（岩土工程专业论文）长期反复荷载作用下被动桩性状及被动桩计算模式研究.pdf

摘要 摘要 工程中的桩基经常要承受被动荷载，这种荷载往往是由于运动土体施加到桩 身上的，因此被动桩的研究实际上是一个复杂的桩土相互作用过程。值得注意的 是，作用在土体上并导致土体运动的荷载往往是非静态的，即荷载随着时间而变 化，如工业厂房、港口码头的反复堆卸载，桥头桩基受到车辆作用的循环荷载， 高速公路、高速铁路路基受到的循环荷载等等。同时上述荷载又是长期作用的， 土体在长期荷载作用下不仅会产生伴随着孔压消散的固结变形，而且会发生蠕变 变形。因此长期反复荷载作用下土体的变形存在塑性累计效应和流变效应，往往 导致邻近桩基产生较大的变位和挠曲，甚至造成工程事故。 本文的主要工作是借助数值分析对于长期反复荷载作用下土体性状和对邻 近桩基的影响进行分析。评价长期反复荷载作用对土体自由场和邻近桩基性状的 影响，离不开开展针对反复荷载和长期反复加卸载作用下土体本构关系和流变模 型的研究。本文将依据临界状态土体力学原理建立反复荷载用下和长期反复荷载 作用下土体的本构模型，以此为基础对自由场土体和侧移土体对邻近桩基的影响 进行分析。论文的后一部分在对堆载等原因导致的侧移土体被动桩成拱效应数值 分析的基础上，建立了被动桩的简化计算模式，提出了被动桩土压力计算的被动 拱一主动楔模型，推导了被动桩的平衡微分方程和有限差分解，并编制了e x c e l v b a 数据表格程序。 下面将本文开展的研究工作总结如下： 1 ) 在对国内外被动桩研究现状及长期反复荷载作用下地基与临近桩基相互 作用进行系统分析调研的基础上，探讨了复杂荷载作用下基于临界状态土力学理 论的四种土体建模思想。应用上述建模思想建立了大循环次数荷载作用下土体的 简化模型，利用该模型，编制了平面应变有限元程序，应用该程序对反复荷载作 用下土体与临近桩基相互作用的性状进行了系统分析。 2 ) 采用元件模型耦合改进剑桥模型的方法建立长期反复加卸载作用下土体 的本构模型。通过引入临界重复应力和衰减参数的概念，改进基于临界状态土力 学理论的修正剑桥模型，使其能够描述重复荷载作用下土体的荷载记忆特性和塑 性累计变形。将以上模型嵌入b i n g h a m 元件模型中，并采用m e r c h a n t 三参数模 型计算土体的粘弹性变形，通过p e r z y n a 积分方程计算土体的粘塑性变形，由此 建立了能够考虑长期反复加卸载效应的粘弹一粘塑性流变模型。 3 ) 利用f l a c 提供的开放的二次开发平台，根据本文第四章建立的长期反 复加卸载作用下土体的本构模型和模型的有限元积分格式，将其嵌入f l a c 之中， 摘要 建立长期反复加卸载作用下的分析模块。新建立的模型运行速度比f l a c 内置模 型略慢，但在一个数量级内，可以充分利用f l a c 提供的强大的建模和计算分析 功能。 4 ) 利用本文建立的大循环次数荷载作用下的简化模型和长期反复加卸载作 用下的土体本构模型，对无桩土体自由场和运动土体对邻近桩基的影响进行了分 析，得出了土体在反复荷载和长期反复荷载作用下的变形特征。 5 ) 采用f l a c 3 d 建立了三维数值分析模型，进行侧移土体被动桩三维土拱 效应分析，验证了土拱效应的存在。分析了不同桩间距，不同堆载大小等情况下， 被动桩的成拱效应，并总结了成拱效应的规律，为第七章被动桩实用计算方法的 研究建立了理论基础。 6 ) 在数值分析的基础上，以t i t o s 土压力为依据，考虑土体的实际分层，探 讨了考虑土拱效应的土压力计算方法和被动桩实用计算模式。以考虑土拱效应的 t i t o s 土压力解计算被动侧土压力，以应变楔模型计算侧移桩基受到的主动土压 力，建立了被动桩土压力计算的被动拱一主动楔模型。采用以主动楔模型计算得 到的主动侧土压力作为土体对桩的抗力，同时将通过被动拱模型传递到桩身上的 土压力作为桩受到的主动荷载，由此建立桩的平衡微分方程，并推导了基于极限 抗力分布模式的有限差分解，编制了e x c e lv b a 数据表格程序p a 彳矾最后应 用所编制的v b a 程序，对两个例子进行了分析，通过与实测结果和数值分析结 果进行对比，验证了本文提出的被动桩被动拱一主动楔计算模型的准确性和实用 性。 关键词：被动桩，循环荷载，流变，粘弹塑性模型，土拱效应，应变楔模型 l i a b s t r a c t a b s t r a c t i ne n g i n e e r i n g ，p i l e sa r ec o m m o n l ys u b je c t e dt op a s s i v el o a d s ，w h i c ha r ea p p l i e d t op i l es h a f td u et os o i lm o v e m e n t s ot h ep r o b l e mo fp a s s i v ep i l e sa c t u a li sa c o m p l i c a t e di n t e r a c t i o nb e t w e e np i l e sa n ds o i l i tw o u l db ew o r t hn o t i c et h a tt h el o a d s t h a ta p p l y i n gt os o i la n di n d u c i n gs o i lm o v e m e n ta r en o ts t a t i c ，t h a ti st os a y , t h el o a d s a r ev a r i a b l ew i t ht i m e 。