值及苴出現位置相同，軟土層交界而的側移值相等，從而形成雙線性簡化模式。顯 然，這樣的簡化對于工程設計是可以接受的⑵。 圖8為中曲線y0(Z)方程按照Bourges經驗公式確定: r= 1.83Z3-4.69Z2+2」3Z+O.73 (1) 由式I可知,當Z=z/E=0?27時，X=y/ymax=1.

10、0,因此,當z=0.27L時，)，=幾疵；當2=0 時，y=0.73);^，L為軟土層厚度，z為計算點到地面的距離。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,而表層硬土層的側移則按直線AB確定。員線AB 的長度為Z=0時,r=0.73Lo 圖8 土體側向變形収線性簡化模式 圖9側移模式對比圖 http. //w^A 由圖2、3計算所得，土體側移主要發(fā)生在軟土層，形狀近似J??雙曲線型分布.最人値 出現在8?12倍的樁徑范H；l內。數值計算結果與Begemann181的經驗模式較為吻合，最人側 移值出現的位宣也壓本-致(如圖9所示)。將數值分析時得到的垠

11、人側向位移仏代入 Bourges經驗公式中，即可得到土體的經驗模式，這樣可以考慮堆我距離和堆我人小對土體 側向位移模式的影響。 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. //w^A http. //w^A 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

12、向位移和樁身彎矩圖。數值分析時,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,樁身側移 和彎知都仃比較明顯的增人。為堆載較小時，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，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移和彎矩的形響圖 圖12為不同堆我距離度條件卜，樁的側向位移和樁身彎矩圖。數值分析時，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,

13、樁的側向變位與彎矩都仃明顯的增加。當樁逐漸接近堆載邊緣時，樁的垠人側移和厳人彎矩 發(fā)生的位置逐漸上移。 3?3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?，樁的側向位移和樁身彎矩圖。數值分析時，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、的短樁在側向樁頂荷我作用卜會 發(fā)牛整體側移的現象一致。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, 樁身彎矩也較小。樁的剛度逐漸增人時，樁身側移逐漸減小，相丿就的樁身彎矩卻逐漸增人。 -5 —300GPa ?■ 6

14、0GPa -^-12GPa 2.4GkPa 2^oo 100 300 500 700 (kN m) 圖I3不同樁身剛度對樁身水平側移和彎矩的影響圖 4結論 長期以來土體的側向變形常常被忽視，但由「?過大的土體側移導致的工程爭故卻屢見不 鮮。本文首先對堆我作用卜71由場地基側向變形規(guī)律進行了探討，將十?體的側向位移簡化為 雙線性變形模式，并將位移簡化模式與有限尤分析結果進行了比較。在此基礎上，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變化 時，鄰近被動樁側移和彎矩的變化規(guī)律? 發(fā)考文獻： 1 暢敬，朱列堂.堆我引起某廠房圳塌審故的初步分析

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18、 ED國科技論文在線 http了/vww.paper.edu cn Soil Lateral Mode Subjected to Surcharge Loads and Its Influence on Adjacent Piles ZhongChcng LI, Min YANG (Department of Geotechnical Engineering. Tongji University of Shanghai 200092. China) Abstract： Numerical analysis method is adopted to explore soil lat

19、eral 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