s u c ha st h ep i l ef o u n d a t i o no fi n d u s t r i a lb u i l d i n g ，d o c ka n d h a r b o r , e x p r e s sh i g h w a y , h i g hs p e e dr a i l w a yu n d e rr e p e a t e dl o a d s a tt h es a m et i m e ； t h el o a d sa r el o n g t e r m w h e ns o i li sa p p l i e dt ol o n g t e r ml o a d s ，i tw i l lo c c u rn o to n l y c o n s o l i d a t i o nd e f o r m a t i o na c c o m p a n i e db yp o r ew a t e rp r e s s u r ed i s s i p a t i o n ，b u ta l s o c r e e pd e f o r m a t i o n 。 t h em a i nio bi nt h ep a p e ri st or e s e a r c ht h es o i lb e h a v i o ru n d e rl o n g - t e r m r e p e a t e dl o a d sa n dd i s c u s st h ei n f l u e n c eo fm o v e m e n ts o i lo na d j a c e n tp i l e s a si sw e l l k n o w nt h a tt h ea c c u r a c yo fn u m e r i c a la n a l y s i si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gd e p e n d so n t w of a c t o r s ：o n ei sw h e t h e rs o i lc o n s t i t u t i v em o d e li sa c c o r dw i t hp r a c t i c a ls i t u a t i o n 。 t h eo t h e l i sw h e t h e rt h em o d e lp a r a m e t e ri se a s yt oa c q u i r e i no r d e rt oe v a l u a t et h e i n f l u e n c eo fl o n g t e r mr e p e a t e dl o a d so nf r e ef i e l ds o i la n da d ja c e n tp i l e s i tm u s tm a k e as t u d yo fc o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dr h e o l o g i cm o d e lo fs o i lu n d e rr e p e a t e dl o a d so r l o n g - t e r ml o a d i n g - u n l o a d i n gs u r c h a r g e i nt h ep a p e r , ac o n s t i t u t i v em o d e li s s e tu p ， w h i c hc a nb eu s e dt od e s c r i b es o i lb e h a v i o ru n d e rr e p e a t e dl o a d so rl o n g - t e r m l o a d i n g u n l o a d i n gs u r c h a r g e b a s e do nt h et h e o r e t i c so fc r i t i c a ls t a t es o i lm e c h a n i c s u s i n gt h ee s t a b l i s h e dm o d e l i ti st 0b ed i s c u s s e dt h a tt h ec h a r a c t e r so fs o i lf l e ef i e l d a n da d ja c e n tp i l e su n d e rl o n g t e r mr e p e a t e dl o a d s s o m ei n n o v a t i v er e s e a r c hf i n d i n g so b t a i n e da sf o l l o w si nt h ep a p e r ： l 1t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ei n t e r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i la n da d ja c e n tp i l e f o u n d a t i o nu n d e rl o n g - t e r mr e p e a t e dl o a d i n gb ys t u d y i n gt h er e l e v a n tr e s u l t sr e p o r t e d i nt h el i t e r a t u r e f o u rk i n d so fm o d e l i n gt h o u g h t sa r eb r o u g h tf o r w a r du n d e r c o m p l i c a t e dl o a d i n gs i t u a t i o nb a s e do nt h ec r i t i c a ls t a t es o i lm e c h a n i c s t h ea b o v e m o d e l i n gt h o u g h t sa r en o ta i m e dt os t u d yh o wt od e v e l o pn e wc o n s t i t u t i v et h e o r ya n d c o m p l i c a t e dm o d e l 。b u tw i t hav i e wt h a th o wt om a k et h ec l a s s i c a le l a s t o p l a s t i ct h e o r y f r o mt h ec r i t i c a ls t a t es o i lm e c h a n i c su s e de a s i l y s ow ec a ne s t a b l i s hab r i d g eb e t w e e n t h ec l a s s i c a le l a s t o p l a s t i ct h e o r ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n w ew i l le s t a b l i s han e w s o i lc o n s t i t u t i v eu n d e rr e p e a t e dl o a d sc o n s i d e r i n ga c c u m u l a t e dd e f o r m a t i o na p p l f i n g t h ea b o v em o d e l i n gt h o u g h t s t h en e wm o d e lm a k ec y c l en u m b e ra sam o d e l p a r a m e t e ra n dd o e s n tp a ym u c hm o r ea t t e n t i o nt oy i e l ds u r f a c e sc h a n g e m e n tu n d e r l o a d i n g u n l o a d i n ge v e r yt i m e t h em o d e lc a nd e s c r i b es o i lc h a r a c t e r i s t i c su n d e rl a r g e c y c l en u m b e r sr e p e a t e dl o a d sa n dc a ns a v ec a l c u l a t i o n a lt i m eg r e a t l y t h ep l a n ef i n i t e e l e m e n tp r o g r a m m ei sd e v e l o p e dw h i c hc a na n a l y s et h eb e h a v i o ro ff r e ef i e l ds o i la n d a d ja c e n tp i l ef o u n d a t i o nu s i n gt h en e wm o d e l 2 1 i no r d e rt os t u d ys o i lb e h a v i o ra n dt h ei n f l u e n c eo na d j a c e n tp a s s i v ep i l e f o u n d a t i o nu n d e rl o n g t e r mr e p e a t e dl o a d s r h e o l o g i ce l e m e n tm o d e li sc o u p l e dw i t h m o d i f i e dc a m c l a ym o d e l b yi n t r o d u c i n gt h ec o n c 印to fc r i t i c a lr e p e a t e ds t r e s sa n d i i i a b s t r a c t a t t e n u a l ：i o np a r a m e t e r , c a m c l a ym o d e li sm o d i f i e dt or e f l e c ts o i l sd e f o r m a t i o n c u m u l a t i v ee f f e c ta n d1 0 a d sm e m o r ye f f e c tu n d e rr e p e a t e dl o a d s i nt h em o d e l t h e a l t e r a t i o no fy i e l ds u r f a c ei sc o n n e c t e dw i t hl o a d i n ga n du n l o a d i n g ，t h a ti st os a y , y i e l d s u r f a c ew i l lr e b o u n dw h e nu n l o a d i n g s h r i n k i n gw h e nl o a d i n g t h ea b o v em o d e li s e m b e di n t ob i n g h a me l e m e n tm o d e l t h ev i s c o e l a s t i cd e f o r m a t i o no fs o i l i sc a l c u l a t e d b ym e r c h a n tm o d e l a n dv i s c o p l a c t i cd e f o r m a t i o no fs o i li sc a l c u l a t e db yp e r z y n a i n t e g r a le q u a t i o n s ot h ev i s c o e l a s t i c v i s c o p l a c t i cm o d e lo fs o i lu n d e rl o n g t e r m r e p e a t e d1 0 a d si se s t a b l i s h e d 3 、t h e g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g s o f t w a r eo ff l a cp r o v i d e sc o n v e n i e n t s e c o n d a r yd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta n du s e ri n t e r f a c e s a l lt h es o u r c ec o d e so fs o i l c o n s t i t u t i v em o d e li nt h es o f t w a r ea r ei n c l u d e di nt h ei n s t a l l a t i o nc a t a l o g u eo ft h e s o f t w a r e w ec a ne a s i l yd e v e l o po u ro w nc o n s t i t u t i v em o d e l b a s e do nt h ep l a t f o r mo f f l a c a p p l y i n gt h ee s t a b l i s h e dc o n s t i t u t i v em o d e la n di t sf i n i t ee l e m e n ti n t e g r a l f o r m a ti nt h ef o u r t hc h a p t e ro ft h ep a p e r , an e wc o n s t i t u t i v em o d e li sd e v e l o p e db y m e a n so ff l a c t h ec o m p u t a t i o ns p e e do ft h en e wm o d e li ss l i g h t l ys l o w e rt h e n b u i l t i nm o d e li nf l a c b u tt h e ya r es t i l ii nt h es a m eo r d e ro fm a g n i t u d e t h en e w m o d e lc a nm a k eu s eo fp o w e r f u lm o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o nf u n c t i o no f f l a c 4 1s o i lb e h a v i o ra n dt h ei n f l u e n c eo na d ja c e n tp a s s i v ep i l e sa r ed i s c u s s e di nt h e f i f t hc h a p t e r , u s i n gt h es o i lc o n s t i t u t i v em o d e lu n d e rl a r g ec y c l en u m b e r sr e p e a t e d l o a d se s t a b l i s h e di nt h et h i r dc h a p t e ra n dt h es o i lc o n s t i t u t i v eu n d e r1 0 n g t e r mr e p e a t e d l o a d sc r e a t e di nt h et h i r dc h a p t e r 5 13 dn u m e r i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dt os i m u l a t es o i la r c h i n ge f f e c to fp a s s i v e p i l e sb yt h es o f t w a r eo ff l a c 3 d s o i la r c h i n ge f f e c to fp a s s i v ep i l e si sv e r i f i e db y c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp i l es p a c e s ，d i f f e r e n tl o a d sa n ds oo ni nt h ep a p e r t h er e s e a r c ho fs o i la r c h i n ge f f e c ti st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep r a c t i c a lc a l c u a t i o n m e t h o di nt h es e v e n t hc h a p t e r 6 、o nt h eb a s eo fn u m e r i c a la n a l y s i si nt h es i x t hc h a p t e ra n dt i t o se a r t hp r e s s u r e c a l c u l a t i o n a lt h e o r y , s o i lp r e s s u r ec o m p u t a t i o n a lm o d eo fp a s s i v ep i l e si sd i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls o i ll a y e ra n ds o i la r c h i n ge f f e c ti nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot i t o s o i lp r e s s u r ec o m p u t a t i o n a lm e t h o dc o n s i d e r i n gs o i la r c h i n ge f f e c ta tt h ep a s s i v es i d e o fp i l e sa n da c t i v ew e d g em o d e la tt h ea c t i v es i d eo fp i l e s p a s s i v ea r c h i n g a c t i v e w e d g em o d e lo fs o i lp r e s s u r ec a l c u l a t i o no fp a s s i v ep i l e si se s t a b l i s h e d s o i lr e s i s t a n c e a c t i n gp i l es h a f ti sc a l c u l a t e db ya c t i v ew e d g em o d e li na c t i v es i d eo fp i l e s s o i l p r e s s u r et r a n s f e r r e dt op i l es h a f tb ys o i la r c h i n ge f f e c ti sa c t e da sa c t i v el o a d s ，t h u s ， e q u i l i b r i u md i f f e r e n t i a le q u a t i o no fp a s s i v ep i l e si ss e tu pa n df i n i t ed i f f e r e n c es o l u t i o n i sd e r i v e do na c c o u n to fu l t i m a t er e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o np a t t e r n t h ep r o g r a mo ff i n i t e d i f f e r e n c ei sd e v e l o p e db ym e a n so fe x c e lv b ad a t as h e e t a tl a s t ，b ya p p l y i n gt h e v b a p r o g r a mt oa n a l y s et w oe n g i n e e r i n ge x a m p l e ，t h ep r a c t i c a lm e t h o db r o u g h t f o r w a r di nt h ep 印e ri sv e r i f i e d k e yw o r d s ：p a s s i v ep i l e ，r e p e a t e dl o a d s ，r h e o l o g i c ，v i s c o e l a s t i cp l a s t i cm o d e l ，s o i l a r c h i n ge f f e c t ，s t r a i nw e d g em o d e l i v 符号说明 符号说明 连接系数 粘聚力 孔隙比 初始孔隙比 初始屈服孔隙比 剪切模量 体积模量 静止土压力系数 法向刚度 切向刚度 土体影响参数 摩擦常数 反复荷载循环次数 天然土膨胀影响系数 超固结比 桩顶受到的水平力 平均应力 参考压力 平均有效应力 硬化参数 先期固结压力 当前加载面状态 土的极限抗力 桩顶受到的竖向力 剪应力 临界重复偏应力 反复荷载强度比 临界重复应力 应力水平 反复荷载剪切强度 桩形系数 桩分段数 体应变历时 泊松比特定体积 参考压力下的特定体积 i x 乞 足 s 4 c p g k k k k o m啊尸p ap以所仇q g吼疋乩瓯卧，o y 符号说明 计算土压力点到地表的距离 粘连系数 楔形体变化的底角 土体重度 桩基线性变形角 弹性应变分量 弹性体积变形 弹性剪切变形 塑性体积变形 塑性剪切变形 应变速率 弹性应变速率 粘塑性应变分量 应变水平到达5 0 极限应变时的应变值 应变水平到达8 0 极限应变时的应变值 应力比 粘滞系数 屈服面衰减参数 膨胀再压缩系数 正常固结线 截面法向应力 竖向土体有效白重应力 最大主应力 最小主应力 抗拉强度 最大抗拉强度 水平极限应力 楔形体面上的平均应力变化 最大水平应力 桩侧剪应力 轴向临界重复偏应力 内摩擦角 应力扩散角 剪应力摩擦角 土体次压缩特性的材料参数 x z口风厂万彤 刁 ， “ 舌艿扩c|；d孙秒r y 一q q叱岘岷瓴f t矿织 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 奄囊斌 2 0 0 6 年弓月跏日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师繇编数学位做作者躲巍栽 溉年月2 1 日 矿年月土口日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：鸯电：c 呔 山功年，月 第一章绪论 第一章绪论 1 1问题的提出与研究背景 桩承担被动荷载是l 程中较为常见的种现象，即被动受荷桩或简称为被动 桩。d eb e e r ( 1 9 7 7 ) ”锻据桩与周围七体的相互作用，将桩基分山两_ 人类：第一 类桩直接承受外荷载并主动向土中传递应力，称为主动桩：第二炎桩基并不直接 承受外荷载，只是山于桩周土体在白重或外荷载作用下发q ：变形或返动向被动地 承受土体传米的压力，称为被动桩。c _ i 于被动桩因土体移动产生的桩侧荷载难以 确定，而；| 还与产q 土体位穆的成囚( 如堆载、开挖、打桩) 有关，因此，被动 桩的问题要比主动桩复杂得多，如果设计不当，会产生严重的工程问题。例如在 软土地基中，堆载或开挖引起的土体水平位移可达到堆载高度或开挖深度的l 2 甚至更大。如此人的侧向位移引起的作用于桩身上的侧向压力会搬大 足以使大尺寸的桩产生变形甚至破坏。由丁被动桩而引发的工程事故屡见不鲜， 其中比较i l 型的是上海宝钢炼钢渣处理厂房由于设计不当m 导致的突然倒塌。 1 9 9 8 年1 月1 0f i 清晨，建造十多年的七海宝钢钢渣处理厂房屋顶系统突然 倒塌了l ”。图11 、图12 、图13 清楚地记录了当时厂房破坏和结构受损的情况。 厂房屋顶系统的倒塌看似偶然，实际上有其必然性的一面。该厂房山h 本设计， 多以同方厂房为样板，来对特殊的软上地基在设计选型和局部构造处理上进行较 为完善的考虑，经过卜多年来的生产运作和生产负荷的一冉扩人，在地基处理和 厂房结构方而的缺陷和不足，随着地基土体的缓缦固结和流变，而同益1 1 现，部 分j 。房行车频繁啃轨，最终导致了厂房的坍塌。 酣1i 某厂房岸顶坍塌时的情况 l 笙| l2 厂房屋顶坍塌中心 同济大学申请博士学位论文长期反复荷载作用下被动桩性状及被动桩计算模式研究 黧煳 翻l3 厂房屋顶刚架节点破坏图圈14 厂房破坏区域及塌落中心位置 从该厂房破坏特征看，轴线之间的屋盖系统全部坍塌，塌落中心位于 轴线的中间地带( 如图1 , 4 所示) ，即从轴线记起为第四榀的正下方部位。 轴线之问的屋架全部变形，扭曲、撕裂、拉断或压屈，塌落在地面，屋架 上部的天窗架也随之砸落在屋架上，支承屋架的上柱一致向坍塌中心弯扭，屋架 及天窗的檩条因连接固定螺栓的崩断而脱落，屋面板和墙皮板被撕落交错在一 起，因此而造成全线停产。 在坍塌事故发生后，因抢修和事故现场清理同时进行，事故现场的保护比较 差，给工程事故的分析造成了一定的困难。为了查清事故发生的原凼，对破坏厂 房附近另一座受力和运行条件相似的厂房进行了检测，结果发现柱子发生了较大 的侧移( 图15 ) 。该场地属于典型的上海软土层( 圈16 ) 。因此，从宝钢炼钢处 理厂房破坏特征、柱基的沉降监测结果以及厂房柱基侧向位移检测资料看，钢渣 处理厂房的倒塌是堆载引起软土的侧向位移，引起过量桩基变形和不均匀沉降， 最终导致上部结构产生次生应力、结构弯扭、撕裂等综合作用的结果。 线峙a 帏刊 b 牡列 一 + 平 + ￥ k j 。 菇j 囊 , , l i f i i x ? 一，7 ，盘幺： 心0 n 0 & i 戮7 燃 d 一_ 图l5 柱子恻移圉( 单位) 圈16 厂区地层条件 随着研究的深入和对厂房倒塌原因的深度分析，逐渐认识到邻近桩基在长期 反复加卸载作用下，产生了土体流变效应和塑性变形累积效应是导致事故的本质 第一章绪论 原斟2 1 。主要表现在： 1 ) 从厂房破坏的整个过程看，土体在地面长期堆载作用下，产生竖向变形 和侧向变形。土体的变形特别是侧向变形与邻近桩基发生桩土相互作用，导致邻 近桩基产生较大的变位、挠曲。当被动受荷桩的桩顶受到竖向荷载作用时，主动 荷载会使被动桩产生附加屈曲和附加弯矩，这种耦合作用加剧了桩基原有的变位 和挠曲，往往会对被动受荷桩造成极为不利的影响，当桩顶上部主动荷载较大时， 这种耦合效应是一种不稳定状态，持续发展的桩基变位和不断增加的桩身弯矩将 不可避免地导致上部建筑物的开裂甚至倒塌。 2 ) 从地基受力的局部阶段看，工业厂房地面要经常承受堆卸载的反复作用， 不仅荷载的分布形式不同，而且荷载的幅度也在不断变化。荷载的变化不仅会对 土的竖向沉降产生影响，更重要的是会影响土体侧向变形，进而会影响邻近桩基 的变形性状。 宝钢钢渣处理厂房的坍塌引起了宝钢决策层的高度重视，为了对宝钢其他厂 房的安全性进行检测，防患于未然，上海宝山钢铁总公司委托同济大学土木工程 学院对“超载条件下工业厂房结构可靠性监控的研究”的课题进行立项研究，长 期反复堆卸载对邻近桩基的影响为其中的一个子项目。 1 2 研究目的和意义 本文将进行长期反复加卸载作用对邻近桩基的影响研究。从桩基、土体与荷 载的相对关系看，本研究属于被动桩与土体相互作用研究的范畴。桩基受到被动 荷载作用是工程中一种常见的现象，主要有如下几种形式【6 】： 1 ) 建于软土地基中的桩基码头，由于港池开挖和堆场的填土而使土体产生显著 的地基沉降和水平位移，从而导致码头的偏位甚至损坏。 2 ) 在挤土桩施工过程中( 如图1 7 a ) ，由于打桩( 或压桩) 引发的挤土效应会使 周围土体产生水平位移，引起邻近桩身挠曲。 3 ) 地面堆载附近的桩基( 如图1 7 b ) ，或路堤旁建筑物的桩基，由于堆载引起地 基土侧向移动，可能对桩基施加巨大的水平荷载。此外，由于桥头路基的影 响，桥台桩基及邻近桥头桥梁桩基也存在同样问题。 4 ) 抗滑桩( 如图1 7 c ) ，人们常利用桩的侧向承载能力来加固边坡，增加边坡的 稳定性，这类桩称为抗滑桩，属于典型的被动桩，在全世界中得到广泛应用。 在我国，每年施工的抗滑桩超过上万根，投资达数亿元。 5 ) 基坑开挖( 如图1 7 d ) 或隧道开挖盾构推进条件下相邻的桩基，此类工程引 起的桩的挠曲变形甚至毁坏不容忽视。为减少桩的侧向变形，开挖一般是分 段分层进行。倘若一次开挖深度过大，土体产生的水平位移会使桩产生挠曲， 同济大学申请博士学位论文长期反复荷载作用下被动桩性状及被动桩计算模式研究 形成被动曲桩。由于曲桩承载力比直桩要低，严重时会危及建筑物的安全。 e 土体压力 班善搿善蓦 、生 彰 e 乏桩耻 弋 ( b ) ( d ) 目土体抗力 支护桩 图1 7 受土体引起侧向荷载的侧向受荷桩应用实例 在主动桩中，桩上的荷载是因，而土的变形和运动是果；在被动桩中，土体 的变形或运动是因，而它在桩身引起的荷载是果。在主动桩中，作用在桩上的外 荷载不随桩土相互作用而发生变化，研究的重点是荷载沿桩身向土体的传递规 律，而在被动桩中，引起桩土相互作用的土体位移不仅与土体本身的性质、桩的 性状、数量和布置等因素有关，而且还与产生土体位移的源( 堆载或构筑物等) 有关。因此相对于主动桩而言，被动的研究要复杂得多。 本文主要研究长期反复加卸载对邻近桩基的影响，土体在堆载作用下会发生 明显的竖向沉降和侧向位移，存在大面积堆载的邻近桩基必然要受到土体的作 用，产生明显的侧移和较大的弯矩。堆载引起的土体位移对邻近桩基的影响包括 两方面：1 ) 在桩身产生负摩阻力，增加桩的竖向荷载并产生不均匀沉降，如华 南某高桩框架码头；2 ) 土体发生水平侧移，使桩产生挠曲变形和较大的弯矩， 从而造成上部结构开裂甚至坍塌，如前述上海宝钢钢渣处理厂房。因此，研究受 土体位移作用的桩基，有必要研究土体位移对桩基变位和承载力的影响，这也是 被动桩设计的关键。 同时，运动土体受到的荷载常常是一种长期反复加卸载，长期反复荷载是工 4 第一章绪论 程中经常遇到的一种荷载形式，如工业厂房和港口码头经常出现的长期反复堆卸 载，海洋平台受到的波浪荷载，作用于路基和桥梁上的交通荷载，高层建筑的风 荷载等等。本文主要讨论地面存在长期反复堆卸载作用时邻近桩基的力学性状， 地面堆载首先是一种长期作用的荷载，同时这种荷载又是一种“准动态荷载， 即堆载的大小是随时间变化的。在长期大面积堆载作用下，土体要发生持续的沉 降变形和侧向变形，如果土体为孔隙比和含水量较大的软土，土体的蠕变变形在 总变形中占有很大的比重。土体的流变是不容忽视的工程问题，特别是在分析受 被动荷载作用的邻近桩基性状时，考虑流变效应不仅是对计算结果的修正，更重 要的是对结构安全度的重新评价，是对潜在危险的重新评估。因此有必要对长期 荷载作用下被动受荷桩进行分析研究，对考虑土体流变特性条件下的土体位移模 式进行探讨。 正如前面所述，工业厂房、港口码头存在的大面积、大量堆载，实际上是一 种长期反复的堆卸载，相应土体的变形是一个长期的、反复累积的过程。在长期、 反复堆卸载条件下，地基响应与土体的动力响应不同，虽然堆载是动态的，但对 于地基土体而言，则表现出相对静止的受力和变形性状( 准静力特性) ，因为这 种堆卸载并不会引起土体质点的加速度。同样，这种准静力特性的堆卸载又与静 力作用下的土体性状有着本质的不同，因为在长期反复加卸载作用下，土体不仅 表现为长期流变效应，而且还有塑性应变的累积过程。对于长期堆载作用下的土 体流变效应，反复荷载作用下塑性应变的累积效应，工程设计中一直没有给与应 有的重视，由此而引起的工程事故屡见不鲜。 因此，开展长期反复荷载作用下土体流变特性的研究，不仅是对土体本构理 论的发展和创新，而且对堆载作用下邻近建筑物桩基的安全性评价也具有重要的 实践价值，同时也对解决车辆荷载作用的软土路堤和桥基、堆卸载反复作用下的 港口码头以及工业厂房提供了有效评价途径。对于这类问题关键是以下两个问题 的研究：1 ) 长期反复荷载作用下土体变形特性的研究；2 ) 受长期反复荷载作用 土体与邻近桩基( 被动桩) 的相互作用特性研究。上述两类问题不仅在各类工业 厂房中普遍存在，在港口海岸桩基结构、低路堤邻近桩基构筑物、储存石油制品 和化学溶剂用的储罐、水塔以及简仓等方面也屡见不鲜。 随着现代计算技术的提高，弹性理论分析已经得到了广泛的应用，结合复杂 的弹塑性模型和日趋成熟的有限元法的长期反复堆卸载作用下的预测技术将会 逐渐在工程实践中得到应用。而其中的一个关键问题是循环荷载作用下软土的流 变特性研究。本文将基于临界状态土压力学理论建立可以描述软粘土循环流变特 性的弹粘塑性本构模型，为利用先进的本构理论分析反复堆卸载作用下被动桩提 供理论基础。应用建立的本构模型，分析长期反复堆卸对自由场地基的沉降变形 同济人学申请博士学位论文长期反复荷载作用下被动桩性状及被动桩计算模式研究 和侧向变形进行分析，在此基础上进一步探讨侧移土体与邻近桩基的相互作用性 状。本文的后一部分提出一个被动桩的实用计算方法。 1 3 本文研究内容 1 ) 对国内外被动桩与土体相互作用的研究现状、研究方法进行综述，对堆载作 用下运动土体对邻近建筑物桩基影响的研究成果进行总结，对被动桩亟待研 究的一些问题进行展望。为了研究长期反复加卸载对邻近桩基的影响，对长 期荷载作用下，土体变形时效性的研究方法进行分类，对长期反复加卸载作 用下土体流变特性的研究现状和考虑流变特性本构理论的研究现状进行总 结。 2 ) 建立大循环次数荷载作用下土体的简化分析模型，确定模型计算参数和反复 荷载作用下桩土相互作用有限元计算格式，编制平面应变有限元程序。应用 该程序对反复荷载作用下土体与临近桩基相互作用的性状进行系统分析，通 过不同参数的选取，分析反复荷载作用下自由场地基中( 无桩条件) 土体沉 降变形、水平位移大小和分布模式，探讨侧移土体对邻近桩基性状的影响。 3 ) 采用元件模型耦合改进剑桥模型的方法建立长期反复加卸载作用下土体的本 构模型。改进基于临界状态土力学理论的修正剑桥模型，使其能够描述反复 d n 缶i j 载作用下土体的荷载记忆特性和塑性累计特性。将以上模型与流变元件 模型耦合，由此建立能够考虑长期反复加卸载效应的粘弹一粘塑性流变模型。 将以上模型嵌入f l a c 有限差分软件，